commit to user
Gambar 2.9
. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.
Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Standard Elliptical Fin SEF.
Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah
1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin
karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.
b. N fin
Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5
kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama dengan
circular fin. Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas
dapat dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran flow separation dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip pin
dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik, misalnya pada sirip pin kubus. Karena
kuatnya gaya inersia dari aliran fluida di sekitar sirip pin, aliran tidak dapat melekat pada permukaan sirip bagian belakang downstream dari sudut yang
tajam. Selain itu, perubahan lintasan aliran secara tiba-tiba di sekeliling sirip pin kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen turbulent
vortex shedding, yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip pin tersebut.
commit to user
2.2.4. Aplikasi sirip pin
Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat
penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya
dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam internal cooling dekat trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini
memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output.
Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam
internal cooled
Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10 trailing
edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.
Pendingin dari pangkal sudu blade base bergerak memutar ke samping kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin
kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran
segiempat rectangular channel dengan aliran keluar yang lurus.
commit to user
2.2.5. Perpindahan panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan perpindahan distribusi energi berupa panas yang terjadi karena
adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu :
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam padat bertemperatur
tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi
adalah :
x T
A k
Q D
- =
2.1 dimana:
Q = laju perpindahan panas Watt k = konduktivitas panas Wm.
o
C A = luasan perpindahan panas arah normal Q m
2
∆T = beda temperatur
o
C x = ketebalan bahan m
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi
adalah :
¥
- =
T T
A h
Q
w
. .
2.2 dimana:
Q = laju perpindahan panas Watt h = koefisien perpindahan panas konveksi Wm
2 o
C A = luasan perpindahan panas arah normal Q m
2
T
w
= temperatur permukaan benda
o
C T
¥
= temperatur fluida
o
C
commit to user
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 yaitu menggunakan rumus :
s e
4
T A
Q =
2.3 dimana:
Q = panas yang dipancarkan Watt ε = emisivitas permukaan benda 0 s.d. 1
A = luas perpindahan panas m
2
T = temperatur permukaan benda K σ = konstanta Stefan Boltzmann Wm
2
.K
4
Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya ε adalah 1 dan besar nilai
σ = 5,67.10
-8
Wm
2
.K
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 dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam kecepatan lapis batas. Untuk kontrol
volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume.
Gaya inersia dalam bentuk
[ ]
x u
u ¶
¶ r
didekati dengan persamaan :
L V
F
I 2
r =
. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
[ ]
y y
u
y yx
¶ ¶
¶ ¶
= ¶
¶
m t
dan dapat didekati dengan persamaan :
2
L V
F
s
m
=
. Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis :
L s
I
VL L
V L
V F
F Re
2 2
= =
= m
r m
r 2.4
commit to user
Untuk harga Re yang tinggi , gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih berpengaruh
dari gaya inersia. b. Nusselt Nusselt Number
Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas
termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan :
f
k hD
Nu =
2.5
dimana : Nu
= bilangan Nusselt
h = koefisien perpindahan panas konveksi Wm
2
.
o
C D
= diameter m k
f
= konduktivitas termal fluida Wm.
o
C Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re. Apabila fungsi
bilangan Re diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.
2.2.7.
Perhitungan perpindahan panas dan faktor gesekan pada 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 :
Q
elect
= Q
conv
+ Q
loss
2.6 dimana :
Q
elect
= laju aliran panas dari listrik W Q
conv
= laju perpindahan panas konveksi W
commit to user
Q
loss
= laju aliran panas yang hilang dari sistem heat loss W Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang
disuplai ke permukaan. Kehilangan panas heat loss dari sistem bisa karena; i radiasi dari permukaan dan ii konduksi melalui dinding-dinding saluran ke
atmosfer. Sehingga persamaan 2.6 dapat ditulis menjadi : Q
elect
= Q
conv
+ Q
rad
+ Q
cond
2.7 dimana :
Q
rad
= laju perpindahan panas radiasi W Q
cond
= laju perpindahan panas konduksi W Pada penelitian yang serupa, Naik et al 1987 dan Hwang dan Liou 1995
melaporkan bahwa total kehilangan panas secara radiasi dari permukaan uji yang
serupa sekitar 0,5 dari total input panas listrik, sehingga kehilangan panas secara
radiasi diabaikan. Kehilangan panas 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 kehilangan panas karena konduksi dapat diminimalisir. Analisis data akan memuaskan jika
persentase total heat loss, Q
elect
–Q
conv
Q
conv
kurang dari 10 Naphon, P., 2007.
Maka persamaan 2.7 menjadi : Q
elect
= Q
conv
2.8 Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah :
ú û
ù ê
ë é
÷ ø
ö ç
è æ
+ -
= 2
. .
out in
b s
conv
T T
T A
h Q
2.9
dimana : Q
conv
= laju perpindahan panas konveksi W
commit to user
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata Wm
2
.K A
s
= luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly m
2
T
b
= temperatur plat dasar base plate K T
in
= temperatur inlet dari aliran udara K T
out
= temperatur outlet dari aliran udara K Dari persamaan 2.9, Q
conv
dapat juga dinyatakan dengan : Q
conv
= 2.10
dimana : = laju aliran massa udara kgs
C
p
= panas jenis udara Jkg.K T
in
= temperatur inlet aliran udara K T
out
= temperatur outlet aliran udara K Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata h dapat dihitung dengan
menggunakan kombinasi persamaan 2.9 dan 2.10 sehingga didapatkan bahwa :
[ ]
2 .
