Study Eksperimental Geometri Sirip Kondensor Terhadap Unjuk Kerja Refrigerator.
DAFTAR ISI
ii
iii
Kata Pengantar
Daftar Isi
Makalah KNEP IV - 2013
iii
, 5 & # 6&
2 .$ &! # /
Grup Engineering Perhotelan
"
3
/ 7 5& 5 869 :
&; 8# : 2
#
Grup konversi energi
! 2 " (
#1'
"$#-
+&
" # / 3-"
'!
"
# $
1 #"( #-&
1 #?%
4 2 5 6
5 #"
# 1
3
$ ! ; 2 " 8
@
, $ / 9; , ; A &5
8 9,A: 2 ' '
#1'!"
*
1 55 2
-
5
2 &&"
(#" ! &
#"
1
!#1
"&!8
)
,
& 8 1 & 15 B: 3 !
&!
#"
1
C
/ & 2
. &
0
/2
4/
47
22
27
92
9:
0:
;7
9 0 B ! 2 " 8
! , $ 3 # $ ( A ! 5
6 ( $ 2 , $
, 2 " #!
3
, &
5 2 ! " !$
@
A 9 & 0 $ / , ' (
# 6 # $ ,
5 5
2 $
#
=
*
/& ; 5 5 1 5
5 ; 5 3 ,$' !# # & )
-
/& 5 . $
# "&!'
#
)
, 2 1 B 2 -
"
#"
C
1 8 5 :
5 5 ! ! 31!
8'#-
=
# !
*
! ŶŽnjnjůĞĨůŽǁŵĞƚĞƌ 1 2
&
#
" $ ' "
/ & 5 1 2
' $# ' ' '
$# '
# 5 5 5 ;
2 "
#
$
, & ! ! 2 '"
#
"
3
( ( (! " / , (
!
# > #
/'
>! & 2 %" !
#
)
# '
1
7/
7:
:
//0
/42
/4:
/27
/90
/02
/;/
Study eksperimental geometri sirip kondensor
Terhadap unjuk kerja refrigerator
1)
1)
IGA Kade Suriadi , IGK. Sukadana .
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana University, Bali-Indonesia
Gungsuriadi@yahoo.com
Abstrak
Alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat terdiri atas pembuluh yang berlekuk-lekuk, dengan kawat
yang dipasang pada sisinya dengan arah normal terhadap pembuluh. Kemampuan penukar panas ini dalam
membuang panas ditunjukkan oleh efisiensi permukaan menyeluruh dari susunan sirif atau disebut sebagai
efisiensi penukar panas. Kawat yang berfungsi sebagai sirif adalah perluasan dari permukaan pembuluh
sehingga memperluas permukaan perpindahan panas konveksi bebas dari penukar panas ke lingkungan luar.
Efisiensi penukar panas tergantung dari diameter pembuluh, jarak pembuluh, bahan pembuluh, geometri sirif,
jarak sirif, diameter sirif, bahan sirif, fluida kerja yang digunakan, dan laju aliran massa fluida.
Pada
penelitian ini dikaji secara eksperimental pengaruh jarak sirif dan laju aliran massa terhadap efisiensi penukar
panas. Tiga buah rancangan penukar panas dengan jarak sirif yang berbeda yaitu 0.01 m, 0.02 m, dan 0.04 m,
dengan laju aliran massa yang berbeda yaitu 0.015 kg/s, 0.018 kg/s, 0.021 kg/s. Temperatur fluida masuk
dijaga konstan 70oC. Hasil dari penelitian adalah pada laju aliran massa yang sama, semakin besar jarak sirif
maka semakin besar efisiensi penukar panas. Pada jarak sirif yang sama semakin besar laju aliran massa
maka semakin besar efisiensi penukar panasnya. Semakin besar efisiensi penukar panas maka semakin besar
unjuk kerja refrigerator.
Kata kunci : Alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat, Efisiensi penukar panas, Jarak sirif, Laju Aliran
Massa.
Abstract
Wire and Tube heat exchanger consists of coiled tube and wire stacked on one side of it in normal direction
of tube. The ability of heat exchanger to dissipate heat is shown by the overall surface efficiency from array of
fins or called as heat exchanger efficiency. The function of wire as a fin is the expansion of the outer surface of
tube, so that will extent the surface of free convection heat transfer from the heat exchanger to the surrounding.
The heat exchanger efficiency commonly depends on diameter of tube, space of tube, material of tube,
geometry, space of fin, diameter of fin, material of fin, fluid of used, and mass flow rate. In this research it has
been examined experimentally the space of fins and mass flow rate influence to the heat exchanger efficiency.
Three designs of heat exchangers with different space of fins are 0.01 m, 0.02 m, and 0.04 m and different
o
mass flow rate are 0.015 kg/s, 0.018 kg/s and 0.021 kg/s. The entrance fluid temperature is constant (70 C) and
then measuring in five different point in tube and five in wire. The results, of experiment for the same mass flow
rate the more space of fins, the higher heat exchanger efficiency. For the same space of fins the higher mass
flow rate, the higher heat exchanger efficiency and higher efificiency of refrigerator.
Key word: The wire and tube heat exchanger, Heat exchanger efficiency, Space of fins, Mass flow rate.
1. Latar belakang
Alat penukar panas merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mempertukarkan energi dalam bentuk
panas antara aliran fluida yang berbeda temperatur yang dapat terjadi melalui kontak langsung maupun tidak
langsung (Pitts and Sissom, 1987). Salah satu aplikasi dari prinsip pertukaran panas adalah pada penukar
panas jenis pembuluh dan kawat (Wire and Tube Exchanger). Penukar panas ini termasuk jenis penukar panas
permukaan yang diperluas (extended surface) dimana kawat yang berfungsi sebagai sirif dipasang lekat pada
pembuluh yang mengalirkan fluida panas dan selanjutnya memperbesar laju perpindahan panas (Srinivasan and
Shah, 1997). Secara mekanis kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi pembuluh yang dibuat berlekuklekuk (coil).
Penukar panas ini telah digunakan secara luas untuk membuang panas dari fluida panas yang mengalir
melalui pembuluh baik sebagai kondensor pada alat sistem refrigerasi udara yang kecil, fluida yang mengalir
dalam pembuluh tanpa terjadi perubahan phase (Tanda and Tagliafico, 1997). Namun demikian kajian
mengenai unjuk kerja penukar panas belum banyak dilakukan. Salah satu karakteristik unjuk kerja dari penukar
panas adalah efisiensi penukar panas. Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah efisiensi
permukaan menyeluruh (overall surface effisiensi) dari susunan sirif-sirif (array of fins). Sirif adalah perluasan
permukaan dari luar pembuluh. Efisiensi sirif dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan
antara laju perpindahan panas oleh sirif dengan laju perpindahan panas maksimum yang terjadi (ideal). Laju
perpindahan panas oleh sirif akan mencapai maksimum apabila seluruh permukaan sirif sama dengan temperatur
dasar, tetapi karena adanya tahanan termal konduksi di dalam sirif menyebabkan terjadinya gradien temperatur
sehingga temperatur ujung sirif lebih kecil dari temperatur dasar sirif. Hal ini menyebabkan pengurangan laju
perpindahan panas yang terjadi sehingga efisiensi sirif menurun dan akhirnya efisiensi penukar panas juga
menurun (Cengel, 1998).
