PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET CLASSIC TWISTED TAPE DAN PERFORATED

commit to user

PENGUJIAN KARA GESEKAN PADA

PERSEGI DENG

FAKULTAS TEKN

RAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS D A PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK NGAN CLASSIC TWISTED TAPE DAN PER

TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

BROTO KUNCORO NIM: I0406019

JURUSAN TEKNIK MESIN

S TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS

SURAKARTA

2011

S DAN FAKTOR RIK SALURAN

ERFORATED

commit to user

iii

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN

FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA

KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN CLASSIC

TWISTED TAPE DAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT

Disusun oleh :

Broto Kuncoro NIM. I0406019

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

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

Dosen Pembimbing II

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

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari

1. Zainal Arifin, ST., MT ………

NIP. 19730308 200005 1001

2. Ir. Augustinus Sujono., MT ………... NIP. 19511001 198503 1001

3. Zainal Arifin, ST., MT ………...

NIP. 19730308 200005 1001

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir

Didik Djoko Susilo, ST., MT Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT NIP. 19720313 199702 1001 NIP. 19720229 200012 1001

commit to user iv

MOTTO

“Kesabaran dan totalitas merupakan kunci untuk menyelesaikan

setiap persoalan”

commit to user

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

Perforated Twisted Tape Insert

Broto Kuncoro

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail : broto.kuncoro@gmail.com

Abstrak

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

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

Kata kunci : bilangan Nusselt, bilangan Reynolds, classic twisted tape insert, faktor gesekan, perforated twisted tape insert

commit to user

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

Tape Insert and Perforated Twisted Tape Insert Broto Kuncoro

Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail : broto.kuncoro@gmail.com

Abstract

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

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

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

commit to user

vii

!!!!

" !

" !

" !

" ! #### ! $ ! $ ! $ ! $ %%%%

# ##

# """" &&&& $$$$ '''' '''' $$$$

" " " " # (

# ( # (

# ( )))) *&*&*&*&++++

!!!!

" ! " ! " !

" ! ,,,, !!!! ---- !!!! ....

/01 -/01 -/01

-/01 - ....

commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji hanya tercurah kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi Dengan Classic Twisted Tape Dan Perforated Twisted Tape Insert” ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:

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

2. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

3. Bapak Tri Istanto, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

4. Bapak Purwadi Joko W, ST. Mkom, selaku Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.

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

6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Bapak, Ibu, Mas Eko, Mbak Tini, Mbak dwi, Mas Kelik, Mbak Tuti, Mas Roy dan adik Asri, atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

8. Teman Skripsi Usman Latif, Wahyu Aris, Kurniawan Wisnu, Fatchurahman Septian, Safi’i Muhammad, dan Pamungkas wiyoko bagus.

commit to user

ix

9. Kerehore foundation Danu bejo, ipank kusuma, Endra William beserta keluarga, Reza Ejayona, Rico cancel dan andri nyong.

10.Teman-teman limited edition angkatan 2006

11.Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.

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

Surakarta, Juni 2011

commit to user x

DAFTAR ISI

Halaman judul ... i

Halaman Surat Penugasan ... ii

Halaman Pengesahan ... iii

Halaman Motto ... iv

Halaman Abstrak ... v

Halaman Persembahan ... vii

Kata Pengantar ... viii

Daftar isi ... x

Daftar Tabel ... xiii

Daftar Gambar ... xiv

Daftar Notasi ... xviii

Daftar Lampiran ... xxi

BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Masalah ... 1

1.2.Perumusan Masalah ... 3

1.3.Batasan Masalah ... 3

1.4.Tujuan dan Manfaat ... 4

1.5.Sistematika Penulisan ... 5

BAB II LANDASAN TEORI 2.1.Tinjauan Pustaka ... 6

2.2.Dasar Teori ... 10

2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ... 10

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

2.2.2.1. Kondisi aliran ... 11

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

commit to user xi

2.2.2.4. Penukar Kalor ... 14

2.2.2.5. Parameter Tanpa Dimensi ... 18

2.2.2.6. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor ... 19

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

2.2.2.8. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan ... 31

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian ... 47

3.2 Bahan Penelitian ... 47

3.3 Alat Penelitian ... 47

3.4 Prosedur Penelitian ... 64

3.4.1. Tahap Persiapan ... 64

3.4.2. Tahap Pengujian ... 64

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

3.4.2.2. Pada Penukar Kalor Dengan Twisted Tape Insert . 65 3.5 Metode Analisis Data ... 67

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 68

BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1.Data Hasil Pengujian ... 69

4.2.Perhitungan Data ... 74

4.2.1. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5 LPM pada variasi tanpa insert ... 75

4.2.2. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5 LPM dengan perforated twisted tape insert I ... 81 4.2.3. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju

commit to user xii

insert II ... 86

4.2.4. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5 LPM dengan classic twisted tape insert ... 90

4.2.5. Pumping power ... 95

4.2.6. Menentukan hi, η, Re, Nui, f, ε, NTU pada daya Pemompaan yang sama... 96

4.3.Analisis Data 4.3.1 Uji Validitas pipa dalam tanpa twisted tape insert ... 106

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert terhadap karakteristik perpindahan panas ... 108

4.3.3 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap unjuk kerja termal ... 112

4.3.4 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap rasio bilangan Nusselt ... 114

4.3.5 Pengaruh twisted tape insert terhadap Efektivenes penukar kalor (ε) ... 115

4.3.6 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert penurunan tekanan ... 117

4.3.7 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert terhadap faktor gesekan (ƒ) ... 118

4.3.8 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert dengan rasio faktor gesekan (ƒ/ƒp) ... 120

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 122

5.2. Saran ... 123

DAFTAR PUSTAKA ... 125

commit to user xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Spesifikasi pompa DAB ... 58