. .
in out
b s
in out
p
T T
T A
T T
C m
h +
- -
= 2.11
Dari persamaan 2.11 laju aliran massa, , dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan : = r. A
t
. V 2.12
dimana : r
= massa jenis densitas udara kgm
3
A
t
= luas penampang saluran udara m
2
commit to user
Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearence
nol
Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar 2.11, maka A
t
dihitung dengan rumus :
A
t
= H. W
b
2.13 V
= kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara ms A
s
adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip-sirip pin persegi
berlubang, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : A
s
= W
b
.L + 2 a + b.H.N
f
+ p.d.a.N
f
– ½ .π.d
2
. N
f
– a.b.N
f
2.14 dimana :
W
b
= lebar base plate untuk pin fin assembly m L
= panjang base plate untuk pin fin assembly m N
f
= jumlah total sirip pin persegi berlubang dalam pin fin assembly H
= tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin persegi berlubang m
commit to user
a, b = panjang sisi-sisi sirip pin persegi berlubang m
d = diameter lubang pada sirip pin persegi m
Dari persamaan 2.11 nilai-nilai T
b
, T
in
dan T
out
diukur dari percobaan yang dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara C
p
dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T
f
= T
in
+ T
out
2 menggunakan persamaan sebagai berikut :
C
p
= [9,8185 + 7,7 x 10
-4
T
in
+ T
out
2] x 10
2
Jkg.K 2.15
Persamaan 2.15 berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan
K 400
2 K
250 £
+ £
out in
T T
Parameter tanpa dimensi dimensionless yang digunakan dalam perhitungan perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai
berikut : a. Bilangan Reynolds Re
Dua jenis bilangan bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran. Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-
rata V dalam saluran halus smooth duct dan diameter hidrolik dari saluran D
h
dan dinyatakan dengan :
Re
= 2.16
Re =
2.17 Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui pin fins dan ketebalan
dari pin fins, yaitu : Re
D
= 2.18
dimana V
maks
adalah kecepatan maksimum melalui pin fins dan diberikan dengan persamaan :
V
maks
= 2.19
commit to user
Re
D
telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada sirip pin, dan Re
D
tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi dari sirip pin. Re diatas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan Re
D
disebut sebagai pin Reynolds number.
b. Bilangan Nusselt Nu Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata dinyatakan
juga dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturut- turut dinyatakan dengan persamaan :
Nu = 2.20
Nu = 2.21
dimana : Re
= duct Reynolds number Re
D
= pin Reynolds number V
= kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara ms V
maks
= kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin ms D
h
= diameter hidrolik dari saluran udara m d
= diameter sirip pin m n
= viskositas kinematik udara m
2
s r
= massa jenis udara kgm
3
µ = viskositas dinamik udara kgm.s
A = luas penampang saluran m
2
A
front
= luas frontal dari sirip-sirip m
2
Nu = duct Nusselt number
Nu
D
= pin Nusselt number h
= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata Wm
2
.K k
= konduktifitas termal udara Wm.K
commit to user
Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, D
h
, dihitung dengan persamaan :
b b
h
W H
W H
P A
D +
= =
2 .
. 4
. 4
2.22
Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T
f
= T
in
+ T
out
2 menggunakan persamaan sebagai berikut : µ
= [4,9934 + 4,483 x 10
-2
T
in
+ T
out
2] x 10
-6
kgm.s 2.23
k = [3,7415 + 7,495 x 10
-2
T
in
+ T
out
2] x 10
-3
Wm.K 2.24
Persamaan 2.23 dan 2.24 berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan
K 400
2 K
250 £
+ £
out in
T T
2.2.7.2 Perhitungan faktor gesekan Friction Factor
Penelitian penurunan tekanan pressure drop sepanjang seksi uji dalam saluran bersirip diukur dibawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi
ke faktor gesekan friction factor, f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai pengukuran penurunan tekanan, DP , sepanjang seksi uji menggunakan persamaan
ú ú
û ù
ê ê
ë é
÷ ÷
ø ö
ç ç
è æ
÷÷ ø
ö çç
è æ
= 2
Δ
2
V ρ
D L
P f
h t
2.25
dimana : f
= faktor gesekan DP
= perbedaan tekanan statik Nm
2
L
t
= panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji m D
h
= diameter hidrolik m r
= massa jenis udara kgm
3
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara ms
commit to user
2.2.7.3 Perhitungan unjuk kerja termal pin-fin assembly
Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan mengorbankan penurunan tekanan. Banyak aplikasi praktis hal tersebut dibolehkan, sehingga perlu untuk
menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan pengaruh sirip-sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi overall dari
sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal. Daya pemompaan pumping power adalah daya yang dibutuhkan
untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya blower. Daya pemompaan blower dapat diukur dari besaran
arus dan tegangan listriknya. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan,
adalah berguna untuk menentukan efektivitas peningkatan perpindahan kalor dari
promotor perpindahan panas dibandingkan dengan permukaan halus, sedemikian sehingga :
2.26 Dimana
dan berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa
halangan blocks dan dengan halangan, sedangkan dan
berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa dan dengan halangan. Mengunakan persamaan
Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus
untuk daya pemompaan yang sama, persamaan 2.26 dapat ditulis ulang menjadi :
2.27 Efisiensi peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan
yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut : h
= h
a
h
s P
2.28 dimana :
h
a
= koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip Wm
2
.K
commit to user
h
s
= koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip Wm
2
.K Jika nilai h
≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika h
≤ 1, energi yang telah digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang
diperoleh.
commit to user
29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
