PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKANPADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIKDENGANV- CUTTWISTED TAPE INSERT.
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR
GESEKANPADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIKDENGANVCUTTWISTED TAPE INSERT
Disusun oleh :
Prasekky Hanung Permadi
NIM. I0409040
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, S.T., M.T.
NIP. 197308202000121001
Indri Yaningsih, S.T., M.T.
NIP. 198607042012122004
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Kamis, tanggal 19
Maret2015
1. Eko Prasetya B., S.T., M.T.
NIP. 197109261999031002
…………………………
2. Dr. Budi Santoso, S.T., M.T.
NIP. 19701105200031001
…………………………
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
Didik Djoko Susilo, ST., MT
NIP . 197203131997021001
Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT.
NIP. 197106151998021002
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Just do it
Where words leave off, Music
begins.
commit to user
iv
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Alhamdulillah,
TerimakasihyaRabb,
akhirnyaakusampai dititikini, sebuahkaryakecil
yang
dikerjakankuranglebih
1
tahuninikupersembahkanteruntuk :
Allah SWT karenaatasridhoNyaskripsiinidapatterselesaikandenganbaik
Ibuku (HerniJuniasih) danBapakku (Suwarto)
yang selalumendidik,
menasehatisertamendoakandengansepenuhhat
i
Adikku (EdwikkoHanungYudhianto) yang
selalumembantudalamhalapapun.
NurulFajriRomadhona, She offers me
protection,,,,, a lot of love and affection,
wherever I’m right or wrong.
MediscaRhoza, Helen Fransiska, Dian Palupi,
GuruhHidayat, JunianSinggih, Teguh, Hendik,
Nophik, Pak Budi dansemuateman yang
menemanikubermain nada.
Imam, Adit, Anjar, Azhar, Harry, Hendro,
Akmal, Rizza, Januar, Kresna, Budy, Joko,
Sabdono, Jaarsyhan, Dito, Arifad, Ariyo, Apip,
Asep, Cendy, Nandha, Ainudin, Melva, Ayhi,
commit toyang
user tidaktertulisdisini.
Rinidansemuasahabat
v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Bersenangsenanglah
Karnahariiniakankitarindukandiharinanti
Sampaijumpakawanku,
Smogakitaselalumenjadisebuahkisahklasikuntukmasa
depan.
PengujianKarakteristikPerpindahanPanasdanFaktorGesekanPadaPenukar
KalorKalorPipaKonsentrikDengan V-cut Twisted Tape Insert
PrasekkyHanungPermadi
JurusanTeknikMesin
FakultasTeknikUniversitasSebelasMaret
Surakarta, Indonesia
E-mail :prasekky_hanung@yahoo.com
Abstrak
PenelitianinidilakukanuntukmengujipengaruhV-cut tape depth ratio (de/W) danVcut
tape
width
ratio
(w/W)
terhadapkarakteristikperpindahanpanasdanfaktorgesekanpadapenukarkalorpipakonsentrik
denganV-cut twisted tape insert (VTT). Padapenelitianini, de/Wdanw/Wdivariasisebesar
0,32; 0,39 dan 0,48. VTT adalahmodifikasidaritypical twisted tape insert (TT)
denganmemotongtepitapebagianatasdanbawahberbentukhuruf V secarasecaraselangselingdenganvariasidimensikedalamandanlebarpotonganuntukmeningkatkanpercampuran
fluida
di
dekatdindingpipa.
Sebagaiperbandingan,
padapenelitianinijugadiujipenukarkalortanpasisipan
(plain
tube)
dandenganpenambahansisipan TT.Fluidakerja di pipadalamadalah air panasdan di
annulusadalah
air
dingin,
denganarahaliranberlawananarah.Pengujiandilakukanpadabilangan Reynolds (Re) 540017.350.Hasilpenelitianmenunjukkanbahwapenggunakansisipan
VTT,
meningkatkanbilanganNusselt (Nu), faktorgesekan (f) danunjukkerjatermal ()
dibandingkandenganpenggunaan
TT.Karakteristikperpindahanpanas,
faktorgesekandanunjukkerjatermalpenukarkalordenganpenggunaansisipan
VTT
commit to user
Penukarkalordengansisipan
meningkatdengankenaikannilaide/Wdanpenurunannilaiw/W.
vi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
VTT dengannilaide/W = 0,48 dannilaiw/W = 0,32 menghasilkanbilanganNusselt,
penurunantekanan,
faktorgesekan,
effektivenesdanunjukkerjatermaltertinggi.
BilanganNusselt rata-rata pipadalam (Nui) denganpenambahan VTT dengande/W = 0,32;
0,39 dan 0,48berturut-turutmeningkatdalamkisaran46% - 55%; 68% - 72% dan86% 97% dibandingkandenganplain tubedanberturut-turutmeningkatdalamkisaran 13% - 15%;
26% - 30% dan 41% - 45% dibandingkandenganpenambahansisipan TT. BilanganNusselt
rata-rata pipadalam (Nui) denganpenambahan VTT denganw/W = 0,32; 0,39 dan
0,48berturut-turutmeningkatdalamkisaran86% - 97%;70% - 79% dan 50% 62%dibandingkandenganplain tube danberturut-turutmeningkatdalamkisaran 41% - 45%;
30% - 32% dan 14% - 19% dibandingkandenganpenambahansisipan TT. Faktorgesekan
rata-rata pipadalamdenganpenambahanVTTdengande/W = 0,32; 0,39 dan 0,48berturutturutmeningkat3,10; 3,26 dan 3,48 kali lebihbesardibandingkanfaktorgesekanplain
tubedanberturut-turut
1,16;
1,21
dan
1,29
kali
lebihbesardibandingkanfaktorgesekanpipadalamdengan TT. Faktorgesekan rata-rata di
pipadalamdenganpenambahan VTT denganw/W = 0,32; 0,39 dan 0,48berturutturutmeningkat3,48; 3,32 dan 3,19kali lebihbesardibandingkanfaktorgesekanplain
tubedanberturut-turut
1,29;
1,23
dan
1,19
kali
lebihbesardibandingkanfaktorgesekanpipadalamdengan
TT.Unjukkerjatermalpenukarkalordenganpenambahansisipan VTT dengande/W = 0,32;
0,39 dan 0,48 berturut-turutdalamkisaran 1,135-1,193; 1,252-1,262 dan 1,366-1,394.
Sedangkanunjukkerjatermalpenukarkalordenganpenambahansisipan VTT dengan w/W =
0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turutdalamkisaran 1,366-1,394; 1,277-1,317 dan 1,1541,221.
