Upload
lamdieu
View
215
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN
ANNULAR DENGAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT, NOTCHED TWISTED TAPE INSERT, DAN JAGGED TWISTED TAPE INSERT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh: DHIMAS HUDA ANDITAMA
NIM. I0407033
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2012
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur
fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui
suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas dimana fluida-fluida
tersebut mempunyai temperatur yang berbeda. Aplikasi penukar kalor telah
banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, dan merupakan salah satu faktor
penting dalam perkembangan teknologi khususnya dalam bidang pertukaran kalor.
Bentuk-bentuk aplikasi dari penukar kalor seperti, sistem pendingin, otomotif,
proses industri, dan pemanas air tenaga surya. Semakin berkembangnya bentuk
aplikasi dari sistem penukar kalor harus selalu diikuti dengan perkembangan
teknologi untuk meningkatkan perpindahan panas (heat transfer enhancement
technology). Saat ini, telah banyak penelitian untuk meningkatkan proses
pertukaran kalor baik secara pasif, aktif maupun campuran sampai pada percobaan
untuk mengurangi ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor.
Pada teknik aktif, peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan
memberikan tambahan energi aliran ke fluida, sedangkan pada teknik pasif,
peningkatan perpindahan panas diperoleh tanpa menyediakan tambahan energi
aliran. Dalam teknik campuran, dua atau lebih dari teknik aktif dan pasif
digunakan secara simultan untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas,
dimana peningkatan perpindahan panas lebih tinggi daripada jika teknik-teknik
peningkatan perpindahan panas dioperasikan secara terpisah. Tujuan utama dari
perkembangan teknologi perpindahan panas adalah meningkatkan proses
perpindahan panas sampai titik optimum, dimana perkembangan-perkembangan
tersebut mengarah pada efektivitas alat penukar kalor yang semakin tinggi
nilainya.
Efektivitas perpindahan kalor dari sebuah alat penukar kalor dipengaruhi
oleh banyak hal. Salah satunya adalah jenis aliran yang berada di dalam alat
penukar kalor. Aliran yang turbulen diketahui memiliki nilai perpindahan kalor
yang lebih baik dibandingkan dengan jenis aliran laminar. Dengan meningkatkan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
turbulensi aliran fluida dalam pipa diharapkan koefisien perpindahan kalor
konveksinya akan meningkat. Salah satu jenis teknik pasif dalam peningkatan
perpindahan panas adalah dengan menggunakan sisipan (insert). Sisipan pita
terpilin (twisted tape insert) adalah salah satu jenis sisipan yang banyak digunakan
untuk meningkatkan perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor, hal ini
dikarenakan twisted tape insert ringkas, murah, dan perawatannya mudah. Twisted
tape insert di dalam pipa penukar kalor telah digunakan secara luas sebagai alat
untuk memutar aliran (swirl flow) secara kontinyu untuk meningkatkan laju
perpindahan panas dengan meningkatkan turbulensi aliran di dalam pipa, sehingga
nilai efektivitas dari alat penukar kalor tersebut meningkat.
Twisted tape insert terbukti dapat meningkatkan perpindahan panas dalam
sebuah penukar kalor, walau dengan mengorbankan penurunan tekanan (pressure
drop) yang besar. Penurunan tekanan ini sangat berpengaruh terhadap besarnya
energi dari pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida tersebut atau yang
biasa disebut dengan daya pemompaan (pumping power). Sekarang banyak
dilakukan modifikasi twisted tape insert yang bertujuan untuk mengurangi
penurunan tekanan yang terjadi akibat penambahan twisted tape insert, atau untuk
lebih menaikkan perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah penukar kalor.
Salah satu cara untuk mengurangi penurunan tekanan adalah dengan pemberian
lubang, baik di sepanjang garis tengah twisted tape insert yang dikenal dengan
perforated twisted tape insert, maupun di bagian tepi twisted tape insert yang
dikenal dengan notch twisted tape insert. Pemberian lubang ini bertujuan untuk
mengurangi efek halangan (blocking effect) aliran dari dinding twisted tape insert
(Rahimi, dkk 2009). Untuk menaikkan perpindahan panas, dapat dilakukan
dengan memotong tepi dari twisted tape insert, dan dilengkungkan ke atas untuk
mengganggu gerakan fluida dekat dengan pipa, yang dikenal dengan jagged
twisted tape insert.
Oleh karena itu, penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan
Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan notched
twisted insert, perforated twisted tape insert dan jagged twisted tape insert di pipa
dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik
perpindahan panas dan faktor gesekannya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa
dalam dan pengaruh penambahan notched twisted tape insert, perforated twisted
tape insert, dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekannya.
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :
1. Alat penukar kalor berupa pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger)
satu laluan dengan bentuk penampang pipa adalah lingkaran dengan lebar
celah antar pipa konstan sebesar 3,8 mm, diameter hidrolik annulus 7,6
mm, dengan panjang penukar kalor 2.110 mm, dan jarak pengukuran
penurunan tekanan di pipa dalam sebesar 2.240 mm.
2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium dimana dimensi pipa luar;
diameter luar 25,4 mm dan diameter dalam 23,4 mm, dan pipa dalam ;
diameter luar 15,8 mm dan diameter dalam 14,3 mm.
3. Classic twisted tape insert, notched twisted tape insert, perforated twisted
tape insert dan jagged twisted tape insert terbuat dari aluminium strip
dengan panjang pitch 50,35 mm dan mempunyai rasio pilinan (twist ratio)
4,0.
4. Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah
(counter flow).
5. Pipa luar diisolasi dengan glasswool dengan ketebalan 80 mm sehingga
perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi.
6. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar.
7. Fluida yang digunakan dalam pengujian ini adalah air panas dan air dingin.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu debit aliran air dingin di annulus dan
temperatur air panas masuk ke pipa dalam sebesar 60 oC.
9. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.
10. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini
adalah 14 titik yaitu: 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air
panas masuk seksi uji, dan 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
air panas keluar dari seksi uji sedangkan 10 titik lagi dipasang di sepanjang
dinding luar pipa dalam secara selang-seling.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan
pengaruh penambahan notched twisted insert, perforated twisted tape
insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan
panas dan faktor gesekannya.
2. Membandingkan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan
dengan penambahan notched twisted insert, perforated twisted tape
insert, dan jagged twisted tape insert terhadap karakteristik
perpindahan panas dan faktor gesekan dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran annular tanpa penambahan twisted tape insert
(plain tube) dan dengan penambahan classic twisted tape insert.
Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan
panas secara pasif dengan menggunakan sisipan pita terpilin yang
dimodifikasi (modified twisted tape insert).
2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan
perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat
penelitian, serta sistematika penulisan.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan
pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori
tentang metode peningkatan perpindahan panas pada penukar
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada
penukar kalor.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan
dan pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,
perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari
perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Naphon (2006) melakukan penelitian untuk menyelidiki karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda (double
pipes heat exchanger) tanpa twisted tape insert, dan twisted tape insert dengan
berbagai nilai pitch. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga lurus dengan
panjang 2.000 mm dan ukuran diameter pipa dalam dan pipa luar berturut-turut
adalah 8,10 mm dan 9,54 mm. Twisted tape insert berupa aluminium strip dengan
tebal 1 mm dan panjang 2.000 mm. Dalam pengujian tersebut fluida yang digunakan
adalah air panas pada suhu 40 oC dan 45 oC dan air dingin dengan suhu 15 oC dan
20 oC, dan variasi pitch dari twisted tape insert yaitu 2,5 cm dan 3,0 cm. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa twisted tape insert mempunyai pengaruh yang besar
terhadap peningkatan laju perpindahan panas, akan tetapi penurunan tekanan yang
terjadi juga bertambah besar. Semakin besar bilangan Reynolds maka laju
perpindahan panas semakin tinggi, dimana twisted tape insert dengan pitch 2,5 cm
mempunyai laju perpindahan panas yang paling tinggi. Hal ini juga terjadi pada
koefisien perpindahan panas, semakin tinggi bilangan Reynolds maka koefisien
perpindahan panas semakin tinggi pula. Namun semakin tinggi bilangan Reynolds
maka faktor gesekan semakin rendah. Pada penelitian ini terlihat jelas pengaruh ada
tidaknya twisted tape insert terhadap faktor gesekan dan koefisien perpindahan
panas.
Ahamed dkk (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan panas
aliran turbulen pada sebuah pipa dengan menyisipkan perforated twisted tape insert.
Penelitian menggunakan 7 variasi perforated twisted tape insert yang mempunyai
twist ratio sama sebesar 4,55 dimana setiap variasi dilubangi secara merata dan
teratur dengan ukuran diameter antara 3 mm sampai 9 mm dengan jarak antar pusat
lubang dalam arah horisontal dan vertikal berturut-turut adalah 15 dan 20 mm.
Twisted tape insert memiliki dimensi panjang 1.500 mm dan lebar 55 mm dengan
material baja lunak (mild steel). Seksi uji berupa pipa dengan diameter 70 mm dan
panjang 1.500 mm yang diapit oleh flange yang terbuat dari asbestos dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
ketebalan 3,5 mm sebagai media untuk mengurangi kehilangan panas (heat loss)
dan mencegah kebocoran udara dalam arah horisontal. Sedangkan untuk mengurangi
panas dan kebocoran udara secara radial, maka pipa dilapisi plester mika, fiber dan
asbes secara berurutan setelah kawat nichrome yang melilit pipa dengan jarak antar
lilitan 16 mm yang diatur oleh transformator sebagai sumber panas. Fluida yang
digunakan adalah udara dan terdapat 8 titik pengambilan data dimana variasinya
adalah perubahan debit aliran udara yang diatur oleh katup pengatur. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa kenaikan debit aliran udara, maka angka Reynolds
akan meningkat dimana dengan kenaikan angka Reynolds kemampuan udara untuk
menyerap panas dari permukaan pipa lebih baik. Pada angka Reynolds yang sama,
koefisien perpindahan panas pipa dengan perforated twisted tape insert meningkat
sampai 5,5 kali dibandingkan plain tube dan daya pemompaan juga meningkat
sampai 1,8 kali, serta efektifitas dari penukar kalor akan meningkat sampai 4,0 kali.
Murugesan dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas
dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa twisted tape insert dan
membandingkannya dengan trapezoidal-cut twisted tape insert pada twist ratio 4,4
dan 6. Seksi uji menggunakan pipa tembaga sepanjang 2.000 mm yang memiliki
diameter 28,5 mm. Dalam pengujian tersebut, pada pipa fluida yang mengalir adalah
air panas dengan suhu 54 oC dengan variasi debit menggunakan flow meter antara 2-
7 LPM dimana skala kenaikan adalah 0,5 LPM, sedangkan air dingin mengalir
melalui annulus dengan suhu 30 oC dan debit dijaga konstan sebesar 10 LPM.
Sistem diisolasi untuk mengurangi kehilangan panas ke lingkungan menggunakan
glass wool. Pembacaan suhu menggunakan RDT 100 pada sisi masuk dan keluar
penukar kalor yang berjumlah 4 buah dengan tingkat akurasi 0,1 oC sedangkan
pengukuran penurunan tekanan menggunakan manometer U yang kedua ujungnya
diletakkan di kedua sisi penukar kalor. Sisipan berupa trapezoidal-cut twisted tape
insert menggunakan material aluminium dengan ketebalan 1,5 mm dan lebar 23,5
mm dimana setiap pitch pada twisted tape insert dipotong dengan geometri
trapesium. Potongan trapesium memiliki dimensi sisi berturut-turut adalah 8 mm
dan 12 mm dengan kedalaman pemotongan adalah 8 mm. Perlakuan pemotongan ini
pada twisted tape insert memiliki tujuan untuk menimbulkan efek aliran spiral pada
sisi dinding pipa. Hasil penelitian menunjukkan penukar kalor dengan penambahan
twisted tape insert mengalami peningkatan angka Nusselt dibandingkan tanpa
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
twisted tape insert. Peningkatan angka Nusselt diikuti dengan peningkatan laju
perpindahan panas dimana untuk penukar kalor dengan penambahan trapezoidal-cut
twisted tape insert dengan twist ratio 4,4 dan 6,0 berturut-turut meningkat sebesar
41,8% dan 27,0% dibanding tanpa sisipan. Faktor gesekan memiliki kecenderungan
menurun seiring meningkatnya angka Reynolds. Pada penukar kalor dengan sisipan
trapezoidal-cut twisted tape insert faktor gesekannya lebih tinggi, berturut-turut
untuk pitch ratio 4,4 dan 6 sebesar 2,85 dan 1,97 kali dibandingkan penukar kalor
tanpa sisipan.
Rahimi dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas
dan faktor gesekan pada penukar kalor yang dilengkapi dengan modifikasi twisted
tape insert. Modifikasi twisted tape insert tersebut adalah perforated, notched dan
jagged twisted tape. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga sepanjang 6,5
meter yang dibengkokkan dengan diameter dalam 17 mm dan ketebalan 1 mm. Pipa
tembaga tersebut dialiri air panas dengan suhu 42 oC pada sisi masuk dengan laju
aliran massa dari 0,0275 sampai 0,1111 kg/s dan bilangan Reynolds dari 2.950
sampai 11.800. Pipa tersebut dimasukkan ke dalam bak berukuran 30 cm × 60 cm ×
60 cm yang dialiri air dingin dengan suhu 16 oC pada sisi masuk dan laju aliran
massa dibuat konstan 0,333 kg/s. Twisted tape insert terbuat dari stainless steel
dengan lebar 15 mm, panjang pitch 50 mm, twist ratio 2,94 dan ketebalan 1 mm.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert angka
Nusselt lebih tinggi dibandingkan tanpa twisted tape insert. Dari ketiga modifikasi
twisted tape insert tersebut didapatkan angka Nusselt yang terbesar adalah jagged
twisted tape insert, sedangkan yang paling rendah adalah perforated twisted tape
insert. Dengan penambahan twisted tape insert faktor gesekannya meningkat, faktor
gesekan yang tertinggi pada jagged twisted tape insert. Dengan semakin tinggi
bilangan Reynolds maka angka Nusselt juga semakin tinggi, sedangkan untuk faktor
gesekannya semakin menurun. Unjuk kerja termal dari twisted tape yang paling
tinggi adalah jagged twisted tape sebesar 22%, sedangkan peningkatan angka
Nusselt sebesar 31%.
Shabanian dkk (2011) melakukan penelitian perpindahan panas, penurunan
tekanan dan unjuk kerja termal pada pendingin udara dengan tambahan modifikasi
twisted tape insert. Seksi uji berupa sistem pendingin udara dengan dua kipas
dengan kecepatan masing-masing kipas 1400 rpm dengan daya 50 Watt. Kipas
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
tersebut menghadap ke bend tube, dimana bend tube memiliki diameter 17 mm dan
ketebalan 1 mm. Jarak antara kipas dan bent tube adalah 20 cm. Kipas dan bend
tube dirangkai pada suatu kotak berukuran 60 x 100 x 50 cm. Fluida yang
digunakan adalah udara yang melalui kipas dan air yang melalui pipa. Debit air yang
melalui pipa divariasi antara 100 liter/jam sampai 500 liter/jam dan dijaga konstan
pada temperatur 58 oC. Titik pengukuran temperatur di permukaan pipa sebanyak 20
buah. Modifikasi twisted tape insert berupa jagged twisted tape insert yang memiliki
lebar 15 mm dan ketebalan 1 mm dengan variasi 4 twist ratio yaitu 1,76; 2,35; 2,94
dan 3,53. Sisipan lain yang digunakan adalah butterfly insert, yaitu berupa plat
aluminium dengan ketebalan 0,5 mm yang dibentuk seperti sayap kupu-kupu yang
berdiameter 1,9 mm dimana memiliki sudut 45o, 90o dan 135o terhadap batangnya
dan diletakkan setiap 6 cm. Dalam penelitian ini, dibandingkan dengan plain tube
dan penambahan classic twisted tape insert. Nilai perbandingan Nu/Nuo untuk
jagged twisted tape insert dengan berbagai variasi twist ratio terhadap classic
twisted tape insert rata-rata 17,24%, 22%, 26,02% dan 28,22% berturut-turut untuk
twist ratio 1,76; 2,35; 2,94 dan 3,53. Penambahan butterfly insert menghasilkan
unjuk kerja termal 1,28 sampai 1,62, sedangkan dengan penambahan jagged twisted
tape insert menghasilkan unjuk kerja termal 1 sampai 1,28.
