STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK.
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE
INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
BUDI HARTONO
NIM. I1414017
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016
ii
iii
EXPERIMENTAL STUDY EFFECT OF SHORT-LENGTH TWISTED TAPE
INSERT ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR
CHARACTERISTICS IN CONCENTRIC TUBE HEAT EXCHANGER
Budi Hartono
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : budihartono@student.uns.ac.id
Abstract
This study was conducted to examine the effect of short-length twisted tape
insert on heat transfer and friction factor characteristics in concentric tube heat
exchanger. Twisted tapes were used at several tape length ratios (L/I) = 0.25; 0.5;
0.75; and 1. Twisted tapes were made of aluminum strips with a thickness of 0.7
mm, pitch of 35 mm, and width of 12.6 mm. The Reynolds numbers were varied in
the range of 5400 - 17.350.
The results showed that at the Reynold number for 5400 - 17.350, the
addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1 in the inner tube
increasing the average Nusselt number were 0.45; 0.56; 0.65 dan 0.74 than the
inner tube without a twisted tape insert, respectively. At the Reynold number for
5400 - 17.350, addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1
in the inner tube increasing average friction factor were 1.66; 1.98; 2.26 and 2.49
than the inner tube without a twisted tape insert, respectively. The average thermal
performance of inner tube with the addition of short-length twisted tape (L/I) =
0.25; 0.5; 0.75; and 1 were 1.088; 1.138; 1.174 and 1.21, respectively. The mean
deviation between experimental and correlated values of the Nusselt number and
friction factor is the order of ±2.5% and ±4.4%, respectively.
Keywords : Nusselt number, friction factor, enhancement efficiency, short-length
twisted tape insert
iv
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE
INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK
Budi Hartono
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : budihartono@student.uns.ac.id
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik pengaruh panjang
twited tape insert terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada
penukar kalor pipa konsentrik. Twisted tapes yang digunakan mempunyai variasi
panjang (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 dengan twist ratio (y/w) = 2,7. Twisted tape
terbuat dari aluminium strip dengan tebal 0,7 mm, panjang pitch 35 mm dan lebar
12,6 mm. Bilangan Reynolds divariasi antara 5.400 - 17.350.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada bilangan Reynold 5.400 17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan
1 meningkatkan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut ; 0,45; 0,56; 0,65 dan 0,74
daripada pipa dalam dengan twisted tape insert (plain tube). Pada bilangan Reynold
5400 - 17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5;
0,75; dan 1 meningkatkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut ; 1,66; 1,98; 2,26
dan 2,49 daripada plain tube. Nilai unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan
variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 berturut-turut
adalah 1,088; 1,138; 1,174 dan 1,21. Penyimpangan rata-rata antara eksperimental
dan nilai korelasi untuk nilai Nusselt dan faktor gesekan berturut-turut; ±2,5% and
±4,4%.
Kata kunci : bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal, short-length
twisted tape insert
v
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas
rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan
laporan tugas akhir “Studi Eksperimental Pengaruh Panjang Twisted Tape
Insert terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik” ini dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini
selain merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan
pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas
Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk menambah wawasan di bidang pembangkit
listrik tenaga air yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang
sangat besar saat ini.
Pada kesempatan ini ijinkan penulis untuk mengucapkan terima kasih dan
ras hormat atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat
menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, yaitu kepada:
1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku ketua progdi dan
pembimbing akademik Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama
menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini.
2. Ibu Indri Yaningsih, ST., MT. selaku dosen pembimbing I dalam
penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan
masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir.
3. Bapak Agung Tri Wijayanta, M. Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing II
dalam penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan
memberikan masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan
Tugas Akhir.
4. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik
Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu.
5. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan
semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini.
6. Bapak yang memberikan motifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir
ini.
vi
7. Kakak Andriyono Arifin sebagai kakak yang selalu mendukung dalam
bidang apapun sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dan Tugas Akhir
ini.
8. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga
kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat
penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis
untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan,
kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu
sebelumnya penulis
mohon maaf
yang sebesar-besarnya. Penulis juga
mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat
membangun atas laporan ini.
Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih
dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.