Kata kunci :bilanganNusselt, faktorgesekan, V-cut twisted tape insert, V-cut tape depth
ratio, V-cut tape width ratio
INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR
CHARACTERISTICS ON THE CONCENTRIC TUBE HEAT
EXCHANGER FITTED WITH V-CUT TWISTED TAPE INSERT
PrasekkyHanungPermadi
Mechanical Engineering Departement
Engineering Faculty SebelasMaret University
Surakarta, Indonesia
E-mail: prasekky_hanung@yahoo.com
Abstract
This study was conducted to examine the effect of V-cut tape depth ratio (de/W) and Vcut tape width ratio (w/W) on the characteristics of heat transfer and friction factor in a
concentric tube heat exchanger fitted with V-cut twisted tape insert (VTT). In this study,
de/W and w/W were varied by 0.32, 0.39 and 0.48. VTT was a modification of a typical
twisted tape insert(TT) with the cutting edge of the tape top and bottomof the V-shaped
alternately with different dimensions ofdepth and width to improve the fluid mixing near
the wall tube. For comparison, in this study also tested heat exchanger without insert
(plain tube) and with the addition of the TT.The working fluid in the inner tube was hot
water and in the annulus was cold water, with the flows direction were counterflow. Tests
were conducted at a Reynolds number (Re) 5,400-17,350. The study results showed that
the use of insert VTT, increasing the Nusselt number (Nu), friction factor (f) and thermal
commit to user
performance () as compared with the use of insert TT. Characteristics of heat transfer,
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
friction factor and thermal performance of the heat exchanger with the use of insert VTT
increases with an increase in the value of the de/W and the decrease in the value of w/W.
The heat exchanger with the addition of the VTT with a value of de/W = 0.48 and the
value of w/W = 0.32 produces the Nusselt number, pressure drop, friction factor,
effectiveness and the highest thermal performance. The average Nusselt number in the
inner tube (Nui) with the addition of the VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48
respectively increased in the range of 46% - 55%, 68% - 72% and 86% - 97% compared
to the plain tube and increases in the range of 13 % - 15 %, 26 % - 30 % and 41 % - 45 %
compared with the addition of inserts TT, respectively. The average Nusselt number in
the inner tube (Nui) with the addition of the VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48
increased in the range of 86% - 97%, 70% - 79% and 50% - 62% compared to the plain
tube and increases in the range of 41% - 45%; 30% - 32% and 14% - 19% compared with
the addition of inserts TT, respectively. The average friction factor in the inner tube with
the addition of the VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48 increased respectively 3.10, 3.26
and 3.48 times greater than the friction factor of plain tube and increased 1.16, 1.21 and
1.29 times greater than the friction factor of inner tube with TT, respetively. The average
friction factor in the inner tube with the addition of the VTT w/W = 0.32, 0.39 and 0.48
increased respectively 3.48, 3.32 and 3.19times greater than the friction factor of plain
tube and increased 1.29, 1.23 and 1.19 times greater than the friction factor of inner tube
with TT, respetively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the
VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.135-1.193, 1.252-1.262 and 1.3661.394, respectively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the
VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.366-1.394, 1.277-1.317 and 1.1541.221.
Keywords: friction factor, Nusselt number, V-cut twisted tape insert, V-cut tape
depth ratio, V-cut tape width ratio
commit to user
viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
KATA PENGANTAR
PujisyukurpenulispanjatkankepadaTuhan
Yang
MahaEsaatasberkatnyapenulisdapatmenyelesaikanskripsiinisebagaisyaratmemper
olehgelarSarjanaTeknik di TeknikMesinFakultasTeknikUniversitasSebelasMaret
Surakarta.
Penulismengucapkanterimakasih yang sangatmendalamkepadasemuapihak
yang telahberpartisipasidalampenelitiandanpenulisanskripsiini, khususnyakepada:
1. Orangtuapenulis
yang
telahmendidikdanmemberikandukungan
moral
danbiayaselama ini.
2. IbuIndri Yaningsih, S.T., M.T. serta Bapak Tri Istanto, S.T., M.T.
selakupembimbing
I
dan
II
yang
telahmemberikanbimbingandanarahandengansangatbaikselamapenelitiandan
penulisanskripsiini.
3. BapakEkoPrasetyaB., S.T., M.T. serta Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T.
Selakupenguji I dan II.
4. Dosen-dosen Teknik Mesin FT UNS yang telah membagikan ilmu selama
masa perkuliahan.
5. Teman-teman dari S-1 Reguler 2009 yang selama ini berjuang bersamasama untuk mendapat gelar S.T.
6. Teman seperjuangan dalam mengerjakan tugasakhir, Dito, Arifad, Novita,
Himawanyang telah memberikan bantuan, motivasi dan dorongan moril baik
secara langsung maupun tidak langsung.
7. Berbagai pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas bantuan dan
dorongan semangat serta doa, terima kasih.
Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak
kekurangan.
Olehkarenaitubilaada
saran,
koreksi,dankritik
kesempurnaanskripsiini.
Surakarta, Maret2015
commit to user
viii
demi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Penulis
commit to user
viiii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI
Abstrak ....................................................................................................
vi
Kata Pengantar ........................................................................................
viii
Daftar Isi ..................................................................................................
x
Daftar Gambar ..........................................................................................
xiii
Daftar Persamaan .....................................................................................
xv
Daftar Notasi ............................................................................................
xviii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah......................................................
1
1.2. Perumusan Masalah ...........................................................
3
1.3. Batasan Masalah .................................................................
3
1.4. Tujuan Dan Manfaat ..........................................................
3
1.5. Sistematika Penulisan .........................................................
4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................
5
2.2. Dasar Teori .........................................................................
9
2.2.1. Dasar perpindahan panas .........................................
9
2.2.2. Aliran dalam sebuah pipa (internal flow in tube) .....
9
2.2.2.1. Kondisi aliran .............................................
9
2.2.2.2. Kecepatan rata-rata (mean velocity)............
11
2.2.2.3. Temperatur rata-rata ...................................
12
2.2.3. Lapis Batas (boundary layer) ...................................
12
2.2.3.1. Lapis Batas Kecepatan (velocity boundary
layer) ........................................................................12
2.2.3.2. Lapis Batas Termal (thermal boundary
layer) ...........................................................
15
2.2.4. Penukar Kalor............................................................
18
2.2.5. Parameter Tanpa Dimensi .........................................
23
2.2.6. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada
Penukar kalor.............................................................
24
2.2.7. Sisipan Pipa Terpilin (twisted tape insert)................
28
2.2.8. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
.............................................................................................
29
2.2.8.1.Korelasi perpindahan panas dan faktor
gesekan di daerah aliran laminar dan
turbulen melalui sebuah pipa bulat halus ...
29
2.2.8.2.Korelasi empiris perpindahan panas
dengan typical twisted tape insert
di daerah aliran laminar...............................
31
commit to user
2.2.8.3. Korelasi empiris perpindahan panas
x
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
dengan typical twisted tape insert
di daerah aliran turbulen............................................................................
2.2.8.4 Karakteristik perpindahan panas dan
faktor gesekan pada penukar kalor pipa
konsentrik .................................................................................................
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian................................................................
3.2. Bahan Penelitian .................................................................
3.3. Skema Alat Penelitian ........................................................
3.4. Alat dan Instrumentasi Penelitian .......................................
3.5. Diagram Alir Penelitian ......................................................
3.6. Prosedur Penelitian .............................................................
3.6.1. Tahap persiapan ........................................................
3.6.2. Pengujian penukar kalor tanpa twistedtape insert
(plain tube) ..........................................................................
3.6.3. Pengujian penukar kalor dengan twistedtape insert .
3.7. Metode Analisis Data..........................................................
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1. Data Hasil Pengujian...........................................................
4.2. Perhitungan Data.................................................................
4.3. Analisis Data ......................................................................
4.3.1. Validasi karakteristik perpindahan panas plain tube
4.3.2. Validasi karakteristik faktor gesekan plain tube.......
4.3.3.Validasi karakteristik perpindahan panas pipa dalam
dengan typical twisted tape insert (TT) ...................