Untuk mengetahui pengaruh penambahan sirif terhadap efisiensi penukar panas dilakukan dengan
menvariasikan geometri sirif tersebut secara konveksi alamiah. Dalam menvariasikan geometri sirif tentu harus
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
153
diperhatikan koefisien perpindahan panas agar tidak sampai terganggu. Oleh karena itu penting kiranya studi ini
dilaksanakan guna mengetahui efisiensi kondensor kulkas karena pengaruh variasi tersebut.
Salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas yang terjadi adalah luasan
permukaan perpindahan panasnya. Maka dalam penelitian ini akan dibuat penukar panas jenis pembuluh dan
kawat dengan memvariasikan geometri sirif tersebut dan mengetahui pengaruh variasi geometri dan laju aliran
massa terhadap efisiensi kondensor kulkas.
Adapun Tujuan Penelitian ini adalah : Menganalisis pengaruh geometri sirif terhadap efisiensi kondensor
kulkas, Menganalisis pengaruh laju aliran massa terhadap efisiensi kondensor kulkas. Manfaat Penelitian ini :
Sebagai masukan dalam perancangan penukar panas, Menambah wacana keilmuan bidang perpindahan panas
pada umumnya, dan penukar panas pada khususnya.
2. Dasar teori
Alat Penukar Panas Jenis Pembuluh dan Kawat
Alat penukar panas (heat exchanger) merupakan alat produksi yang berfungsi untuk melaksanakan
perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida yang lain. Jenis dari alat penukar panas ini
adalah jenis pembuluh and kawat (tube and wire). Alat penukar panas ini terdiri dari pembuluh horizontal sebagai
tempat mengalirnya fluida panas yang dibuat berlekuk-lekuk yang disusun secara vertikal, dengan kawat yang
dilekatkan pada sisi depan tegak lurus terhadap pembuluh. Penelitian yang pertama kali menyangkut penukar
panas jenis pembuluh dan kawat dilakukan oleh Witzel dan Fontaine tentang karakteristik perpindahan panas
pada kondensor jenis pembuluh dan kawat dan tentang desain kondensor pembuluh dan kawat yang
( )0.2215
.
menghasilkan persamaan Nusselt empiris sebagai fungsi bilangan Grashof yaitu Nu = 0,4724 Gr
Selanjutnya Cyphers et.al melakukan penelitian tentang karakter perpindahan panas pada penukar panas jenis
pembuluh dan kawat. Witzel et.al tentang evaluasi film konveksi pada penukar panas pembuluh dan kawat.
Tanda dan Tagliafico tentang “perpindahan panas konveksi bebas pada penukar panas jenis pembuluh dan
kawat dengan menggunakan air sebagai fluida kerja dalam pembuluh”. Studi eksperimen tersebut bertujuan
mempresentasikan korelasi perpindahan panas konveksi bebas dari permukaan luar penukar panas ke udara
sekitar.
Dari tinjauan pustaka di atas dapat dilihat bahwa para peneliti yang telah melakukan kajian terhadap penukar
panas jenis pembuluh dan kawat, secara umum mencari korelasi perpindahan panas dalam bentuk persamaan
Nusselt empiris dengan tujuan untuk dapat mengevaluasi nilai koefisien perpindahan panasnya. Karena ada
sesuatu yang berbeda dari para peneliti menyangkut tinjauan terhadap penukar panas dan fluida kerja yang
digunakan maka penelitian ini dilakukan yaitu tentang pengaruh jarak sirif kondensor jenis pembuluh dan kawat
terhadap efisiensi penukar panas. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental menggunakan tiga buah
rancangan penukar panas dengan jarak sirif yang berbeda dan diameter sirif yang tetap dengan Thermia b-22
sebagai fluida kerja di dalam pembuluh. Penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi penukar panas.
Pada umumnya alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat digunakan bila koefisien perpindahan panas
konveksi yang berhubungan dengan salah satu fluida adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida
kedua. Kawat yang berfungsi sebagai sirif adalah perluasan dari permukaan luar pembuluh yang dipasang pada
sisi dimana koefisien perpindahan panas konveksinya kecil. Kawat-kawat akan membuat permukaan menjadi
luas sehingga menambah laju perpindahan panas dari dinding ke lingkungan luar (Ananthanarayanan, 1982).
Dalam aplikasinya posisi pemasangan dari alat penukar panas ini adalah vertikal, seperti terlihat pada
gambar 1 berikut :
Pembuluh
Sirip
Gambar 1. Penukar panas jenis pembuluh dan kawat
Sirif atau kawat dipasang pada salah satu sisi dari pembuluh yang mana tinggi dari sirif mengikuti tinggi dari
penukar panas. Sedangkan kondisi operasi dari penukar panas ditunjukkan oleh variasi bilangan Rayleigh
sebagai fungsi dari beda temperatur permukaan dengan udara luar
(Ts - T¥ ).
Minyak panas mengalir dari bak termostatik dan bersirkulasi secara tunak di dalam pembuluh penukar panas.
Dari kesetimbangan energi secara keseluruhan untuk penukar panas, maka dapat dihitung panas yang
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
154
dilepaskan oleh minyak panas yaitu :
·
qm a x = m .Cp, f (T f ,in - T f , out )
(1)
Di dalam pembuluh terjadi sirkulasi fluida panas sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dan
lingkungan luar. Panas dipindahkan dari dinding pembuluh ke lingkungan secara konveksi bebas, yang
dinyatakan sebagai berikut :
q = h Atot (Ts - T¥ )
(2)
Gambar 2. Permukaan pembuluh yang bersirif
Dari persamaan (2) jelas bahwa untuk meningkatkan laju perpindahan panas maka dapat dilakukan dengan
(Incropera, 1996) : Memperbesar koefisien konveksi (h), Penukar panas jenis pembuluh dan kawat diaplikasikan
pada kondisi konveksi bebas, maka koefisien konveksinya relatif kecil. Koefisien perpindahan panas konveksi
tergantung pada beberapa parameter yaitu : a. Geometri system, b. Kecepatan aliran, c. Tipe aliran (turbulen atau
laminar), d. Propertis aliran fluida, e. Perbedaan temperatur. Memperbesar perbedaan temperatur
Bila
Ts
tetap maka harga
T¥ harus
(Ts - T¥ ) ,
diturunkan atau sebaliknya. Menambah luas permukaan perpindahan
panas (A), Penambahan luas permukaan dapat dilakukan dengan menambahkan sirif pada permukaan
perpindahan panas untuk mengimbangi koefisien perpindahan panas konveksi yang kecil (Bejan, 1993).
Dari ketiga pilihan diatas maka yang paling memungkinkan adalah memperluas permukaan perpindahan
panas yaitu dengan menambah sirif. Dalam studi eksperimen ini akan dianalisa pengaruh jarak sirif terhadap
efisiensi penukar panas. Dengan mengubah jarak sirif diharapkan memperoleh lapisan batas yang optimal
sehingga didapatkan laju perpindahan panas yang tinggi. Ada berbagai konfigurasi sirif yang dikenal saat ini yaitu
seperti gambar (3).
Gambar 3. Konfigurasi sirip
(Sumber ; Cengel 1998)
Sirif yang digunakan pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah sirif pena karena kawat-kawat
yang digunakan mempunyai penampang melintang berbentuk lingkaran (circular cross section) yang konstan.