Surakarta,
Oktober 2016
Penulis
vii
DAFTAR ISI
Halaman Judul..........................................................................................................i
Halaman Surat Penugasan.......................................................................................ii
Halaman Pengesahan..............................................................................................iii
Abstract .................................................................................................................. iv
Abstrak .................................................................................................................... v
Kata Pengantar ....................................................................................................... vi
Daftar Isi............................................................................................................... viii
Daftar Gambar ......................................................................................................... x
Daftar Persamaan .................................................................................................. xii
Daftar Notasi ........................................................................................................ xiv
Daftar Lampiran ................................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1
1.2 Perumusan Masalah ..................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat .................................................................................... 2
1.5. Sistematika Penulisan .................................................................................. 3
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 4
2.1. Tinjauan Pustaka ......................................................................................... 4
2.2. Dasar Teori .................................................................................................. 7
2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ................................................................... 7
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) .......................... 8
2.2.3 Penukar Kalor .................................................................................. 11
2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ................................................................ 14
2.2.4 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ......... 15
2.2.5. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) ..................................... 17
2.2.6. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan .................... 18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 24
3.1. Tempat Penelitian ..................................................................................... 24
3.2. Bahan Penelitian ........................................................................................ 24
3.3. Skema Alat Penelitian ............................................................................... 24
3.4. Alat dan Instrumentasi Penelitian ............................................................. 26
3.5. Diagram Alir Penelitian ............................................................................ 33
3.6. Prosedur Penelitian .................................................................................... 33
3.6.1. Tahap persiapan ............................................................................... 34
3.6.2 Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube)....... 34
3.6.3 Pengujian penukar kalor dengan twisted tape insert. ...................... 35
3.7. Metode Analisis Data ................................................................................ 36
BAB IV DATA DAN ANALISA ......................................................................... 37
4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................................. 37
4.2 Perhitungan Data ....................................................................................... 37
4.3. Analisa Data .............................................................................................. 37
4.3.1 Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube). . 37
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape
Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas. ......................... 39
viii
4.3.3
Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape
Insert Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan Penukar Kalor........41
4.3.4 Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja
Termal (). ...................................................................................... 44
4.3.5 Korelasi-korelasi untuk memprediksi perpindahan panas, faktor
gesekan dan unjuk kerja termal. ...................................................... 45
BAB V PENUTUP ................................................................................................ 49
5.1. Kesimpulan................................................................................................ 49
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 50
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas (Kreith et al., 2010) .............. 8
Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran
masuk aliran pipa (White, 2003)....................................................... 9
Gambar 2.3 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada pada
penukar kalor searah (Bergman et al., 2011) ................................... 11
Gambar 2.4 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor berlawanan arah (Bergman et al., 2011) ................... 12
Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik (Cengel, 2003) ................................. 13
Gambar 2. 6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa
konsentrik (Cengel, 2003)................................................................ 13
Gambar 2.7 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert (ManglikBergles,1992) ................................................................................... 18
Gambar 3.1 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan variasi
panjang twisted tape insert. ............................................................. 24
Gambar 3.2 Gambar alat penelitian; (1) rotameter, (2) manometer pipa-U, (3)
tangki air dingin, (4) penjebak air, (5) pompa air dingin, (6) pompa
air panas, (7) tangki air panas, (8) MCB pompa air panas dan dingin