4.3.4. Pengaruh V-cut tape depth ratio dari VTT .............
4.3.4.1. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik perpindahan panas penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.4.2. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik faktor gesekan penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.4.3. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik effektivenes penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.4.4. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik unjuk kerja termal penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.5. PengaruhV-cut tape width ratio dari VTT ..............
commit to user
xi
32
32
42
42
44
44
54
55
55
55
56
58
59
59
60
60
61
63
64
64
66
68
69
71
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
4.3.5.1. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik perpindahan panas penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.5.2. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik faktor gesekan penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.5.3. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik effektivenes penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.5.4. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik unjuk kerja termal penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
76
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ........................................................................
5.2. Saran ...................................................................................
81
82
commit to user
xii
71
73
75
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas..............................
Gambar 2.2. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa..........................................
Gambar 2.3. Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam
pipa ....................................................................................
Gambar 2.4. Lapis batas kecepatan dan profil kecepatan laminar,
transisi dan turbulen aliran fluida melewati plat datar ......
Gambar 2.5. Ketebalan lapis batas kecepatan ........................................
Gambar 2.6. Lapis batas termal di atas plat datar (permukaan plat
lebih panas daripada fluida)...............................................
Gambar 2.7. Lapis batas termal di atas plat datar (fluida lebih panas
daripada permukaan plat datar) .............................................
Gambar 2.8. Fluk panas pada permukaan plat datar ..............................
Gambar2.9. Lapis batas termal fluida dingin melalui plat panas..............
Gambar 2.10. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur
fluida pada penukar kalor searah .......................................
Gambar 2.11. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida
pada penukar kalor berlawanan arah ................................
Gambar 2.12. Penukar kalor pipa konsentrik............................................
Gambar 2.13.Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar
kalor pipa konsentrik .........................................................
Gambar 2.14.Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ................
Gambar2.15.Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan
arah ....................................................................................
Gambar 3.1. Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan
perforated twisted tape insert............................................
Gambar 3.2. Gambar alat penelitian.......................................................
Gambar 3.3. Skema pengukuran temperatur di penukar kalor ..............
Gambar 3.4. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan
twisted tape insert..............................................................
Gambar 3.5. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.........................
Gambar 3.6. Nomenklatur V-cut twisted tape insert ..............................
Gambar 3.7. Typical twisted tape insert ................................................
Gambar 3.8. V-cut twisted tape insert variasi depth-picth ratio (de/W)
pada w/W = 0,32 dan y/W = 3,97.......................................
Gambar 3.9. V-cut twisted tape insert variasi width ratio (w/W) pada
de/W = 0,48dany/W = 3,97 ...............................................
Gambar 3.10. (a) Gambar detail flange, (b) flange setelah dilakukan
proses pembubutan ............................................................
commit to user
xiii
9
10
12
13
14
16
16
17
18
19
19
21
22
29
39
42
43
44
46
46
47
47
48
48
49
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Gambar 3.11. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur air masuk dan keluar di inner tube dan di
annulus ..............................................................................
Gambar 3.12. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur dinding luar pipa dalam...................................
Gambar 3.13. Thermocouple reader ........................................................
Gambar 3.14. Temperature controller .....................................................
Gambar 3.15. Pemanas air elektrik ..........................................................
Gambar 3.16. Rotameter ..........................................................................
Gambar 3.17. Penjebak air .......................................................................
Gambar 4.1. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ............
Gambar 4.2. Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube.................
Gambar 4.3. Perbandingan antara bilangan Nusselt hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi untuk plain tube ................
Gambar 4.4. Perbandingan antara faktor gesekan hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi untuk plain tube ................
Gambar 4.5. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk TT .......................
Gambar 4.6. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk variasi de/W.........
Gambar 4.7. Grafik hubungan P dengan Re untuk variasi de/W..........
Gambar 4.8. Grafik hubungan f dengan Re untuk variasi de/W .............
Gambar 4.9. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi de/W.............
Gambar 4.10. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi de/W ...................
Gambar 4.11. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk variasi w/W .........
Gambar 4.12. Grafik hubungan P dengan Re untuk variasi w/W ..........
Gambar 4.13. Grafik hubungan f dengan Re untuk variasi w/W..............
Gambar 4.14. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi w/W.............
Gambar 4.15. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi w/W.............
Gambar 4.16. Perbandingan antara bilangan Nusselt hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
Gambar 4.17. Perbandingan antara faktor gesekan hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
Gambar 4.18. Perbandingan antara unjuk kerja termal hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
commit to user
xiv
50
50
50
51
51
52
52
60
61
62
62
63
64
66
67
69
70
71
73
74
76
77
78
79
79
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1)
Persamaan (2.2)
Persamaan (2.3)
Persamaan (2.4)
Persamaan (2.5)
Persamaan (2.6)
Persamaan (2.7)
Persamaan (2.8)
Persamaan (2.9)
Persamaan (2.10)
Persamaan (2.11)
Persamaan (2.12)
Persamaan (2.13)
Persamaan (2.14)
Persamaan (2.15)
Persamaan (2.16)
Persamaan (2.17)
Persamaan (2.18)
Persamaan (2.19)
Persamaan (2.20)
Persamaan (2.21)
Persamaan (2.22)
Persamaan (2.23)
Persamaan (2.24)
Persamaan (2.25)
Persamaan (2.26)
Persamaan (2.27)
Persamaan (2.28)
Persamaan (2.29)
Persamaan (2.30)
Persamaan (2.31)
Persamaan (2.32)
Persamaan (2.33)
Persamaan (2.34)
Persamaan (2.35)
Persamaan (2.36)
Persamaan (2.37)
Bilangan Reynolds untuk pipa bulat ..........................
Diameter hidrolik .......................................................
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar............
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran transisi ............
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran turbulen...........
Laju aliran massa........................................................
Temperatur bulk rata-rata fluida ................................
Tegangan geser...........................................................
Bilangan Reynolds .....................................................
Hukum Fourier ...........................................................
Perpindahan panas konveksi ......................................
Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik .
Laju perpindahan panas antara dua fluida ..................
Bilangan Nusselt.........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Laju perpindahan panas di annulus ............................
laju perpindahan panas di dalam pipa dalam..............
laju perpindahan panas ...............................................
Beda temperatur rata-rata logaritmik (∆TLMTD ) .......
Tahanan termal total ...................................................
Laju perpindahan panas antara dua fluida ..................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Perbandingan kedua gaya ...........................................
Bilangan Prandtl .........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Twist ratio...................................................................
Sudut heliks ................................................................
Bilangan Nusselt aliran laminar .................................
Faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor)............
Persamaan Petukhov pertama (first Petukhov
equation).....................................................................
Korelasi Dittus-Boelter...............................................
persamaan Petukhov kedua (second Petukhov
equation).....................................................................
Persamaan Gnielinski .................................................
Persamaan Colebrook.................................................