Thianpong dkk (2012) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas
dan faktor gesekan pada aliran turbulen pada sebuah pipa penukar kalor. Twisted
tape insert yang digunakan adalah classic twisted tape insert dan perforated twisted
tape insert with parallel wings. Twisted tape insert terbuat dari aluminium yang
mempunyai lebar 18 mm dan ketebalan 1 mm dengan panjang pitch dan twist ratio
berturut-turut 56 mm dan 3 yang dijaga konstan pada setiap variasi twisted tape
insert. Pada variasi perforated twisted tape insert with parallel wings dibuat
perbedaan pada rasio diameter lubang (d/W) yaitu 0,11; 0,33 dan 0,55 dan rasio
kedalaman sayap (wings) (w/W) yaitu 0,11; 0,33 dan 0,55. Sayap pada twisted tape
insert dibuat pada kedua sisi dari twisted tape insert yang berada di antara lubang
dengan sudut 45o terhadap arah aliran aksial. Seksi uji berupa pipa penukar kalor
dengan sistem open loop dimana pipa terbuat dari tembaga dengan tebal 1,5 mm,
diameter 19,5 mm, dan panjang 1000 mm. Dalam pengujian menggunakan air
sebagai fluida kerja. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pipa penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert (plain tube) hanya menimbulkan adanya aliran
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
aksial pada pipa, pada penambahan classic twisted tape insert timbul aliran berputar,
dan dengan penambahan perforated twisted tape insert with parallel wings pada
bagian tengah dari pipa terjadi aliran aksial sehingga penurunan tekanan dan faktor
gesekan berkurang, sedangkan pada bagian dinding pipa terjadi aliran berputar yang
lebih baik karena adanya sayap sehingga menghasilkan efek turbulensi tambahan
dan secara efisien mengganggu lapis batas termal. Dibandingkan dengan plain tube,
pipa dengan perforated twisted tape insert with parallel wings dan classic twisted
tape insert menghasilkan peningkatan perpindahan panas berturut-turut hingga
208% dan 190%.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan
perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan
material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu
dinamakan kalor (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya menjelaskan
bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga
dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu.
Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu batangan
baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan termodinamika, hanya dapat
meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem kesetimbangan baja dan air itu.
Namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan berapa lama waktu yang
dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas
dapat membantu meramalkan suhu batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu.
Ada tiga macam cara perpindahan panas dilihat dari cara perpindahannya,
yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi (pancaran).
1. Perpindahan panas secara konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa disertai perpindahan
partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat padat.
2. Perpindahan panas secara konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan molekul
dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya lebih rendah
disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
3. Perpindahan panas secara radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya dan
tidak memerlukan zat perantara.
Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas (Incropera, 2006)
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)
2.2.2.1 Kondisi aliran
Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah
masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat dengan
jari – jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam. Ketika
fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada
dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip) dan lapisan batas (boundary layer)
akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan batas dimana efek
viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian rupa sehingga
profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa, x, sampai fluida
mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana setelah di luar itu profil
kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang disebut dengan aliran
kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah masukan hingga
terjadinya kondisi ini disebut dengan ” hydrodynamic entry length ”, Lh. Profil
kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk parabola untuk aliran
laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih datar karena aliran
berputar pada arah pipa.
Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting
adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia
dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:
m
r D . u . R m
e = (2.1)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
r = massa jenis fluida (kg/m3)
m = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
um = kecepatan rata – rata fluida (m/s)
D = diameter dalam pipa (m)
Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa (White, 2001)
Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung
berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :
pA
D ch
4=
(2.2)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
Ac = luas penampang melintang aliran (m2)
p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)
Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau
aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah aliran
laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah aliran
transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai bilangan
Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran pipa,
kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada umumnya,
nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen adalah sebagai
berikut :
Re < 2.300 aliran laminar (2.3)
2.300 ≤ Re ≤ 10.000 aliran transisi (2.4)
Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan tanpa
getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan
Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds untuk
terjadinya aliran turbulen adalah Re » 2.300.
2.2.2.2 Kecepatan rata – rata (mean velocity)
Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka digunakan
kecepatan rata–rata (um) untuk menyelesaikan permasalahan mengenai aliran dalam
pipa. Ketika kecepatan rata–rata (um) dikalikan dengan massa jenis air (r) dan luasan
pipa (A), maka akan didapat nilai laju aliran massa air ( m& ) yang melalui pipa. Laju
aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa air yang dialirkan
tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah ini:
Auρm m=& (2.6)
2.2.2.3 Temperatur rata – rata
Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan,
temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan
dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.
Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan
temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak
seperti kecepatan fluida, temperatur rata – rata (Tm) akan berubah sewaktu – waktu
ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.
(a) Aktual (b) Rata – rata Gambar 2.3 Profil temperatur aktual dan rata–rata pada aliran dalam pipa
(Cengel, 2003) Temperatur rata – rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau
pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada
temperatur rata – rata bulk fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata –
rata dari temperatur rata – rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata – rata sisi keluar
(Tm,o), yaitu :
2
)TT(T o,mi,m
b
+= (2.7)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
2.2.2.4 Penukar Kalor
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur fluida
dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui suatu
dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan panas
dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan konveksi
(pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa
hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah alirannya dan
keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah aliran, yaitu
penukar kalor aliran searah (parallel flow heat exchanger) dan berlawanan arah
(counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan keringkasan, yaitu penukar
kalor pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger).
a. Penukar kalor aliran searah.
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah dengan fluida
yang mendinginkan (fluida dingin).
(a) (b)
Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah (Cengel, 2003)
b. Penukar kalor aliran berlawanan arah
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah
dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).
(a) (b)
Gambar 2.5 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah (Cengel, 2003)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan
panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin.
Sehingga, Qh = Qc
Qc=扸踪品. Cp ,c.(Tc,out – Tc,in) (2.8)
Qh=扸踪萍. Cp,h .(Th,i – Th,o) (2.9)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
扸踪品 = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,c = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,i = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,o = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
扸踪萍 = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,i = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,o = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Dalam analisa sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean temperature
difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar kalor jika seluruh
temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam metode LMTD, laju
perpindahan panas ditentukan dari :
Q = U. As . DTLMTD (2.10)
)T/Tln(
TTTLMTD
21
21
DDDD
D+
= (2.11)
dimana :
Q = laju perpindahan panas (W)
U = koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
As = luas perpindahan panas (m2)
DTLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
DT1 , DT2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi masuk dan
keluar penukar kalor (oC).
Nilai-nilai DT1 dan DT2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah
berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.4(b) dan 2.5(b).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
c. Penukar kalor pipa konsentrik.
Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner tube)
dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida panas,
sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus) yang
dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.
Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik (Cengel,2003)
Perpindahan panas yang terjadi berawal secara konveksi dari fluida panas ke
dinding dalam pipa dalam. Dari dinding dalam diteruskan secara konduksi ke
dinding luar pipa dalam. Perpindahan panas akan dilanjutkan secara konveksi dari
dinding luar pipa dalam ke fluida dingin yang ada pada annulus. Proses perpindahan
panas pada penukar kalor ini dapat dianalogikan dengan jaringan tahanan listrik
seperti gambar 2.7 di bawah. Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan
membagi beda temperatur total dengan jumlah total tahanan termal.
Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik (Cengel,2003)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7
menjadi:
R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = 狗垢.隔垢十鹰 纵各咕各垢⁄ 邹覸al埂 十 狗咕.隔咕 (2.12)
dimana :
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = p .di .L
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = p.do.L
Do = diameter luar pipa dalam (m)
Di = diameter dalam pipa dalam (m)
k = konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
L = panjang pipa (m)
Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua
tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu
tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida
sebagai berikut :
Q = RTD
= U. A . DT = Ui . Ai . DTLMTD = Uo . Ao . DTLMTD (2.13)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan (W/m2.oC),
dan DTLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different) (oC). Diperoleh nilai :
oo
io
iiooii A .hL k
)d/d( ln
A . hR
A.UA.U1
2111
++===p
(2.14)
2.2.2.5 Parameter Tanpa Dimensi
Pada penukar kalor metode perpindahan panas yang terjadi utamanya adalah
konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan
variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless).
Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi
adalah :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia
dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol volume
yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah
kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume. Gaya
inersia dalam bentuk [ ] xuuρ ¶¶ /)( dapat didekati dengan persamaan:
.2 LVρFI = Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
( )[ ] ,yyuyyx ¶¶¶¶=¶¶ mt dapat didekati dengan persamaan 2LVµFs = .
Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
L
s
I ReVL
LVLV
F
F===
mr
mr
2
2
(2.15)
Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya
kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih
berpengaruh dari gaya inersia.
b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)
Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas
momentum, n (m2/s) , dengan diffusifitas termal, a (m2/s). Bilangan Prandtl
menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan transfer
energi dengan cara difusi di dalam lapis batas kecepatan dan termal. Bilangan
Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer energi dan momentum
dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 2006). Nilai Pr sangat dipengaruhi
oleh pertumbuhan relatif lapis batas kecepatan dan termal.
av
Pr = (2.16)
c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi (h) terhadap
konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan
tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan
Nusselt dirumuskan:
kd . h
Nu = (2.17)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr.
Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu
untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.
2.2.2.6 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor
Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri dan
bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit, diperlukan
analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan penurunan
tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek ekonomis
dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor adalah membuat
penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas tinggi
menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik untuk
meningkatkan perpindahan panas berhubungan dengan beberapa aplikasi
keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang
tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien.
Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan
panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak
(scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor yang
digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri-industri kimia. Dalam
beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluida-
fluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan instalasi
desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju perpindahan
panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam aliran fluida
(memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses ini daya pemompaan
dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya pemompaan menjadi tinggi.
Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas yang diinginkan dalam sebuah
penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang ekonomis, beberapa teknik telah
ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini.
Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah
dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi,
otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah
mendorong atau mengakomodasi fluks-fluks kalor yang tinggi. Ini menghasilkan
pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor
beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien
perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa
pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih kecil
bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan perpindahan
panas menarik dalam aplikasi penukar kalor.
Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar
kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori :
a. Metode aktif (active method)
Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power input)
untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak potensi
yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak mudah untuk
disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif adalah pulsasi
yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers, penggunaan medan magnet
untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan dalam sebuah aliran yang sedang
mengalir.
b. Metode pasif (passive method)
Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang
diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang tersedia
dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan fluida. Industri
penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak termal (meningkatkan
koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya pemompaan untuk memperbaiki
efisiensi termohidrolik dari penukar kalor. Salah satu peningkatan perpindahan kalor
secara konveksi yang paling popular saat ini adalah dengan membangkitkan
turbulensi pada suatu aliran dalam pipa. Pembangkitan turbulensi dilakukan dengan
memberikan usikan terhadap aliran yang salah satunya dengan cara menyisipkan
twisted tape pada aliran dalam pipa. Turbulensi pada aliran menyebabkan
munculnya komponen–komponen kecepatan radial disamping komponen kecepatan
aksial yang sudah ada.
c. Metode gabungan (compound method)
Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik
metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang
kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi
metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-
industri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya
termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan ruang
angkasa, automobiles dan lain-lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert) digunakan
dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas, menguntungkan
dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur insert sederhana dan
teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar kalor. Dalam desain alat
penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam meningkatkan perpindahan panas
memainkan peranan yang penting jika konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat
dipilih berdasarkan kondisi kerja penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan
panas).
Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat
untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering digunakan.
Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal sebagai alat
peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert sesuai untuk
daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran turbulen. Kelakuan
termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari kondisi aliran
(laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert.
Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube),
teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang
paling umum. Dengan teknologi tube insert, penambahan luasan perpindahan panas
dapat diabaikan, sehingga penghematan biaya secara signifikan menjadi mungkin.
Peralatan tube insert meliputi twisted tape insert, wire coil insert, extended surface
insert, mesh insert dan lain-lain, seperti terlihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Jenis-jenis peralatan tube insert (Wang, L., 2002)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang
pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik
dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical
coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (non-
integral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang
dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan kontak
termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter hidrolik dan
bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari sebuah matrik
dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu keseluruhan medan
temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya adalah dua faktor
utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan teknik-teknik pasif
peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape insert dan wire coil
insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-tahun belakangan ini
dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena teknik-teknik seperti
extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena menghasilkan masalah
penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran.
Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran untuk
menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik saluran
aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh insert
seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan aliran
(flow blockage) membagi aliran dan aliran sekunder (secondary flow). Halangan
aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek viskos karena luas
aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan kecepatan aliran dan dalam
beberapa situasi memicu aliran sekunder secara signifikan. Aliran sekunder
selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih baik antara permukaan dan fluida,
karena aliran sekunder menciptakan pusaran (swirl) dan menghasilkan percampuran
fluida memperbaiki gradien temperatur dimana pada akhirnya memicu koefisien
perpindahan panas yang tinggi.
Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor.
Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh
lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih efektif
dalam aliran turbulen dibandingkan dengan twisted tape, karena wire coil
mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup efektif,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di lapisan bawah
viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh sebuah
daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen. Sehingga, wire coil
insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat mencampur aliran limbak
(bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan twisted tape insert. Oleh
karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam aliran laminar.
Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis fluida, mungkin
juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan bilangan Prandtl yang
berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang berbeda. Sehingga, pemilihan
yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja termal dan hidrolik.
Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert dan
wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix angle).
Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan perpindahan panas
meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut pilin. Akan tetapi, untuk
sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape insert menunjukkan
peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire coil insert. Ini
mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu keseluruhan
medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu aliran di dekat
dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh terhadap
peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih tinggi untuk
fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik, mungkin karena fakta
bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi mempunyai tebal lapis batas
yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida yang mempunyai bilangan
Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan oleh tube insert lebih efisien
untuk meningkatkan perpindahan panas. Bagaimanapun, kenaikan perpindahan
panas sering dihubungkan dengan kerugian penurunan tekanan. Dapat disimpulkan
bahwa wire coil insert menghasilkan penurunan tekanan yang lebih rendah
dibandingkan twisted tape insert.
2.2.2.7 Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)
Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar 2.9
menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted tape dengan 180o twisted pitch. Geometri
twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai modifikasi untuk
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas, seperti terlihat pada gambar 2.10
sampai dengan gambar 2.18.
Gambar 2.9 Jenis-jenis twisted tape (a) full-length twisted tape, (b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying pitch full-length twisted tape (Dewan, A., 2004)
Gambar 2.10 Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted tape, (b) perforated twisted tape, (c) notched twisted tape, (d) jagged twisted tape (Rahimi, 2009)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
Gambar 2.11 Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio (Cang, S.W., 2007)
Gambar 2.12 (a) Typical twisted tape, (b) C-CC twisted tape dengan q = 30o, (c) C-CC twisted tape dengan q = 60o, (d) C-CC twisted tape dengan q = 90o (Eimsa-ard, S., 2010)
Gambar 2.13 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twisted tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar (Saha, S.K., 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
Gambar 2.14 (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs) dan (c) twin
counter twisted tapes (CTs) (Eimsa-ard, S., 2010)
Gambar 2.15 Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre wing and
alternate-axis (Eimsa-ard, S., 2010)
(a) (b)
Gambar 2.16 Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted tape with alternate axis, (a) pandangan depan, (b) pandangan isometric (Seemawute, P., 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
(a)
(b)
Gambar 2.17 (a) twisted tape with serrated-edge at various serration width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge at various serration width depth ratios, d/W (Eimsa-
ard, S., 2010)
(a)
(b)
Gambar 2.18 (a) Straight delta-winglet twisted tapes (S-DWT), (b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT) (Eimsa-ard, S., 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
Parameter-parameter pada twisted tape insert :
a. Twist pitch
Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang
sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape.
b. Twist ratio
Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan pitch terhadap diameter
dalam pipa.
y = 䵈聘腮 (2.18)
dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah
diameter dalam pipa.
Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan
sebagai :
yH .
di . tan
22
2==
pa (2.19)
Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ditunjukkan pada gambar 2.19.
Pada gambar 2.19, H adalah twist pitch, d adalah diameter dalam pipa atau lebar
tape (tape width), dan d adalah ketebalan tape.
Gambar 2.19 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert (Manglik-Bergles,1992)
2.2.2.8 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
2.2.2.8.1. Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah
Aliran Laminar dan Turbulen melalui sebuah Pipa Bulat Halus
Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed), dalam sebuah
pipa bulat halus tanpa insert, bilangan Nusselt (Nu) mempunyai nilai yang
konstan di bawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall
temperature) sebagai berikut :
Nu = 3,657 (2.20)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan
dengan persamaan :
f = 64/Re (2.21)
Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds
(Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran pipa.
Untuk pipa halus, faktor gesekan dalam aliran turbulen dapat ditentukan
dari persamaan Petukhov pertama (first Petukhov equation) :
f = (0,790 ln Re – 1,64)-2 (2.22)
Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt
dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter :
Nu = 0,023.Re0,8.Prn (2.23)
Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 ≤ Pr ≤ 160, Re ³ 10.000,
dan L/D ³ 10. Untuk proses pemanasan, n = 0,4 sedangkan proses pendinginan,
n = 0,3. Sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk (bulk
mean fluid temperature), Tb = (Ti + Te)/2. Ketika perbedaan temperatur antara
fluida dan dinding pipa sangat besar, perlu menggunakan sebuah faktor koreksi
untuk menghitung perbedaan viskositas di dekat dinding pipa dan di pusat pipa.
Korelasi Dittus-Boelter sederhana, tetapi memberikan kesalahan hingga
25% (Incropera, 2006). Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10%
dengan menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti
menggunakan persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai
berikut :
)(Pr . )/f( . ,,
Pr . Re . )/f(Nu // 18712071
83221 -+
= (2.24)
Persamaan Petukhov kedua berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £ 2.000, dan 104 <
Re < 5 x 106. Akurasi persamaan ini pada bilangan Reynolds yang rendah
diperbaiki dengan modifikasi oleh Gnielinski (Incropera, 2006) :
)(Pr.)/f(.,
Pr.)(Re.)/f(Nu // 187121
100083221 -+
-=
(2.25)
Persamaan Gnielinski berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £ 2.000, dan 3 x 103 < Re
< 5 x 106, dimana faktor gesekan, f , dapat ditentukan dari hubungan yang sesuai
seperti persamaan Petukhov pertama (persamaan 2.22). Persamaan Gnielinski
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.24) dan (2.25) sifat-sifat
fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk.
Tidak seperti aliran laminar, faktor gesekan dan koefisien konveksi dalam
aliran turbulen adalah fungsi dari kekasaran permukaan. Faktor gesekan dalam
aliran turbulen berkembang penuh tergantung pada bilangan Reynolds dan
kekasaran relatif, e/D (relative roughness, e/D). Colebrook mengkombinasikan
semua data faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa-pipa
halus dan kasar ke dalam sebuah persamaan implisit yang dikenal sebagai
persamaan Colebrook (Incropera, 2006), sebagai berikut :
÷÷ø
öççè
æ+-=
f . Re
,
,
D/log
f
512
732
1 e (2.26)
Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam
ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re
dan e/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu
metode iterasi. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis,
perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996) menyarankan bahwa iterasi
tunggal akan memberikan hasil dalam 1% jika perkiraan awal dihitung dari:
2
90
74573
250-
úû
ùêë
é÷øö
çèæ +=
Re
,,D/
log . ,f,o
e (2.27)
Moody menggambarkan persamaan Colebrook dalam sebuah diagram yang
dikenal dengan Diagram Moody, dimana meskipun diagram ini dibentuk untuk
pipa bulat, tetapi dapat juga digunakan untuk pipa tidak bulat dengan mengganti
diameter pipa dengan diameter hidrolik. Untuk aliran turbulen dalam pipa-pipa
halus juga dapat dihitung dengan persamaan Blasius (White 4th edition) :
f = 0,3164.Re-0,25 (2.28)
Valid untuk aliran turbulen dengan Re ≤ 105.
2.2.2.8.2 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan
Twisted Tape Insert di Daerah Aliran Laminar
Korelasi berikut digunakan untuk memperkirakan koefisien perpindahan
panas dan faktor gesekan di daerah laminar untuk twisted tape insert. Manglik dan
Bergles (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data
penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar
sebagai berikut :
Nu = 4,162[6,413 x 10-9(Sw. Pr 0,391)3,385]0,214,0
w÷÷ø
öççè
æmm
(2.29)
dimana :
Nu = bilangan Nusselt
Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl)
dalam pipa.
Sw = yRe/
y = twist ratio
Pr = bilangan Prandtl
m = viskositas dinamik (kg/m.s)
mw = viskositas dinamik berdasarkan temperatur dinding (kg/m.s)
Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah
dikembangkan :
6125261014
2276715 /,
i
iswd )Sw(
d/t
d/t,)Re.f( -+÷÷
ø
öççè
æ--+
=p
p (2.30)
dimana :
f = faktor gesekan
Red = bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
t = tebal twisted tape insert (m)
di = diameter dalam pipa (m)
Faktor gesekan dan bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan pusaran (swirl
velocity)
usw = uc (1 + tan2α)1/2 (2.31)
dimana :
usw = kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)
uc = kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)
α = sudut heliks (o)
Kondisi-kondisi eksperimental untuk mengembangkan korelasi-korelasi di
atas adalah sebagai berikut : air (3 ≤ Pr ≤ 6,5) dan ethylene glycol (68 ≤ Pr ≤ 100)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5,
dan 6,0) yang diuji, bilangan Reynolds dari 300 sampai 30.000, dimana meliputi
daerah laminar, transisi dan turbulen. Rata-rata ketakpastian (uncertainties) Nu
dan f berturut-turut adalah ± 4,1% dan ± 4,5%. Korelasi ini aktualnya meliputi
data untuk ethylene glycol dan polybutene (1.000 ≤ Pr ≤ 7.000) dari Marner dan
Bergles.
2.2.2.8.3 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan
Twisted Tape Insert di Daerah Turbulen
Korelasi perpindahan panas Manglik dan Bergles (Sarma, P.K, 2002)
sebagai berikut :
20,40,8 .
2769,01 . Pr . Re . 0,023 f÷
øö
çèæ +=
H
diNui (2.32)
2,08,0
2 /4/22
./4
÷øö
çèæ
--+
÷øö
çèæ
-=
ditdit
dit pp
pp
f (2.33)
Dimana :
Re = bilangan Reynolds
Pr = bilangan Prandtl
t = tebal twisted tape (m)
di = diameter dalam pipa dalam (m)
H = panjang pitch (m)
2.2.2.8.4 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twisted Tape Insert
Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik,
seperti terlihat pada gambar 2.20, laju perpindahan panas dari fluida panas di
dalam pipa dalam dapat dinyatakan sebagai :
Qh = 扸踪萍.Cp,h .(Th,i – Th,o) = hi .Ai. (Tb,i - ነ呻扑,平) (2.34)
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
扸踪萍 = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,i = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
Th,o = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = p.di. L
di = diameter dalam pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
Tb,i = temperatur fluida rata-rata bulk di dalam pipa dalam (oC)
ነ呻扑,平 = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)
Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :
Qc = 扸踪品.Cp,c .(Tc,o – Tc,i) = ho. Ao. (ነ呻扑,泼 – Tb,o) (2.35)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
扸踪品 = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,c = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,i = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,o = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus
(W/m2.oC)
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = p.do. L
do = diameter luar pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
ነ呻扑,泼 = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
Tb,o = temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus (oC)
Nilai ነ呻扑,泼 dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :
n
TT o,w
o,wS
= (2.36)
Tb,o = (Tc,o + Tc,i)/2 (2.37)
dimana ∑ነ扑,泼 adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan
n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.34) dan (2.35) menunjukkan
ketidaksetimbangan energi (heat balance error).
ch QQerror balance heat -= (2.38)
dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase
ketidaksetimbangan energi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :
%100% xQ
QQerror balance heat
h
ch -= (2.39)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan
dari persamaan (2.35) :
)TT( . A
)T-T( . C . mh
o,bo,wo
ic,oc,cp,co -=
·
(2.40)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
Gambar 2.20 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan
persamaan :
o
hoo k
D . hNu = (2.41)
dimana :
Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus
(W/m2.oC)
Dh = diameter hidrolik annulus (m)
ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
Persamaan (2.33) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien
perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam :
Qh = Ui . Ai . DTLMTD (2.42)
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = p.di.L
DTLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different) (oC)
Untuk penukar kalor pipa konsentrik dengan arah aliran kedua fluida berlawanan
arah (counter-flow), nilai beda temperatur rata-rata logaritmik dinyatakan sebagai
berikut :
))TT/()TTln((
)TT()TT(T
i,co,ho,ci,h
i,co,ho,ci,hLMTD --
---=D (2.43)
Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor
konsentrik ini dinyatakan dengan :
úû
ùêë
é++
=
oo
i
i
ioi
i
i
h . d
d
k
)d/dln( . d
h
U
21
1 (2.44)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
Dari persamaan (2.33), (2.42) dan (2.43), maka nilai Ui dapat dihitung :
LMTDi
oh,ih,phi T . A
)T-(T . c . mU
D= (2.45)
))TT/()TTln((
)TT()TT(. L . d .
)T-(T . c . mU
i,co,ho,ci,h
i,co,ho,ci,hi
oh,ih,phi
-----
=p
(2.46)
Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.41) dan Ui dari persamaan (2.46),
maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan (2.44).
úû
ùêë
é--
=
oo
i
i
ioi
i
i
h . d
d
k
)d/dln( . d
U
h
21
1 (2.47)
dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.
Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan
persamaan berikut :
i
iii k
d.h Nu = (2.48)
dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari
sifat fluida pada temperatur fluida rata-rata bulk.
Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan :
n
id .V Re = (2.49)
m
r id .V. Re = (2.50)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
di = diameter dalam pipa dalam (m)
n = viskositas kinematik fluida di pipa dalam (m2/s)
r = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
m = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
Dalam analisis penukar kalor, sering menggabungkan perkalian laju aliran
massa dengan panas jenis fluida ke dalam besaran yang disebut laju kapasitas
panas (heat capacity rate), C, dan didefinisikan untuk aliran fluida panas dan
dingin berturut-turut sebagai berikut :
Ch = 扸踪萍. Cp,h (2.51)
Cc = 扸踪品. Cp,c (2.52)
Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas
yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1 oC ketika
mengalir melalui penukar kalor. Dalam sebuah penukar kalor, fluida dengan laju
kapasitas panas besar akan mengalami perubahan temperatur yang kecil, dan
fluida dengan laju kapasitas panas yang kecil akan mengalami perubahan
temperatur yang besar. Dengan definisi laju kapasitas panas di atas, maka
persamaan (2.33) dan (2.34) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan :
Qh = Ch .(Th,i – Th,o) (2.53)
Qc = Cc .(Tc,o – Tc,i) (2.54)
Metode LMTD mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika
temperatur-temperatur masuk dan keluar dari fluida panas dan dingin diketahui
atau dapat ditentukan dari kesetimbangan energi. Jika DTLMTD , laju aliran massa,
dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan
perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.
DTLMTD. Jenis masalah kedua yang dihadapi dalam analisis penukar kalor adalah
menentukan laju aliran panas dan temperatur keluaran dari fluida panas dan fluida
dingin untuk laju aliran massa dan temperatur-temperatur masukan telah
ditentukan ketika jenis dan ukuran dari penukar panas ditentukan. Metode LMTD
masih dapat digunakan untuk masalah ini, tetapi prosedur penyelesaian
memerlukan iterasi dan tidak praktis. Untuk menghindari iterasi penyelesaian
masalah ini dapat menggunakan metode e-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan
menyederhanakan analisis penukar kalor.
Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut
efektivenes penukar kalor, e, didefinisikan sebagai :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
mungkin yang maksimum panasn perpindahalaju
aktual panasn perpindahalaju ==
maksQ
Qe (2.55)
Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah penukar kalor dapat ditentukan dari
kesetimbangan energi pada fluida panas dan fluida dingin dan dapat dinyatakan
sebagai berikut :
Q = Cc.(Tc,o – Tc,i) = Ch.(Th,i – Th,o) (2.56)
Dimana Cc dan Ch berturut-turut adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan
fluida panas. Untuk menentukan laju perpindahan panas yang mungkin dalam
sebuah penukar kalor, maka perbedaan temperatur harus maksimum antara
temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin dalam penukar kalor. Sehingga :
DTmak = Th,i – Tc,i (2.57)
Perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor akan mencapai nilai maksimum
ketika (1) fluida dingin dipanaskan ke temperatur masukan fluida panas, atau (2)
fluida panas didinginkan ke temperatur masukan dari fluida dingin. Fluida dengan
laju kapasitas panas yang lebih kecil akan mengalami perubahan temperatur yang
besar. Sehingga, laju perpindahan panas maksimum dalam sebuah penukar kalor
adalah :
Qmaks = Cmin.(Th,i – Tc,i) (2.58)
dimana Cmin adalah nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil, jika :
Cc > Ch , maka Ch = Cmin (2.59)
Cc < Ch , maka Cc = Cmin (2.60)
Menentukan Qmaks memerlukan ketersediaan data temperatur masuk fluida panas
dan dingin dan laju aliran kedua fluida tersebut, dimana biasanya sudah
ditentukan. Sehingga jika efektivenes dari penukar kalor telah diketahui, laju
perpindahan panas aktual Q dapat ditentukan dari persamaan :
Q = e.Qmaks = e.Cmin.(Th,i – Tc,i) (2.61)
Sehingga efektivenes penukar kalor dapat digunakan untuk menentukan
laju perpindahan panas tanpa mengetahui temperatur keluaran fluida-fluida.
Efektivenes dari sebuah penukar kalor tergantung pada geometri penukar kalor
dan juga susunan aliran. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan
arah (counter flow) korelasi untuk e dinyatakan sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
úúû
ù
êêë
é÷÷ø
öççè
æ---
úúû
ù
êêë
é÷÷ø
öççè
æ---
=
maks
min
min
s
maks
min
maks
min
min
s
CC
CA.U
expCC
CC
CA.U
exp
11
11
e (2.62)
Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa
dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of transfer units (NTU) dan
dinyatakan sebagai berikut :
minp
s
min
s
)(m.CA .U
CA .U
NTU == (2.63)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas
permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As.
Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas
permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar
penukar kalor.
Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi
lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut :
maks
min
CC
c = (2.64)
Dapat dilihat bahwa efektivenes dari sebuah penukar kalor adalah fungsi dari
NTU dan rasio kapasitas, c. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran
berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk e dapat ditulis ulang dengan
menggabungkan persamaan (2.62), (2.63) dan (2.64) sebagai berikut :
[ ][ ])c(NTUexp . c
)c(NTUexp
------
=11
11e (2.65)
Jika besaran c = Cmin/Cmaks dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes e
dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor
tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,o dan Tc,o
dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah
(Cengel,2003)
Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode e-NTU dengan pertama kali
mengevaluasi efektivenes e dari persamaan (2.55), dan kemudian NTU dapat ditentukan
dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk NTU sebagai berikut :
÷øö
çèæ
--
-=
11
11
c.ln
c NTU
ee (2.66)
Dalam prakteknya, untuk menyatakan penurunan tekanan untuk semua
jenis internal flow ( aliran laminar atau turbulen, pipa bulat atau tidak bulat,
permukaan halus atau kasar) dengan persamaan :
i
t
d.V . . L
f P2
2rD = (2.67)
dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction
factor). Penurunan tekanan (DP) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan
dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana DP dinyatakan
dengan persamaan :
DP = rm . g . Dh (2.68)
dimana :
DP = penurunan tekanan (Pa)
rm = densitas fluida manometer (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Dh = beda ketinggian fluida manometer (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
Gambar 2.22 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor
pipa konsentrik
Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai
berikut :
f
÷÷ø
öççè
æ÷÷ø
öççè
æ=
2
2VdL
P
i
t r
D (2.69)
dimana :
f = faktor gesekan
DP = penurunan tekanan (Pa)
Lt = panjang jarak titik pengukuran tekanan di pipa dalam (m)
di = diameter dalam pipa dalam (m)
r = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
Jika penurunan tekanan (DP) telah diketahui, maka daya pemompaan (pumping
power), 䡈踪褠粕=褠 , dapat ditentukan dari :
䡈踪褠粕=褠实惯.踪∆3 (2.70)
dimana 惯踪 adalah laju aliran volumetrik aliran fluida (m3/s).
Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah unjuk kerja
termal (h). Unjuk kerja termal (h) dianalisa di bawah kondisi daya pemompaan
yang konstan, antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa
dengan twisted tape insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan,
berlaku :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
试惯踪.画3守褠 实试惯踪.画3守魄 (2.71)
dimana :
惯踪= laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)
DP = penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)
p = plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
s = swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)
Dimana hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat
dinyatakan sebagai berikut :
纵归.Re脑邹怒实纵归. Re脑邹虐 (2.72)
Unjuk kerja termal (h) didefinisikan sebagai perbandingan antara
koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dengan twisted tape
insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa tanpa
twisted tape insert pada daya pemompaan yang konstan.
ppp
s
hh
÷÷ø
öççè
æ=h (2.73)
dimana :
h = unjuk kerja termal
hs = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert (W/m2.oC)
hp = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape
insert (W/m2.oC)
pp = daya pemompaan konstan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
44
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta.
3.2. Bahan Penelitian
· Air
3.3. Alat Penelitian
Spesifikasi alat penelitian :
a) Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular
· Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric
tube heat exchanger)
· Bahan pipa :
- Pipa dalam dan pipa luar : Aluminium
· Dimensi
- pipa dalam : diameter luar 15,8 mm dan diameter dalam 14,3 mm
- pipa luar : diameter luar 25,4 mm dan diameter dalam 23,4 mm
- panjang pipa dalam : 2.500 mm
- panjang pipa luar : 1.940 mm
- ukuran celah annulus : 3,8 mm
- diameter hidrolik annulus : 7,6 mm
- jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam : 2.240 mm
· Arah aliran counter flow (aliran berlawanan arah)
- pipa dalam : air panas dengan arah aliran horisontal.
- pipa luar /annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah
dengan aliran air panas.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert
Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
Gambar 3.3. Skema penukar kalor tanpa twisted tape insert
Gambar 3.4. Skema penukar kalor dengan classic twisted tape insert
Gambar 3.5. Skema penukar kalor dengan perforated twisted tape insert
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
47
Gambar 3.6. Skema penukar kalor dengan notch twisted tape insert
Gambar 3.7. Skema penukar kalor dengan jagged twisted tape insert
b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert)
Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal
0,7 mm dan lebar 12,6 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk
sebuah pilinan yang mempunyai panjang pitch 50,3 mm dan twist ratio-nya
sebesar 4,0. Sedangkan perforated twisted tape insert, notch twisted tape insert,
dan jagged twisted tape terbuat dari bahan dan ukuran yang sama dengan classic
twisted tape insert, dengan panjang pitch 50,3 dan twist ratio 4,0. Pada perforated
twisted tape dilubangi dengan diameter lubang sebesar 6,5 mm, jarak antar pusat
lubang 50,3 mm pada garis tengah twisted tape insert, sehingga untuk setiap jarak
satu picth terdapat 2 lubang. Pada nocth twisted tape di bagian tepi twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
48
dilubangi setengah lingkaran dengan diameter 6,5 mm, dan jarak antar pusat
lubang 50,3 mm, sehingga untuk setiap jarak satu picth terdapat 2 lubang. Pada
jagged twisted tape insert di satu bagian tepi twisted tape insert dipotong dengan
kedalaman 6,5 mm yang kemudian dilengkungkan ke atas dan jarak antar pusat
tekukan 50,3 mm, sehingga untuk setiap jarak satu picth terdapat 2 tekukan.
Keempat jenis twisted tape insert yang digunakan dalam penelitian ini dapat
dilihat pada gambar 3.8.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 3.8. Variasi twisted tape insert a). Classic twisted tape insert; b). Notched twisted tape insert; c). Perforated twisted tape insert; d.) Jagged twisted tape insert
c) Flange
Flange ini terbuat dari bahan nylon yang berfungsi untuk menyangga pipa
dalam dan pipa luar agar tetap konsentrik (sehingga lebar celah annulus seragam).
Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan dari nylon yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
49
berbentuk silinder. Pembubutan luar dilakukan untuk meratakan dan
menghaluskan permukaan nylon. Nylon kemudian dibor pada bagian tengahnya
hingga mencapai diameter tertentu. Setelah itu, nylon dibor dalam hingga
mencapai diameter yang diinginkan (gambar 3.9).
(a)
(b)
Gambar 3.9. (a) Gambar detail flange ; (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
50
Gambar 3.10. Instalasi alat penelitian tampak depan.
Gambar 3.11. Instalasi alat penelitian tampak belakang
5 1
8
3
4 7
2
9
6
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
51
Keterangan gambar 3.10 dan 3.11 :
1. Penukar kalor
2. Bak air panas
3. Bak air dingin atas
4. Rotameter
5. Manometer
6. Temperature controller
7. MCB pompa air dingin dan air panas
8. Penjebak air
9. Penukar kalor tampak belakang
Gambar 3.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
52
Gambar 3.13. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping
Gambar 3.14. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
53
d) Termokopel
Untuk mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe-K. Tipe K
[Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)] tersedia untuk rentang suhu −200 °C
hingga ± 1.200 °C. Termokopel ini dipasang pada sisi pipa dalam untuk mengukur
temperatur air panas masuk dan keluar dari pipa dalam, pada dinding luar pipa
dalam berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding luar pipa
dalam, dan pada sisi keluar dan masuk air dingin di annulus. Pemasangan
termokopel dilem menggunakan lem araldite yang terdiri dari pengeras
(hardener) warna merah dan resin (warna putih).
(a) (b)
Gambar 3.15. (a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel tipe K.
Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar
penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas, dan mengukur
tamperatur dinding luar pipa dalam dapat dilihat pada gambar 3.16 dan gambar
3.17 berikut ini :
Gambar 3.16. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk
dan keluar di pipa dalam dan di annulus.
Gambar 3.17. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur
dinding luar pipa dalam.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
54
Gambar 3.18. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik pemasangan
e) Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh
termokopel.
Gambar 3.19. Thermocouple reader.
f) Temperature controller dan contactor atau relay
Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas
yang akan masuk ke pipa dalam agar konstan. Contactor atau relay dihubungkan
dengan temperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung
arus listrik yang diatur oleh temperature controller.
Gambar 3.20. Temperature controller
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
55
g) Pemanas air elektrik (electric water heater)
Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas.
Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai
adalah 5.000 Watt.
Gambar 3.21. Pemanas air elektrik.
h) Tandon air
Tandon digunakan untuk menampung air panas dan air dingin sementara
sebelum masuk penukar kalor.
(a) (b)
Gambar 3.22. (a) Tangki air dingin (b) tangki air panas
i) Pompa sentrifugal
Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air dari tangki air masuk ke
dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa. Pompa yang digunakan sebanyak
dua buah yaitu untuk memompa air panas dan air dingin.
Tabel 3.1. Spesifikasi pompa DAB
Model AQUA 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis )
Kapasitas Max : 37 ltr/min Size : 1”x1”
Daya hisap : 9 meter OUTPUT : 125 Watt
Daya dorong : 15 meter V/HZ/PH : 220/50/1
Total Head : 24 meter RPM : 2850
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
56
(a) (b)
Gambar 3.23. Pompa sentrifugal.(a) pompa air panas (b) pompa air dingin
j) Flowmeter
Flowmeter digunakan untuk mengukur debit aliran air panas sebelum masuk
ke pipa dalam dari penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara saluran
bypass dengan pipa sebelum masuk pipa dalam dari penukar kalor.
Spesifikasi flowmeter :
- Acrylic cover with linear scale
- Glass : - Borosilite
- Measuring span : - 1:10
- Suitable for on line instalation
- Centre to Centre Distance : - 100 mm to 300 mm
- Range between – 26 – 260 to 185 – 1850 NLPH of Water
- Various Materials of Constructions :- MS / SS304 / SS316 / Brass.
- Connections :- 1/4 BSP / NPT (F) Back - Back / Bottom – Top
- Accuracy :- +/- 2% of full scale.
- Powder coated finis
Gambar 3.24. Flowmeter
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
57
k) Penjebak Air
Penjebak air digunakan agar air dari pipa dalam tidak masuk ke manometer.
Gambar 3.25. Penjebak air
l) Manometer
Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk
mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi pipa dalam. Fluida manometer
yang digunakan adalah air.
Gambar 3.26. Manometer.
m) Stopwatch
Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan
untuk menampung air yang keluar dari annulus dalam jumlah tertentu dengan
menggunakan ember.
Gambar 3.27. Stopwatch.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
58
n) Timbangan digital (digital scale)
Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam
ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di
annulus.
Gambar 3.28. Timbangan digital
o) Stop kran
Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit
aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur
debit yang akan diinginkan.
Gambar 3.29.Stop kran.
.
p) Ball valve
Ball valve ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin
yang keluar dari annulus sebelum dibuang.
Gambar 3.30. Ball valve.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
59
q) Rangka dan pipa – pipa saluran air
Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur
dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk
meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa – pipa saluran air ini berasal dari
bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air
masuk ke dalam alat penukar kalor.
3.4. Prosedur Penelitian
Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem
lintasan aliran pipa dalam, dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan aliran pipa
dalam adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas yang berada dalam tangki air
panas digerakkan oleh pompa air panas, mengalir melewati seksi uji (pipa dalam)
dan kembali ke tangki air panas. Pemanas air elektrik dikontrol dengan
thermocontroller untuk mempertahankan temperatur konstan dalam tangki air
panas. Lintasan aliran pada annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air
menggunakan metode gravitasi (aliran air dingin berasal dari tandon air yang
dipasang diatas). Air dingin yang keluar dari seksi uji langsung dibuang.
3.4.1. Tahap Persiapan
1. Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam
pengujian, seperti : pompa sentrifugal, penukar kalor, thermocontroller,
pemanas air elektrik, manometer, tangki air dingin, tangki air panas dan
alat pendukung lainnya.
2. Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat penelitian baik itu pada
pipa–pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian yang
lain.
3. Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan
semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader.
4. Memastikan bahwa ketinggian permukaan air pada manometer adalah
sama.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
60
3.4.2. Tahap Pengujian
Pada penelitian ini, sebagai perbandingan diuji penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert di pipa dalam (plain tube), dan dengan
penambahan classic twisted tape insert. Prosedur yang dilakukan dalam
pengambilan data penelitian berdasarkan variasi bilangan Reynolds aliran air di
pipa dalam adalah sebagai berikut :
3.4.2.1.Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube).
1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60 oC.
2. Menyalakan pompa air panas.
3. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam, debit aliran air panas di
pipa dalam terbaca pada flowmeter.
4. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon
atas.
5. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari
tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus.
Debit di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar
annulus dalam selang waktu tertentu.
6. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60 oC
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk
dan keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air
di manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara
itu, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60 oC.
7. Mematikan pompa air panas, sementara itu pompa air dingin tetap
menyala untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula.
8. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperatur lingkungan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
61
9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama
untuk pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam
berikutnya.
10. Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di
pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ±15 variasi debit aliran air panas
di pipa dalam.
11. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.
3.4.2.1. Pengujian penukar kalor dengan twisted tape insert.
1. Menyisipkan classic twisted tape insert ke dalam pipa dalam.
2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60 oC.
3. Menyalakan pompa air bagian pipa dalam.
4. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam sama seperti pengujian
penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di pipa
dalam terbaca pada flowmeter.
5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon
atas.
6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari
tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus.
Debit di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar
annulus dalam selang waktu tertentu.
7. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60 oC
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk
dan keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air
di manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara
itu, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60 oC.
8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap
menyala untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
62
9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperatur lingkungan.
10. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama
untuk pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam
berikutnya.
11. Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di
pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ±11 variasi debit aliran air panas
di pipa dalam. Debit aliran air panas yang divariasi sama dengan debit
aliran air panas saat pengujian dengan penukar kalor tanpa twisted tape
insert.
12. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk perforated twisted tape insert
13. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk notch twisted insert
14. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk jagged twisted tape insert.
15. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit
kelistrikan.
3.5. Metode Analisis Data
Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan
keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam,
beda ketinggian air di manometer dan debit aliran air di annulus (konstan) dan
debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu
dengan:
a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (踪) c. Menghitung laju perpindahan panas (冠萍) dan (冠品)
d. Menghitung kesalahan kesetimbangan energi.
e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (h賸)
f. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu賸)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
63
g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan
dalam pipa dalam (U纽) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h纽) i. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu纽) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re)
k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε)
l. Menghitung Number of Transfer Units (NTU)
m. Menghitung penurunan tekanan (ΔP)
n. Menghitung faktor gesekan ( f )
o. Menghitung unjuk kerja termal (h)
Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik – grafik hubungan Nu,i - Re,
DP - Re, f vs Re, f/fp – Re, ε – NTU dan h - Re. Dari hasil penelitian ini nanti juga
dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
64
3.6. Diagram Alir Penelitian
Pengambilan data: · Debit air panas dan air dingin · Temperatur air dan temperatur
dinding luar pipa dalam · Beda ketinggian air manometer
Analisis data: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b.Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (踪) c. Menghitung laju perpindahan panas (Q钮) dan (Q宁) d.Menghitung presentase kesalahan keseimbangan energi e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (h賸) f. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu賸) g.Menghitung koefisien perpindahan panas overall (Ui) h.Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (hi) i. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nui) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k.Menghitung efektivitas penukar kalor (ε) l. Menghitung number of tranfer units (NTU) m. Menghitung penurunan tekanan (ΔP) n.Menghitung faktor gesekan ( f ) o.Menghitung unjuk kerja termal (h)
Variasi: Bilangan Reynolds di
pipa dalam tanpa twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa
dalam dengan classic twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert, notch twisted tape insert dan jagged twisted tape insert.
kesimpulan
selesai
Mulai
Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular satu laluan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
65
BAB IV
DATA DAN ANALISIS
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh variasi bilangan Reynolds
aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan perforated twisted tape insert,
notched twisted tape insert, dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari
penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan
panas konveksi dan faktor gesekannya.
Pengujian dilakukan dengan memvariasi bilangan Reynolds aliran air di
pipa dalam dengan variasi debit 2-10 LPM untuk pipa tanpa twisted tape insert
(plain tube), sedangkan untuk pipa dalam dengan twisted tape insert variasi
bilangan Reynolds diatur pada variasi debit 2-7 LPM. Pengujian dilakukan
dengan menjaga temperatur air panas masukan pada pipa dalam konstan 60 oC,
sedangkan air dingin masuk ke annulus pada temperatur ±28 oC. Data yang
diperoleh dalam pengujian ini yaitu; temperatur air panas masuk dan keluar pipa
dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus, temperatur-temperatur
dinding luar pipa dalam, laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan
penurunan tekanan (pressure drop) di pipa dalam. Tiap variasi pengujian, data
diambil setiap 10 menit hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Data-data
pada kondisi tunak ini yang digunakan dalam perhitungan dan analisis data
penelitian.
4.1 Data Hasil Pengujian
Dari hasil pengamatan laju aliran massa air di annulus (踪品) dan penurunan
tekanan di sisi pipa dalam (DP), temperatur air panas masuk (Th,i) dan keluar (Th,o)
pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tc,i) dan keluar (Tc,o) annulus, serta
temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada kondisi
tunak, diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 dan 4.5 sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
66
Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube).