, (9) thermocontroller , (10) thermocouple reader , (11) penukar kalor
pipa konsentrik. ................................................................................ 25
Gambar 3.3. Skema penukar kalor pipa konsentrik .............................................. 27
Gambar 3 4 Twisted tape insert (a) 25%, (b) 50%, (c) 75%, (d) 100% (full-length
tape) ................................................................................................. 28
Gambar 3.5 Gambar detail flange, (b) Gambar pemasangan flange pada penukar
kalor ................................................................................................. 29
Gambar 3.6 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air
masuk dan keluar di inner tube dan di annulus. .............................. 29
Gambar 3.7 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding
luar pipa dalam................................................................................. 30
Gambar 3.8 Thermocouple reader ....................................................................... 30
Gambar 3.9 Temperature controller .................................................................... 30
Gambar 3.10 Pemanas air elektrik ....................................................................... 31
Gambar 3.11 Rotameter ....................................................................................... 31
Gambar 3.12 Penjebak air .................................................................................... 32
Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 33
Gambar 4.3 Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube............................ 38
Gambar 4.4 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube .............................. 39
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara Nu dengan Re ............................................ 40
Gambar 4.6 Grafik hubungan P dengan Re ....................................................... 43
Gambar 4.7 Grafik hubungan f dengan Re........................................................... 43
Gambar 4.8 Grafik hubungan dengan Re pada daya pemompaan yang sama . 44
Gambar 4.9 Perbandingan antara bilangan Nu hasil eksperimen dengan prediksi
hasil korelasi .................................................................................... 45
x
Gambar 4.10 Perbandingan antara f hasil eksperimen dengan prediksi hasil
korelasi ............................................................................................. 46
Gambar 4.11 Perbandingan antara hasil eksperimen dengan prediksi hasil
korelasi ............................................................................................. 46
xi
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1) Reynolds ...................................................................................... 9
Persamaan (2.2) Diameter hidrolik ........................................................................ 9
Persamaan (2.3) Aliran laminar ........................................................................... 10
Persamaan (2.4) Aliran transisi ............................................................................ 10
Persamaan (2.5) Aliran turbulen .......................................................................... 10
Persamaan (2.6) Laju aliran massa air ................................................................. 10
Persamaan (2.7) Bulk mean temperature ............................................................. 11
Persamaan (2.8) Laju perpindahan panas untuk fluida panas .............................. 12
Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin .............................. 12
Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ........................................................... 12
Persamaan (2.11) log mean temperature difference ............................................. 12
Persamaan (2.12) Tahanan termal total ................................................................. 14
Persamaan (2.13) Laju perpindahan panas.............…........................................... 14
Persamaan (2.14) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 14
Persamaan (2.15) Perbandingan kedua gaya ......................................................... 14
Persamaan (2.16) Bilangan Prandtl ....................................................................... 15
Persamaan (2.17) Bilangan Nusselt ...................................................................... 15
Persamaan (2.18) Twist ratio ................................................................................ 17
Persamaan (2.19) Sudut heliks .............................................................................. 17
Persamaan (2.20) Korelasi Dittus-Boelter ............................................................ 18
Persamaan (2.21) Persamaan Petukhov kedua ...................................................... 18
Persamaan (2.22) Persamaan Gnielinski ............................................................... 19
Persamaan (2.23) Modifikasi korelasi Dittus-Boelter........................................... 19
Persamaan (2.24) Persamaan Blasius ................................................................... 19
Persamaan (2.25) Korelasi plain tube ................................................................... 19
Persamaan (2.26) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi .......................................... 19
Persamaan (2.27) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi ......................................... 19
Persamaan (2.28) Laju perpindahan panas untuk fluida panas ............................. 20
Persamaan (2.29) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin ............................ 20
Persamaan (2.30) Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam .......................... 20
Persamaan (2.31) Temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus.................. 20
Persamaan (2.32) Ketidaksetimbangan energi ..................................................... 20
Persamaan (2.33) Persentase ketidaksetimbangan energi .................................... 20
Persamaan (2.34) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus ... 20
Persamaan (2.35) Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ............................... 20
Persamaan (2.36) Koefisien perpindahan panas overall ...................................... 20
Persamaan (2.37) Beda temperatur rata-rata logaritmik ...................................... 20