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

dalam pada variasi tanpa twisted tapeinsert (plain tube). ... 70 Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam

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

Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert II(diameter lubang 4 mm) ... 72 Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam

dengan variasi classic twisted tape insert ... 73

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

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

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

commit to user xiv

DAFTAR GAMBAR

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

(c) Notched twisted tape ; (d) Jagged twisted tape ... 9 Gambar 2.2. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan

pada saluran masuk aliran pipa. ... 12 Gambar 2.3. Profil temperatur aktual dan rata–rata pada aliran dalam pipa ... 13 Gambar 2.4. (a) arah aliran fluida ; (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor searah ... 14 Gambar 2.5. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor berlawanan arah ... 15 Gambar 2.6 . Penukar kalor pipa konsentrik saluran perseggi ... 16 Gambar2.7. Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar

kalor pipa konsentrik saluran persegi ... 17 Gambar 2.8. Jenis-jenis peralatan tube insert ... 22 Gambar 2.9. Jenis-jenis twisted tape; (a) full-length twisted tape,

(b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying

pitch full-length twisted tape ... 25 Gambar 2.10. Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted

tape, (b) perforated twisted tape, (c) notched twisted tape,

(d) jagged twisted tape ... 26 Gambar 2.11. Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio ... 26 Gambar 2.12. (a) Typical twisted tape ; (b) C-CC twisted tape dengan θ = 30o

(c) C-CC twisted tape dengan θ = 60o ; (d) C-CC twisted tape dengan θ = 90o ... 27 Gambar 2.13. (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs)

dan (c) twin counter twisted tapes (CTs) ... 27 Gambar 2.14. Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre

commit to user xv

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

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

Gambar 2.16. (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar ... 29

Gambar 2.17. Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted tape with alternate axis, (a) pandangan depan, (b) pandangan isometric ... 30

Gambar 2.18. (a) Straight delta-winglet twisted tapes (S-DWT) (b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT) ... 30

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

Gambar 2.20. Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert ... 37

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

Gambar2.22. Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor pipa konsentrik ... 44

Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert ... 48

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

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

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

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

Gambar 3.6. (a) Classic twisted tape insert, (b) Perforated twisted tape insert dengan lubang 4 mm, (c) Perforated twisted tape insert dengan lubang 6,5 mm ... 50

Gambar 3.7. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses Pembubutan ... 51

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

commit to user xvi

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

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

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

Gambar 3.13. (a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel tipe-K ... 56

Gambar 3.14. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar di inner tube dan outer tube ... 57

Gambar 3.15. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding luar pipa dalam ... 57

Gambar 3.16. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik pemasangan ... 57

Gambar 3.17 Thermocouple reader ... 58

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

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

Gambar 3.20 Flowmeter ... 60

Gambar 3.21. Penjebak air ... 60

Gambar 3.22. Manometer ... 61

Gambar 3.23. Stop kran ... 61

Gambar 3.24. Ball valve ... 62

Gambar 3.25. Temperature controller ... 62

Gambar 3.26. Pemanas air elektrik ... 63

Gambar 3.27. Stopwatch ... 63

Gambar 3.28. Timbangan digital ... 63

Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi ... 74

Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan pumping power ... 96

Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam dengan pumping power ... 98

commit to user xvii

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

dengan pumping power ... 99 Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan

pumping power ... 100

Gambar 4.6. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan

pumping power ... 101 Gambar 4.7. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan pumping power ... 102

Gambar 4.8. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube ... 106 Gambar 4.9. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk

plain tube ... 108 Gambar 4.10 Grafik hubungan antara Nui dengan Re ... 109 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ... 111 Gambar 4.12. Grafik hubungan η dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ... 113 Gambar 4.13 Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ... 115 Gambar 4.14 Grafik hubungan ε penukar kalor dengan NTU ... 115 Gambar 4.15. Grafik hubungan ∆P dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ... 117 Gambar 4.16. Grafik hubungan f dengan Re ... 119 Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan

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

commit to user xviii

DAFTAR NOTASI

2a = Panjang sisi dalam pipa dalam (m) 2b = Panjang sisi luar pipa dalam (m) 2c = Panjang sisi dalam pipa luar (m) 2d = Panjang sisi luar pipa luar (m)

Ac = Luas penampang melintang aliran (m2)

Ai = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2) Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2) As = Luas perpindahan panas (m2)

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

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

Dh,i = Diameter hidrolik pipa dalam (m) Dh,o = Diameter hidrolik annulus (m)

D = diameter dalam pipa dalam (m) di = Diameter dalam pipa (m) Dh = Diameter hidrolik (m) f = Faktor gesekan

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

H = Panjang pitch twisted tape insert (m)

hi = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC) ho = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC) hp = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape insert (W/m2.oC)

hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape insert (W/m2.oC)

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

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

commit to user xix

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

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

= Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s) Nui = Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

p = Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert) p = Keliling terbasahi (wetted perimeter) (m) pp = Daya pemompaan konstan

Pr = Bilangan Prandtl

Q = Laju perpindahan panas (W)

Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)

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

Re = Bilangan Reynolds

Red = Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa t = Tebal twisted tape insert (m)

Tc,in = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC) Tc,out = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC) Th,in = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC) Th,out = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

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

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

o C) U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC) uc = Kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)

um = Kecepatan rata–rata fluida (m/s)

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

s = Swirl generator (pipa dengan twisted tape insert) Sw = Swirl number

commit to user xx

Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa

dalam (W/m2.oC)

ν = Viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s) V = Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)

= Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s) y = Twist ratio

Greek symbol

α _{= Sudut heliks (}o₎

∆h = Beda ketinggian fluida manometer (m)

∆P = Penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)

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

∆T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor (oC) ∆TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature

different) (oC)