Ṽh
(LPM) Δh
(mm) Tw1
(oC) Tw2
(oC) Tw3
(oC) Tw4
(oC) Tw5
(oC) Tw6
(oC) Tw7
(oC) Tw8
(oC) Tw9
(oC) Tw10
(oC) Th,i
(oC) Th,o
(oC) Tc,i
(oC) Tc,o
(oC) 2,0 17,0 33,5 33,8 34,4 34,5 35,0 37,8 38,3 40,2 40,8 42,3 60,0 42,8 27,8 33,1 2,5 19,0 35,3 35,1 35,8 36,1 36,4 39,5 39,7 41,3 42,1 43,7 60,3 44,3 27,2 33,4 3,0 25,0 36,3 36,7 37,5 37,9 38,9 40,7 42,5 42,6 44,0 45,6 60,0 45,9 28.0 34.5 3,5 40,0 36,8 37,9 38,1 38,2 39,1 42,5 43,2 44,4 45,4 47,0 60,2 46,4 27,7 35,2 4,0 43,0 37,0 37,8 38,1 38,6 38,9 41,0 43,0 43,4 44,9 47,1 59,8 46,6 27,5 35,7 4,5 56,0 38,6 39,3 40,1 40,4 40,9 41,2 44,5 45,6 46,6 48,7 60,2 47,9 28,3 36,9 5,0 70,0 39,5 40,0 40,5 41,0 41,5 43,6 45,7 45,7 47,0 48,6 59,8 48,3 28,0 36,9 5,5 75,0 39,8 40,1 40,9 41,3 42,6 45,8 46,8 47,7 48,9 50,4 60,3 49,3 28,0 37,3 6,0 95,0 40,3 41,3 41,5 41,6 42,8 47,6 47,7 47,9 49,2 50,6 60,5 49,5 27,7 38,0 6,5 101,0 41,1 41,2 42,5 43,2 43,5 46,7 47,4 47,7 49,2 50,7 59,9 49,8 27,9 38,0 7,0 125,0 41,4 41,6 42,0 43,0 43,5 45,9 48,3 49,8 50,0 51,0 60,2 50,2 28,2 39,0 7,5 133,0 42,2 42,3 43,7 44,6 44,9 47,3 48,9 50,0 51,0 52,3 60,0 50,8 28,6 39,3 8,0 145,0 42,7 43,0 43,4 44,6 45,5 47,5 49,5 51,1 51,4 52,3 59,8 51,3 28,7 39,3
8,5 176,0 42,5 42,7 44,2 45,2 45,5 47,4 49,6 50,5 51,2 52,1 59,8 51,2 28,4 39,6
9,0 179,0 43,4 43,5 43,9 45,2 46,1 50,0 50,2 50,5 51,9 53,0 60,1 51,6 27,8 39,8
9,5 209,0 44,1 44,2 45,8 46,6 47,0 50,3 50,4 50,8 52,5 54,0 60,1 52,0 28,1 40,2
10,0 245,0 44,4 44,6 46,0 46,8 47,6 49,5 50,9 51,1 52,6 54,0 60,1 52,7 28,9 40,5
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
67
Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan classic twisted tape insert.
Ṽh (LPM)
Δh (mm)
Tw1
(oC) Tw2
(oC) Tw3
(oC) Tw4
(oC) Tw5
(oC) Tw6
(oC) Tw7
(oC) Tw8
(oC) Tw9
(oC) Tw10
(oC) Th,i
(oC) Th,o
(oC) Tc,i
(oC) Tc,o
(oC) 2,0 43,0 34,5 34,9 37,2 37,4 37,5 40,2 41,4 42,4 44,2 46,5 60,5 42,0 28,0 33,5 2,5 65,0 36,0 36,7 38,8 39,2 40,2 41,9 42,9 44,2 46,2 48,6 60,4 43,3 28,3 34,3 3 96,0 37,4 37,6 38,6 39,3 39,5 41,7 43,3 44,8 46,5 49,3 60,4 44,6 27,6 34,3
3,5 124,0 37,9 38,0 38,8 40,4 40,9 43,4 44,6 45,8 47,7 50,3 60,2 45,2 28,7 36,0 4 159,0 38,5 38,6 39,1 41,3 41,8 44,0 45,1 46,7 48,5 50,9 60,4 46,5 28,8 36,4
4,5 194,0 38,7 39,5 40,5 42,1 42,5 45,0 45,7 46,7 48,9 51,5 60,6 47,6 28,4 36,5 5 223,0 39,5 40,2 41,1 42,4 43,0 45,0 47,0 47,7 49,6 51,9 60,3 47,9 28,3 36,8
5,5 268,0 40,0 41,0 42,0 43,1 44,1 46,0 47,3 47,5 49,8 52,0 60,2 48,2 28,3 37,3 6 315,0 40,4 41,6 43,0 43,6 44,6 46,6 48,0 48,2 50,2 52,1 60,3 48,8 28,0 37,4
6,5 370,0 41,4 42,6 43,0 43,8 44,8 45,4 48,3 48,5 50,2 52,3 60,3 49,2 28,4 38,1 7 426,0 41,9 42,5 43,2 44,2 45,4 46,4 48,4 49,0 50,9 53,2 60,3 49,6 28,0 38,0
Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan perforated twisted tape insert, notched twisted tape
insert dan jagged twisted tape insert pada lampiran B.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
68
4.2 Perhitungan Data
Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran annular:
Ø Diameter dalam pipa dalam (di) : 0,0143 m
Ø Diameter luar pipa dalam (do) : 0,0158 m
Ø Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) : 0,0948 m2
Ø Luas permukaan luar pipa dalam (Ao) : 0,1047 m2
Ø Luas penampang pipa dalam (At,i) : 0,00016 m2
Ø Diameter dalam pipa luar (Di) : 0,0234 m
Ø Diameter luar pipa luar (Do) : 0,0254 m
Ø Diameter hidrolik annulus (Dh) :
萍实(.霹篇 实(.足芍浅.劈腮潜能芍浅.聘伞潜卒气.劈腮嫩气.聘伞 实平石圭泼
Dh= (0,0234 -0,0158) m = 0,0076 m
Ø Massa jenis fluida manometer (ρm) : 995,750 kg/m3
Ø Panjang pipa dalam (L) : 2,110 m
Ø Panjang antar pressure tap (Lt) : 2,240 m
Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik
saluran annular
Ø Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) :
Ai = π.di.L = 3,14. 0,0143 m . 2,110 m = 0,0948 m2
Ø Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)
Ao = π.do.L = 3,14 . 0,0158 m . 2,110 m = 0,1047 m2
Ø Luas penampang pipa dalam (At,i)
At,i = π/4.di2= 3,14 / 4 . (0,0143 m)2 = 0,00016 m2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
69
4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran
volumetrik 6,0 LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube).
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,5 oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 49,5 oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 27,7 oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 38,0 oC
- Beda ketinggian air pada manometer (∆h) : 0,095 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (踪品) : 0,1135 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
§ Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam :
Tb,i = Th,i+ Th,o
2 =
(60,5 + 49,5)°C
2 = 55,0 oC = 328,0 K
§ Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
rh = 985,42 kg/m3
Cp,h = 4.183,20 J/kgoC
ki = 0,648 W/m oC
mi = 5,0 .10-4 kg/(m.s)
Pr = 3,26
§ Temperatur bulk rata-rata air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 = (27,7 + 38,0)°C
2 = 33,9 oC = 305,9 K
§ Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
rc = 994,69 kg/m3
Cp,c = 4.177,83 J/kg oC
ko = 0,622W/m oC
mo = 7,5 .10-4 kg/(m.s)
Pr = 5,09
b. Laju aliran massa air di pipa dalam,踪萍: 踪萍= rh . 惯踪 = 985,42 kg/m3 . 足 6,0 LPM
60 s.1000 m3卒 = 9,85.10-2 kg/s
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
70
c. Laju perpindahan panas :
Qh =踪萍. Cp,h .(Th,i – Th,o)
= 9,85.10-2 kg/s . 4.183,20 J/kg oC. (60,5 – 49,5) oC
= 4.534,43 W
Qc =踪品. Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)
= 0,1135 kg/s . 4.177,83 J/kg oC . (38,0 – 27,7) oC
= 4.884,09 W
d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error)
heat balance error = 特Qh- Qc特 = 特4.534,43 W – 4884,09 W特 = 349,66 W
% heat balance error = 藤Qh能Qc
Qh藤.100%
= 丐羘(T,��4.534,43
丐.100%
= 7,71 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
Tw,o= 40,3+41,3+41,5+41,6+42,8+47,6+47,7+47,9+49,2+50,6
10 = 45,1 oC
ho = Qc
Ao . ( T伸w,o- Tb,o)
= 4.884,09 W
0,1047m2. (45,1 – 33,9)°C
= 4.165,04 W/m2.oC f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo:
Nuo = ho.劈萨
ko
= 4.165,04W/m2 oC . 0,0076m
0,622 W/m. oC
= 50,89
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam, Ui :
Qh = 踪萍 .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD
Ui =m踪hCp,h . 足Th,i- Th,o卒Ai . ΔTLMTD
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
71
Ui = Qh
Ai . ΔTLMTD
Ui = Qh
Ai . 罪 足Th,i- Tc,o卒-足Th,o- Tc,i卒ln 收足Th,i- Tc,o卒/足Th,o- Tc,i卒寿尊
Ui = 4.534,43W
0,0948m2 . 组 试60,5- 38,0 守°C – 试49,5-27,7守°C
ln 足试60,5- 38,0 守°C /试49,5-27,7守°C卒钻
= 2.159,81 W/m2.oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1释1
Ui-禽氢.ln(若伞禽氢)⁄2.塞三 - 禽氢若伞.ho
恃 hi =
1
12.159,81 W/m2oC
– 0,0143 m ln 足0,0158 m
0,0143 m卒2 . 237 W/m oC
– 0,0143 m㶈0,0158 m掰.㶈4.105,04 W/m2 oC掰
hi = 4.481,36 W/m2.oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
Uo = 1若伞若腮hi
+ 若伞. ln收若伞若腮寿潜.km
+ 1
ho
Uo = 1
0,0158 m㶈0,0143 m掰.㶈4.481,36 W/m2 oC掰 + 0,0158 m. ln组0,0158 m
0,0143 m钻2 . 237 W/m oC + 1
4.105,04 W/m2 oC
Uo = 1.954,77 W/m2.oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi . di
ki
= 4.481,36 W/m2oC . 0,0143 m
0,648 W/m. oC
= 98,89
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
72
k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam,郭: 郭 = 镊踪霹搔,腮
= 6,0 LPM .
1 menit60s
1 m3
1000L
0,00016 m2 = 0,625 m/s
Re = ρh剖di袍氢
= 㶈985,42 kg/m3掰.㶈难,625 m/s掰.㶈0,0143 m掰
5,0. 10-4 kg/m.s = 17.614,4
l. Validasi Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) :
· Menggunakan persamaan Petukhov
Faktor gesekan menurut Petukhov :
ƒ = (0,79. ln Re – 1,64)-2
= (0,79. ln 17.614,4 - 1,64)-2
= 0,0271
Nui,Petukhov = 足ƒ
8卒Re .Pr
1,07 +12,7足ƒ8卒1/2
(Pr2/3-1)
= 足0,0271
8卒㶈17.614,4掰.3,26
1,07 +12,7足0,02718
卒1/2(3,262/3-1)
= 99,45
% error =丐Nui Plain tube- NuiPetukhov
NuiPetukhov丐.100%
% error = 藤98,89 – 99,4599,45 藤.100% = 0,005 %
· Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):
Nui,Gnelienski = 足ƒ
8卒㶈Re-1000掰.Pr
1+12,7足ƒ8卒1/2
(Pr2/3-1)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
73
= 足0,0271
8卒㶈17.614,4 -1000掰.3,26
1+12,7足0,02718
卒1/2(3,262/3-1)
= 97,28
% error =丐Nui Plain tube- NuiGnielinskiNuiGnielinski 丐.100%
% error = 藤98,89 – 97,2897,28 藤.100% = 0,016 %
· Menggunakan persamaan Dittus – Boelter :
Nu,i = 0,023.Re0,8.Prn
Nu,i = 0,023 . (17.614,4)0,8. (3,26)0,3 = 81,73
% error =禺Nui Plain tube- NuiDittus Boelter
NuiDittus-Boelter 禺.100%
= 丐98,89 – 81,73ue.呢羘 丐.100% = 20,9 %
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (ΔP) :
DP = rm.g. Dh
= (995,75 kg/m3). (9,81 m/s2). (0,095 m).足1 N
kg.m/s2卒足1 Pa
1N/m2卒
= 927,98 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ= ΔP
Ltd腮ρh扫伸伸潜.
2
= 927,98 Pa㶈2,240 m掰㶈0,0143m掰㶈985,42 kg/m3掰 㶈0,625m/s掰2
2
= 0,0310
o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Blasius, Petukhov, dan
Colebrook
· Persamaan Blasius:
ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. (17.614,4)-0,25 = 0,0276
%error =藤ƒPlain tube- ƒBlasius
ƒBlasius藤.100%
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
74
= 藤0,031 – 0,0276 0,0276 藤.100% = 12,32 %
· Menggunakan persamaan Petukhov:
Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 0,0271
%error = 藤ƒPlain tube- ƒPetukhov
ƒPetukhov藤.100%
=丐0,031– 0,0271
0,0271丐.100% = 14,39 %
· Persamaan Colebrook:
Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:
归难 = 0,25 族log足ε D⁄3,7
+5,74
Re0,9卒祖-2
Kekasaran relatif pipa dalam, e/Dh = 0, dengan metode iterasi didapat data :
fColebrook = 0,0268
%error = 藤ƒPlain tube- ƒColebrook
ƒColebrook藤.100%
= 丐0,031 – 0,0269
0,0269丐.100% = 15,33 %
p. Efektivenes penukar kalor
Ch =踪萍.Cp,h = 9,85.10-2 kg/s . 4.183,20 J/kgoC = 412,05 J/soC
Cc = 踪品 .Cp,c = 0,1135 kg/s . 4.177,83 J/kgoC = 474,18 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Ch= 412,05 J/s oC; Cmaks= Cc = 474,18 J/s oC
c = Cmin
Cmaks=
412,05J/魄伞披474,18 J/魄伞披 = 0,87
e = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin . (Th,i- Tc,i)=
4.534,43 W㶈412,05J/s°C掰.(60,5 - 27,7)°C= 0,34
NTU = Ui. Ai
Cmin =
㶈2.159,81W/m2oC).㶈0,0948m2掰412,05J/魄伞披 = 0,50
NTU = 1
c-1ln足e- 1
e.c-1卒=
1
0,87-1ln足 0,34-1
(0,34掰.㶈0,87掰 -1卒 = 0,50
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
75
4.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran
volumetrik 6,0 LPM dengan variasi classic twisted tape insert.