Pemilihan bentuk ini dimaksudkan untuk menyesuaikan dengan ruang yang tersedia pada tahap aplikasinya nanti,
dimana penukar jenis pembuluh dan kawat secara umum digunakan sebagai kondensor pada sistem refrigerasi
kecil (refrigerator domestic) yang dipasang pada bagian belakang kabinet refrigerator dengan posisi vertikal.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
155
Secara teknis susunan kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi pembuluh yang berlekuk-lekuk.
Pemasangan kawat-kawat pada permukaan pembuluh dilakukan dengan proses pengelasan tekan (tanpa bahan
tambahan) sehingga tidak ada tahanan termal dari material lain. Pemeliharaan penukar panas jenis pembuluh
dan kawat relatif mudah karena konfigurasinya yang sederhana. Untuk menjaga kapasitas optimal sirif harus
dijaga bersih terutama space antara sirif tidak boleh dipenuhi kotoran atau debu (Ananthanarayanan,1982).
Efisiensi Sirif
[h w ]
Sirif atau extended surface dalam penukar panas digunakan untuk meningkatkan luas permukaan dan
konsekuensinya akan menambah laju perpindahan panas (Srinivasan and Shah, 1997). Laju perpindahan
panas oleh sirif akan maksimum apabila seluruh permukaan sirif berada pada temperatur dasar (temperature
base), tetapi karena adanya tahanan termal konduksi di dalam sirif menyebabkan terjadinya gradien temperatur
sepanjang sirif sehingga temperatur ujung sirif lebih kecil dari temperatur dasar sirif. Hal inilah yang
menyebabkan pengurangan laju perpindahan panas yang terjadi (Cengel, 1998).
Efisiensi sirif dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas
oleh sirif dengan laju perpindahan panas maksimum yang terjadi jika seluruh permukaan sirif berada pada
temperatur dasar (Kundu and Das, 1999). Secara umum efisiensi sirif dirumuskan sebagai berikut :
hw =
qw
hw . Aw [Tw - T¥ ]
=
q w + qt hw . Aw [Tw - T¥ ] + ht . At [Tt - T¥ ]
Efisiensi Penukar Panas
(3)
[h O ]
Karakteristik dari penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah penggunaan susunan sirif untuk
meningkatkan laju perpindahan panas karena salah satu sisi fluida mempunyai koefisien perpindahan panas
yang kecil. Untuk melihat kemampuan dari penukar panas maka yang dianalisa adalah pengaruh jarak antar sirif
terhadap performansi penukar panas. Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah efisiensi
permukaan menyeluruh dari pembuluh dan sirif. Menurut (Kreith, 1985). untuk memperoleh efisiensi total dari
permukaan yang bersirif (overall surface efficiency) yaitu menggabungkan bagian permukaan yang tidak bersirif
(unfinned area) dengan luas permukaan sirif yang berefisiensi
ho =
h w . Secara umum dirumuskan sebagai berikut :
qtot
h A (T - T¥ ) + ht At (Tt - T¥ )
= w w w
q max
M& . Cp, f . (T f ,in - T f ,out )
(4)
Perpindahan Panas Konveksi Bebas
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan panas yang diakibatkan adanya perbedaan
temperatur antara permukaan suatu material dengan fluida yang bergerak. Perpindahan panas yang terjadi bisa
dari permukaan material ke fluida yang bergerak atau dari fluida yang bergerak ke permukaan material.
Perpindahan panas secara konveksi ada 2 yaitu : Konveksi Paksa (Forced Convection), Konveksi Alamiah
(Natural Convection) atau Konveksi Bebas (Free Convection)
Konveksi Paksa (Forced Convection) yaitu proses perpindahan panas yang terjadi dimana pergerakan fluida
diakibatkan oleh gaya luar seperti blower, fan, kompressor dan lain-lain. Sedangkan Konveksi Alamiah adalah
proses perpindahan panas dimana pergerakan fluida terjadi akibat gaya apung (buoyancy force). Gaya apung
disebabkan oleh perubahan densitas. Gerakan fluida (gas maupun zat cair) dalam konveksi bebas terjadi karena
gaya apung yang dialaminya apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan panas berkurang sebagi
akibat proses pemanasan.. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan (body
forced).
Dalam suatu perencanaan atau unjuk kerja suatu sistem biasanya konveksi bebas lebih sering dipakai dari
pada konveksi paksa dimana tujuannya adalah meminimalisir biaya operasi. Sebagai contoh penerapan konveksi
bebas adalah pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat. Pada penukar panas tersebut ditambahkan sirif
yaitu untuk memperluas permukaan perpindahan panas konveksi bebas. Lapisan batas termal yang terjadi
terbentuk dari bagian bawah baik pembuluh maupun sirif yang kemudian berkembang terus sampai atas.
Fenomena ini dapat dilihat pada gambar di bawah berikut :
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
156
Gambar 4. Fenomena aliran pada permukaan benda padat
(Sumber ; Kundu 1999)
3. Metode
Peralatan Eksperimen
Pompa
6
4
7(Termometer)
M
8(Termokopel + Display)
Tw1
Tf in
Tt in
3
Tw2
4
9
Termosetting
2
Heater
1
Tw4
5
Tf out Tt out
Tw3
Tw5
Gambar 5. Skema peralatan eksperimen
Untuk mengukur temperatur pada sejumlah titik, digunakan termokopel type K (Copper Constanta) yang
dihubungkan dengan digital multimeter tipe DT-838. Besarnya perubahan temperatur fluida panas setelah
melewati penukar panas di ukur dengan menempatkan termokopel di dalam fluida pada input dan output penukar
panas.
4. Hasil dan pembahasan
Analisa Pengaruh Jarak Sirif terhadap Efisiensi Penukar Panas
Dari hasil eksperimen yang saya lakukan maka didapat gambar 6. dimana dapat ditarik suatu pernyataan
bahwa pada laju aliran massa yang sama semakin rapat jarak sirif maka efisiensi penukar panas semakin
menurun dimana penukar panas dengan jarak sirif 0.04 m mempunyai efisiensi penukar panas yang lebih tinggi
sedangkan penukar panas dengan jarak 0.01 m mempunyai efisiensi penukar panas yang lebih rendah dan
penukar panas dengan jarak sirif 0.02 m mempunyai efisiensi yang berada diantaranya. Hal ini menunjukkan
bahwa jarak sirif sangat berpengaruh terhadap kondisi lapisan batas yang terjadi dimana penukar panas yang
mempunyai sirif yang lebih rapat akan mengakibatkan interaksi lapisan batas termal antara sirif-sirif yang
berdekatan sehingga akan memperbesar tahanan termal perpindahan panas konveksi. Membesarnya tahanan
termal konveksi (Rkonv) akan mengakibatkan menurunnya harga koefisien perpindahan panas konveksi (h konv)
sehingga secara keseluruhan akan menurunkan efisiensi penukar panas itu sendiri.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
157
Grafik Jarak sirip vs Efisiensi
18
16
15.94
Efisiensi (%)
14
12
0.015 kg/s
10
0.018 kg/s
8.15
8
0.021 kg/s
7.21
6
5.7
4
3.97
3.2
1.94
2
3.15
2.41
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Jarak sirip (m )
Gambar 6. Pengaruh jarak sirif terhadap efisiensi penukar panas
Akibat lain yang menyebabkan menurunnya efisiensi penukar panas adalah tidak terjadinya kondisi idealisasi
pada sirif yaitu kondisi dimana seluruh permukaan sirif berada pada temperatur dasar sehingga laju energi
maksimum dapat dihilangkan. Karena setiap sirif dikarakteristikkan oleh tahanan termal konduksi tertentu maka
gradien temperatur harus terjadi sepanjang batang sirif. Adanya tahanan termal konduksi tersebut pada setiap
sirif mengakibatkan menurunnya efisiensi sirif. Oleh karena itu apabila sirif tersebut semakin banyak atau dengan
kata lain semakin rapat jarak sirif maka tahanan termal konduksi semakin besar sehingga akan menurunkan
efisiensi sirif yang berarti juga menurunkan efisiensi penukar panas.