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

µi = Viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s) µw = Viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s) η = Efisiensi peningkatan perpindahan panas

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

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

commit to user

xxi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran A. Data hasil pengujian ... 128 Lampiran B. Hasil perhitungan penukar kalor tanpa dan dengan twisted

tape insert ... 132 Lampiran C. Hasil perhitungan penukar kalor dengan dan tanpa twisted

tape insert pada pumping power sama ... 145 Lampiran D. Tabel Kondukivitas thermal material ... 148 Lampiran E. Properties air ... 149

commit to user

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi untuk meningkatkan perpindahan panas (heat transfer enhancement technology) pada penukar kalor banyak dikembangkan dan dipergunakan pada beberapa aplikasi penukar kalor antara lain pada sistem pendingin, otomotif, proses industri, dan pemanas air tenaga surya. Tujuan utama dari peningkatan perpindahan panas adalah untuk mengakomodasi fluks panas atau koefisien perpindahan panas yang tinggi. Sampai saat ini, telah banyak percobaan untuk mengurangi ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor. Variabel-variabel yang paling signifikan dalam pengurangan ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor pada dasarnya adalah koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan (pressure drop). Penurunan tekanan ini sangat berpengaruh terhadap besarnya energi dari pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida tersebut atau yang biasa disebut dengan daya pemompaan (pumping power).

Peningkatan perpindahan panas dalam penukar kalor dapat dicapai dengan banyak teknik, dan teknik-teknik ini dapat diklasifikasikan dalam 3 kelompok yaitu; teknik pasif, teknik aktif dan teknik campuran. Dalam teknik aktif, peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan memberikan tambahan energi aliran ke fluida. Dalam teknik pasif, peningkatan perpindahan panas diperoleh tanpa menyediakan tambahan energi aliran. Dalam teknik campuran, dua atau lebih dari teknik aktif dan pasif digunakan secara simultan untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas, dimana peningkatan perpindahan panas lebih tinggi daripada jika teknik-teknik peningkatan perpindahan panas dioperasikan secara terpisah. Penggunaan twisted tape insert dalam sebuah pipa ini merupakan teknik peningkatan perpindahan panas dengan metode pasif yang paling sering digunakan dalam penukar kalor karena harganya murah, ringkas dan perawatannya mudah.

Lapis batas termal (thermal boundary layer) adalah hal yang penting sekali dalam perpindahan panas antara fluida dan dinding pipa. Lapis batas termal

commit to user

berkaitan dengan jenis aliran fluida, dan ketebalan lapis batas termal lebih besar dalam aliran laminar. Sehingga, perpindahan panas dalam aliran turbulen terjadi lebih cepat daripada yang terjadi dalam aliran laminar, karena lebih tipis ketebalan lapis batas termal, dan pusaran-pusaran mengangkut energi termal sangat cepat dari satu tempat ke tempat dalam inti turbulen dari aliran. Teknologi penyisipan twisted tape insert banyak digunakan pada berbagai industri yang menggunakan penukar kalor. Penambahan twisted tape insert pada pipa penukar kalor merupakan teknologi peningkatan perpindahan panas konveksi yang sederhana dengan menghasilkan aliran yang turbulen. Penambahan twisted tape insert membuat lapis batas termal pada permukaan pipa penukar kalor menjadi tidak beraturan, karena perubahan fluks panas yang terus menerus pada permukaan. Aliran turbulen dan berputar (swirl flow) pada pipa penukar kalor menyebabkan lapis batas termal menjadi lebih tipis dan akibatnya menghasilkan koefisien perpindahan panas konveksi yang tinggi.

Penurunan tekanan fluida mempunyai hubungan langsung dengan perpindahan kalor dalam penukar kalor, operasi, ukuran, dan faktor–faktor lain, termasuk pertimbangan ekonomi. Semakin besar penurunan tekanan maka semakin besar pula daya pemompaan yang diperlukan, dimana hal ini berhubungan dengan adanya gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi penurunan tekanan lain sepanjang lintasan aliran fluida. Adanya penurunan tekanan berarti terdapat kehilangan energi karena adanya gesekan antara fluida dengan permukaan saluran. Oleh sebab itu, peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi dengan meningkatkan turbulensi aliran dalam pipa harus dikaitkan dengan nilai penurunan tekanan yang dihasilkan akibat peningkatan turbulensi aliran fluida tersebut. Efektivitas optimum dari modifikasi ini adalah perbandingan koefisien perpindahan kalor konveksi yang baik diikuti dengan penurunan tekanan yang kecil.

Teknik peningkatan perpindahan panas sebagian besar dirancang untuk alat penukar kalor yang ringkas. Hampir semua penukar kalor ringkas dengan penyisipan twisted tape insert yang diteliti mempunyai penampang lingkaran, dan belum banyak penelitian mengenai penukar kalor dengan penampang persegi (rectangular), walaupun banyak ditemukan penukar kalor dengan penampang

commit to user

3

persegi dalam aplikasi industri, misalnya pada plate fin heat exchangers. Jika dibandingkan dengan penukar kalor penampang lingkaran, penukar kalor dengan penampang persegi memberikan perbandingan luas permukaan terhadap volume yang lebih tinggi.Meskipun pada sudutnya merupakan tempat yang kurang efektif untuk perpindahan panas. Karena twisted tape insert menimbulkan pusaran aliran sekunder (dengan efek mengaduk), maka akan lebih baik mempelajari unjuk kerja dari twisted tape insert yang disebabkan oleh pusaran aliran yang melalui saluran persegi. (Ray, S., 2003).