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,3oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 48,8oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 28,0oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 37,4oC
- Beda ketinggian air pada manometer (∆h) : 0,315 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (踪品) : 0,1135 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
§ Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam :
Tb,i = Thi+ Tho
2 =
(60,3 + 48,8)°C
2 = 54,6oC = 327,6 K
§ Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
rh = 985,68 kg/m3
Cp,h = 4.183,02 J/kgoC
ki = 0,647 W/m oC
mi = 5,1 .10-4 kg/(m.s)
Pr = 3,28
§ Temperatur bulk rata-rata air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 = (28,0 + 37,4)°C
2 = 32,7 oC = 305,7 K
§ Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
rc = 994,75 kg/m3
Cp,c = 4.177,86 J/kg oC
ko = 0,621 W/m oC
mo = 7,6 .10-4 kg/(m.s)
Pr = 5,11
b. Laju aliran massa air di pipa dalam,踪萍: 踪萍= rh . 惯踪= 985,68 kg/m3 . 足 6,0 LPM
60 s.1000 m3卒 = 9,86.10-2 kg/s
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
76
c. Laju perpindahan panas :
Qh =踪萍. Cp,h .(Th,i – Th,o)
= 9,86.10-2 kg/s . 4.183,02 J/kg oC. (60,3 – 48,8)oC
= 4.741,59 W
Qc =踪品. Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)
= 0,1135 kg/s . 4.177,86 J/kg oC . (37,4 – 28,0)oC
= 4.457,36 W
d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error)
heat balance error = 特Qh- Qc特 = 特4.741,59 W – 4.457,36 W特 = 284,23 W
% heat balance error = 藤Qh能Qc
Qh藤.100%
= 丐1u(,1羘4.457,36
丐.100% = 6,37 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
Tw,o= 40,4+41,6+43,0+43,6+44,6+46,6+48+48,2+50,2+52,1
10
= 45,8 oC
ho = Qc
Ao . ( T伸w,o- Tb,o)
= 4.457,36 W
0,1047m2. (45,8 – 32,7)°C = 3.249,82 W/m2.oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo:
Nuo = ho.劈萨
ko
= 3.249,82 W/m2 oC . 0,0076 m难,�1eW/m. oC
= 39,77
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam, Ui :
Qh= 踪萍 .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD
Ui =m踪hCp,h . 足Th,i- Th,o卒Ai . ΔTLMTD
= Qh
Ai . ΔTLMTD
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
77
Ui = Qh
Ai . 罪 足Th,i- Tc,o卒-足Th,o- Tc,i卒ln 收足Th,i- Tc,o卒/足Th,o- Tc,i卒寿尊
Ui = 4.741,59W
0,0948m2 . 组 试60,3- 37,4 守°C – 试48,8-28,0守°C
ln 足试60,3- 37,4 守°C / 试48,8-28,0守°C卒钻 = 2.291,07 W/m2.oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1释1
Ui-禽氢.ln(若伞禽氢)⁄2.塞三 - 禽氢若伞.ho
恃 hi =
1
12.291,07 W/m2oC
– 0,0143 m ln 足0,0158 m
0,0143 m卒2 . 㶈237 W/m oC掰 –
0,0143 m㶈0,0158 m掰.㶈3.249,82W/m2 oC掰 hi = 6.452.80 W/m2.oC
ii. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
Uo = 1若伞若腮hi
+ 若伞. ln收若伞若腮寿潜.km
+ 1
ho
Uo= 1
0,0158 m㶈0,0143 m掰 .㶈6452,80 W/m2 oC掰 + 0,0158 m. ln组0,0158 m
0,0143 m钻2 . 㶈237 W/m oC掰 + 1㶈3.249,82W/m2 oC掰
Uo = 2.073,56 W/m2.oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi . di
ki
= 6.452,80 W/m2.oC . 0,0143 m
0,647 W/m. oC = 142,61
k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam,郭: 郭 = 镊踪霹搔,腮
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
78
= 6,0 LPM .
1 menit60s
1 m3
1000L
0,00016 m2
= 0,625 m/s
Re = ρh剖 di
µ氢
= 㶈985,68kg/m3掰.㶈0,625 m/s掰.㶈0,0143 m掰
5,1. 10-4 kg/m.s
= 17.273,56
l. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran annular
dengan korelasi Manglik –Berges.
Ø2 = 族 π
π - 4t/di祖0,8 族π+2-2t/di
π - 4t/di祖.
0,2
= π
π- 4.7. 10-4
0,0143
0,8
π+ 2- 2.7.10-4
0,0143
π - 4.7.10-4
0,0143
0,2
= 1,16
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2di
H ] Ø2
= 0,023. (17.273,56)0,8. (3,28)0,4[1+0,769.2. 㶈0,0143 m掰㶈5,03.10-2屏掰]. 1,16
= 151,38
% error = 禺Nui classic- Nui Manglik-Berges
Nui Manglik-Berges禺.100%
= 丐143,29– 151,38
151,38丐.100% = 5,34 %
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (ΔP):
DP = rm.g. Dh
= (995,75 kg/m3). (9,81 m/s2). (0,315 m) .足 1 N
Kg.m/s2卒足1 Pa
1N/m2卒
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
79
= 3.077,02 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ= ΔP
Ltd腮ρh扫伸伸潜.
2
= 3.077,02 Pa㶈2,240 m掰.㶈㶈0,0143m掰985,68 kg/m3掰.㶈0,625m/s掰2
2
= 0,103
p. Efektivenes penukar kalor
Ch =踪萍.Cp,h = 9,86.10-2 kg/s . 4.183,02 J/kgoC = 412,45 J/soC
Cc = 踪品 .Cp,c = 0,1135 kg/s . 4.177,86 J/kgoC = 474,19 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Ch= 412,45 J/s oC; Cmaks= Cc = 474,19 J/s oC
c = Cmin
Cmaks=
412,45 J/魄伞披474,19 J/魄伞披 = 0,87
e = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin . (Th,i- Tc,i)=
4.741,59 W
412,45J/s°C (60,3 - 28,0)°C= 0,36
NTU = Ui. Ai
Cmin =
㶈2.291,07W/m2C) .㶈0,0948m2掰412,45J/魄伞披 = 0,53
NTU = 1
c-1ln足e- 1
e.c-1卒=
1
0,87-1ln足 0,36-1
(0,36掰.㶈0,87掰 -1卒 = 0,5
Contoh perhitungan pada debit 6 LPM perforated, notched dan jagged twisted
tape insert pada lampiran C
4.2.3 Daya Pemompaan
Daya pemompaan dapat ditentukan dengan persamaan = 惯踪. ΔP.
Contoh perhitungan daya pemompaan variasi tanpa twisted tape insert (plain
tube) 6 LPM:
Daya pemompaan = 足 6 LPM
60 s.1000 m3卒. 927,04 Pa
= 10. 10-5 m3/s . 927,04 Pa
= 9,27.10-2 Pa.m3/s = 9,27.10-2 W
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
80
Tabel 4.3. Data pengujian daya pemompaan penukar kalor saluran annular dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube)
Ṽ h Daya pemompaan (Watt)
(LPM) Plain Perforated Notched Classic Jagged 2,0 0,0055 0,0104 0,0124 0,0140 0,02082 2,5 0,0077 0,0187 0,0228 0,0264 0,03863 3,0 0,0122 0,0307 0,0385 0,0468 0,06197 3,5 0,0228 0,0438 0,0569 0,0706 0,09620 4,0 0,0280 0,0664 0,0826 0,1034 0,13987 4,5 0,0410 0,0864 0,1156 0,1420 0,19029 5,0 0,0569 0,1098 0,1488 0,1813 0,25941 5,5 0,0671 0,1458 0,1941 0,2397 0,32829 6,0 0,0927 0,1776 0,2479 0,3074 0,42449 6,5 0,1068 0,2262 0,3182 0,3911 0,52752 7,0 0,1423 0,2880 0,3871 0,4850 0,66032 7,5 0,1622 - - - -
8,0 0,1887 - - - -
8,5 0,2433 - - - -
9,0 0,2620 - - - -
9,5 0,3229 - - - -
10,0 0,3985 - - - -
Perbandingan bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal,
efektivitas dan NTU dari penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert
dan tanpa twisted tape insert (plain tube) ditentukan pada daya pemompaan yang
sama : 试V踪. ΔP守p = 试V踪. ΔP守
s
Nilai daya pemompaan dari masing-masing variasi percobaan dapat dilihat pada
tabel 4.6.
4.2.4. Menentukan Re, hi, h, Nui, f, e, ∆P, NTU pada daya pemompaan yang
sama a. Menentukan bilangan Reynolds di pipa dalam pada daya pemompaan yang
sama
Hubungan Re dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
81
Gambar 4.2. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam dengan daya
pemompaan
Bilangan Reynolds (Re) pada daya pemompaan yang sama dapat dicari
dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor
dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan Re pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt
· Re,Plain Tube = 44274. (2,28.10-2)0,388 = 10210,041
· Re,Perforated = 33843. (2,28.10-2)0,398 = 7514,964
· Re,Notched = 29246. (2,28.10-2)0,381 = 6925,317
· Re,Classic = 26665. (2,28.10-2)0,372 = 6532,710
· Re,Jagged = 23866. (2,28.10-2)0,381 = 5651,358
b. Menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa
dalam, hi , pada daya pemompaan yang sama
Hubungan hi dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.3.
Plain y = 44274x0.388 R² = 0.992
Perforated y = 33843x0.398 R² = 0.999
Notched y = 29246x0.381 R² = 0.999
Classic y = 26665x0.372 R² = 0.999
Jagged y = 23866x0.381 R² = 0.999
0
3,000
6,000
9,000
12,000
15,000
18,000
21,000
24,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
Re
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Regresi Plain
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
82
Gambar 4.3. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di
pipa dalam dengan daya pemompaan
Nilai hi pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan hi pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt
· hi,Plain Tube = 9347. (2,28.10-2)0,314 = 2851,437 W/m2.oC
· hi,Perforated = 9312. (2,28.10-2)0,313 = 2851,521 W/m2.oC
· hi,Notched = 9341. (2,28.10-2)0,313 = 2860,401 W/m2.oC
· hi,Classic = 9227. (2,28.10-2)0,307 = 2890,324 W/m2.oC
· hi,Jagged = 10136. (2,28.10-2)0,307 = 3175,065 W/m2.oC
c. Menentukan unjuk kerja termal penukar kalor (η)
Contoh perhitungan h pada daya pemompaan 2,28.10-2 W
ü perforated twisted tape insert :
η = 收hi,perforatedhi, plaintube寿= 足1ube,b1eW/m2 °C
285f,437 W/m2 °C 卒 = 1,000
Plain y = 9347.x0.314 R² = 0.996
Perforated y = 9312.x0.313 R² = 0.967
Notched y = 9341.x0.313 R² = 0.975 Classic
y = 9227.x0.307 R² = 0.988
Jagged y = 10136x0.307 R² = 0.996
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
hi
(W/m
2 o C
)
Daya pemompaan (W)
PlainPerforatedNotchedClassicJagged
Regresi PlainRegresi PerforatedRegresi NotchedRegresi ClassicRegresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
83
ü notched twisted tape insert:
η = 收hi, notched
hi, plaintube寿= 足1u�难,(难eW/m2 °C
2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,003
ü classic twisted tape insert :
η = 收hi,classic
hi, plaintube寿= 足2890,324 W/m2 °C
2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,014
ü jagged twisted tape insert :
η = 收hi,"jagg∪dhi, plaintube寿= 足3175,065 W/m2 °C
2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,113
d. Menentukan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada daya pemompaan yang
sama
Hubungan Nui dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.4.
Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
dengan daya pemompaan
Plain y = 205.5x0.312 R² = 0.996
Perforated y = 205.3x0.311 R² = 0.967
Notched y = 205.4x0.31 R² = 0.974
Classic y = 203.3x0.305 R² = 0.988
Jagged y = 223.5x0.305 R² = 0.996
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
Nu,
i
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Regresi Plain
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
84
Bilangan Nusselt rata-rata (Nu,i) pada daya pemompaan yang sama dapat
dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar
kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan Nu,i pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt
· Nui, Plain Tube = 205,5. (2,28.10-2)0,312 = 63,167
· Nui, Perforated = 205,3. (2,28.10-2)0,311 = 63,344
· Nui, Notched = 205,4. (2,28.10-2)0,31 = 63,615
· Nui, Classic = 203,3. (2,28.10-2)0,305 = 64,166
· Nui, Jagged = 223,5. (2,28.10-2)0,305 = 70,542
f. Menentukan nilai faktor gesekan ( f ), pada daya pemompaan yang sama
Hubungan f dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.5.
Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan daya pemompaan
Nilai f pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan faktor gesekan ( f ) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W
y = 0,033e-1,46x R² = 0,871
Perforated y = 0.047x-0.14 R² = 0.960
Notched y = 0.073x-0.09 R² = 0.975
Classic y = 0.096x-0.07 R² = 0.893
Jagged y = 0.131x-0.09 R² = 0.984
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
f
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Expon. (Plain)
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
85
· f,plain tube = 0,033 .(e)-1,48 x = 0,032
· f,perforated = 0,047 .(2,28.10-2)-0,14 = 0,080
· f,notched = 0,073 .(2,28.10-2)-0,09 = 0,103
· f,classic = 0,096. (2,28.10-2)-0,07 = 0,125
· f,jagged = 0,131. (2,28.10-2)-0,09 = 0,184
e. Menentukan nilai rasio bilangan Nusselt (Nui)s/(Nui)p, pada daya
pemompaan yang sama
Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt
· Perforated twisted tape insert
Nui,Perforated
Nui, Plain tube=
63,34463,f67= 1,003
· notched twisted tape insert
Nui,notched
Nui, Plain tube =63,615
63,167= 1,007
· classic twisted tape insert
Nui, Classic
Nui, Plain tube =
64,166
63,167 = 1,016
· jagged twisted tape insert
Nui, jagged
Nui, Plain tube =
70,542
63,167 = 1,117
g. Menentukan nilai rasio faktor gesekan (f)s/(f)p, pada daya pemompaan
yang sama
Contoh perhitungan ( f )s/( f )p untuk daya pemompaan 2,28.10-2 W
Ø perforated twisted tape insert:
f, Perforated
f, Plaintube= 0,080
0,032= 2,500
Ø notched twisted tape insert:
f, Notched
f, Plaintube= 0,103
0,032 = 3,219
Ø classic twisted tape insert:
f, Classic
f, Plaintube= 0,125
0,032 = 3,906
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
86
Ø jagged twisted tape insert:
f, Jagged
f, Plaintube = 0,184
0,032= 5,750
h. Menentukan penurunan tekanan penukar kalor (∆P) pada daya
pemompaan yang sama
Hubungan ∆P dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.6. Nilai ∆P pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.6. Grafik hubungan penurunan tekanan penukar kalor dengan daya
pemompaan
Contoh perhitungan penurunan tekanan penukar kalor (DP) pada daya pemompaan
2,28.10-2 W
§ ∆P,plain tube = 4067. (2,28.10-2)0,627 = 379,926 Pa
§ ∆P,perforated = 5409. (2,28.10-2)0,617 = 524.762 Pa
Plain y = 4067.x0.627 R² = 0.997
Perforated y = 5409.x0.617 R² = 0.999
Notched y = 6033.x0.634 R² = 0.999
Classic y = 6603.x0.643 R² = 0.999
Jagged y = 7322.x0.636 R² = 0.998
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
∆P
(Pa)
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Regresi Plain
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
87
§ ∆P,notched = 6033. (2,28.10-2)0,634 = 548,863 Pa
§ ∆P,classic = 6603. (2,28.10-2)0,643 = 580,622 Pa
§ ∆P,jagged = 7322.(2,28.10-2)0,636 = 661,114 Pa
h. Menentukan efektivenes penukar kalor (e) pada daya pemompaan yang
sama
Hubungan e dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.7. Nilai e pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.7. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan daya pemompaan
Contoh perhitungan efektivenes penukar kalor (ε) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W
§ ε,plain tube = 0,228. (2,28.10-2)-0,15 = 0,402
§ ε,perforated = 0,267. (2,28.10-2)-0,16 = 0,489
§ ε,notched = 0,288. (2,28.10-2)-0,15 = 0,508
§ ε,classic = 0,301. (2,28.10-2)-0,15 = 0,531
§ ε,jagged = 0,313. (2,28.10-2)-0,17 = 0,595
Plain y = 0.228x-0.15 R² = 0.980
Perforated y = 0.267x-0.16 R² = 0.989
Notched y = 0.288x-0.15 R² = 0.990
Classic y = 0.301x-0.15 R² = 0.986
Jagged y = 0.313x-0.17 R² = 0.992
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
ε
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Regresi Plain
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
88
i. Menentukan NTU penukar kalor pada daya pemompaan yang sama
Hubungan NTU dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.8. Nilai NTU pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.8. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan daya pemompaan
Contoh perhitungan NTU pada daya pemompaan 2,28.10-2 W
§ NTU,plain tube = 0,322. (2,28.10-2)-0,17 = 0,612
§ NTU,perforated = 0,380. (2,28.10-2)-0,19 = 0,779
§ NTU,notched = 0,409. (2,28.10-2)-0,18 = 0,808
§ NTU,classic = 0,430. (2,28.10-2)-0,18 = 0,849
§ NTU,jagged = 0,459. (2,28.10-2)-0,20 = 0,978
Plain y = 0.322x-0.17 R² = 0.968
Perforated y = 0.380x-0.19 R² = 0.986
Notched y = 0.409x-0.18 R² = 0.987
Classic y = 0.43x-0.18 R² = 0.986
Jagged y = 0.459x-0.20 R² = 0.993
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
1.10
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80
NT
U
Daya pemompaan (W)
Plain
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Regresi Plain
Regresi Perforated
Regresi Notched
Regresi Classic
Regresi Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
71
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
89
Tabel 4.4. Data pengujian penukar kalor saluran annular dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama
Pumping Power Re Nu,i
.10-2 (W) Plain Perforated Notched Classic Jagged Plain Perforated Notched Classic Jagged
0,0228 10210,041 7514,964 6925,317 6532,710 5651,358 63,167 63,344 63,615 64,166 70,542
0,0280 11053,533 8155,259 7489,170 7051,547 6111,486 67,348 67,524 67,798 68,316 75,104
0,0410 12791,922 9491,980 8660,384 8126,381 7067,247 75,858 76,026 76,307 76,743 84,368
0,0569 14502,657 10814,428 9812,152 9180,014 8007,140 84,025 84,184 84,467 84,810 93,237
0,0671 15448,073 11547,937 10448,351 9760,731 8526,306 88,460 88,613 88,896 89,184 98,046
0,0927 17483,611 13133,080 11817,452 11007,666 9643,552 97,845 97,983 98,264 98,423 108,202