Persamaan Miller........................................................
commit to user
Persamaan Blasius ......................................................
xv
Halaman
10
11
11
11
11
12
12
13
14
17
17
17
17
18
18
18
20
20
20
20
22
23
23
23
24
24
29
29
29
29
30
30
30
30
31
31
31
perpustakaan.uns.ac.id
Persamaan (2.38)
Persamaan (2.39)
Persamaan (2.40)
Persamaan (2.41)
Persamaan (2.42)
Persamaan (2.43)
Persamaan (2.44)
Persamaan (2.45)
Persamaan (2.46)
Persamaan (2.47)
Persamaan (2.48)
Persamaan (2.49)
Persamaan (2.50)
Persamaan (2.51)
Persamaan (2.52)
Persamaan (2.53)
Persamaan (2.54)
Persamaan (2.55)
Persamaan (2.56)
Persamaan (2.57)
Persamaan (2.58)
Persamaan (2.59)
Persamaan (2.60)
Persamaan (2.61)
Persamaan (2.62)
Persamaan (2.63)
Persamaan (2.64)
Persamaan (2.65)
Persamaan (2.66)
Persamaan (2.67)
Persamaan (2.68)
Persamaan (2.69)
Persamaan (2.70)
Persamaan (2.71)
Persamaan (2.72)
Persamaan (2.73)
digilib.uns.ac.id
Korelasi perpindahan panas daerah laminar...............
Korelasi perpindahan panas Manglik bergles ............
Sudut .......................................................................
Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............
Laju perpindahan panas di annulus ............................
Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam ............
Temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus....
Ketidaksetimbangan energi (heat balance error) ......
Persentase ketidaksetimbangan energi (heat balance
error) ..........................................................................
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata........
Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ..................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Beda temperatur rata-rata logaritmikberlawanan arah
(counter-flow).............................................................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Penjabaran dari persamaan (2.41), (2.49) dan (2.50) .
Penjabaran Koefisien perpindahan panas overall dari
persamaan (2.52) ........................................................
Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa
dalam ..........................................................................
Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam.........
Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam ..
Penjabaran dari persamaan (2.56) ..............................
Kapasitas panas (heat capacity rate) Ch .....................
Kapasitas panas (heat capacity rate) Cc .....................
Penjabaran persamaan ( 2.41 ) Qh ..............................
Penjabaran persamaan ( 2.42 ) Qc ..............................
Efektivenes penukar kalor ..........................................
Laju perpindahan panas aktual ...................................
Perbedaan temperatur maksimum ..............................
Laju perpindahan panas maksimum ...........................
Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil.................
Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil.................
Laju perpindahan panas aktual ...................................
Korelasi efektivitas penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah................................................
Number of transfer units.............................................
Rasio kapasitas.. .........................................................
Korelasi efektivitas penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah................................................
commit to user
Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow ..
xvi
31
32
32
32
33
33
33
34
34
34
34
34
35
35
35
35
35
35
35
35
36
36
36
36
37
37
37
37
37
37
37
38
38
38
38
39
perpustakaan.uns.ac.id
Persamaan (2.74)
Persamaan (2.75)
Persamaan (2.76)
Persamaan (2.77)
Persamaan (2.78)
Persamaan (2.79)
Persamaan (4.1)
Persamaan (4.2)
Persamaan (4.3)
Persamaan (4.4)
Persamaan (4.5)
digilib.uns.ac.id
Penurunan tekanan .....................................................
Faktor gesekan............................................................
Daya pemompaan .......................................................
Daya pemompaan konstan..........................................
Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds
Unjuk kerja termal......................................................
Korelasi eksperimen untuk bilangan Nussel
padaplain tube ............................................................
Korelasi eksperimen untuk faktor gesekan pada
plain tube....................................................................
Korelasi eksperimen untuk bilangan Nussel pada
VTT ............................................................................
Korelasi eksperimen untuk faktor gesekan pada VTT
Korelasi eksperimen untuk unjuk kerja termal pada
VTT ............................................................................
commit to user
xvii
39
49
40
40
40
40
62
62
75
75
75
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR NOTASI
Ac
Ai
Ao
As
At,i
Cp,c
Cp,h
de
di
do
Dh
Di
Do
Dh
f
g
H
hi
ho
hp
hs
ki
ko
L
Lt
Nui
Nuo
p
pp
Pr
Q
Qc
Qh
Re
Red
t
= Luas penampang melintang aliran
(m2)
= Luas permukaan dalam pipa dalam
(m2)
= Luas permukaan luar pipa dalam
(m2)
= Luas perpindahan panas
(m2)
= Luas penampang pipa dalam
(m2)
= Panas jenis fluida dingin di annulus
(kJ/kg.oC)
= Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam
(kJ/kg.oC)
= Kedalaman V-cut
(mm)
= Diameter dalam pipa dalam
(m)
= Diameter luar pipa dalam
(m)
= Diameter hidrolik annulus
(m)
= Diameter dalam pipa luar
(m)
= Diameter luar pipa luar
(m)
= Diameter hidrolik annulus
(m)
= Faktor gesekan
= Percepatan gravitasi
(m/s2)
= Panjang pitch twisted tape insert
(m)
= 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 tanpa twisted tape
insert
(W/m2.oC)
= Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert
(W/m2.oC)
= Konduktivitas termal material dinding pipa dalam
(W/m.oC)
= Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus
(W/m.oC).
= Panjang pipa dalam
(m)
= Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)
= Laju aliran massa fluida dingin di annulus
(kg/s)
= Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam
(kg/s)
= Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
= Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
= Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
= Daya pemompaan konstan
= Bilangan Prandtl
= Laju perpindahan panas
(W)
= Laju perpindahan panas di annulus
(W)
= Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam
(W)
= Bilangan Reynolds
= Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
commit to user
= Tebal twisted tape insert
(m)
xviii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
= Temperatur fluida dingin masuk annulus
(oC)
= Temperatur fluida dingin keluar annulus
(oC)
= Temperatur fluida panas masuk pipa dalam
(oC)
= Temperatur fluida panas keluar pipa dalam
(oC)
= Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam
(oC)
= Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus
(oC)
= Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam
(oC)
,
= Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam
(oC)
,
U
= Koefisien perpindahan panas overall
(W/m2.oC)
uc
= Kecepatan aksial rata-rata fluida
(m/s)
um
= Kecepatan rata–rata fluida
(m/s)
usw
= Kecepatan pusaran (swirl velocity)
(m/s)
Ui
= Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa
dalam
(W/m2.oC)
ν
= Viskositas kinematis fluida di pipa dalam
(m2/s)
V
= Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam
(m/s)
w
= Lebar V-cut
(mm)
W
= Lebar twist
= Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam
(m3/s)
y
= Twist ratio
θ
= Sudut heliks
(o)
h
= Beda ketinggian fluida manometer
(m)
P
= Penurunan tekanan di pipa dalam
(Pa)
T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inletkalor (oC)
T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor
(oC)
TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature
different)
(oC)
= Viskositas dinamik fluida
(kg/m.s)
µi
= Viskositas dinamik fluida di pipa dalam
(kg/m.s)
o
= Viskositas dinamik fluida di annulus
(kg/m.s)
= Efisiensi peningkatan perpindahan panas
= Densitas fluida di pipa dalam
(kg/m3)
ρh
c
= Densitas fluida di annulus
(kg/m3)
m
= Densitas fluida manometer
(kg/m3)
Tc,i
Tc,o
Th,i
Th,o
Tb,i
Tb,o
commit to user
xix
digilib.uns.ac.id
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR
GESEKANPADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIKDENGANVCUTTWISTED TAPE INSERT
Disusun oleh :
Prasekky Hanung Permadi
NIM. I0409040
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, S.T., M.T.
NIP. 197308202000121001
Indri Yaningsih, S.T., M.T.