Oleh karena itu, penelitian mengenai peningkatan perpindahan panas pada sebuah penukar kalor dengan twisted tape insert penting untuk dikembangkan. Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :

1. Alat penukar kalor berupa pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa adalah persegi dengan lebar celah antar pipa konstan sebesar 1,625 mm, diameter hidrolik pipa dalam 17,2 mm, diameter hidrolik annulus 3,25 mm dengan panjang penukar kalor 1,998 mm dan jarak antar pressure tap sebesar 2,018 mm. 2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium dimana friction factor

diperhatikan. Pada pipa luar (outer tube); panjang sisi luar 23,05 mm x 23,05 mm, dan panjang sisi dalam 21,75 mm x 21,75 mm, dan pipa dalam (inner tube); panjang sisi luar 18,50 mm x 18,50 mm, dan panjang sisi dalam 17,20 mm x 17,20 mm.

commit to user

3. Classic twisted tape insert berupa aluminium strip yang dipasang pada pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai twist ratio 4, sedangkan perforated twisted tape insert berupa aluminium strip yang dipasang pada pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai twist ratio 4 dengan diameter lubang divariasi 4 mm dan 6,5 mm.

4. Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah (counter flow).

5. Pipa luar diisolasi dengan glasswool isolator sebanyak 5 lapisan sehingga perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi.

6. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar (horizontal). 7. Fluida yang digunakan dalam pengujian ini adalah air panas dan air dingin. 8. Parameter yang dibuat konstan yaitu debit aliran air dingin di annulus dan

temperatur air panas masuk ke pipa dalam sebesar 60oC.

9. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam dan pada temperatur kamar. 10. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.

11. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini adalah 14 titik yaitu: 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air panas masuk seksi uji, dan 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air panas keluar dari seksi uji sedangkan 10 titik lagi dipasang di sepanjang dinding luar pipa dalam secara selang-seling.

1.4 Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

2. Mengetahui pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

commit to user

5

Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut: 1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu

penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan panas secara pasif dengan menggunakan twisted tape insert.

2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori tentang metode peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

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

commit to user

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1Tinjauan Pustaka

Ray S. dan Date, A.W (2003) melakukan penelitian mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada pipa saluran persegi dengan twisted tape insert. Pipa persegi mempunyai panjang sisi 9,5 mm, tebal 5 mm dan panjang 3.000 mm. Pada 1.000 mm pertama dari saluran tersebut merupakan daerah masuk (entrance region) dan diharapkan aliran kembang penuh akan terjadi pada panjang 2.000 mm berikutnya. Pipa persegi ditutup dengan plat acrylic dengan tebal 5 mm dan dibalut serapat mungkin untuk memperkecil kehilangan energi panas ke lingkungan. Penelitian dilakukan pada pipa saluran persegi sepanjang 2.000 mm setelah entrance region. Tekanan diukur dengan menggunakan manometer yang terpasang pada bagian atas dari pipa saluran persegi dan dihubungkan ke pressure taps. Air dengan temperatur yang dijaga konstan digunakan sebagai fluida kerja dalam penelitian ini. Suhu air diukur untuk menghitung sifat fluida. Pada bilangan Reynolds, 100 < Re < 3.000, fluida dialirkan dari tangki atas, dimana ketinggian dijaga konstan Sedangkan untuk laju kecepatan aliran yang tinggi, air dipompakan secara langsung dari pompa sentrifugal tanpa adanya hambatan ke seksi uji. Kecepatan aliran dihitung dengan mengumpulkan air dalam wadah yang dikalibrasi secara volumetrik untuk waktu sekitar 5-10 menit, tergantung pada kecepatan aliran. Penelitian dilakukan pada pipa persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert. Twisted tape insert dibuat dengan memvariasikan rasio twisted tape menjadi 3 jenis yaitu 10,28, 5,64 dan 3,14. Pada penelitian ini twisted tape insert dibuat dari metalic strips dengan ketebalan 0,3 mm. Penelitian dilakukan pada daerah laminar (100 < Re < 3.000), transisi (1.500 < Re < 3.000) dan turbulen (8.000 < Re < 87.000). Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt dan faktor gesekan (friction factor) tertinggi adalah penelitian dengan menambahkan twisted tape insert dengan twist ratio 3,14.

Noothong W., Eiamsa-ard S. dan Promvonge P. (2006) meneliti tentang pengaruh twisted tape insert pada pipa penukar kalor. Penukar kalor berupa pipa

commit to user

7

konsentrik lurus yang terbuat dari plexiglas yang disambung secara teratur dengan flange pada jarak 1,0 m. Penukar kalor mempunyai diameter dalam pipa luar (outer tube) 50 mm dan lintasan aliran di annulus 20 mm dalam arah radial dari pusat pipa dalam. Udara panas dialirkan dari blower 7,5 kW secara langsung ke sisi pipa dalam dan air dingin dipompakan ke sisi annulus. Aliran yang diamati mempunyai rentang bilangan Reynolds antara 2.000-12.000. Sisipan pita terpilin (twisted tape insert) mempunyai rasio putiran 5,0 dan 7,0. Twisted tape insert terbuat dari aluminium dengan ketebalan 1 mm dan lebar 19,5 mm yang dipuntir dibawah tekanan tariknya dalam pipa lurus dengan posisi mendatar saat salah satu ujungnya dijepit. Penurunan tekanan sepanjang pipa diukur dengan manometer pipa U, yang diisi cairan manometer dengan nilai SG = 0,826. Flowmeter udara dan flowmeter air digunakan untuk mengukur laju aliran udara panas dan laju aliran air dingin. Temperatur udara panas dan dingin diukur dengan termokopel tipe-K. Hasil penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt pada pipa dalam meningkat 188% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 dan meningkat sebesar 159% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0 dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Sedangkan faktor gesekan untuk untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 meningkat 3,37 kali dan untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0 meningkat 2,94 kali dibandingkan penukar kalor tanpa twisted tape insert.