Persamaan (2.38) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 21
Persamaan (2.39) Penjabaran persamaan (2.28), (2.36) dan (2.37) ..................... 21
Persamaan (2.40) Penjabaran persamaan koefisien perpindahan panas overal .... 21
Persamaan (2.41) Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam ....... 21
Persamaan (2.42) Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam ...................... 21
Persamaan (2.43) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21
Persamaan (2.44) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21
Persamaan (2.45) Kapasitas panas (heat capacity rate) Ch ................................. 21
xii
Persamaan (2.46) Kapasitas panas (heat capacity rate) Cc ................................... 21
Persamaan (2.47) Penjabaran persamaan ( 2.28 ) Qh ............................................ 22
Persamaan (2.48) Penjabaran persamaan ( 2.41 ) Qc ........................................... 22
Persamaan (2.49) Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow................ 22
Persamaan (2.50) Penurunan tekanan ................................................................... 22
Persamaan (2.51) Faktor gesekan ......................................................................... 22
Persamaan (2.52) Daya pemompaan ..................................................................... 22
Persamaan (2.53) Daya pemompaan konstan ....................................................... 23
Persamaan (2.54) Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds ............. 23
Persamaan (2.55) Unjuk kerja termal.................................................................... 23
Persamaan (2.56) Unjuk kerja termal.................................................................... 23
Persamaan (2.57) Bilangan Reynolds untuk plain tube ........................................ 23
Persamaan (2.58) Unjuk kerja termal dari twisted tape insert ............................. 23
Persamaan (4.1) Korelasi Nu untuk plain tube ..................................................... 38
Persamaan (4.2) Korelasi f untuk plain tube ......................................................... 38
Persamaan (4.3) Korelasi Nu untuk twisted tape insert ........................................ 45
Persamaan (4.4) Korelasi f untuk twisted tape insert ............................................ 45
Persamaan (4.5) Korelasi untuk twisted tape insert .......................................... 45
xiii
DAFTAR NOTASI
Ai
Ao
Cp,c
Cp,h
di
do
f
fp
fs
g
hi
ho
hp
hs
Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Panas jenis air dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Panas jenis air panas di pipa dalam (kJ/kg.oC)
Diameter dalam pipa dalam (m)
Diameter luar pipa dalam (m)
Faktor gesekan
Faktor gesekan plain tube
Faktor gesekan pipa dalam dengan sisipan
Percepatan gravitasi (m/s2)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di plain tube (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan
sisipan (W/m2.oC)
Konduktivitas termal rata-rata air panas di pipa dalam (W/m.oC)
Konduktivitas termal material pipa dalam (W/m.oC)
Panjang pipa (m)
Panjang pengukuran beda tekana di pipa dalam (m)
Laju aliran massa air dingin di annulus (kg/s)
Laju aliran massa air panas di pipa dalam (kg/s)
Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
Bilangan Nusselt rata-rata di plain tube
Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan sisipan
Bilangan Prandtl
Laju perpindahan panas aktual dari penukar kalor (W)
Laju perpindahan panas ke annulus (W)
Laju perpindahan panas di pipa dalam (W)
Kehilangan panas konveksi di pipa dalam (W)
Laju perpindahan panas maksimum yang mungkin dari penukar kalor (W)
Bilangan Reynolds
Temperatur air dingin bulk rata-rata di annulus (oC)
Temperatur air panas bulk rata-rata di pipa dalam (oC)
Temperatur air dingin masuk annulus (oC)
Temperatur air dingin keluar annulus (oC)
Temperatur air panas masuk pipa dalam (oC)
Temperatur air panas keluar pipa dalam (oC)
Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
kfi
kp
L
Lt
ṁc
ṁh
Nui
Nup
Nus
Pr
Qaktual
Qc
Qh
Qloss
Qmaksimum
Re
Tb,c
Tb,h
Tc,i
Tc,o
Th,i
Th,o
T w,o
Ui
Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
V
Kecepatan rata-rata air panas di pipa dalam (m/s)
.
Laju aliran volumetrik (debit) air panas di pipa dalam (m3/s)
V
Wpompa
Daya pemompaan (W)
Efektivenes penukar kalor
xiv
m
h
P
TLMTD
Densitas air panas di pipa dalam (kg/m3)
Densitas fluida manometer (kg/m3)
Faktor unjuk kerja termal
Viskositas dinamik air panas di pipa dalam (kg/m.s)
Beda ketinggian fluida manometer (m)
Penurunan tekanan (Pa)
Beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Eksperimen............................................................................... 51
Lampiran 2. Hasil Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan
dan Rasio Koefisien Perpindahan Panas .......................................... 80
Lampiran 3. Perhitungan Data .............................................................................. 84
Lampiran 4. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt dan faktor gesekan
plain tube ......................................................................................... 98
Lampiran 5. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt pipa dalam dengan
variasi panjang twisted tape insert ................................................. 100
Lampiran 6. Tabel Konduktivitas Termal Material ............................................ 103
Lampiran 7. Properties Air .................................................................................. 104
xvi
INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
BUDI HARTONO
NIM. I1414017
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016
ii
iii
EXPERIMENTAL STUDY EFFECT OF SHORT-LENGTH TWISTED TAPE
INSERT ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR
CHARACTERISTICS IN CONCENTRIC TUBE HEAT EXCHANGER
Budi Hartono
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : budihartono@student.uns.ac.id
Abstract
This study was conducted to examine the effect of short-length twisted tape
insert on heat transfer and friction factor characteristics in concentric tube heat
exchanger. Twisted tapes were used at several tape length ratios (L/I) = 0.25; 0.5;
0.75; and 1. Twisted tapes were made of aluminum strips with a thickness of 0.7
mm, pitch of 35 mm, and width of 12.6 mm. The Reynolds numbers were varied in
the range of 5400 - 17.350.