NIP. 198607042012122004
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Kamis, tanggal 19
Maret2015
1. Eko Prasetya B., S.T., M.T.
NIP. 197109261999031002
…………………………
2. Dr. Budi Santoso, S.T., M.T.
NIP. 19701105200031001
…………………………
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
Didik Djoko Susilo, ST., MT
NIP . 197203131997021001
Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT.
NIP. 197106151998021002
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Just do it
Where words leave off, Music
begins.
commit to user
iv
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Alhamdulillah,
TerimakasihyaRabb,
akhirnyaakusampai dititikini, sebuahkaryakecil
yang
dikerjakankuranglebih
1
tahuninikupersembahkanteruntuk :
Allah SWT karenaatasridhoNyaskripsiinidapatterselesaikandenganbaik
Ibuku (HerniJuniasih) danBapakku (Suwarto)
yang selalumendidik,
menasehatisertamendoakandengansepenuhhat
i
Adikku (EdwikkoHanungYudhianto) yang
selalumembantudalamhalapapun.
NurulFajriRomadhona, She offers me
protection,,,,, a lot of love and affection,
wherever I’m right or wrong.
MediscaRhoza, Helen Fransiska, Dian Palupi,
GuruhHidayat, JunianSinggih, Teguh, Hendik,
Nophik, Pak Budi dansemuateman yang
menemanikubermain nada.
Imam, Adit, Anjar, Azhar, Harry, Hendro,
Akmal, Rizza, Januar, Kresna, Budy, Joko,
Sabdono, Jaarsyhan, Dito, Arifad, Ariyo, Apip,
Asep, Cendy, Nandha, Ainudin, Melva, Ayhi,
commit toyang
user tidaktertulisdisini.
Rinidansemuasahabat
v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Bersenangsenanglah
Karnahariiniakankitarindukandiharinanti
Sampaijumpakawanku,
Smogakitaselalumenjadisebuahkisahklasikuntukmasa
depan.
PengujianKarakteristikPerpindahanPanasdanFaktorGesekanPadaPenukar
KalorKalorPipaKonsentrikDengan V-cut Twisted Tape Insert
PrasekkyHanungPermadi
JurusanTeknikMesin
FakultasTeknikUniversitasSebelasMaret
Surakarta, Indonesia
E-mail :prasekky_hanung@yahoo.com
Abstrak
PenelitianinidilakukanuntukmengujipengaruhV-cut tape depth ratio (de/W) danVcut
tape
width
ratio
(w/W)
terhadapkarakteristikperpindahanpanasdanfaktorgesekanpadapenukarkalorpipakonsentrik
denganV-cut twisted tape insert (VTT). Padapenelitianini, de/Wdanw/Wdivariasisebesar
0,32; 0,39 dan 0,48. VTT adalahmodifikasidaritypical twisted tape insert (TT)
denganmemotongtepitapebagianatasdanbawahberbentukhuruf V secarasecaraselangselingdenganvariasidimensikedalamandanlebarpotonganuntukmeningkatkanpercampuran
fluida
di
dekatdindingpipa.
Sebagaiperbandingan,
padapenelitianinijugadiujipenukarkalortanpasisipan
(plain
tube)
dandenganpenambahansisipan TT.Fluidakerja di pipadalamadalah air panasdan di
annulusadalah
air
dingin,
denganarahaliranberlawananarah.Pengujiandilakukanpadabilangan Reynolds (Re) 540017.350.Hasilpenelitianmenunjukkanbahwapenggunakansisipan
VTT,
meningkatkanbilanganNusselt (Nu), faktorgesekan (f) danunjukkerjatermal ()
dibandingkandenganpenggunaan
TT.Karakteristikperpindahanpanas,
faktorgesekandanunjukkerjatermalpenukarkalordenganpenggunaansisipan
VTT
commit to user
Penukarkalordengansisipan
meningkatdengankenaikannilaide/Wdanpenurunannilaiw/W.
vi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
VTT dengannilaide/W = 0,48 dannilaiw/W = 0,32 menghasilkanbilanganNusselt,
penurunantekanan,
faktorgesekan,
effektivenesdanunjukkerjatermaltertinggi.
BilanganNusselt rata-rata pipadalam (Nui) denganpenambahan VTT dengande/W = 0,32;
0,39 dan 0,48berturut-turutmeningkatdalamkisaran46% - 55%; 68% - 72% dan86% 97% dibandingkandenganplain tubedanberturut-turutmeningkatdalamkisaran 13% - 15%;
26% - 30% dan 41% - 45% dibandingkandenganpenambahansisipan TT. BilanganNusselt
rata-rata pipadalam (Nui) denganpenambahan VTT denganw/W = 0,32; 0,39 dan
0,48berturut-turutmeningkatdalamkisaran86% - 97%;70% - 79% dan 50% 62%dibandingkandenganplain tube danberturut-turutmeningkatdalamkisaran 41% - 45%;
30% - 32% dan 14% - 19% dibandingkandenganpenambahansisipan TT. Faktorgesekan
rata-rata pipadalamdenganpenambahanVTTdengande/W = 0,32; 0,39 dan 0,48berturutturutmeningkat3,10; 3,26 dan 3,48 kali lebihbesardibandingkanfaktorgesekanplain
tubedanberturut-turut
1,16;
1,21
dan
1,29
kali
lebihbesardibandingkanfaktorgesekanpipadalamdengan TT. Faktorgesekan rata-rata di
pipadalamdenganpenambahan VTT denganw/W = 0,32; 0,39 dan 0,48berturutturutmeningkat3,48; 3,32 dan 3,19kali lebihbesardibandingkanfaktorgesekanplain
tubedanberturut-turut
1,29;
1,23
dan
1,19
kali
lebihbesardibandingkanfaktorgesekanpipadalamdengan
TT.Unjukkerjatermalpenukarkalordenganpenambahansisipan VTT dengande/W = 0,32;
0,39 dan 0,48 berturut-turutdalamkisaran 1,135-1,193; 1,252-1,262 dan 1,366-1,394.
Sedangkanunjukkerjatermalpenukarkalordenganpenambahansisipan VTT dengan w/W =
0,32; 0,39 dan 0,48 berturut-turutdalamkisaran 1,366-1,394; 1,277-1,317 dan 1,1541,221.
Kata kunci :bilanganNusselt, faktorgesekan, V-cut twisted tape insert, V-cut tape depth
ratio, V-cut tape width ratio
INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR
CHARACTERISTICS ON THE CONCENTRIC TUBE HEAT
EXCHANGER FITTED WITH V-CUT TWISTED TAPE INSERT
PrasekkyHanungPermadi
Mechanical Engineering Departement
Engineering Faculty SebelasMaret University
Surakarta, Indonesia
E-mail: prasekky_hanung@yahoo.com
Abstract
This study was conducted to examine the effect of V-cut tape depth ratio (de/W) and Vcut tape width ratio (w/W) on the characteristics of heat transfer and friction factor in a
concentric tube heat exchanger fitted with V-cut twisted tape insert (VTT). In this study,
de/W and w/W were varied by 0.32, 0.39 and 0.48. VTT was a modification of a typical
twisted tape insert(TT) with the cutting edge of the tape top and bottomof the V-shaped
alternately with different dimensions ofdepth and width to improve the fluid mixing near
the wall tube. For comparison, in this study also tested heat exchanger without insert
(plain tube) and with the addition of the TT.The working fluid in the inner tube was hot
water and in the annulus was cold water, with the flows direction were counterflow. Tests
were conducted at a Reynolds number (Re) 5,400-17,350. The study results showed that
the use of insert VTT, increasing the Nusselt number (Nu), friction factor (f) and thermal
commit to user
performance () as compared with the use of insert TT. Characteristics of heat transfer,
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
friction factor and thermal performance of the heat exchanger with the use of insert VTT
increases with an increase in the value of the de/W and the decrease in the value of w/W.