Ahamed, J.U dkk. (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan panas pada aliran turbulen pada sebuah pipa dengan menyisipkan perforated twisted tape inserts. Pipa yang digunakan mempunyai diameter 70 mm dan panjang 1.500 mm. Pipa diisolasi untuk meminimalkan hilangnya energi panas ke lingkungan. Fluida yang digunakan berupa udara yang temperaturnya dijaga pada temperatur tertentu dan mempunyai bilangan Reynolds berkisar 1,3 x 104 sampai dengan 5,2 x 104. Twisted tape inserts terbuat dari mild steel mempunyai panjang 1.500 mm dan mempunyai lebar 55 mm. Penelitian menggunakan 7 variasi perforated twisted tape insert yang mempunyai twist ratio (y) yang sama sebesar 4,55, akan tetapi diameter lubang divariasi antara 3 mm sampai 9 mm dengan jarak antar lubang pada arah aksial sebesar 15 mm dan jarak lubang pada arah melintang sebesar 20 mm. Pengukuran dilakukan terhadap kecepatan udara,

commit to user

temperatur udara, temperatur dinding pipa dan penurunan tekanan pada pipa baik yang menggunakan twisted tape insert maupun tanpa menggunakan twisted tape insert. Penelitian bertujuan untuk menghitung koefisien perpindahan panas, bilangan Nusselt, dan daya pemompaan (pumping power). Hasil dari percobaan menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama koefisien perpindahan panas pada pipa dengan perforated twisted tape inserts meningkat sampai dengan 5,5 kali dibandingkan plain tube dan daya pemompaan juga meningkat sampai 1,8 kali dan efektifitas dari penukar kalor meningkat sampai 4,0 kali dengan adanya perforated twisted tape inserts.

Chiu, Y.W dan Jang J.Y. (2009) mempelajari tentang karakteristik aliran udara pada pipa dalam penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube heat exchanger) dengan longitudinal strip inserts dan twisted tape inserts. Penelitian menggunakan 2 buah longitudinal strip inserts (dengan lubang dan tanpa lubang) dan 3 plat tipis yang dipilin (tanpa dilubangi) dengan perbedaan sudut puntir (15,3o, 24,4o dan 34,3o), laju aliran udara pada pipa-pipa (tubes) sebesar 3-18 m/s yang disuplai oleh fan sentrifugal 0,75 kW. Fluida kerja pada cangkang (shell) menggunakan Downterm (tipe SR-1) yang mempunyai massa jenis, panas jenis, konduktivitas termal dan viskositas absolut pada temperatur 150oC berturut-turut adalah, 984,53 kg/m3, 3,9 kJ/kg.K, 0,5044 W/m.K, dan 0,3846 CP. Temperatur fluida Downterm pada sisi masuk dijaga pada 150oC dengan termostat. Penurunan tekanan diukur dengan sensor transducer tekanan, sedangkan pembacaan temperatur menggunakan RTDs (Resistance Temperature Detector, Pt-100) Hasil percobaan tersebut menunjukkan bahwa pipa dengan twisted tape insert menghasilkan koefisien perpindahan panas 13-61% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 150-370% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube). Pipa dengan longitudinal strip tanpa lubang menghasilkan koefisien perpindahan panas 7-16% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 100-170% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube). Pipa dengan longitudinal strip dengan lubang menghasilkan koefisien perpindahan panas 13-28% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape

commit to user

9

insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 140-220% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube).

Rahimi dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor yang dilengkapi dengan modifikasi twisted tape insert. Modifikasi twisted tape insert tersebut adalah classic, perforated, notched dan jagged twisted tape.

(a) _(b)

(c) (d)

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

Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga sepanjang 6,5 meter yang dibengkokan dengan diameter dalam 17 mm dan ketebalan 1 mm. Pipa tembaga tersebut dialiri air panas dengan suhu 42oC pada sisi masuk dan dengan laju aliran massa dari 0,0275 sampai 0,1111 kg/s dan bilangan Reynolds dari 2.950 sampai 11.800. Pipa tersebut dimasukkan ke dalam bak berukuran 30 cm × 60 cm × 60 cm yang dialiri air dingin dengan suhu 16oC pada sisi masuk dan laju aliran massa dibuat konstan 0,333 kg/s. Twisted tape insert terbuat dari stainless steel dengan lebar 15 mm, panjang pitch 5 mm, twist ratio 2,94 dan ketebalan 1 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert angka Nusselt lebih tinggi dibandingkan tanpa twisted tape insert. Dari keempat modifikasi twisted tape insert tersebut didapatkan angka Nusselt yang terbesar adalah jagged twisted tape insert, sedangkan yang paling rendah adalah perforated twisted tape insert. Dengan penambahan twisted tape insert faktor gesekannya meningkat, faktor gesekan yang tertinggi pada jagged twisted tape insert. Dengan semakin tinggi bilangan Reynolds maka angka Nusselt juga semakin tinggi, sedangkan untuk faktor gesekannya semakin menurun. Untuk penambahan unjuk kerja dari twisted tape yang paling tinggi adalah jagged twisted tape dengan penambahan sebesar 22% sedangkan penambahan angka Nusselt sebesar 31%.

commit to user

2.2Dasar Teori

2.2.1 Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu dinamakan kalor/panas (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan termodinamika, hanya dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem kesetimbangan baja dan air itu. Namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas dapat membantu meramalkan suhu batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu.

Ada tiga macam cara perpindahan panas bila dilihat dari cara perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi (pancaran).

1. Perpindahan panas secara konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat padat.

2. Perpindahan panas secara konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan molekul dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya. 3. Perpindahan panas secara radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya dan tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat merambat pada ruang hampa.

commit to user

11

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)

2.2.2.1Kondisi aliran

Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat dengan jari–jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam.