The results showed that at the Reynold number for 5400 - 17.350, the
addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1 in the inner tube
increasing the average Nusselt number were 0.45; 0.56; 0.65 dan 0.74 than the
inner tube without a twisted tape insert, respectively. At the Reynold number for
5400 - 17.350, addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1
in the inner tube increasing average friction factor were 1.66; 1.98; 2.26 and 2.49
than the inner tube without a twisted tape insert, respectively. The average thermal
performance of inner tube with the addition of short-length twisted tape (L/I) =
0.25; 0.5; 0.75; and 1 were 1.088; 1.138; 1.174 and 1.21, respectively. The mean
deviation between experimental and correlated values of the Nusselt number and
friction factor is the order of ±2.5% and ±4.4%, respectively.
Keywords : Nusselt number, friction factor, enhancement efficiency, short-length
twisted tape insert
iv
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE
INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK
Budi Hartono
Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : budihartono@student.uns.ac.id
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik pengaruh panjang
twited tape insert terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada
penukar kalor pipa konsentrik. Twisted tapes yang digunakan mempunyai variasi
panjang (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 dengan twist ratio (y/w) = 2,7. Twisted tape
terbuat dari aluminium strip dengan tebal 0,7 mm, panjang pitch 35 mm dan lebar
12,6 mm. Bilangan Reynolds divariasi antara 5.400 - 17.350.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada bilangan Reynold 5.400 17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan
1 meningkatkan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut ; 0,45; 0,56; 0,65 dan 0,74
daripada pipa dalam dengan twisted tape insert (plain tube). Pada bilangan Reynold
5400 - 17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5;
0,75; dan 1 meningkatkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut ; 1,66; 1,98; 2,26
dan 2,49 daripada plain tube. Nilai unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan
variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 berturut-turut
adalah 1,088; 1,138; 1,174 dan 1,21. Penyimpangan rata-rata antara eksperimental
dan nilai korelasi untuk nilai Nusselt dan faktor gesekan berturut-turut; ±2,5% and
±4,4%.
Kata kunci : bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal, short-length
twisted tape insert
v
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas
rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan
laporan tugas akhir “Studi Eksperimental Pengaruh Panjang Twisted Tape
Insert terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik” ini dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini
selain merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan
pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas
Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk menambah wawasan di bidang pembangkit
listrik tenaga air yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang
sangat besar saat ini.
Pada kesempatan ini ijinkan penulis untuk mengucapkan terima kasih dan
ras hormat atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat
menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, yaitu kepada:
1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku ketua progdi dan
pembimbing akademik Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama
menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini.
2. Ibu Indri Yaningsih, ST., MT. selaku dosen pembimbing I dalam
penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan
masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir.
3. Bapak Agung Tri Wijayanta, M. Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing II
dalam penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan
memberikan masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan
Tugas Akhir.
4. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik
Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu.
5. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan
semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini.
6. Bapak yang memberikan motifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir
ini.
vi
7. Kakak Andriyono Arifin sebagai kakak yang selalu mendukung dalam
bidang apapun sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dan Tugas Akhir
ini.
8. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga
kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.
9. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat
penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis
untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan,
kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu
sebelumnya penulis
mohon maaf
yang sebesar-besarnya. Penulis juga
mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat
membangun atas laporan ini.
Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih
dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.