The heat exchanger with the addition of the VTT with a value of de/W = 0.48 and the
value of w/W = 0.32 produces the Nusselt number, pressure drop, friction factor,
effectiveness and the highest thermal performance. The average Nusselt number in the
inner tube (Nui) with the addition of the VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48
respectively increased in the range of 46% - 55%, 68% - 72% and 86% - 97% compared
to the plain tube and increases in the range of 13 % - 15 %, 26 % - 30 % and 41 % - 45 %
compared with the addition of inserts TT, respectively. The average Nusselt number in
the inner tube (Nui) with the addition of the VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48
increased in the range of 86% - 97%, 70% - 79% and 50% - 62% compared to the plain
tube and increases in the range of 41% - 45%; 30% - 32% and 14% - 19% compared with
the addition of inserts TT, respectively. The average friction factor in the inner tube with
the addition of the VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48 increased respectively 3.10, 3.26
and 3.48 times greater than the friction factor of plain tube and increased 1.16, 1.21 and
1.29 times greater than the friction factor of inner tube with TT, respetively. The average
friction factor in the inner tube with the addition of the VTT w/W = 0.32, 0.39 and 0.48
increased respectively 3.48, 3.32 and 3.19times greater than the friction factor of plain
tube and increased 1.29, 1.23 and 1.19 times greater than the friction factor of inner tube
with TT, respetively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the
VTT with de/W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.135-1.193, 1.252-1.262 and 1.3661.394, respectively. Thermal performance of the heat exchanger with the addition of the
VTT with w/W = 0.32, 0.39 and 0.48 in the range of 1.366-1.394, 1.277-1.317 and 1.1541.221.
Keywords: friction factor, Nusselt number, V-cut twisted tape insert, V-cut tape
depth ratio, V-cut tape width ratio
commit to user
viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
KATA PENGANTAR
PujisyukurpenulispanjatkankepadaTuhan
Yang
MahaEsaatasberkatnyapenulisdapatmenyelesaikanskripsiinisebagaisyaratmemper
olehgelarSarjanaTeknik di TeknikMesinFakultasTeknikUniversitasSebelasMaret
Surakarta.
Penulismengucapkanterimakasih yang sangatmendalamkepadasemuapihak
yang telahberpartisipasidalampenelitiandanpenulisanskripsiini, khususnyakepada:
1. Orangtuapenulis
yang
telahmendidikdanmemberikandukungan
moral
danbiayaselama ini.
2. IbuIndri Yaningsih, S.T., M.T. serta Bapak Tri Istanto, S.T., M.T.
selakupembimbing
I
dan
II
yang
telahmemberikanbimbingandanarahandengansangatbaikselamapenelitiandan
penulisanskripsiini.
3. BapakEkoPrasetyaB., S.T., M.T. serta Bapak Dr. Budi Santoso, S.T., M.T.
Selakupenguji I dan II.
4. Dosen-dosen Teknik Mesin FT UNS yang telah membagikan ilmu selama
masa perkuliahan.
5. Teman-teman dari S-1 Reguler 2009 yang selama ini berjuang bersamasama untuk mendapat gelar S.T.
6. Teman seperjuangan dalam mengerjakan tugasakhir, Dito, Arifad, Novita,
Himawanyang telah memberikan bantuan, motivasi dan dorongan moril baik
secara langsung maupun tidak langsung.
7. Berbagai pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas bantuan dan
dorongan semangat serta doa, terima kasih.
Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak
kekurangan.
Olehkarenaitubilaada
saran,
koreksi,dankritik
kesempurnaanskripsiini.
Surakarta, Maret2015
commit to user
viii
demi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Penulis
commit to user
viiii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI
Abstrak ....................................................................................................
vi
Kata Pengantar ........................................................................................
viii
Daftar Isi ..................................................................................................
x
Daftar Gambar ..........................................................................................
xiii
Daftar Persamaan .....................................................................................
xv
Daftar Notasi ............................................................................................
xviii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah......................................................
1
1.2. Perumusan Masalah ...........................................................
3
1.3. Batasan Masalah .................................................................
3
1.4. Tujuan Dan Manfaat ..........................................................
3
1.5. Sistematika Penulisan .........................................................
4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................
5
2.2. Dasar Teori .........................................................................
9
2.2.1. Dasar perpindahan panas .........................................
9
2.2.2. Aliran dalam sebuah pipa (internal flow in tube) .....
9
2.2.2.1. Kondisi aliran .............................................
9
2.2.2.2. Kecepatan rata-rata (mean velocity)............
11
2.2.2.3. Temperatur rata-rata ...................................
12
2.2.3. Lapis Batas (boundary layer) ...................................
12
2.2.3.1. Lapis Batas Kecepatan (velocity boundary
layer) ........................................................................12
2.2.3.2. Lapis Batas Termal (thermal boundary
layer) ...........................................................
15
2.2.4. Penukar Kalor............................................................
18
2.2.5. Parameter Tanpa Dimensi .........................................
23
2.2.6. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada
Penukar kalor.............................................................
24
2.2.7. Sisipan Pipa Terpilin (twisted tape insert)................
28
2.2.8. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
.............................................................................................
29
2.2.8.1.Korelasi perpindahan panas dan faktor
gesekan di daerah aliran laminar dan
turbulen melalui sebuah pipa bulat halus ...
29
2.2.8.2.Korelasi empiris perpindahan panas
dengan typical twisted tape insert
di daerah aliran laminar...............................
31
commit to user
2.2.8.3. Korelasi empiris perpindahan panas
x
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
dengan typical twisted tape insert
di daerah aliran turbulen............................................................................
2.2.8.4 Karakteristik perpindahan panas dan
faktor gesekan pada penukar kalor pipa
konsentrik .................................................................................................
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian................................................................
3.2. Bahan Penelitian .................................................................
3.3. Skema Alat Penelitian ........................................................
3.4. Alat dan Instrumentasi Penelitian .......................................
3.5. Diagram Alir Penelitian ......................................................
3.6. Prosedur Penelitian .............................................................
3.6.1. Tahap persiapan ........................................................
3.6.2. Pengujian penukar kalor tanpa twistedtape insert
(plain tube) ..........................................................................
3.6.3. Pengujian penukar kalor dengan twistedtape insert .
3.7. Metode Analisis Data..........................................................
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1. Data Hasil Pengujian...........................................................
4.2. Perhitungan Data.................................................................
4.3. Analisis Data ......................................................................
4.3.1. Validasi karakteristik perpindahan panas plain tube
4.3.2. Validasi karakteristik faktor gesekan plain tube.......
4.3.3.Validasi karakteristik perpindahan panas pipa dalam
dengan typical twisted tape insert (TT) ...................