Ketika fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip) dan lapisan batas (boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan batas dimana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian rupa sehingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ”hydrodynamic entry length”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk

parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih datar karena aliran berputar pada arah pipa.

Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakanperbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:

Re = ρ . um . Dh (2.1)

dimana :

Re = bilangan Reynolds

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s) um = kecepatan rata–rata fluida (m/s) Dh = diameter hidrolik pipa dalam (m)

commit to user

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

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

Dh =

4Ac

P (2.2)

dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ac = luas penampang melintang aliran (m2)

p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

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

Re < 2.300 aliran laminar (2.3)

2.300 ≤ Re ≤ 10.000 aliran transisi (2.4)

commit to user

13

Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan tanpa getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re ≈ 2.300.

2.2.2.2Kecepatan rata–rata (mean velocity)

Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka digunakan kecepatan rata–rata umuntuk menyelesaikan permasalahan mengenai

aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata–rata umdikalikan dengan massa jenis air

ρ dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran massa air (m) yang melalui pipa. Laju aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah:

= ρ um A (2.6)

2.2.2.3Temperatur rata – rata

Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan, temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan

dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa. Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak

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

ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.

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

(Cengel, 2003)

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

mengalir pada pipa dengan jari–jari R adalah:

( )

_∫

( )

∫

∂ = ∂

= =

c

A p c

m p

m p

fluida m C T C T m ρ C T V A

commit to user

(

∫

∂ = p m m C m m Cp T T

Temperatur r pendinginan, sehingga temperatur bulk rata– rata dari temperatur ra (Tm,o), yaitu :

Tb =

2.2.2.4Penukar Kalor

Penukar kalor fluida dengan cara m suatu dinding pembata panas dalam penukar konveksi (pada alir berdasarkan beberapa alirannya dan keringk aliran, yaitu penukar berlawanan arah (c keringkasan, yaitu exchanger).

a. Penukar kalor aliran s Aliran fluida ya yang mendinginkan (f

Gambar 2.4 (a) a

)

(

)

( )

∫

∫

= = R m p m R p x) rdr T(r,x)V(r, R V C R ρV dr ρV T C m 0 2 2 0 2 r 2π π

rata–rata (Tm) fluida berubah selama pe

gga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasany –rata fluida (bulk mean temperature), yang m rata–rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata

alor

lor adalah alat yang berfungsi untuk menguba mempertukarkan panas dengan fluida lainny batas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanis nukar kalor berlangsung secara konduksi (pada di liran fluida kerja). Penukar kalor dapat apa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah be

gkasannya (compactness). Sebagai contoh : be nukar kalor aliran searah (paralel flow heat e counter flow heat exchanger), sedangka u penukar kalor pipa konsentrik (concent

iran searah.

yang didinginkan (fluida panas) mengalir seara n (fluida dingin).

a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur f penukar kalor searah

(a) (b)

(2.7) pemanasan atau nya dihitung pada g merupakan rata–

ta–rata sisi keluar

(2.8)

gubah temperatur nnya, baik melalui nisme perpindahan dinding pipa) dan t diklasifikasikan h berdasarkan arah berdasarkan arah at exchanger) dan gkan berdasarkan entric tube heat

arah denganfluida

commit to user

15

b. Penukar kalor aliran berlawanan arah

Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).

(a) (b)

Gambar 2.5 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah

Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin. Sehingga, Qh = Qc

Q

c= mc.Cp,c.(Tc,out-Tc,in) (2.9)

Qh = mh.Cp,h.(Th,in-Th,out) (2.10)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

, = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s) Cp,o = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC) Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC) Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC) Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

= laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s) Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC) Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

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

Dalam analisis sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar

commit to user

kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari :

Q = U.As. ∆TLMTD (2.11)

T_LMTD =

T

1

-

T

2

ln

T1

T₂

(2.12)

dimana :

Q = laju perpindahan panas (W)

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

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

∆T1 , ∆T2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet dan outlet penukar kalor (oC).

Nilai-nilai ∆T1 dan ∆T2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.4(b) dan 2.5(b).

c. Penukar kalor pipa konsentrik.

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

commit to user

17

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

Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi

Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7 menjadi :

R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = 1

hi.Ai

+

ln ⁄

8kL

+

1

ho.Ao

(2.13) dimana :

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

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

Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2) Ai = 8.a. L

commit to user Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2) Ao = 8.b. L

2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m) 2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)

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

Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida sebagai berikut :

Q = T

R = U.A.

∆

T = Ui.Ai.

∆

TLMTD = Uo.Ao.

∆

TLMTD (2.14)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan W/m2.oC, dan ∆TLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature different) (oC). Diperoleh nilai :

1

U_i.A_i

=

1

U_o.A_o = R =

1

h_i.A_i

+

ln ⁄ 8kL

+

1

h_o.A_o (2.15)

2.2.2.5Parameter Tanpa Dimensi

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

a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)

Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume. Gaya inersia dalam bentuk ∂[(ρu)u]/∂x dapat didekati dengan persamaan: F1 = ρ /L. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam

commit to user

19

bentuk ∂τ_yx ∂_y =∂

[

µ

(

∂u ∂y

)

]

∂y,dapat didekati dengan persamaan: 2

L V

F_s = . Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

F₁ F_s =

ρV2/L V/L2 =

ρVL

= ReL (2.16)

Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih berpengaruh dari gaya inersia.

b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)

Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas momentum,

ν

(m2/s) , dengan diffusifitas termal,

α

(m2/s). Bilangan Prandtl menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan transfer energi dengan cara difusi di dalam kecepatan dan temperatur lapis batas. Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer energi dan momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 1992). Nilai Pr sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif kecepatan dan temperatur lapis batas.

Pr = ν

α (2.17)

c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)

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

Nu = h d

k (2.18)

Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr. Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.