Surakarta,
Oktober 2016
Penulis
vii
DAFTAR ISI
Halaman Judul..........................................................................................................i
Halaman Surat Penugasan.......................................................................................ii
Halaman Pengesahan..............................................................................................iii
Abstract .................................................................................................................. iv
Abstrak .................................................................................................................... v
Kata Pengantar ....................................................................................................... vi
Daftar Isi............................................................................................................... viii
Daftar Gambar ......................................................................................................... x
Daftar Persamaan .................................................................................................. xii
Daftar Notasi ........................................................................................................ xiv
Daftar Lampiran ................................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1
1.2 Perumusan Masalah ..................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat .................................................................................... 2
1.5. Sistematika Penulisan .................................................................................. 3
BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 4
2.1. Tinjauan Pustaka ......................................................................................... 4
2.2. Dasar Teori .................................................................................................. 7
2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ................................................................... 7
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) .......................... 8
2.2.3 Penukar Kalor .................................................................................. 11
2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ................................................................ 14
2.2.4 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ......... 15
2.2.5. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) ..................................... 17
2.2.6. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan .................... 18
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 24
3.1. Tempat Penelitian ..................................................................................... 24
3.2. Bahan Penelitian ........................................................................................ 24
3.3. Skema Alat Penelitian ............................................................................... 24
3.4. Alat dan Instrumentasi Penelitian ............................................................. 26
3.5. Diagram Alir Penelitian ............................................................................ 33
3.6. Prosedur Penelitian .................................................................................... 33
3.6.1. Tahap persiapan ............................................................................... 34
3.6.2 Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube)....... 34
3.6.3 Pengujian penukar kalor dengan twisted tape insert. ...................... 35
3.7. Metode Analisis Data ................................................................................ 36
BAB IV DATA DAN ANALISA ......................................................................... 37
4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................................. 37
4.2 Perhitungan Data ....................................................................................... 37
4.3. Analisa Data .............................................................................................. 37
4.3.1 Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube). . 37
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape
Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas. ......................... 39
viii
4.3.3
Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape
Insert Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan Penukar Kalor........41
4.3.4 Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja
Termal (). ...................................................................................... 44
4.3.5 Korelasi-korelasi untuk memprediksi perpindahan panas, faktor
gesekan dan unjuk kerja termal. ...................................................... 45
BAB V PENUTUP ................................................................................................ 49
5.1. Kesimpulan................................................................................................ 49
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 50
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas (Kreith et al., 2010) .............. 8
Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran
masuk aliran pipa (White, 2003)....................................................... 9
Gambar 2.3 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada pada
penukar kalor searah (Bergman et al., 2011) ................................... 11
Gambar 2.4 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor berlawanan arah (Bergman et al., 2011) ................... 12
Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik (Cengel, 2003) ................................. 13
Gambar 2. 6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa
konsentrik (Cengel, 2003)................................................................ 13
Gambar 2.7 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert (ManglikBergles,1992) ................................................................................... 18
Gambar 3.1 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan variasi
