Embed Size (px)
Citation preview
PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR
SALURAN REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
TAUFAN SULISTYO DARMAWAN NIM : I 0405046
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
2010
PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR
SALURAN REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT
Disusun oleh :
Taufan Sulistyo Darmawan NIM. I0405046
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, ST., MT NIP. 19700820 200010 1001
Dosen Pembimbing II
Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 19700911 200003 1001
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Senin tanggal 2 Juni 2010 1. Zainal Arifin, ST., MT …………………………
NIP. 19730308 200005 1001 2. Rendhy Adhi R, ST.,MT ………………………...
NIP. 19710119 200012 1006 3. Syamsul Hadi, ST.,MT ………………………...
NIP. 19710615 199802 1002
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST., MT Syamsul Hadi, ST., MT NIP. 19730804 199903 1001 NIP. 19710615 199802 1002
PERSEMBAHAN Alloh SWT,
hidup dan matiku kupersembahkan kepada-Mu
Dan sebuah karya singkat yang seolah menjadi rangkuman perjalanan pendidikanku dalam menjalani jenjang pendidikan S1 ini aku
persembahkan kepada :
Bapak Sudarman, S.Pd (Bapak), Ibu Dyah Suprihanti (Ibu), Mas Beta, dan Mbak Beti, yang telah memberikan bimbingan dan bombongan dengan penuh
kesabaran
Seluruh anggota keluarga besar almarhum Simbah Tjokrowitjono dan keluarga besar Simbah Sutarno.
Mr.3G dan “Prof” Bawa yang bersedia mengerahkan segala kemampuan dan
kecakapan dalam membimbing pelaksanaan penelitian dan penyusunan skripsi
Seluruh dosen pengajar dan karyawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS-Solo
Teman-teman tim “the loss galacticos” narrow channel; Yusno, Febri, Mindy, Assen, dan Santa dengan kelebihannya masing-masing, serta teman-teman
kuliah di Jurusan Teknik Mesin UNS-Solo
Teman-teman dekat yang bersedia menjadi tempat luapan spontanitasku ; Agung, M Nur, Mbak Dyan, Niar serta seluruh teman-teman kos BMW dan
Puri Rahma
Dan kepada seseorang yang telah meng-gembleng-ku untuk bersabar menghadapi sebuah masalah.
MOTTO
” Sebaik-baik manusia diantaramu adalah yang paling banyak manfaatnya bagi orang lain ” (HR. Bukhari).
“Keraguan hanya dapat dihilangkan dengan tindakan.”
(Johann Wolfgang von Goethe)
“Untuk mencapai kesuksesan, kita jangan hanya bertindak, tapi juga perlu bermimpi, jangan hanya berencana, tapi juga perlu untuk percaya.”
(Anatole France)
“Kelakukan kita terhadap kehidupan, menentukan sikap kehidupan terhadap kita.”
(Earl Nightingale)
“Tinggalkanlah kesenangan yang menghalangi pencapaian kecemerlangan hidup yang diidamkan. Dan berhati-hatilah, karena beberapa kesenangan
adalah cara gembira menuju kegagalan.” (Mario Teguh)
The ‘enemy’ must down.
(Penulis)
PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR VERTIKAL KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR SALURAN
REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT
Taufan Sulistyo Darmawan Jurusan Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
e-mail : [email protected]
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah dengan/tanpa pertukaran kalor pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. Seksi uji adalah sebuah penukar kalor pipa konsentrik. Pipa dalam terbuat dari aluminium dengan panjang sisi dalam dan sisi luar adalah 17,4 mm dan 18,4 mm. Pipa luar terbuat dari aluminium dengan panjang sisi dalam dan sisi luar adalah 23,68 mm dan 24,68 mm. Panjang pengukuran tekanan 1.200 mm. Diameter hidraulik saluran sempit adalah 5,28 mm. Aliran dalam pipa dalam dan dalam anulus adalah berlawanan arah. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air. Untuk aliran dengan pertukaran kalor, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dipertahankan pada 60 oC. Pada penelitian ini, laju aliran air dan penurunan tekanan pada saluran sempit diukur pada kondisi tunak. Hasil penelitian dibandingkan dengan perkiraan teori aliran konvensional.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik aliran air yang melalui saluran sempit berbeda dengan aliran air melalui pipa – pipa normal. Pada aliran tanpa pertukaran kalor dalam saluran sempit, transisi dari aliran laminar ke turbulen dimulai lebih awal dibanding dalam pipa – pipa normal,yaitu pada kisaran bilangan Reynolds dari 1.633 hingga 2.239. Transisi aliran dengan pertukaran kalor terjadi pada kisaran bilangan Reynolds antara 1.510 hingga 1.728. Faktor gesekan aliran pada aliran air vertikal ke bawah dengan pertukaran kalor lebih besar dibanding dalam aliran tanpa pertukaran kalor pada bilangan Reynolds yang lebih rendah dari 301. Karakteristik gesekan aliran dalam saluran sempit berhubungan dengan beda temperatur air yang masuk dan keluar saluran sempit. Pengaruh beda temperatur air yang masuk dan keluar saluran terhadap gesekan aliran terkonsentrasi pada daerah aliran laminar. Pada aliran tanpa pertukaran kalor, pada daerah aliran laminar (Re < 1.600), nilai bilangan Poiseuille (Po) adalah 47,57% – 92,53 % lebih besar dibanding dalam pipa – pipa normal. Bilangan Poiseuille (Po) pada aliran dengan pertukaran kalor adalah 53,79 % – 324,52 % lebih besar dibanding dalam pipa – pipa normal pada daerah bilangan Reynolds di bawah 301.