2.2.2.6Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor

Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri dan bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit,

commit to user

diperlukan analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan penurunan tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek ekonomis dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor adalah membuat penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas tinggi menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik untuk meningkatkan perpindahan panas berhubungan dengan beberapa aplikasi keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien.

Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak (scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor yang digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri-industri kimia. Dalam beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluida-fluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan instalasi desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju perpindahan panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam aliran fluida (memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses tersebut daya pemompaan dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya pemompaan menjadi tinggi. Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas yang diinginkan dalam sebuah penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang ekonomis, beberapa teknik telah ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini.

Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi, otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah mendorong atau mengakomodasi fluk-fluk kalor yang tinggi. Ini menghasilkan pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya yang lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih kecil bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan perpindahan panas menarik dalam aplikasi penukar kalor.

commit to user

21

Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori :

a. Metode aktif (active method)

Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power input) untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak potensi yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak mudah untuk disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif adalah pulsasi yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers, penggunaan medan magnet untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan dalam sebuah aliran yang sedang mengalir.

b. Metode pasif (passive method)

Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang tersedia dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan fluida. Industri penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak termal (meningkatkan koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya pemompaan untuk memperbaiki efisiensi termohidrolik dari penukar kalor. Desain sebuah penukar kalor yang baik seharusnya mempunyai unjuk kerja termodinamika yang efisien, yaitu pembangkitan entropi yang minimum atau destruksi kerja tersedia (exergy) yang minimum dalam sebuah sistem penukar kalor. Hampir tak mungkin untuk menghentikan kehilangan exergy secara sempurna, tetapi hal tersebut dapat diminimalisasi melalui sebuah desain yang efisien.

c. Metode gabungan (compound method)

Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.

Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-industri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan ruang angkasa, automobiles dan lain-lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert)

commit to user

digunakan dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas, menguntungkan dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur insert sederhana dan teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar kalor. Dalam desain alat penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam meningkatkan perpindahan panas memainkan peranan yang penting jika konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat dipilih berdasarkan kondisi kerja penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan panas).

Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering digunakan. Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal sebagai alat peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert sesuai untuk daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran turbulen. Kelakuan termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari kondisi aliran (laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert.

Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube), teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang paling umum, terutama sekali pada kondisi retrofit. Dengan teknologi tube insert, penambahan luasan perpindahan panas dapat diabaikan, sehingga penghematan biaya secara signifikan menjadi mungkin. Peralatan tube insert meliputi twisted tape insert, wire coil insert, extended surface insert, mesh insert dan lain-lain, seperti terlihat pada gambar 2.8.

commit to user

23

Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (non-integral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan kontak termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter hidrolik dan bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari sebuah matrik dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu keseluruhan medan temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya adalah dua faktor utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan teknik-teknik pasif peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape insert dan wire coil insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-tahun belakangan ini dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena teknik-teknik seperti extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena menghasilkan masalah penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran.

Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran untuk menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik saluran aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh insert seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan aliran (flow blockage) membagi aliran dan aliran sekunder (secondary flow). Halangan aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek viskos karena luas aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan kecepatan aliran dan dalam beberapa situasi memicu aliran sekunder secara signifikan. Aliran sekunder selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih baik antara permukaan dan fluida, karena aliran sekunder menciptakan pusaran (swirl) dan menghasilkan percampuran fluida memperbaiki gradien temperatur dimana pada akhirnya memicu koefisien perpindahan panas yang tinggi.

Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor. Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih efektif dalam aliran turbulen dibandingkan dengan twisted tape, karena wire coil

commit to user

mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup efektif, sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen. Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan bilangan Prantl yang berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang berbeda. Sehingga, pemilihan yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja termal dan hidrolik.

Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert dan wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix angle). Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan perpindahan panas meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut pilin. Akan tetapi, untuk sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape insert menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire coil insert. Ini mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu keseluruhan medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu aliran di dekat dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh terhadap peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih tinggi untuk fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik, mungkin karena fakta bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi mempunyai tebal lapis batas yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida yang mempunyai bilangan Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan oleh tube insert lebih efisien untuk meningkatkan perpindahan panas. Bagaimanapun, kenaikan perpindahan panas sering dihubungkan dengan kerugian penurunan tekanan. Dapat disimpulkan bahwa wire coil insert menghasilkan penurunan tekanan yang lebih rendah dibandingkan twisted tape insert.

commit to user

25

2.2.2.7Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)

Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar 2.9 menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted tape dengan 180o twisted pitch. Geometri twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai modifikasi untuk mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas, seperti terlihat pada gambar 2.10 sampai dengan gambar 2.18.

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

commit to user

Gambar 2.10 Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted tape, (b)

perforated twisted tape, (c) notched twisted tape, (d) jagged twisted tape

commit to user

27

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

twisted tape dengan θ = 60o, (d) C-CC twisted tape dengan θ = 90o

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

commit to user

119

penambahan

classic twisted tape insert

, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa

dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 3,19 kali lebih tinggi daripada faktor

gesekan

plain tube.

Sedangkan dengan penambahan

perforated twisted tape insert

I dan II, faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik berturut-turut 1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan

plain tube.

Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re.

Pengaruh penambahan

twisted tape insert

juga dianalisis pada daya

pemompaan yang sama, seperti terlihat pada gambar 4.18. Karakteristik faktor

gesekan dengan penambahan

twisted tape insert

pada daya pemompaan yang

sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan pada bilangan Reynolds yang

sama. Dengan penambahan

twisted tape insert

pada pipa dalam, menjadikan nilai

faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan

plain tube

. Pada daya

pemompaan yang sama, dengan penambahan

classic twisted tape insert

,

menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik

4,51 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan

plain tube.