4.3.4. Pengaruh V-cut tape depth ratio dari VTT .............
4.3.4.1. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik perpindahan panas penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.4.2. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik faktor gesekan penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.4.3. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik effektivenes penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.4.4. Pengaruh V-cut tape depth ratio terhadap
karakteristik unjuk kerja termal penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.5. PengaruhV-cut tape width ratio dari VTT ..............
commit to user
xi
32
32
42
42
44
44
54
55
55
55
56
58
59
59
60
60
61
63
64
64
66
68
69
71
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
4.3.5.1. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik perpindahan panas penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
4.3.5.2. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik faktor gesekan penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.5.3. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik effektivenes penukar kalor
dengan penambahan VTT ..........................
4.3.5.4. Pengaruh V-cut tape width ratio terhadap
karakteristik unjuk kerja termal penukar
kalor dengan penambahan VTT.................
76
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ........................................................................
5.2. Saran ...................................................................................
81
82
commit to user
xii
71
73
75
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas..............................
Gambar 2.2. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa..........................................
Gambar 2.3. Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam
pipa ....................................................................................
Gambar 2.4. Lapis batas kecepatan dan profil kecepatan laminar,
transisi dan turbulen aliran fluida melewati plat datar ......
Gambar 2.5. Ketebalan lapis batas kecepatan ........................................
Gambar 2.6. Lapis batas termal di atas plat datar (permukaan plat
lebih panas daripada fluida)...............................................
Gambar 2.7. Lapis batas termal di atas plat datar (fluida lebih panas
daripada permukaan plat datar) .............................................
Gambar 2.8. Fluk panas pada permukaan plat datar ..............................
Gambar2.9. Lapis batas termal fluida dingin melalui plat panas..............
Gambar 2.10. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur
fluida pada penukar kalor searah .......................................
Gambar 2.11. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida
pada penukar kalor berlawanan arah ................................
Gambar 2.12. Penukar kalor pipa konsentrik............................................
Gambar 2.13.Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar
kalor pipa konsentrik .........................................................
Gambar 2.14.Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ................
Gambar2.15.Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan
arah ....................................................................................
Gambar 3.1. Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan
perforated twisted tape insert............................................
Gambar 3.2. Gambar alat penelitian.......................................................
Gambar 3.3. Skema pengukuran temperatur di penukar kalor ..............
Gambar 3.4. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan
twisted tape insert..............................................................
Gambar 3.5. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.........................
Gambar 3.6. Nomenklatur V-cut twisted tape insert ..............................
Gambar 3.7. Typical twisted tape insert ................................................
Gambar 3.8. V-cut twisted tape insert variasi depth-picth ratio (de/W)
pada w/W = 0,32 dan y/W = 3,97.......................................
Gambar 3.9. V-cut twisted tape insert variasi width ratio (w/W) pada
de/W = 0,48dany/W = 3,97 ...............................................
Gambar 3.10. (a) Gambar detail flange, (b) flange setelah dilakukan
proses pembubutan ............................................................
commit to user
xiii
9
10
12
13
14
16
16
17
18
19
19
21
22
29
39
42
43
44
46
46
47
47
48
48
49
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Gambar 3.11. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur air masuk dan keluar di inner tube dan di
annulus ..............................................................................
Gambar 3.12. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur dinding luar pipa dalam...................................
Gambar 3.13. Thermocouple reader ........................................................
Gambar 3.14. Temperature controller .....................................................
Gambar 3.15. Pemanas air elektrik ..........................................................
Gambar 3.16. Rotameter ..........................................................................
Gambar 3.17. Penjebak air .......................................................................
Gambar 4.1. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ............
Gambar 4.2. Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube.................
Gambar 4.3. Perbandingan antara bilangan Nusselt hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi untuk plain tube ................
Gambar 4.4. Perbandingan antara faktor gesekan hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi untuk plain tube ................
Gambar 4.5. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk TT .......................
Gambar 4.6. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk variasi de/W.........
Gambar 4.7. Grafik hubungan P dengan Re untuk variasi de/W..........
Gambar 4.8. Grafik hubungan f dengan Re untuk variasi de/W .............
Gambar 4.9. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi de/W.............
Gambar 4.10. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi de/W ...................
Gambar 4.11. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk variasi w/W .........
Gambar 4.12. Grafik hubungan P dengan Re untuk variasi w/W ..........
Gambar 4.13. Grafik hubungan f dengan Re untuk variasi w/W..............
Gambar 4.14. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi w/W.............
Gambar 4.15. Grafik hubungan dengan Re untuk variasi w/W.............
Gambar 4.16. Perbandingan antara bilangan Nusselt hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
Gambar 4.17. Perbandingan antara faktor gesekan hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
Gambar 4.18. Perbandingan antara unjuk kerja termal hasil eksperimen
dengan prediksi hasil korelasi ...........................................
commit to user
xiv
50
50
50
51
51
52
52
60
61
62
62
63
64
66
67
69
70
71
73
74
76
77
78
79
79
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR PERSAMAAN
Persamaan (2.1)
Persamaan (2.2)
Persamaan (2.3)
Persamaan (2.4)
Persamaan (2.5)
Persamaan (2.6)
Persamaan (2.7)
Persamaan (2.8)
Persamaan (2.9)
Persamaan (2.10)
Persamaan (2.11)
Persamaan (2.12)
Persamaan (2.13)
Persamaan (2.14)
Persamaan (2.15)
Persamaan (2.16)
Persamaan (2.17)
Persamaan (2.18)
Persamaan (2.19)
Persamaan (2.20)
Persamaan (2.21)
Persamaan (2.22)
Persamaan (2.23)
Persamaan (2.24)
Persamaan (2.25)
Persamaan (2.26)
Persamaan (2.27)
Persamaan (2.28)
Persamaan (2.29)
Persamaan (2.30)
Persamaan (2.31)
Persamaan (2.32)
Persamaan (2.33)
Persamaan (2.34)
Persamaan (2.35)
Persamaan (2.36)
Persamaan (2.37)
Bilangan Reynolds untuk pipa bulat ..........................
Diameter hidrolik .......................................................
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar............
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran transisi ............
Nilai bilangan Reynolds untuk aliran turbulen...........
Laju aliran massa........................................................
Temperatur bulk rata-rata fluida ................................
Tegangan geser...........................................................
Bilangan Reynolds .....................................................
Hukum Fourier ...........................................................
Perpindahan panas konveksi ......................................
Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik .
Laju perpindahan panas antara dua fluida ..................
Bilangan Nusselt.........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Laju perpindahan panas di annulus ............................
laju perpindahan panas di dalam pipa dalam..............
laju perpindahan panas ...............................................
Beda temperatur rata-rata logaritmik (∆TLMTD ) .......
Tahanan termal total ...................................................
Laju perpindahan panas antara dua fluida ..................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Perbandingan kedua gaya ...........................................
Bilangan Prandtl .........................................................
Bilangan Nusselt.........................................................
Twist ratio...................................................................
Sudut heliks ................................................................
Bilangan Nusselt aliran laminar .................................
Faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor)............
Persamaan Petukhov pertama (first Petukhov
equation).....................................................................
Korelasi Dittus-Boelter...............................................
persamaan Petukhov kedua (second Petukhov
equation).....................................................................
Persamaan Gnielinski .................................................
Persamaan Colebrook.................................................