Sirif digunakan untuk menambah perpindahan panas dari permukaan dengan cara menambah luas
permukaan efektif tetapi sirif itu sendiri memberikan tahanan pada perpindahan panas dari permukaan
memanjang, dengan alasan tersebut tidak ada jaminan bahwa laju perpindahan panas akan diperbesar melalui
penggunaan sirif dan berarti pula tidak ada jaminan bahwa penggunaan sirif memperbesar efisiensi (Incropera,
1990). Hal ini juga diperkuat oleh pernyataan (Cengel, 1997) yaitu penambahan terlalu banyak sirif pada
permukaan (surface) secara aktual menurunkan perpindahan panas menyeluruh (overall) ketika koefisien
perpindahan panas (h) menurun mengimbangi suatu keuntungan yang diperoleh dari peningkatan dalam luas
permukaan.
Analisa Pengaruh Laju Aliran Massa terhadap Efisiensi Penukar Panas
Grafik Laju aliran massa vs Efisiensi
Efisiensi (%)
18
16
14
15.94
12
10
8
6
4
2
0
0.04 m
0.02 m
8.15
3.15
2.41
1.94
0.015
7.21
5.7
0.01 m
3.97
3.2
0.018
0.021
laju aliran massa (kg/s)
Gambar 7. Pengaruh laju aliran massa terhadap efisiensi penukar panas
Pada penelitian yang saya lakukan dan dari gambar 7 dapat ditarik suatu pernyataan bahwa pada jarak sirif
yang sama semakin besar laju aliran massa maka efisiensi penukar panas semakin besar dimana pada laju aliran
massa 0.021 kg/s mempunyai efisiensi yang lebih tinggi sedangkan laju aliran massa 0.015 kg/s mempunyai
efisiensi yang lebih kecil dan laju aliran massa 0.018 kg/s berada diantaranya. Hal ini menunjukkan bahwa laju
aliran massa sangat berpengaruh terhadap efisiensi penukar panas dikarenakan semakin besar laju aliran massa
semakin besar induksi panas yang diberikan ke sistem, artinya bahwa jumlah satuan massa (fluida panas) yang
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
158
melewati luas penampang tertentu persatu satuan waktu semakin banyak. Sehingga rata rata temperatur
permukaan pembuluh semakin meningkat dan beda temperatur antara pembuluh dan lingkungan semakin besar.
Perbedaan temperatur yang besar akan meningkatkan harga bilangan Rayleigh sehingga harga koefisien
konveksi juga besar. Dengan demikian efisiensi penukar panas secara keseluruhan akan meningkat.
Peningkatan laju aliran masa pada dasarnya akan memperbesar induksi energi panas yang masuk, sehingga
menyebabkan harga bilangan Rayleigh membesar dan Nuselt juga meningkat (Incropera, 1983). Hal tersebut
juga diperkuat oleh pernyataan bahwa semakin tinggi laju aliran massa maka semakin tinggi pula laju
perpindahan panasnya (Cengel, 1997).
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa yang saya lakukan, dapat diambil kesimpulan yaitu : pada laju aliran
massa yang sama, semakin besar jarak sirif maka semakin besar efisiensi penukar panas. Pada jarak sirif yang
sama semakin besar laju aliran massa maka semakin besar efisiensi penukar panasnya. Semakin besar efisiensi
penukar panas maka semakin besar unjuk kerja refrigerator.
Saran-saran
Agar hasil penelitian lebih baik maka perlu diperhatikan proses pengerjaannya terutama pengelasan pada
setiap titik antara kawat dan pembuluh dan hal yang terpenting adalah tingkat akurasi dari alat-alat ukur yang
digunakan sehingga hasil yang didapat akan jauh lebih baik. Untuk mengukur laju aliran massa diharapkan
menggunakan flowmeter sehingga hasilnya akan lebih akurat.
6. Daftar pustaka
[1] Ananthanarayanan, P.A., (1982), Basic Refrigerant and Air Conditioning, McGraw- Hill Publishing
Company Limited, New Delhi.
[2] Bejan, A., (1993), Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc, New York.
[3] Cengel, Y.A., (1998), Heat Transfer a Practical Approach, McGraw-Hill, New York.
th
[4]... Holman, J.P., (1993), Heat Transfer, 8 Edition, McGraw-Hill, New York.
[5] Incropera, F.P., (1996), Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4
New York.
rd
Edition, John Wiley & Sons,
[6] Kreith, F., (1986), Alih bahasa oleh Arko Prijono, Perpindahan Panas, Airlangga, Indonesia.
[7] Kundu, B. and Das, P.K., (1999), Performance Analysis and Optimization of Eccentric Annular Disk
Fins, Journal of Heat Transfer, Vol. 121, pp 419-429.
[8] Marsters, G.F., (1971), Array of Heated Horizontal Cylinders in Natural Convection, Journal of Heat
Transfer, vol. 15, pp 921-933.
[9] Srinivasan, V. and Shah, R.K., (1997), Fin Efficiency of Extended Surface in Two Phase-flow, Journal
of Heat and Fluid Flow, vol. 18, pp 419-429.
[10] Tanda, G.,and Tagliafico, L., (1993), Free Convection Heat Transfer From Wire and Tube Heat
Exchangers, Journal of Heat Transfer, vol. 199, pp 370-372.
[11] Witzell, O.W. and Fontaine, W.E., (1957), Design of Wire and Tube Condenser, Journal of
Refrigerating Engineering, vol. 65, pp 41-44.
Nomenclatur :
M& = Laju aliran massa minyak é Kg ù
êë s úû
Cp, f =
T f ,in =
éJ
ù
êë Kg.K úû
Panas spesifik fluida pada tekanan konstan
[K ]
[K ]
Temperatur minyak pada saluran masuk penukar panas
T f ,out = Temperatur minyak pada saluran keluar penukar kalor
[
h = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata W
[ ]
m 2 .K
]
Atot = Luas permukaan perpindahan panas total m 2
T¥ = Temperatur udara luar [K ]
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
159
Ts = Temperatur permukaan rata-rata pada sisi luar penukar panas [K ]
h w = Effisiensi sirif (%)
qw = Laju perpindahan panas pada sirif (W)
qt = Laju perpindahan panas pada pembuluh (W)
hw =
Koefisien konveksi rata-rata pada sirif (W/m .K)
ht =
Koefisien konveksi rata-rata pada pembuluh (W/m .K)
Tw =
Temperatur rata-rata permukaan sirif (K)
Tt =
Temperatur rata-rata permukaan pembuluh (K)
2
2
T¥ = Temperatur udara kamar (K)
qtot = Laju perpindahan panas dari fluida pemindah panas (W)
q max = Laju perpindahan panas dari penukar panas (W)
Aw = Luas permukaan perpindahan panas pada sirif (m2)
At = Luas permukaan perpindahan panas pembuluh (m2)
h o = Efisiensi penukar panas (%)
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
160
ii
iii
Kata Pengantar
Daftar Isi
Makalah KNEP IV - 2013
iii
, 5 & # 6&
2 .$ &! # /
Grup Engineering Perhotelan
"
3
/ 7 5& 5 869 :
&; 8# : 2
#
Grup konversi energi
! 2 " (
#1'
"$#-
+&
" # / 3-"
'!