panjang twisted tape insert. ............................................................. 24
Gambar 3.2 Gambar alat penelitian; (1) rotameter, (2) manometer pipa-U, (3)
tangki air dingin, (4) penjebak air, (5) pompa air dingin, (6) pompa
air panas, (7) tangki air panas, (8) MCB pompa air panas dan dingin
, (9) thermocontroller , (10) thermocouple reader , (11) penukar kalor
pipa konsentrik. ................................................................................ 25
Gambar 3.3. Skema penukar kalor pipa konsentrik .............................................. 27
Gambar 3 4 Twisted tape insert (a) 25%, (b) 50%, (c) 75%, (d) 100% (full-length
tape) ................................................................................................. 28
Gambar 3.5 Gambar detail flange, (b) Gambar pemasangan flange pada penukar
kalor ................................................................................................. 29
Gambar 3.6 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air
masuk dan keluar di inner tube dan di annulus. .............................. 29
Gambar 3.7 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding
luar pipa dalam................................................................................. 30
Gambar 3.8 Thermocouple reader ....................................................................... 30
Gambar 3.9 Temperature controller .................................................................... 30
Gambar 3.10 Pemanas air elektrik ....................................................................... 31
Gambar 3.11 Rotameter ....................................................................................... 31
Gambar 3.12 Penjebak air .................................................................................... 32
Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 33
Gambar 4.3 Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube............................ 38
Gambar 4.4 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube .............................. 39
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara Nu dengan Re ............................................ 40
Gambar 4.6 Grafik hubungan P dengan Re ....................................................... 43
Gambar 4.7 Grafik hubungan f dengan Re........................................................... 43
Gambar 4.8 Grafik hubungan dengan Re pada daya pemompaan yang sama . 44
Gambar 4.9 Perbandingan antara bilangan Nu hasil eksperimen dengan prediksi
hasil korelasi .................................................................................... 45
x
Gambar 4.10 Perbandingan antara f hasil eksperimen dengan prediksi hasil
korelasi ............................................................................................. 46
Gambar 4.11 Perbandingan antara hasil eksperimen dengan prediksi hasil
korelasi ............................................................................................. 46
xi
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1) Reynolds ...................................................................................... 9
Persamaan (2.2) Diameter hidrolik ........................................................................ 9
Persamaan (2.3) Aliran laminar ........................................................................... 10
Persamaan (2.4) Aliran transisi ............................................................................ 10
Persamaan (2.5) Aliran turbulen .......................................................................... 10
Persamaan (2.6) Laju aliran massa air ................................................................. 10
Persamaan (2.7) Bulk mean temperature ............................................................. 11
Persamaan (2.8) Laju perpindahan panas untuk fluida panas .............................. 12
Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin .............................. 12
Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ........................................................... 12
Persamaan (2.11) log mean temperature difference ............................................. 12
Persamaan (2.12) Tahanan termal total ................................................................. 14
Persamaan (2.13) Laju perpindahan panas.............…........................................... 14
Persamaan (2.14) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 14
Persamaan (2.15) Perbandingan kedua gaya ......................................................... 14
Persamaan (2.16) Bilangan Prandtl ....................................................................... 15
Persamaan (2.17) Bilangan Nusselt ...................................................................... 15
Persamaan (2.18) Twist ratio ................................................................................ 17
Persamaan (2.19) Sudut heliks .............................................................................. 17
Persamaan (2.20) Korelasi Dittus-Boelter ............................................................ 18
Persamaan (2.21) Persamaan Petukhov kedua ...................................................... 18
Persamaan (2.22) Persamaan Gnielinski ............................................................... 19
Persamaan (2.23) Modifikasi korelasi Dittus-Boelter........................................... 19
Persamaan (2.24) Persamaan Blasius ................................................................... 19
Persamaan (2.25) Korelasi plain tube ................................................................... 19
Persamaan (2.26) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi .......................................... 19
Persamaan (2.27) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi ......................................... 19
Persamaan (2.28) Laju perpindahan panas untuk fluida panas ............................. 20
Persamaan (2.29) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin ............................ 20
Persamaan (2.30) Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam .......................... 20
Persamaan (2.31) Temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus.................. 20