Persamaan Miller........................................................
commit to user
Persamaan Blasius ......................................................
xv
Halaman
10
11
11
11
11
12
12
13
14
17
17
17
17
18
18
18
20
20
20
20
22
23
23
23
24
24
29
29
29
29
30
30
30
30
31
31
31
perpustakaan.uns.ac.id
Persamaan (2.38)
Persamaan (2.39)
Persamaan (2.40)
Persamaan (2.41)
Persamaan (2.42)
Persamaan (2.43)
Persamaan (2.44)
Persamaan (2.45)
Persamaan (2.46)
Persamaan (2.47)
Persamaan (2.48)
Persamaan (2.49)
Persamaan (2.50)
Persamaan (2.51)
Persamaan (2.52)
Persamaan (2.53)
Persamaan (2.54)
Persamaan (2.55)
Persamaan (2.56)
Persamaan (2.57)
Persamaan (2.58)
Persamaan (2.59)
Persamaan (2.60)
Persamaan (2.61)
Persamaan (2.62)
Persamaan (2.63)
Persamaan (2.64)
Persamaan (2.65)
Persamaan (2.66)
Persamaan (2.67)
Persamaan (2.68)
Persamaan (2.69)
Persamaan (2.70)
Persamaan (2.71)
Persamaan (2.72)
Persamaan (2.73)
digilib.uns.ac.id
Korelasi perpindahan panas daerah laminar...............
Korelasi perpindahan panas Manglik bergles ............
Sudut .......................................................................
Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............
Laju perpindahan panas di annulus ............................
Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam ............
Temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus....
Ketidaksetimbangan energi (heat balance error) ......
Persentase ketidaksetimbangan energi (heat balance
error) ..........................................................................
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata........
Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ..................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Beda temperatur rata-rata logaritmikberlawanan arah
(counter-flow).............................................................
Koefisien perpindahan panas overall .........................
Penjabaran dari persamaan (2.41), (2.49) dan (2.50) .
Penjabaran Koefisien perpindahan panas overall dari
persamaan (2.52) ........................................................
Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa
dalam ..........................................................................
Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam.........
Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam ..
Penjabaran dari persamaan (2.56) ..............................
Kapasitas panas (heat capacity rate) Ch .....................
Kapasitas panas (heat capacity rate) Cc .....................
Penjabaran persamaan ( 2.41 ) Qh ..............................
Penjabaran persamaan ( 2.42 ) Qc ..............................
Efektivenes penukar kalor ..........................................
Laju perpindahan panas aktual ...................................
Perbedaan temperatur maksimum ..............................
Laju perpindahan panas maksimum ...........................
Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil.................
Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil.................
Laju perpindahan panas aktual ...................................
Korelasi efektivitas penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah................................................
Number of transfer units.............................................
Rasio kapasitas.. .........................................................
Korelasi efektivitas penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah................................................
commit to user
Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow ..
xvi
31
32
32
32
33
33
33
34
34
34
34
34
35
35
35
35
35
35
35
35
36
36
36
36
37
37
37
37
37
37
37
38
38
38
38
39
perpustakaan.uns.ac.id
Persamaan (2.74)
Persamaan (2.75)
Persamaan (2.76)
Persamaan (2.77)
Persamaan (2.78)
Persamaan (2.79)
Persamaan (4.1)
Persamaan (4.2)
Persamaan (4.3)
Persamaan (4.4)
Persamaan (4.5)
digilib.uns.ac.id
Penurunan tekanan .....................................................
Faktor gesekan............................................................
Daya pemompaan .......................................................
Daya pemompaan konstan..........................................
Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds
Unjuk kerja termal......................................................
Korelasi eksperimen untuk bilangan Nussel
padaplain tube ............................................................
Korelasi eksperimen untuk faktor gesekan pada
plain tube....................................................................
Korelasi eksperimen untuk bilangan Nussel pada
VTT ............................................................................
Korelasi eksperimen untuk faktor gesekan pada VTT
Korelasi eksperimen untuk unjuk kerja termal pada
VTT ............................................................................
commit to user
xvii
39
49
40
40
40
40
62
62
75
75
75
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR NOTASI
Ac
Ai
Ao
As
At,i
Cp,c
Cp,h
de
di
do
Dh
Di
Do
Dh
f
g
H
hi
ho
hp
hs
ki
ko
L
Lt
Nui
Nuo
p
pp
Pr
Q
Qc
Qh
Re
Red
t
= Luas penampang melintang aliran
(m2)
= Luas permukaan dalam pipa dalam
(m2)
= Luas permukaan luar pipa dalam
(m2)
= Luas perpindahan panas
(m2)
= Luas penampang pipa dalam
(m2)
= Panas jenis fluida dingin di annulus
(kJ/kg.oC)
= Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam
(kJ/kg.oC)
= Kedalaman V-cut
(mm)
= Diameter dalam pipa dalam
(m)
= Diameter luar pipa dalam
(m)
= Diameter hidrolik annulus
(m)
= Diameter dalam pipa luar
(m)
= Diameter luar pipa luar
(m)
= Diameter hidrolik annulus
(m)
= Faktor gesekan
= Percepatan gravitasi
(m/s2)
= Panjang pitch twisted tape insert
(m)
= 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 tanpa twisted tape
insert
(W/m2.oC)
= Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert
(W/m2.oC)
= Konduktivitas termal material dinding pipa dalam
(W/m.oC)
= Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus
(W/m.oC).
= Panjang pipa dalam
(m)
= Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)
= Laju aliran massa fluida dingin di annulus
(kg/s)
= Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam
(kg/s)
= Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
= Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
= Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
= Daya pemompaan konstan
= Bilangan Prandtl
= Laju perpindahan panas
(W)
= Laju perpindahan panas di annulus
(W)
= Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam
(W)
= Bilangan Reynolds
= Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
commit to user
= Tebal twisted tape insert
(m)
xviii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
= Temperatur fluida dingin masuk annulus
(oC)
= Temperatur fluida dingin keluar annulus
(oC)
= Temperatur fluida panas masuk pipa dalam
(oC)
= Temperatur fluida panas keluar pipa dalam
(oC)
= Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam
(oC)
= Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus
(oC)
= Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam
(oC)
,
= Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam
(oC)
,
U
= Koefisien perpindahan panas overall
(W/m2.oC)
uc
= Kecepatan aksial rata-rata fluida
(m/s)
um
= Kecepatan rata–rata fluida
(m/s)
usw
= Kecepatan pusaran (swirl velocity)
(m/s)
Ui
= Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa
dalam
(W/m2.oC)
ν
= Viskositas kinematis fluida di pipa dalam
(m2/s)
V
= Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam
(m/s)
w
= Lebar V-cut
(mm)
W
= Lebar twist
= Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam
(m3/s)
y
= Twist ratio
θ
= Sudut heliks
(o)
h
= Beda ketinggian fluida manometer
(m)
P
= Penurunan tekanan di pipa dalam
(Pa)
T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inletkalor (oC)
T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor
(oC)
TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature
different)
(oC)
= Viskositas dinamik fluida
(kg/m.s)
µi
= Viskositas dinamik fluida di pipa dalam
(kg/m.s)
o
= Viskositas dinamik fluida di annulus
(kg/m.s)
= Efisiensi peningkatan perpindahan panas
= Densitas fluida di pipa dalam
(kg/m3)
ρh
c
= Densitas fluida di annulus
(kg/m3)
m
= Densitas fluida manometer
(kg/m3)
Tc,i
Tc,o
Th,i
Th,o
Tb,i
Tb,o
commit to user
xix