Sedangkan dengan

penambahan

perforated twisted tape insert

I dan II, faktor gesekan rata-rata dari

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi dari

pada faktor gesekan

plain tube.

Hal ini sesuai dengan hasil penurunan tekanan

(

∆

P) akibat penambahan

classic twisted tape insert

dan

perforated twisted tape

0,0 0,1 0,2 0,3

0 5000 10000 15000 20000

f

Re

Plain Tube Perforated I Perforated II Classic

commit to user

insert

pada daya pemompaan yang sama (gambar 4.16), dimana nilai faktor

gesekan (

f

) berbanding lurus dengan nilai penurunan tekanan (

∆

P).

Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama

4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan

Twisted Tape Insert

Dengan Rasio

Faktor Gesekan (ƒ/ƒp)

Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam

dengan penambahan

twisted tape insert

dengan nilai faktor gesekan pipa dalam

tanpa penambahan

twisted tape insert

(

plain tube

). Grafik hubungan rasio faktor

gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.19.

Gambar 4.19 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama 0,0

0,1 0,2 0,3

0 5000 10000 15000 20000

f

Re

Plain Tube Perforated I Perforated II Classic

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 5000 10000 15000 20000

f

/ f

p

Re

Perforated I Perforated II Classic

commit to user

121

Dari gambar 4.19, terlihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds,

maka nilai rasio faktor gesekan semakin berkurang. Hal ini sesuai dengan

hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds, dimana semakin besar

bilangan Reynolds, maka nilai faktor gesekan semakin turun. Dari gambar 4.19,

dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan

twisted tape insert

akan

menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari 1. Hal ini

menunjukkan bahwa dengan penambahan

twisted tape insert

akan meningkatkan

nilai faktor gesekan dari pipa dalam. Penambahan

classic twisted tape insert

pada

pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi dibandingkan

dengan penambahan

perforated twisted tape insert

. Nilai rasio faktor gesekan

rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan

classic twisted tape insert

adalah

6,65, sedangkan dengan penambahan

perforated twisted tape insert

I dan II adalah

2,63 dan 4,73 kali lebih tinggi daripada tanpa

twisted tape insert

.

commit to user

122

BAB V

PENUTUP

5.1

Kesimpulan

Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi (

rectangular

) dengan penambahan c

lassic twisted tape

insert

dan

perforated twisted tape insert

di pipa dalam penukar kalor saluran

persegi, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1.

Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin besar pula laju

perpindahan panas yang terjadi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan

sisipan di pipa dalam dengan

classic twisted tape insert

dan

perforated

twisted tape insert

2.

Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan

classic twisted tape

insert

di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 40,83 %

daripada

plain tube

, penambahan

perforated twisted tape insert

I akan

menaikkan bilangan Reynolds rata-rata sebesar 16,80%, dan penambahan

perforated twisted tape insert

II

menaikkan bilangan Nusselt rata-rata

sebesar 31% daripada

plain tube.

3.

Pada daya pemompaan yang sama, penambahan

classic twisted tape insert

di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 27,21%

daripada

plain tube

,

perforated twisted tape insert

I akan menaikkan

bilangan Nusselt rata-rata sebesar 12,41%

, dan

penambahan

perforated

twisted tape insert

II

menaikkan bilangan Nusselt sebesar 15,07% daripada

plain tube

.

4.

Pada daya pemompaan yang sama, unjuk kerja termal (

η

) menggunakan

classic twisted tape insert

lebih tinggi

daripada

menggunakan

perforated

twisted tape insert.

Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan

classic twisted tape insert

adalah 1,26, untuk

perforated twisted tape

insert

I nilai

η

rata-rata adalah 1,13, dan untuk

perforated twisted tape

insert

II nilai

η

rata-rata adalah 1,11

commit to user

123

5.

Penambahan

twisted tape insert

di pipa dalam mengakibatkan kenaikan

penurunan tekanan. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan

tekanan dengan penambahan

classic twisted tape insert

adalah 1,43 kali

lebih tinggi daripada

plain

tube

, dengan penambahan

perforated twisted

tape insert

I dan II, nilai penurunan tekanan adalah berturut-turut 1,11 dan

1,32 kali lebih tinggi dari pada

plain

tube

.

6.

Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin kecil faktor gesekan di

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Pada bilangan Reynolds

yang sama, penambahan

classic twisted tape insert

,

perforated twisted

tape insert

I, dan

perforated twisted tape insert

II berturut-turut

meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik 3,19;1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan

plain tube

. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan

classic twisted

tape insert, perforated twisted tape insert

I, dan

perforated twisted tape

insert

II berturut-turut meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik 4,51;1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi

daripada faktor gesekan

plain tube

.

7.

Dengan penambahan

twisted tape insert

di pipa dalam dari penukar kalor

pipa konsentrik dapat meningkatkan efektivenes penukar kalor

dibandingkan dengan pipa dalam tanpa

twisted tape insert

(

plain tube

).

Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan

classic twisted tape

insert

di pipa dalam, mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 40,4%,

dengan penambahan

perforated twisted tape insert

I mempunyai

efektivenes rata-rata

sebesar

33,4%, dan penambahan

perforated twisted

tape insert

II mempunyai efektivenes rata-rata

sebesar

33%. Penukar kalor

pipa konsentrik tanpa penambahan

twisted tape insert

di pipa dalam

mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 29,7%.

5.2

Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

commit to user

konsentrik saluran persegi dengan

classic twisted tape insert

dan

perforated

twisted tape insert,

menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian

dengan modifikasi

twisted tape insert

misalnya;

broken twisted tape insert

,

regularly spaced twisted tape insert, notched twisted tape insert, jagged twisted

tape insert

dan sebagainya

.