"
# $
1 #"( #-&
1 #?%
4 2 5 6
5 #"
# 1
3
$ ! ; 2 " 8
@
, $ / 9; , ; A &5
8 9,A: 2 ' '
#1'!"
*
1 55 2
-
5
2 &&"
(#" ! &
#"
1
!#1
"&!8
)
,
& 8 1 & 15 B: 3 !
&!
#"
1
C
/ & 2
. &
0
/2
4/
47
22
27
92
9:
0:
;7
9 0 B ! 2 " 8
! , $ 3 # $ ( A ! 5
6 ( $ 2 , $
, 2 " #!
3
, &
5 2 ! " !$
@
A 9 & 0 $ / , ' (
# 6 # $ ,
5 5
2 $
#
=
*
/& ; 5 5 1 5
5 ; 5 3 ,$' !# # & )
-
/& 5 . $
# "&!'
#
)
, 2 1 B 2 -
"
#"
C
1 8 5 :
5 5 ! ! 31!
8'#-
=
# !
*
! ŶŽnjnjůĞĨůŽǁŵĞƚĞƌ 1 2
&
#
" $ ' "
/ & 5 1 2
' $# ' ' '
$# '
# 5 5 5 ;
2 "
#
$
, & ! ! 2 '"
#
"
3
( ( (! " / , (
!
# > #
/'
>! & 2 %" !
#
)
# '
1
7/
7:
:
//0
/42
/4:
/27
/90
/02
/;/
Study eksperimental geometri sirip kondensor
Terhadap unjuk kerja refrigerator
1)
1)
IGA Kade Suriadi , IGK. Sukadana .
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana University, Bali-Indonesia
Gungsuriadi@yahoo.com
Abstrak
Alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat terdiri atas pembuluh yang berlekuk-lekuk, dengan kawat
yang dipasang pada sisinya dengan arah normal terhadap pembuluh. Kemampuan penukar panas ini dalam
membuang panas ditunjukkan oleh efisiensi permukaan menyeluruh dari susunan sirif atau disebut sebagai
efisiensi penukar panas. Kawat yang berfungsi sebagai sirif adalah perluasan dari permukaan pembuluh
sehingga memperluas permukaan perpindahan panas konveksi bebas dari penukar panas ke lingkungan luar.
Efisiensi penukar panas tergantung dari diameter pembuluh, jarak pembuluh, bahan pembuluh, geometri sirif,
jarak sirif, diameter sirif, bahan sirif, fluida kerja yang digunakan, dan laju aliran massa fluida.
Pada
penelitian ini dikaji secara eksperimental pengaruh jarak sirif dan laju aliran massa terhadap efisiensi penukar
panas. Tiga buah rancangan penukar panas dengan jarak sirif yang berbeda yaitu 0.01 m, 0.02 m, dan 0.04 m,
dengan laju aliran massa yang berbeda yaitu 0.015 kg/s, 0.018 kg/s, 0.021 kg/s. Temperatur fluida masuk
dijaga konstan 70oC. Hasil dari penelitian adalah pada laju aliran massa yang sama, semakin besar jarak sirif
maka semakin besar efisiensi penukar panas. Pada jarak sirif yang sama semakin besar laju aliran massa
maka semakin besar efisiensi penukar panasnya. Semakin besar efisiensi penukar panas maka semakin besar
unjuk kerja refrigerator.
Kata kunci : Alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat, Efisiensi penukar panas, Jarak sirif, Laju Aliran
Massa.
Abstract
Wire and Tube heat exchanger consists of coiled tube and wire stacked on one side of it in normal direction
of tube. The ability of heat exchanger to dissipate heat is shown by the overall surface efficiency from array of
fins or called as heat exchanger efficiency. The function of wire as a fin is the expansion of the outer surface of
tube, so that will extent the surface of free convection heat transfer from the heat exchanger to the surrounding.
The heat exchanger efficiency commonly depends on diameter of tube, space of tube, material of tube,
geometry, space of fin, diameter of fin, material of fin, fluid of used, and mass flow rate. In this research it has
been examined experimentally the space of fins and mass flow rate influence to the heat exchanger efficiency.
Three designs of heat exchangers with different space of fins are 0.01 m, 0.02 m, and 0.04 m and different
o
mass flow rate are 0.015 kg/s, 0.018 kg/s and 0.021 kg/s. The entrance fluid temperature is constant (70 C) and
then measuring in five different point in tube and five in wire. The results, of experiment for the same mass flow
rate the more space of fins, the higher heat exchanger efficiency. For the same space of fins the higher mass
flow rate, the higher heat exchanger efficiency and higher efificiency of refrigerator.
Key word: The wire and tube heat exchanger, Heat exchanger efficiency, Space of fins, Mass flow rate.
1. Latar belakang
Alat penukar panas merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mempertukarkan energi dalam bentuk
panas antara aliran fluida yang berbeda temperatur yang dapat terjadi melalui kontak langsung maupun tidak
langsung (Pitts and Sissom, 1987). Salah satu aplikasi dari prinsip pertukaran panas adalah pada penukar
panas jenis pembuluh dan kawat (Wire and Tube Exchanger). Penukar panas ini termasuk jenis penukar panas
permukaan yang diperluas (extended surface) dimana kawat yang berfungsi sebagai sirif dipasang lekat pada
pembuluh yang mengalirkan fluida panas dan selanjutnya memperbesar laju perpindahan panas (Srinivasan and
Shah, 1997). Secara mekanis kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi pembuluh yang dibuat berlekuklekuk (coil).
Penukar panas ini telah digunakan secara luas untuk membuang panas dari fluida panas yang mengalir
melalui pembuluh baik sebagai kondensor pada alat sistem refrigerasi udara yang kecil, fluida yang mengalir
dalam pembuluh tanpa terjadi perubahan phase (Tanda and Tagliafico, 1997). Namun demikian kajian
mengenai unjuk kerja penukar panas belum banyak dilakukan. Salah satu karakteristik unjuk kerja dari penukar
panas adalah efisiensi penukar panas. Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah efisiensi
permukaan menyeluruh (overall surface effisiensi) dari susunan sirif-sirif (array of fins). Sirif adalah perluasan
permukaan dari luar pembuluh. Efisiensi sirif dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan
antara laju perpindahan panas oleh sirif dengan laju perpindahan panas maksimum yang terjadi (ideal). Laju
perpindahan panas oleh sirif akan mencapai maksimum apabila seluruh permukaan sirif sama dengan temperatur
dasar, tetapi karena adanya tahanan termal konduksi di dalam sirif menyebabkan terjadinya gradien temperatur
sehingga temperatur ujung sirif lebih kecil dari temperatur dasar sirif. Hal ini menyebabkan pengurangan laju
perpindahan panas yang terjadi sehingga efisiensi sirif menurun dan akhirnya efisiensi penukar panas juga
menurun (Cengel, 1998).
Untuk mengetahui pengaruh penambahan sirif terhadap efisiensi penukar panas dilakukan dengan
menvariasikan geometri sirif tersebut secara konveksi alamiah. Dalam menvariasikan geometri sirif tentu harus
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
153
diperhatikan koefisien perpindahan panas agar tidak sampai terganggu. Oleh karena itu penting kiranya studi ini
dilaksanakan guna mengetahui efisiensi kondensor kulkas karena pengaruh variasi tersebut.
Salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas yang terjadi adalah luasan
permukaan perpindahan panasnya. Maka dalam penelitian ini akan dibuat penukar panas jenis pembuluh dan
kawat dengan memvariasikan geometri sirif tersebut dan mengetahui pengaruh variasi geometri dan laju aliran
massa terhadap efisiensi kondensor kulkas.
Adapun Tujuan Penelitian ini adalah : Menganalisis pengaruh geometri sirif terhadap efisiensi kondensor
kulkas, Menganalisis pengaruh laju aliran massa terhadap efisiensi kondensor kulkas. Manfaat Penelitian ini :
Sebagai masukan dalam perancangan penukar panas, Menambah wacana keilmuan bidang perpindahan panas
pada umumnya, dan penukar panas pada khususnya.
2. Dasar teori
Alat Penukar Panas Jenis Pembuluh dan Kawat
Alat penukar panas (heat exchanger) merupakan alat produksi yang berfungsi untuk melaksanakan
perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida yang lain. Jenis dari alat penukar panas ini
adalah jenis pembuluh and kawat (tube and wire). Alat penukar panas ini terdiri dari pembuluh horizontal sebagai
tempat mengalirnya fluida panas yang dibuat berlekuk-lekuk yang disusun secara vertikal, dengan kawat yang
dilekatkan pada sisi depan tegak lurus terhadap pembuluh. Penelitian yang pertama kali menyangkut penukar
panas jenis pembuluh dan kawat dilakukan oleh Witzel dan Fontaine tentang karakteristik perpindahan panas
pada kondensor jenis pembuluh dan kawat dan tentang desain kondensor pembuluh dan kawat yang
( )0.2215
.
menghasilkan persamaan Nusselt empiris sebagai fungsi bilangan Grashof yaitu Nu = 0,4724 Gr
Selanjutnya Cyphers et.al melakukan penelitian tentang karakter perpindahan panas pada penukar panas jenis
pembuluh dan kawat. Witzel et.al tentang evaluasi film konveksi pada penukar panas pembuluh dan kawat.
Tanda dan Tagliafico tentang “perpindahan panas konveksi bebas pada penukar panas jenis pembuluh dan
kawat dengan menggunakan air sebagai fluida kerja dalam pembuluh”. Studi eksperimen tersebut bertujuan
mempresentasikan korelasi perpindahan panas konveksi bebas dari permukaan luar penukar panas ke udara
sekitar.
Dari tinjauan pustaka di atas dapat dilihat bahwa para peneliti yang telah melakukan kajian terhadap penukar
panas jenis pembuluh dan kawat, secara umum mencari korelasi perpindahan panas dalam bentuk persamaan
Nusselt empiris dengan tujuan untuk dapat mengevaluasi nilai koefisien perpindahan panasnya. Karena ada
sesuatu yang berbeda dari para peneliti menyangkut tinjauan terhadap penukar panas dan fluida kerja yang
digunakan maka penelitian ini dilakukan yaitu tentang pengaruh jarak sirif kondensor jenis pembuluh dan kawat
terhadap efisiensi penukar panas. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental menggunakan tiga buah
rancangan penukar panas dengan jarak sirif yang berbeda dan diameter sirif yang tetap dengan Thermia b-22
sebagai fluida kerja di dalam pembuluh. Penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi penukar panas.
Pada umumnya alat penukar panas jenis pembuluh dan kawat digunakan bila koefisien perpindahan panas
konveksi yang berhubungan dengan salah satu fluida adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida
kedua. Kawat yang berfungsi sebagai sirif adalah perluasan dari permukaan luar pembuluh yang dipasang pada
sisi dimana koefisien perpindahan panas konveksinya kecil. Kawat-kawat akan membuat permukaan menjadi
luas sehingga menambah laju perpindahan panas dari dinding ke lingkungan luar (Ananthanarayanan, 1982).
Dalam aplikasinya posisi pemasangan dari alat penukar panas ini adalah vertikal, seperti terlihat pada
gambar 1 berikut :
Pembuluh
Sirip
Gambar 1. Penukar panas jenis pembuluh dan kawat
Sirif atau kawat dipasang pada salah satu sisi dari pembuluh yang mana tinggi dari sirif mengikuti tinggi dari
penukar panas. Sedangkan kondisi operasi dari penukar panas ditunjukkan oleh variasi bilangan Rayleigh
sebagai fungsi dari beda temperatur permukaan dengan udara luar
(Ts - T¥ ).
Minyak panas mengalir dari bak termostatik dan bersirkulasi secara tunak di dalam pembuluh penukar panas.
Dari kesetimbangan energi secara keseluruhan untuk penukar panas, maka dapat dihitung panas yang
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
154
dilepaskan oleh minyak panas yaitu :
·
qm a x = m .Cp, f (T f ,in - T f , out )
(1)
Di dalam pembuluh terjadi sirkulasi fluida panas sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dan
lingkungan luar. Panas dipindahkan dari dinding pembuluh ke lingkungan secara konveksi bebas, yang
dinyatakan sebagai berikut :
q = h Atot (Ts - T¥ )
(2)
Gambar 2. Permukaan pembuluh yang bersirif
Dari persamaan (2) jelas bahwa untuk meningkatkan laju perpindahan panas maka dapat dilakukan dengan
(Incropera, 1996) : Memperbesar koefisien konveksi (h), Penukar panas jenis pembuluh dan kawat diaplikasikan
pada kondisi konveksi bebas, maka koefisien konveksinya relatif kecil. Koefisien perpindahan panas konveksi
tergantung pada beberapa parameter yaitu : a. Geometri system, b. Kecepatan aliran, c. Tipe aliran (turbulen atau
laminar), d. Propertis aliran fluida, e. Perbedaan temperatur. Memperbesar perbedaan temperatur
Bila
Ts
tetap maka harga
T¥ harus
(Ts - T¥ ) ,
diturunkan atau sebaliknya. Menambah luas permukaan perpindahan
panas (A), Penambahan luas permukaan dapat dilakukan dengan menambahkan sirif pada permukaan
perpindahan panas untuk mengimbangi koefisien perpindahan panas konveksi yang kecil (Bejan, 1993).
Dari ketiga pilihan diatas maka yang paling memungkinkan adalah memperluas permukaan perpindahan
panas yaitu dengan menambah sirif. Dalam studi eksperimen ini akan dianalisa pengaruh jarak sirif terhadap
efisiensi penukar panas. Dengan mengubah jarak sirif diharapkan memperoleh lapisan batas yang optimal
sehingga didapatkan laju perpindahan panas yang tinggi. Ada berbagai konfigurasi sirif yang dikenal saat ini yaitu
seperti gambar (3).
Gambar 3. Konfigurasi sirip
(Sumber ; Cengel 1998)
Sirif yang digunakan pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah sirif pena karena kawat-kawat
yang digunakan mempunyai penampang melintang berbentuk lingkaran (circular cross section) yang konstan.
Pemilihan bentuk ini dimaksudkan untuk menyesuaikan dengan ruang yang tersedia pada tahap aplikasinya nanti,
dimana penukar jenis pembuluh dan kawat secara umum digunakan sebagai kondensor pada sistem refrigerasi
kecil (refrigerator domestic) yang dipasang pada bagian belakang kabinet refrigerator dengan posisi vertikal.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
155
Secara teknis susunan kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi pembuluh yang berlekuk-lekuk.