Persamaan (2.32) Ketidaksetimbangan energi ..................................................... 20
Persamaan (2.33) Persentase ketidaksetimbangan energi .................................... 20
Persamaan (2.34) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus ... 20
Persamaan (2.35) Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ............................... 20
Persamaan (2.36) Koefisien perpindahan panas overall ...................................... 20
Persamaan (2.37) Beda temperatur rata-rata logaritmik ...................................... 20
Persamaan (2.38) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 21
Persamaan (2.39) Penjabaran persamaan (2.28), (2.36) dan (2.37) ..................... 21
Persamaan (2.40) Penjabaran persamaan koefisien perpindahan panas overal .... 21
Persamaan (2.41) Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam ....... 21
Persamaan (2.42) Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam ...................... 21
Persamaan (2.43) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21
Persamaan (2.44) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21
Persamaan (2.45) Kapasitas panas (heat capacity rate) Ch ................................. 21
xii
Persamaan (2.46) Kapasitas panas (heat capacity rate) Cc ................................... 21
Persamaan (2.47) Penjabaran persamaan ( 2.28 ) Qh ............................................ 22
Persamaan (2.48) Penjabaran persamaan ( 2.41 ) Qc ........................................... 22
Persamaan (2.49) Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow................ 22
Persamaan (2.50) Penurunan tekanan ................................................................... 22
Persamaan (2.51) Faktor gesekan ......................................................................... 22
Persamaan (2.52) Daya pemompaan ..................................................................... 22
Persamaan (2.53) Daya pemompaan konstan ....................................................... 23
Persamaan (2.54) Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds ............. 23
Persamaan (2.55) Unjuk kerja termal.................................................................... 23
Persamaan (2.56) Unjuk kerja termal.................................................................... 23
Persamaan (2.57) Bilangan Reynolds untuk plain tube ........................................ 23
Persamaan (2.58) Unjuk kerja termal dari twisted tape insert ............................. 23
Persamaan (4.1) Korelasi Nu untuk plain tube ..................................................... 38
Persamaan (4.2) Korelasi f untuk plain tube ......................................................... 38
Persamaan (4.3) Korelasi Nu untuk twisted tape insert ........................................ 45
Persamaan (4.4) Korelasi f untuk twisted tape insert ............................................ 45
Persamaan (4.5) Korelasi untuk twisted tape insert .......................................... 45
xiii
DAFTAR NOTASI
Ai
Ao
Cp,c
Cp,h
di
do
f
fp
fs
g
hi
ho
hp
hs
Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Panas jenis air dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Panas jenis air panas di pipa dalam (kJ/kg.oC)
Diameter dalam pipa dalam (m)
Diameter luar pipa dalam (m)
Faktor gesekan
Faktor gesekan plain tube
Faktor gesekan pipa dalam dengan sisipan
Percepatan gravitasi (m/s2)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di plain tube (W/m2.oC)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan
sisipan (W/m2.oC)
Konduktivitas termal rata-rata air panas di pipa dalam (W/m.oC)
Konduktivitas termal material pipa dalam (W/m.oC)
Panjang pipa (m)
Panjang pengukuran beda tekana di pipa dalam (m)
Laju aliran massa air dingin di annulus (kg/s)
Laju aliran massa air panas di pipa dalam (kg/s)
Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
Bilangan Nusselt rata-rata di plain tube
Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan sisipan
Bilangan Prandtl
Laju perpindahan panas aktual dari penukar kalor (W)
Laju perpindahan panas ke annulus (W)
Laju perpindahan panas di pipa dalam (W)
Kehilangan panas konveksi di pipa dalam (W)
Laju perpindahan panas maksimum yang mungkin dari penukar kalor (W)
Bilangan Reynolds
Temperatur air dingin bulk rata-rata di annulus (oC)
Temperatur air panas bulk rata-rata di pipa dalam (oC)
Temperatur air dingin masuk annulus (oC)
Temperatur air dingin keluar annulus (oC)
Temperatur air panas masuk pipa dalam (oC)
Temperatur air panas keluar pipa dalam (oC)
Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
kfi
kp
L
Lt
ṁc
ṁh
Nui
Nup
Nus
Pr
Qaktual
Qc
Qh
Qloss
Qmaksimum
Re
Tb,c
Tb,h
Tc,i
Tc,o
Th,i
Th,o
T w,o
Ui
Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
V
Kecepatan rata-rata air panas di pipa dalam (m/s)
.
Laju aliran volumetrik (debit) air panas di pipa dalam (m3/s)
V
Wpompa
Daya pemompaan (W)
Efektivenes penukar kalor
xiv
m
h
P
TLMTD
Densitas air panas di pipa dalam (kg/m3)
Densitas fluida manometer (kg/m3)
Faktor unjuk kerja termal
Viskositas dinamik air panas di pipa dalam (kg/m.s)
Beda ketinggian fluida manometer (m)
Penurunan tekanan (Pa)
Beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data Eksperimen............................................................................... 51
Lampiran 2. Hasil Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan
dan Rasio Koefisien Perpindahan Panas .......................................... 80
Lampiran 3. Perhitungan Data .............................................................................. 84
Lampiran 4. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt dan faktor gesekan
plain tube ......................................................................................... 98
Lampiran 5. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt pipa dalam dengan
variasi panjang twisted tape insert ................................................. 100
Lampiran 6. Tabel Konduktivitas Termal Material ............................................ 103
Lampiran 7. Properties Air .................................................................................. 104
xvi