Kata kunci : faktor gesekan, saluran rektangular sempit, bilangan Reynolds,
bilangan Poiseuille.
INVESTIGATION ON FLOW CHARACTERISTICS OF SINGLE-PHASE VERTICAL DOWNWARD WATER FLOW IN NARROW GAP
RECTANGULAR CHANNEL HEAT EXCHANGER
Taufan Sulistyo Darmawan Department of Mechanical Engineering
Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia
e-mail : [email protected]
Abstract This research was conducted to investigate the flow characteristics of
single-phase vertical downward water flow with/without heat exchange in a narrow rectangular channel heat exchanger. Test section was a concentric tube heat exchanger. The inner tube was made of aluminium with inner side and outer side lengths of 17.4 mm and 18.4 mm. The outer tube was made of aluminium with inner side and outer side lengths of 23.68 mm and 24.68 mm. The pressure measuring length was 1,200 mm. The hydraulic diameter of the narrow rectangular channel was 5.28 mm. Flows in the inner tube and in annulus were in opposite directions. The working fluid used in this research was water. For the flow with heat exchange, the water temperature at the inlet of inner tube was maintained at 60oC. In this research, the water flow rate and the pressure drop in the narrow channel were measured at the steady state condition. The results of the research were compared with predictions from conventional flow theory.
The results show that the characteristics of water flow through the narrow rectangular channel were distinct from which through normal pipes. At the flow without heat exchange in the narrow channel, the flow transition from laminar to turbulent flow was initiated earlier than that in normal pipes, that is at a Reynolds number range from 1,633 – 2,239. The flow transition with heat exchange at a Reynolds number range from 1,510 – 1,728. The flow frictions in the vertical downward water flow with heat exchange were larger than those without heat exchange at the Reynolds number area lower than 301. Flow friction characteristics in the narrow rectangular channel had relations to the water temperature difference at the inlet and outlet of narrow rectangular channel. The influence of water temperature difference at the inlet and outlet of channel to the flow friction was concentrated at laminar flow area. At the flow without heat exchange, at the laminar area (Re < 1600), the Poiseuille number (Po) was 47% - 92.53% larger than those in the normal pipes. Poiseuille number (Po) at the flow with heat exchange was 53.79% - 328.52% larger than those in normal pipes at Reynolds number area lower than 301. Keyword : friction factor, narrow rectangular channel, Reynolds number,
Poiseuille number
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala
limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan Skripsi ‘Pengujian Karakteristik Aliran Fasa Tunggal Aliran Air
Ke Bawah (Downward) Pada Narrow Rectangular Channel” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih
yang setulus - tulusnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam
menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya
hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
3. Bapak, selaku Wibawa Endra J, ST. MT Pembimbing II yang telah turut
serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak Nurul Muhayat, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang
telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi
di Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir
6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Bapak, Ibu, Mas Beta, Mbak Beti , atas do’a restu, motivasi, dan
dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
8. Rekan Skripsi Ahmad (Assen), Yusno (Yesno), Indri (Mindy), Santa
(Dek San), dan Febri yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian
ini, terima kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua. Thanks
Guys, matur nuwun, sukron kasiiro, arigato gozaimasu….!!!
9. Rekan – rekan asisten yang pernah bekerjasama dengan saya dalam
berbagai praktikum dan berbagi pengalaman.
10. Rekan - rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2005 terima
kasih atas kerjasamanya selama ini.
11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah
membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna,
maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua
Amin.
Surakarta,
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman
Abstrak ........................................................................................................ v
Kata Pengantar ............................................................................................. vii
Daftar Isi ..................................................................................................... ix
Daftar Tabel ................................................................................................ xi
Daftar Gambar ............................................................................................. xii
Daftar Notasi ................................................................................................. xiv
Daftar Lampiran .......................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah ......................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah .............................................................. 2
1.3 Batasan Masalah ................................................................... 2
1.4 Tujuan dan manfaat ............................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan ........................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................... 5