Pemasangan kawat-kawat pada permukaan pembuluh dilakukan dengan proses pengelasan tekan (tanpa bahan
tambahan) sehingga tidak ada tahanan termal dari material lain. Pemeliharaan penukar panas jenis pembuluh
dan kawat relatif mudah karena konfigurasinya yang sederhana. Untuk menjaga kapasitas optimal sirif harus
dijaga bersih terutama space antara sirif tidak boleh dipenuhi kotoran atau debu (Ananthanarayanan,1982).
Efisiensi Sirif
[h w ]
Sirif atau extended surface dalam penukar panas digunakan untuk meningkatkan luas permukaan dan
konsekuensinya akan menambah laju perpindahan panas (Srinivasan and Shah, 1997). Laju perpindahan
panas oleh sirif akan maksimum apabila seluruh permukaan sirif berada pada temperatur dasar (temperature
base), tetapi karena adanya tahanan termal konduksi di dalam sirif menyebabkan terjadinya gradien temperatur
sepanjang sirif sehingga temperatur ujung sirif lebih kecil dari temperatur dasar sirif. Hal inilah yang
menyebabkan pengurangan laju perpindahan panas yang terjadi (Cengel, 1998).
Efisiensi sirif dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas
oleh sirif dengan laju perpindahan panas maksimum yang terjadi jika seluruh permukaan sirif berada pada
temperatur dasar (Kundu and Das, 1999). Secara umum efisiensi sirif dirumuskan sebagai berikut :
hw =
qw
hw . Aw [Tw - T¥ ]
=
q w + qt hw . Aw [Tw - T¥ ] + ht . At [Tt - T¥ ]
Efisiensi Penukar Panas
(3)
[h O ]
Karakteristik dari penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah penggunaan susunan sirif untuk
meningkatkan laju perpindahan panas karena salah satu sisi fluida mempunyai koefisien perpindahan panas
yang kecil. Untuk melihat kemampuan dari penukar panas maka yang dianalisa adalah pengaruh jarak antar sirif
terhadap performansi penukar panas. Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat adalah efisiensi
permukaan menyeluruh dari pembuluh dan sirif. Menurut (Kreith, 1985). untuk memperoleh efisiensi total dari
permukaan yang bersirif (overall surface efficiency) yaitu menggabungkan bagian permukaan yang tidak bersirif
(unfinned area) dengan luas permukaan sirif yang berefisiensi
ho =
h w . Secara umum dirumuskan sebagai berikut :
qtot
h A (T - T¥ ) + ht At (Tt - T¥ )
= w w w
q max
M& . Cp, f . (T f ,in - T f ,out )
(4)
Perpindahan Panas Konveksi Bebas
Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan panas yang diakibatkan adanya perbedaan
temperatur antara permukaan suatu material dengan fluida yang bergerak. Perpindahan panas yang terjadi bisa
dari permukaan material ke fluida yang bergerak atau dari fluida yang bergerak ke permukaan material.
Perpindahan panas secara konveksi ada 2 yaitu : Konveksi Paksa (Forced Convection), Konveksi Alamiah
(Natural Convection) atau Konveksi Bebas (Free Convection)
Konveksi Paksa (Forced Convection) yaitu proses perpindahan panas yang terjadi dimana pergerakan fluida
diakibatkan oleh gaya luar seperti blower, fan, kompressor dan lain-lain. Sedangkan Konveksi Alamiah adalah
proses perpindahan panas dimana pergerakan fluida terjadi akibat gaya apung (buoyancy force). Gaya apung
disebabkan oleh perubahan densitas. Gerakan fluida (gas maupun zat cair) dalam konveksi bebas terjadi karena
gaya apung yang dialaminya apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan panas berkurang sebagi
akibat proses pemanasan.. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan (body
forced).
Dalam suatu perencanaan atau unjuk kerja suatu sistem biasanya konveksi bebas lebih sering dipakai dari
pada konveksi paksa dimana tujuannya adalah meminimalisir biaya operasi. Sebagai contoh penerapan konveksi
bebas adalah pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat. Pada penukar panas tersebut ditambahkan sirif
yaitu untuk memperluas permukaan perpindahan panas konveksi bebas. Lapisan batas termal yang terjadi
terbentuk dari bagian bawah baik pembuluh maupun sirif yang kemudian berkembang terus sampai atas.
Fenomena ini dapat dilihat pada gambar di bawah berikut :
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
156
Gambar 4. Fenomena aliran pada permukaan benda padat
(Sumber ; Kundu 1999)
3. Metode
Peralatan Eksperimen
Pompa
6
4
7(Termometer)
M
8(Termokopel + Display)
Tw1
Tf in
Tt in
3
Tw2
4
9
Termosetting
2
Heater
1
Tw4
5
Tf out Tt out
Tw3
Tw5
Gambar 5. Skema peralatan eksperimen
Untuk mengukur temperatur pada sejumlah titik, digunakan termokopel type K (Copper Constanta) yang
dihubungkan dengan digital multimeter tipe DT-838. Besarnya perubahan temperatur fluida panas setelah
melewati penukar panas di ukur dengan menempatkan termokopel di dalam fluida pada input dan output penukar
panas.
4. Hasil dan pembahasan
Analisa Pengaruh Jarak Sirif terhadap Efisiensi Penukar Panas
Dari hasil eksperimen yang saya lakukan maka didapat gambar 6. dimana dapat ditarik suatu pernyataan
bahwa pada laju aliran massa yang sama semakin rapat jarak sirif maka efisiensi penukar panas semakin
menurun dimana penukar panas dengan jarak sirif 0.04 m mempunyai efisiensi penukar panas yang lebih tinggi
sedangkan penukar panas dengan jarak 0.01 m mempunyai efisiensi penukar panas yang lebih rendah dan
penukar panas dengan jarak sirif 0.02 m mempunyai efisiensi yang berada diantaranya. Hal ini menunjukkan
bahwa jarak sirif sangat berpengaruh terhadap kondisi lapisan batas yang terjadi dimana penukar panas yang
mempunyai sirif yang lebih rapat akan mengakibatkan interaksi lapisan batas termal antara sirif-sirif yang
berdekatan sehingga akan memperbesar tahanan termal perpindahan panas konveksi. Membesarnya tahanan
termal konveksi (Rkonv) akan mengakibatkan menurunnya harga koefisien perpindahan panas konveksi (h konv)
sehingga secara keseluruhan akan menurunkan efisiensi penukar panas itu sendiri.
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
157
Grafik Jarak sirip vs Efisiensi
18
16
15.94
Efisiensi (%)
14
12
0.015 kg/s
10
0.018 kg/s
8.15
8
0.021 kg/s
7.21
6
5.7
4
3.97
3.2
1.94
2
3.15
2.41
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Jarak sirip (m )
Gambar 6. Pengaruh jarak sirif terhadap efisiensi penukar panas
Akibat lain yang menyebabkan menurunnya efisiensi penukar panas adalah tidak terjadinya kondisi idealisasi
pada sirif yaitu kondisi dimana seluruh permukaan sirif berada pada temperatur dasar sehingga laju energi
maksimum dapat dihilangkan. Karena setiap sirif dikarakteristikkan oleh tahanan termal konduksi tertentu maka
gradien temperatur harus terjadi sepanjang batang sirif. Adanya tahanan termal konduksi tersebut pada setiap
sirif mengakibatkan menurunnya efisiensi sirif. Oleh karena itu apabila sirif tersebut semakin banyak atau dengan
kata lain semakin rapat jarak sirif maka tahanan termal konduksi semakin besar sehingga akan menurunkan
efisiensi sirif yang berarti juga menurunkan efisiensi penukar panas.