0,1068 18457,904 13894,413 12472,460 11602,995 10178,066 102,265 102,394 102,673 102,767 112,977
0,1423 20602,365 15575,586 13913,537 12910,225 11354,047 111,844 111,953 112,226 112,167 123,312
0,1622 21661,527 16408,508 14624,999 13554,406 11934,631 116,506 116,604 116,874 116,735 128,334
0,1887 22954,098 17427,138 15493,002 14339,326 12642,959 122,139 122,223 122,487 122,250 134,396
0,2433 25300,670 19282,059 17068,157 15761,097 13928,353 132,217 132,275 132,527 132,102 145,228
0,2620 26028,491 19858,789 17556,554 16201,293 14326,907 135,307 135,357 135,604 135,120 148,545
0,3229 28197,633 21581,317 19011,720 17511,159 15514,385 144,425 144,447 144,681 144,013 158,323
0,3985 30563,539 23466,014 20598,219 18936,553 16809,037 154,222 154,213 154,431 153,556 168,814
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
90
Lanjutan tabel 4.7
Pumping Power ∆ P (Pa) f
.10-2 (W) Plain Perforated Notched Classic Jagged Plain Perforated Notched Classic Jagged
0,0228 379,926 524,762 548,863 580,622 661,114 0,030 0,080 0,103 0,125 0,184
0,0280 432,158 595,681 625,218 662,619 753,394 0,030 0,078 0,101 0,123 0,181
0,0410 548,895 753,711 796,230 846,762 960,197 0,029 0,074 0,097 0,120 0,175
0,0569 674,108 922,617 980,109 1045,390 1182,718 0,029 0,070 0,094 0,117 0,170
0,0671 747,531 1021,421 1088,117 1162,315 1313,485 0,028 0,069 0,093 0,116 0,167
0,0927 915,447 1246,824 1335,555 1430,782 1613,216 0,028 0,066 0,090 0,113 0,162
0,1068 1000,434 1360,647 1460,991 1567,157 1765,229 0,027 0,064 0,089 0,112 0,160
0,1423 1197,660 1624,218 1752,529 1884,743 2118,693 0,027 0,062 0,087 0,110 0,156
0,1622 1300,098 1760,834 1904,169 2050,237 2302,619 0,027 0,061 0,086 0,109 0,154
0,1887 1429,497 1933,162 2095,910 2259,762 2535,249 0,027 0,059 0,085 0,108 0,152
0,2433 1676,429 2261,344 2462,337 2660,913 2979,999 0,026 0,057 0,083 0,106 0,149
0,2620 1756,099 2367,058 2580,693 2790,673 3123,700 0,026 0,057 0,082 0,105 0,148
0,3229 2001,980 2692,849 2946,337 3192,067 3567,771 0,026 0,055 0,081 0,104 0,145
0,3985 2284,245 3066,064 3366,704 3654,405 4078,516 0,025 0,053 0,079 0,102 0,142
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
91
Lanjutan tabel 4.7 Pumping Power hi (W/m2 °C) Nu/Nup f/fp
.10-2 (W) Plain Perforated Notched Classic Jagged Perforated Notched Classic Jagged Perforated Notched Classic Jagged
0,0228 2851,437 2851,521 2860,401 2890,324 3175,065 1,003 1,007 1,016 1,117 2,667 3,433 4,167 6,133
0,0280 3041,444 3040,909 3050,379 3078,492 3381,770 1,003 1,007 1,014 1,115 2,607 3,386 4,146 6,076
0,0410 3428,360 3426,449 3437,120 3460,869 3801,817 1,002 1,006 1,012 1,112 2,529 3,348 4,130 6,007
0,0569 3799,947 3796,585 3808,408 3827,190 4204,226 1,002 1,005 1,009 1,110 2,463 3,315 4,116 5,948
0,0671 4001,871 3997,672 4010,121 4025,913 4422,526 1,002 1,005 1,008 1,108 2,431 3,298 4,110 5,919
0,0927 4429,302 4423,224 4436,999 4445,842 4883,825 1,001 1,004 1,006 1,106 2,369 3,267 4,096 5,862
0,1068 4630,668 4623,659 4638,058 4643,355 5100,796 1,001 1,004 1,005 1,105 2,342 3,253 4,090 5,837
0,1423 5067,323 5058,201 5073,954 5071,010 5570,581 1,001 1,003 1,003 1,103 2,289 3,225 4,079 5,787
0,1622 5279,931 5269,736 5286,148 5278,933 5798,988 1,001 1,003 1,002 1,102 2,265 3,212 4,073 5,764
0,1887 5536,874 5525,347 5542,555 5529,966 6074,752 1,001 1,003 1,001 1,100 2,238 3,198 4,067 5,738
0,2433 5996,818 5982,813 6001,445 5978,692 6567,684 1,000 1,002 0,999 1,098 2,193 3,173 4,057 5,695
0,2620 6137,886 6123,099 6142,168 6116,163 6718,698 1,000 1,002 0,999 1,098 2,180 3,166 4,054 5,682
0,3229 6554,199 6537,042 6557,400 6521,454 7163,916 1,000 1,002 0,997 1,096 2,144 3,147 4,045 5,647
0,3985 7001,752 6981,955 7003,698 6956,520 7641,843 1,000 1,001 0,996 1,095 2,108 3,127 4,037 5,611
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
92
Lanjutan tabel 4.7
Pumping Power NTU ε η thermal
.10-2 (W) Plain Perforated Notched Classic Jagged Plain Perforated Notched Classic Jagged Perforated Notched Classic Jagged
0,0228 0,612 0,779 0,808 0,849 0,978 0,402 0,489 0,508 0,531 0,595 1,000 1,003 1,014 1,113
0,0280 0,591 0,750 0,778 0,819 0,939 0,390 0,473 0,492 0,515 0,575 1,000 1,003 1,012 1,112
0,0410 0,554 0,697 0,727 0,764 0,870 0,368 0,445 0,465 0,486 0,539 0,999 1,003 1,009 1,109
0,0569 0,524 0,655 0,685 0,720 0,814 0,350 0,422 0,443 0,463 0,510 0,999 1,002 1,007 1,106
0,0671 0,510 0,635 0,665 0,699 0,788 0,342 0,411 0,432 0,451 0,495 0,999 1,002 1,006 1,105
0,0927 0,482 0,597 0,628 0,660 0,739 0,326 0,391 0,411 0,430 0,469 0,999 1,002 1,004 1,103
0,1068 0,471 0,581 0,612 0,643 0,718 0,319 0,382 0,403 0,421 0,458 0,998 1,002 1,003 1,102
0,1423 0,449 0,550 0,581 0,611 0,678 0,305 0,365 0,386 0,403 0,436 0,998 1,001 1,001 1,099
0,1622 0,439 0,537 0,567 0,597 0,660 0,300 0,357 0,378 0,395 0,426 0,998 1,001 1,000 1,098
0,1887 0,428 0,522 0,552 0,581 0,641 0,293 0,349 0,370 0,387 0,416 0,998 1,001 0,999 1,097
0,2433 0,409 0,497 0,527 0,555 0,609 0,282 0,335 0,356 0,372 0,398 0,998 1,001 0,997 1,095
0,2620 0,404 0,490 0,521 0,547 0,600 0,279 0,331 0,352 0,368 0,393 0,998 1,001 0,996 1,095
0,3229 0,390 0,471 0,501 0,527 0,575 0,270 0,320 0,341 0,357 0,379 0,997 1,000 0,995 1,093
0,3985 0,377 0,453 0,483 0,507 0,552 0,262 0,309 0,331 0,346 0,366 0,997 1,000 0,994 1,091
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
110
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
93
4.3. Analisa Data
4.3.1 Uji Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube).
Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan
menggunakan twisted tape insert, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan
panas (Nu) dan faktor gesekan (f) dari pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain
tube) dengan korelasi-korelasi empirik untuk perpindahan panas dan faktor
gesekan yang ada. Dari uji validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan
nilai perpindahan panas dan faktor gesekan aktual dari plain tube dibandingkan
dengan korelasi-korelasi empirik yang ada. Hasil perpindahan panas dari plain
tube dibandingkan dengan persamaan Gnielinski, Petukhov dan Dittus-Boelter,
sedangkan untuk nilai faktor gesekan dibandingkan dengan persamaan Blasius,
Petukhov dan Colebrook.
Perbandingan antara data penelitian dari plain tube dengan korelasi-korelasi
empirik dapat dilihat pada gambar 4.9. dan 4.10. Pada gambar 4.9,
membandingkan nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Dittus-Boelter,
Gnelienski dan Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.10, membandingkan nilai
faktor gesekan dari plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan
Colebrook.
Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
Nu,
i
Re
Plain Tube
Gnielinski
Petukhov
Dittus - Boelter
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
94
Persamaan Dittus–Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 £ Pr £ 160, Re ≥
10.000, dan L/D ≥ 10, Persamaan Petukhov berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £
2.000, dan 104 < Re < 5 x 106, sedangkan persamaan Gnielinski mempunyai
batasan 0,5 < Pr < 2.000 dan 3 x 103< Re < 5.106. Dari gambar 4.9, penyimpangan
rata-rata nilai aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Dittus-Boelter sebesar
19,0%, Gnielinski sebesar 1,8% sedangkan dengan korelasi Petukhov sebesar
2,3%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan korelasi Gnielinski
dan Petukhov cukup kecil sehingga data nilai Nu di pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid. Penyimpangan
rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan korelasi Dittus–Boelter cukup besar, akan
tetapi korelasi Dittus–Boelter mempunyai kesalahan yang besar yaitu ± 25% dari
nilai aktual (Incropera, 2007), sehingga data nilai Nu di pipa dalam dari penukar
kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid.
Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube
Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-
pipa halus di daerah turbulen (Re £ 105). Dari gambar 4.10, nilai faktor gesekan
dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 10,3 % dari persamaan Blasius, 10,8
% dari persamaan Petukhov dan 12,9% dari persamaan Colebrook. Nilai
penyimpangan rata-rata faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup
besar (15,4%), hal ini terjadi karena pada kisaran bilangan Reynolds tersebut
aliran dalam daerah transisi, dan tidak ada persamaan yang berlaku secara umum
pada daerah transisi. Sedangkan pada daerah Re > 10.000 terjadi penyimpangan
rata-rata cukup kecil (12,1%). Sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
f
Re
Plain TubeBlasiusPetukhovColebrook
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
95
penukar kalor dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain
tube) adalah valid.
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap
Karakteristik Perpindahan Panas.
Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran annular ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan
Reynolds aliran air di pipa dalam, dan memvariasikan dengan menambahkan
twisted tape insert di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated
twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert.
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re
Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh
penambahan twisted tape insert dengan classic twisted tape insert dan modifikasi
twisted tape insert yaitu perforated twisted tape insert, notched twisted tape
insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran annular dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik
perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari
hubungan antara bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu,i) dengan bilangan
Reynolds (Re).
0
50
100
150
200
250
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
Nu,
i
Re
Perforated
Plain Tube
Notched
Classic
Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
96
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nu,i Manglik-Berges
dengan Re
Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape
insert di pipa bulat dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding
konstan dan fluks kalor konstan. Pada penelitian ini nilai Nu,i hasil penelitian
dibandingkan dengan korelasi Manglik-Berges, seperti terlihat pada gambar 4.12.
Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata Nui di pipa dalam dengan
persamaan Manglik-Bergles untuk classic, perforated, notched dan jagged twisted
tape insert berturut-turut sebesar 7,1%, 20,9%, 12,1% dan 12,9%. Terlihat bahwa
penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert terhadap korelasi
Manglik-Berges paling kecil, hal ini dapat dipahami karena korelasi Manglik-
Berges berlaku untuk classic twisted tape insert. Sedangkan untuk modifikasi
twisted tape (perforated, notched, dan jagged) menghasilkan penyimpangan yang
lebih besar. Nilai penyimpangan perforated twisted tape insert paling besar, hal
ini dapat terjadi karena adanya lubang di tengah twisted tape insert yang
mengakibatkan berkurangnya aliran berputar yang mengalir sepanjang pipa
dalam. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup kecil
dibandingkan korelasi Manglik-Berges (7,1%), sehingga data nilai Nu,i di pipa
dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid.
Sebagai perbandingan, penelitian Eimsa-Ard dkk (2010) yang membandingkan
0
50
100
150
200
250
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
Nu,
i
Re
Plain Tube
Perforated
Notched
Classic
Jagged
Manglik - Bergles Perforated
Manglik - Bergles Notched
Manglik - Bergles Classic
Manglik-Bergles Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
97
data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan diperoleh
penyimpangan hingga sebesar ± 20%.
Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan
Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata (Nu,i) akan semakin naik, hal ini
serupa dengan penelitian Naphon (2006). Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata
berarti juga terjadi kenaikan perpindahan panas yang terjadi di pipa dalam dari
penukar kalor pipa konsentrik. Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata menunjukkan
kenaikan koefisien perpindahan panas (h) karena kenaikan konveksi. Hal ini
terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube maupun untuk pipa dalam
dengan twisted tape insert. Dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin
tinggi laju aliran massa air dan semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa
dalam, sehingga kalor yang berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di
annulus dari penukar kalor pipa konsentrik semakin besar pula.
Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat
digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi
keluar penukar kalor. Selain itu penambahan twisted tape insert berfungsi untuk
menambah waktu tinggal aliran dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas
termal, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran dekat dinding.
Peningkatan laju perpindahan panas dibandingkan tanpa sisipan twisted tape
insert diakibatkan karena adanya fenomena penurunan tebal lapis batas termal.
Pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert
mempunyai aliran streamline, karena kondisi slip, air yang kontak langsung
dengan permukaan dalam pipa dalam mempunyai kecepatan yang sangat rendah
daripada aliran inti. Hal ini menyebabkan lapisan batas termal yang terbentuk
sangat tinggi sehingga perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan
twisted tape insert di pipa dalam akan mengurangi tebal lapis batas sebagai
sebuah turbulator untuk sepanjang daerah perpindahan panas.
Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt dengan
penambahan twisted tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Ini dapat
disebabkan karena kenaikan komponen kecepatan tangensial dan pengurangan
luas penampang aliran, fluida berputar di dalam pipa dengan kecepatan yang lebih
tinggi. Hal ini dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas dan juga gradien
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
98
tempertur di dekat dinding (Rahimi, 2009). Pada bilangan Reynolds yang sama,
pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, bilangan Nusselt rata-
rata meningkat 47,0% dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan untuk
penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert kenaikan
bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 24,9% , 39,0% dan
78,2% jika dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan
classic twisted tape insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape
insert berturut-turut mengalami penurunan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar
14,9% dan 5,5%. Penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam
menghasilkan bilangan Nusselt tertinggi dibandingkan twisted tape insert yang
lain. Hal ini serupa dengan penelitian Rahimi (2009). Jika dibandingkan dengan
classic twisted tape insert, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata dengan
penambahan jagged twisted tape insert sebesar 21,3%. Hal ini disebabkan karena
jagged twisted tape insert dapat memperbaiki percampuran fluida dan
memperkuat intensitas turbulensi dekat dinding karena adanya jagged (tekukan
pada jagged twisted tape mengganggu gerakan fluida dekat dinding pipa),
walaupun pola aliran berputar yang ditimbulkan oleh jagged twisted tape sedikit
lebih rendah dibandingkan classic twisted tape insert (Rahimi, 2009). Selain itu
dengan penambahan jagged twisted tape insert akan menghasilkan efek
pencampuran fluida yang lebih baik, pengurangan luas penampang aliran dan
meningkatkan meningkatkan kecepatan tangensial. Penelitian Shabanian dkk
(2011) juga menyimpulkan bahwa penggunaan jagged twisted tape insert dalam
sebuah penukar kalor berpendingin udara menghasilkan bilangan Nusselt yang
lebih besar dibandingkan dengan classic twisted tape insert.