Sirif digunakan untuk menambah perpindahan panas dari permukaan dengan cara menambah luas
permukaan efektif tetapi sirif itu sendiri memberikan tahanan pada perpindahan panas dari permukaan
memanjang, dengan alasan tersebut tidak ada jaminan bahwa laju perpindahan panas akan diperbesar melalui
penggunaan sirif dan berarti pula tidak ada jaminan bahwa penggunaan sirif memperbesar efisiensi (Incropera,
1990). Hal ini juga diperkuat oleh pernyataan (Cengel, 1997) yaitu penambahan terlalu banyak sirif pada
permukaan (surface) secara aktual menurunkan perpindahan panas menyeluruh (overall) ketika koefisien
perpindahan panas (h) menurun mengimbangi suatu keuntungan yang diperoleh dari peningkatan dalam luas
permukaan.
Analisa Pengaruh Laju Aliran Massa terhadap Efisiensi Penukar Panas
Grafik Laju aliran massa vs Efisiensi
Efisiensi (%)
18
16
14
15.94
12
10
8
6
4
2
0
0.04 m
0.02 m
8.15
3.15
2.41
1.94
0.015
7.21
5.7
0.01 m
3.97
3.2
0.018
0.021
laju aliran massa (kg/s)
Gambar 7. Pengaruh laju aliran massa terhadap efisiensi penukar panas
Pada penelitian yang saya lakukan dan dari gambar 7 dapat ditarik suatu pernyataan bahwa pada jarak sirif
yang sama semakin besar laju aliran massa maka efisiensi penukar panas semakin besar dimana pada laju aliran
massa 0.021 kg/s mempunyai efisiensi yang lebih tinggi sedangkan laju aliran massa 0.015 kg/s mempunyai
efisiensi yang lebih kecil dan laju aliran massa 0.018 kg/s berada diantaranya. Hal ini menunjukkan bahwa laju
aliran massa sangat berpengaruh terhadap efisiensi penukar panas dikarenakan semakin besar laju aliran massa
semakin besar induksi panas yang diberikan ke sistem, artinya bahwa jumlah satuan massa (fluida panas) yang
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
158
melewati luas penampang tertentu persatu satuan waktu semakin banyak. Sehingga rata rata temperatur
permukaan pembuluh semakin meningkat dan beda temperatur antara pembuluh dan lingkungan semakin besar.
Perbedaan temperatur yang besar akan meningkatkan harga bilangan Rayleigh sehingga harga koefisien
konveksi juga besar. Dengan demikian efisiensi penukar panas secara keseluruhan akan meningkat.
Peningkatan laju aliran masa pada dasarnya akan memperbesar induksi energi panas yang masuk, sehingga
menyebabkan harga bilangan Rayleigh membesar dan Nuselt juga meningkat (Incropera, 1983). Hal tersebut
juga diperkuat oleh pernyataan bahwa semakin tinggi laju aliran massa maka semakin tinggi pula laju
perpindahan panasnya (Cengel, 1997).
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa yang saya lakukan, dapat diambil kesimpulan yaitu : pada laju aliran
massa yang sama, semakin besar jarak sirif maka semakin besar efisiensi penukar panas. Pada jarak sirif yang
sama semakin besar laju aliran massa maka semakin besar efisiensi penukar panasnya. Semakin besar efisiensi
penukar panas maka semakin besar unjuk kerja refrigerator.
Saran-saran
Agar hasil penelitian lebih baik maka perlu diperhatikan proses pengerjaannya terutama pengelasan pada
setiap titik antara kawat dan pembuluh dan hal yang terpenting adalah tingkat akurasi dari alat-alat ukur yang
digunakan sehingga hasil yang didapat akan jauh lebih baik. Untuk mengukur laju aliran massa diharapkan
menggunakan flowmeter sehingga hasilnya akan lebih akurat.
6. Daftar pustaka
[1] Ananthanarayanan, P.A., (1982), Basic Refrigerant and Air Conditioning, McGraw- Hill Publishing
Company Limited, New Delhi.
[2] Bejan, A., (1993), Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc, New York.
[3] Cengel, Y.A., (1998), Heat Transfer a Practical Approach, McGraw-Hill, New York.
th
[4]... Holman, J.P., (1993), Heat Transfer, 8 Edition, McGraw-Hill, New York.
[5] Incropera, F.P., (1996), Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 4
New York.
rd
Edition, John Wiley & Sons,
[6] Kreith, F., (1986), Alih bahasa oleh Arko Prijono, Perpindahan Panas, Airlangga, Indonesia.
[7] Kundu, B. and Das, P.K., (1999), Performance Analysis and Optimization of Eccentric Annular Disk
Fins, Journal of Heat Transfer, Vol. 121, pp 419-429.
[8] Marsters, G.F., (1971), Array of Heated Horizontal Cylinders in Natural Convection, Journal of Heat
Transfer, vol. 15, pp 921-933.
[9] Srinivasan, V. and Shah, R.K., (1997), Fin Efficiency of Extended Surface in Two Phase-flow, Journal
of Heat and Fluid Flow, vol. 18, pp 419-429.
[10] Tanda, G.,and Tagliafico, L., (1993), Free Convection Heat Transfer From Wire and Tube Heat
Exchangers, Journal of Heat Transfer, vol. 199, pp 370-372.
[11] Witzell, O.W. and Fontaine, W.E., (1957), Design of Wire and Tube Condenser, Journal of
Refrigerating Engineering, vol. 65, pp 41-44.
Nomenclatur :
M& = Laju aliran massa minyak é Kg ù
êë s úû
Cp, f =
T f ,in =
éJ
ù
êë Kg.K úû
Panas spesifik fluida pada tekanan konstan
[K ]
[K ]
Temperatur minyak pada saluran masuk penukar panas
T f ,out = Temperatur minyak pada saluran keluar penukar kalor
[
h = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata W
[ ]
m 2 .K
]
Atot = Luas permukaan perpindahan panas total m 2
T¥ = Temperatur udara luar [K ]
Prosiding Konferensi Nasional Engineering Hotel IV, Universitas Udayana, Bali, 27-28 Juni 2013
159
Ts = Temperatur permukaan rata-rata pada sisi luar penukar panas [K ]
h w = Effisiensi sirif (%)
qw = Laju perpindahan panas pada sirif (W)
qt = Laju perpindahan panas pada pembuluh (W)
hw =
Koefisien konveksi rata-rata pada sirif (W/m .K)
ht =
Koefisien konveksi rata-rata pada pembuluh (W/m .K)
Tw =
Temperatur rata-rata permukaan sirif (K)
Tt =
Temperatur rata-rata permukaan pembuluh (K)
2
2
T¥ = Temperatur udara kamar (K)
qtot = Laju perpindahan panas dari fluida pemindah panas (W)
q max = Laju perpindahan panas dari penukar panas (W)
Aw = Luas permukaan perpindahan panas pada sirif (m2)
At = Luas permukaan perpindahan panas pembuluh (m2)
h o = Efisiensi penukar panas (%)
Prosiding KNEP IV 2013
•
ISSN 2338 - 414X
160