Dari gambar 4.11 terlihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata menurun
berturut-turut untuk penambahan classic, notched dan perforated twisted tape
insert. Fenomena ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Hal ini
disebabkan dengan adanya lubang-lubang pada perforated twisted tape insert
menyebabkan aliran di bagian tengah tape tidak berputar sehingga menyebabkan
berkurangnya aliran berputar (swirl flow) yang mengurangi intensitas turbulensi
dan percampuran fluida, sehingga mengurangi laju perpindahan panas. Hal serupa
juga terjadi pada notched twisted tape dimana terdapat lubang setengah lingkaran
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
99
di bagian tepi tape. Penambahan perforated twisted tape insert menghasilkan
bilangan Nusselt rata-rata paling kecil dibandingkan penambahan twisted tape
insert yang lain, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Penambahan
lubang-lubang pada twisted tape insert akan menyebabkan aliran di pipa dalam
menyerupai aliran aksial yang mengurangi intensitas aliran berputar sehingga
menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di bawah classic twisted tape
insert, hal ini serupa dengan penelitian Thianpong dkk (2012).
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik memerlukan daya pemompaan yang lebih besar karena adanya
penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis pengaruh
penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh penambahan twisted
tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik
perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada
gambar 4.13
Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.
Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama,
menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dan pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama,
bilangan Nusselt untuk pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert
0
50
100
150
200
250
300
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000
Nu,
i
Re
Plain TubeclassicPerforatedNotchedJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
100
naik rata-rata 0,475% dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan
perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, bilangan Nusselt naik rata-
rata berturut-turut sebesar 0,124%; 0,199%; dan 10,459% dibandingkan plain
tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam
dengan penambahan jagged twisted tape dibandingkan dengan penambahan
classic twisted tape naik rata-rata sebesar 9,936%. Ini menunjukkan bahwa
penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah
keuntungan dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert, karena
dapat meningkatkan perpindahan panas lebih besar pada daya pemompaan yang
sama.
4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan
Nusselt.
Rasio bilangan Nusselt adalah rasio bilangan Nusselt rata-rata di pipa
dalam dengan penambahan twisted tape insert dengan bilangan Nusselt rata-rata
di pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Hubungan rasio
bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar
4.14.
Gambar 4.14. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re
Dari gambar 4.14, dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan
perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert mempunyai nilai rasio
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
Nu
/ Nup
Re
PerforatedNotchClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
101
bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar 1,3; 1,4; 1,5; dan 1,8. Ini
menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam dengan
penambahan jagged twisted tape insert menghasilkan peningkatan rasio bilangan
Nusselt yang paling tinggi, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009).
Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya
pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert
dapat dilihat pada gambar 4.15. Dari gambar 4.15, dapat dilihat bahwa pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated, notched,
classic dan jagged twisted tape insert mempunyai nilai rasio bilangan Nusselt
rata-rata berturut-turut 1,001; 1,004; 1,005; dan 1,105. Ini menunjukkan bahwa
pada daya pemompaan yang sama, pipa dalam dengan penambahan jagged twisted
tape insert menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang paling tinggi
dibandingkan dengan pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, dan
classic twisted tape insert. Hal ini serupa dengan penelitian Shabanian, dkk
(2011) dimana tekukan yang ada pada sisipan jagged twisted tape insert akan
memiliki pengaruh terhadap peningkatan perpindahan panas dengan
meningkatkan intensitas turbulensi tambahan di dekat permukaan dinding pipa,
sehingga menghasilkan rasio bilangan Nusselt yang lebih baik dibanding tanpa
sisipan dan classic twisted tape insert.
Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
Nu/
Nu,
p
Re
PerforatedNotchedClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
102
4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja
Termal.
Unjuk kerja termal (h) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien
perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan penambahan twisted
tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
tanpa twisted tape insert (plain tube) pada daya pemompaan yang sama. Pada
penelitian ini dianalisis nilai h dari pipa dalam dengan penambahan perforated,
notched, classic dan jagged twisted tape insert. Karakteristik unjuk kerja termal
(h) untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.16.
Gambar 4.16. Grafik hubungan h dengan Re
Dari gambar 4.16. dapat dilihat bahwa penambahan jagged twisted tape
insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menyebabkan unjuk
kerja termal yang lebih baik dibandingkan dengan jenis twisted tape insert yang
lain. Nilai h rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert
adalah 1,003. Sedangkan penambahan perforated, notched dan jagged twisted
tape insert di pipa dalam menghasilkan h rata-rata berturut-turut sebesar 0,998,
1,002 dan 1,101. Hal ini berarti bahwa pada daya pemompaan yang sama dengan
plain tube, nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam
dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert
0.80
0.90
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
η
Re
ClassicPerforatedNotchedJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
103
lebih besar dari nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari plain
tube. Penambahan perforated dan notched twisted tape insert menghasilkan h
rata-rata yang lebih kecil dibandingkan pipa dalam dengan penambahan classic
twisted tape insert. Sedangkan jagged twisted tape insert menghasilkan h rata-rata
yang lebih besar dari classic twisted tape insert, hal ini serupa dengan penelitian
Rahimi dkk (2009) dan Shabanian, dkk (2011).
4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes
Penukar Kalor (e).
Efektivenes sebuah penukar kalor adalah perbandingan laju perpindahan
panas aktual yang terjadi dengan laju perpindahan panas maksimum yang
mungkin. Nilai efektivenes penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan
perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dapat
dilihat pada gambar 4.17.
Gambar 4.17. Grafik hubungan e penukar kalor dengan NTU pada daya pemompaan sama
Gambar 4.17. merupakan grafik hubungan pengaruh penambahan twisted
tape insert terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar
NTU maka akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Dari
gambar 4.17 terlihat bahwa dengan penambahan twisted tape insert, penukar kalor
pipa konsentrik mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10
ε
NTU
Perforated
Notched
Classic
Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
104
tanpa penambahan twisted tape insert. Efektivenes rata-rata penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert (plain tube) dan dengan penambahan perforated,
notched, classic, dan jagged twisted tape insert berturut-turut sebesar 0,321;
0,384; 0,405; 0,423 dan 0,461. Efektivenes rata-rata tertinggi diperoleh untuk pipa
dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert. Kenaikan NTU penukar
kalor dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape
insert berturut-turut sebesar 0,587; 0,617; 0,648; dan 0,726 kali dibandingkan
dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor dengan jagged
twisted tape insert mempunyai nilai NTU lebih besar dari penukar kalor dengan
perforated, notched dan classic twisted tape insert serta penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert.
4.3.6. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap
Penurunan Tekanan (ΔP).
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik memberikan tambahan tahanan aliran dari air yang mengalir. Hal ini
akan menimbulkan penurunan tekanan (DP) yang lebih besar jika dibandingkan
dengan plain tube. Grafik pengaruh bilangan Reynolds dan penambahan twisted
tape insert terhadap nilai penurunan tekanan dari pipa dalam dapat dilihat pada
gambar 4.18.
Gambar 4.18. Grafik hubungan DP dengan Re
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
∆P(P
a)
Re
Plain TubePerforatedNotchClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
105
Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan
Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada pipa
dalam dari penukar kalor. Fenomena ini terjadi pada pipa dalam dengan twisted
tape insert maupun pada plain tube. Penukar kalor pipa konsentrik dengan
penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa
dalam mempunyai nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi dibandingkan
dengan plain tube. Kenaikan penurunan tekanan dari penukar kalor pipa
konsentrik dengan twisted tape insert merupakan hal yang merugikan, karena
akan meningkatkan daya pemompaan untuk mempertahankan aliran dengan laju
aliran volumetrik yang sama.
Dari gambar 4.18, penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam
menghasilkan penurunan tekanan rata-rata paling besar dibandingkan dengan
penambahan perforated, notched dan classic twisted tape insert. Pada bilangan
Reynolds yang sama, nilai penurunan tekanan rata-rata dengan penambahan
classic twisted tape insert adalah 2,4 kali lebih tinggi daripada plain tube,
sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape
insert nilai penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah 1,1; 1,8 dan 3,7 kali
lebih tinggi daripada plain tube. Nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan
jagged twisted tape adalah 0,4 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert.
Nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape
insert lebih rendah daripada classic twisted tape insert. Hal ini disebabkan karena
lubang-lubang pada perforated dan notched twisted tape insert bertujuan untuk
mengurangi penurunan tekanan dengan menurunkan efek halangan (blocking
effect) dari dinding sisipan (insert), (Rahimi, 2009; Shabanian, 2011; dan
Thianpong, 2012).
Grafik pengaruh bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert
terhadap nilai penurunan tekanan pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat
pada gambar 4.19.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
106
Gambar 4.19. Grafik hubungan DP dengan Re pada daya pemompaan yang sama
Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan rata-rata
dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 0,567 kali lebih tinggi
daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan
jagged twisted tape insert nilai penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah
0,315; 0,461 dan 0,765 kali lebih tinggi daripada plain tube. Pada daya
pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan jagged
twisted tape adalah 0,126 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert.
4.3.7. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap
Faktor Gesekan (ƒ).
Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh
penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert terhadap
faktor gesekan di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.20. Dari gambar 4.20
dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds, nilai faktor gesekan di
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik semakin berkurang. Hal ini terjadi
untuk plain tube maupun pipa dalam dengan penambahan perforated, notched,
classic dan jagged twisted tape insert. Hal ini disebabkan dengan semakin tinggi
bilangan Reynolds, maka kecepatan aliran air di pipa dalam akan semakin tinggi,
dimana nilai faktor gesekan berbanding terbalik dengan nilai kuadrat dari
kecepatan aliran air di pipa dalam.
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
∆P
(P
a)
Re
Plain tubePerforatedNotchedClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
107
Gambar 4.20. Grafik hubungan f dengan Re
Dari gambar 4.20 dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert lebih besar dibandingkan faktor gesekan
plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape
insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik 2,4 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Sedangkan
dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, faktor
gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik berturut-turut
adalah 1,1; 1,8 dan 3,7 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Hasil
penelitian serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009).
Penambahan perforated twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan
nilai faktor gesekan terkecil dibandingkan dengan penambahan twisted tape insert
lainnya. Hal ini disebabkan karena lubang-lubang pada perforated twisted tape
menurunkan efek halangan (blocking effect) pada dinding insert dan juga
menurunkan aliran berputar (Rahimi, 2009; Shabanian, 2011; dan Thianpong,
2012) . Pada penambahan notched twisted tape insert, nilai faktor gesekan lebih
rendah dari classic twisted tape insert, dimana alasan yang sama seperti
perforated twisted tape insert yang menyebabkan rendahnya nilai faktor gesekan
tersebut. Selain itu letak dari lubang-lubang yang dibuat pada perforated twisted
tape insert yang terletak di bagian sumbu dari twisted tape insert menyebabkan
pengurangan penurunan tekanan di pipa dalam (Thianpong, 2012). Nilai faktor
gesekan tertinggi diperoleh untuk penambahan jagged twisted tape insert. Hal ini
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000
f
Re
Plain TubePerforatedNotchClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
108
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000
f
Re
plainPerforatedNotchedClassicJagged
serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009) dan Shabanian dkk (2011) dimana
pipa dalam yang disisipi dengan jagged twisted tape insert menghasilkan nilai
faktor gesekan lebih tinggi dibandingkan plain tube maupun classic twisted tape
insert. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape
insert adalah 0,4 kali lebih tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan
penambahan classic twisted tape insert.
Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap faktor gesekan di pipa
dalam juga dianalisis pada daya pemompaan yang sama, seperti terlihat pada
gambar 4.21. Karakteristik faktor gesekan dengan penambahan twisted tape insert
pada daya pemompaan yang sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan
pada bilangan Reynolds yang sama. Dengan penambahan twisted tape insert di
pipa dalam, menjadikan nilai faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan
plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, dengan penambahan classic twisted
tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik 3,090 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube.
Sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape
insert, faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
1,422; 2,252 dan 4,835 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Hal
ini sesuai dengan penurunan tekanan (DP) akibat penambahan perforated,
notched, classic dan jagged twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama
(gambar 4.19), dimana nilai faktor gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai
penurunan tekanan (DP).
Gambar 4.21. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
109
4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio
Faktor Gesekan (ƒ/ƒp)
Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert dengan nilai faktor gesekan pipa dalam
tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik hubungan rasio faktor
gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.22.
Gambar 4.22 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama
Dari gambar 4.22, terlihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted
tape insert akan menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari
satu. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan
meningkatkan nilai faktor gesekan dari pipa dalam. Penambahan jagged twisted
tape insert pada pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi
dibandingkan dengan penambahan perforated, notched, dan classic twisted tape
insert. Nilai rasio faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan
perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert, berturut-turut adalah
2,422; 3,252; 4,090 dan 5,835 kali lebih tinggi daripada plain tube.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000
f/fp
Re
PerforatedNotchedClassicJagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
110
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan di pipa dalam dari penukar
kalor pipa konsentrik saluran annular dengan penambahan perforated, notched,
dan jagged twisted tape insert, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai
berikut:
1. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin besar pula laju perpindahan
panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan
penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert.
2. Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated dan notched
twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan bilangan Nusselt, faktor
gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih kecil daripada classic twisted tape
insert dan lebih besar dari plain tube. Jagged twisted tape insert menghasilkan
menghasilkan bilangan Nusselt, faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang
lebih tinggi dibandingkan perforated, notched dan classic twisted tape insert.
3. Jagged twisted tape menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata sebesar
21,3% dan kenaikan unjuk kerja termal sebesar 9,9% daripada classic twisted
tape insert. Ini menunjukkan bahwa penukar kalor dengan penambahan
modifikasi classic twisted tape insert berupa jagged twisted tape lebih baik
dalam hal peningkatan perpindahan panas dan unjuk kerja termal.
4. Perforated dan notched twisted tape insert menghasilkan faktor gesekan yang
lebih rendah daripada classic twisted tape insert. Ini menunjukkan bahwa
modifikasi classic twisted tape insert berupa perforated dan notched twisted
tape menguntungkan dalam hal pengurangan penurunan tekanan, tetapi dalam
hal perpindahan panas dan unjuk kerja termal masih di bawah classic twisted
tape insert.
5. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan perforated, notched, dan
jagged twisted tape insert menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata
di pipa dalam berturut-turut sebesar 24,9%, 39,0% dan 78,2% jika
dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan classic twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
111
insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert berturut-
turut mengalami penurunan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 14,9% dan
5,5%. Dibandingkan dengan classic twisted tape insert, kenaikan bilangan
Nusselt rata-rata dengan penambahan jagged twisted tape insert sebesar
21,3%. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata di pipa
dalam dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert
naik rata-rata berturut-turut sebesar 0,124%; 0,199%; dan 10,459%
dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt
rata-rata pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape dibandingkan
dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar 9,936%
6. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan perforated, notched, classic
dan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan
rata-rata berturut-turut sebesar 1,1; 1,8; 2,4; dan 3,7 kali faktor gesekan plain
tube. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape
insert adalah 0,4 kali lebih tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam
dengan penambahan classic twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang
sama, penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert
di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar
1,422; 2,252; 3,090 dan 4,835 kali faktor gesekan plain tube.
7. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan perforated, notched, classic
dan jagged twisted tape insert di pipa dalam berturut-turut sebesar 0,998;
1,002; 1,003; dan 1,101.
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa
konsentrik saluran annular dengan perforated, notched, dan jagged twisted tape
insert, menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian dengan modifikasi
classic twisted tape insert lainnya, misalnya; v-cut twisted tape insert, square cut
twisted tape insert, broken twisted tape insert, delta winglet twisted tape insert
dan sebagainya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user