2.2 Dasar Teori ............................................................................ 9
2.2.1 Klasifikasi Saluran (Channel) dalam Alat Penukar Kalor..
.................................................................................... 9
2.2.2 Pertimbangan-pertimbangan Hidrodinamik.................. 9
1. Kondisi-kondisi Aliran ............................................ 9
2. Kecepatan Rata-Rata (Mean Velocity).................... 11
3. Profil Kecepatan di dalam Daerah Kembang Penuh 12
4. Perubahan Tekanan dan Faktor Gesekan di dalam Aliran
Kembang Penuh....................................................... 12
2.2.3 Aliran Melalui Pipa Annulus ........................................ 16
2.2.4 Karakteristik Aliran dalam Internal Flow ..................... 18
2.2.5 Ketidakpastian Pengukuran (Measurement Uncertainty)
.................................................................................... 19
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian ................................................ 22
3.2 Bahan Penelitian ................................................................... 22
3.3 Alat Penelitian ....................................................................... 22
3.4 Prosedur Penelitian ................................................................. 32
3.4.1 Tahap Persiapan ........................................................ 32
3.4.2 Tahap Pengujian........................................................ 32
3.5 Analisis Data ........................................................................... 34
3.6 Diagram alir penelitian............................................................ 35
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1 Data Hasil Pengujian ............................................................. 36
4.1.1 Data Hasil Pengujian Tanpa Pertukaran Kalor (Without Heat
Exchange)...................................................................... 37
4.1.2 Data Hasil Pengujian Dengan Pertukaran Kalor (With Heat
Exchange)...................................................................... 38
4.2 Perhitungan Data..................................................................... 39
4.2.1 Tanpa Pertukaran Kalor ... ........................................... 39
4.2.2 Dengan Pertukaran Kalor............................................. 44
4.3 Ketidakpastian Pengukuran..................................................... 50
4.3.1 Contoh perhitungan ketidakpastian pada bilangan Reynolds
terbesar pada variasi tanpa pertukaran kalor................ 53
4.3.2 Contoh perhitungan ketidakpastian pada bilangan Reynolds
terbesar pada variasi dengan pertukaran kalor .............
65
4.4 Analisis Data ........................................................................... 76
4.4.1 Pengaruh Variasi Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik
Gesekan Pada Aliran Tanpa Pertukaran Kalor ............ 76
4.4.2 Pengaruh Variasi Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik
Gesekan Pada Aliran Dengan/Tanpa Pertukaran Kalor 77
4.4.3 Pengaruh Ketidakpastian Bilangan Reynolds Terhadap
Ketidakpastian Faktor Gesekan .................................. 80
4.4.4 Pengaruh Ketidakpastian Bilangan Reynolds Terhadap
Ketidakpastian Bilangan Poiseuille ............................ 82
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ........................................................................... 85
5.2 Saran ...................................................................................... 86
Daftar Pustaka ............................................................................................. 87
Lampiran ..................................................................................................... 88
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit tanpa pertukaran kalor .................................................... 37
Tabel 4.2 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit dengan pertukaran kalor ................................................. 38
Tabel 4.3 Hasil pengukuran dimensi seksi uji ............................................ 50
Tabel 4.4 Hasil perhitungan ketidakpastian dimensi seksi uji .................... 51
Tabel 4.5 Hasil pengambilan data massa dan waktu pada Re terbesar ....... 53
Tabel 4.6 Hasil pembacaan beda ketinggian air pada manometer .............. 59
Tabel 4.7 Hasil pengambilan data massa dan waktu pada Re terbesar ....... 65
Tabel 4.8 Hasil pembacaan beda ketinggian air pada manometer .............. 70
Tabel 4.9 Kontribusi ketidakpastian pada variasi tanpa pertukaran kalor .. 81
Tabel 4.10 Kontribusi ketidakpastian pada variasi dengan pertukaran kalor ................................................................................................. 81
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Karakteristik gesekan tanpa pertukaran kalor pada tiga arah aliran (Lu dan Wang, 2007) . .......................................................... 6
Gambar 2.2 Karakteristik gesekan aliran vertikal dengan atau tanpa pertukaran kalor (Lu dan Wang, 2007) ................................................... 7
Gambar 2.3 Perbandingan bilangan Poiseuille hasil eksperimen dengan korelasi fungsi Re (Mokrani et al, 2008). ........................................... 8
Gambar 2.4 Perkembangan kecepatan lapis batas pada pipa (Y. A. Cengel, 2003). .................................................................................... 10
Gambar 2.5 Skema pengukuran beda tekanan pada seksi uji aliran vertikal ke bawah dengan menggunakan manometer pipa U ................ 15
Gambar 2.6 Penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari 2 pipa konsentrik (Y. A. Cengel, 2003). ....................................................................... 17
Gambar 2.7 Skema penampang melintang saluran sempit berbentuk segiempat ............................................................................................... 17
Gambar 3.1 Air dingin dalam bak penampung......................................... 22 Gambar 3.2 Air panas dalam bak penampung .......................................... 22 Gambar 3.3 Skema instalasi alat penelitian .............................................. 23 Gambar 3.4 Skema seksi uji alat penkar kalor saluran rektangular bercelah
sempit dengan titik-titik penempatan termokopel................. 23 Gambar 3.5 Foto instalasi alat penelitian tampak depan.................................... 24 Gambar 3.6 Foto instalasi alat penelitian tampak belakang............................... 25 Gambar 3.7 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air .. 26 Gambar 3.8 Termokopel tipe T.......................................................................... 27 Gambar 3.9 (a) Lem Araldite ; (b) Konektor termokopel .................................. 27 Gambar 3.10 Flange............................................................................................. 27 Gambar 3.11 Display Termokopel ....................................................................... 28 Gambar 3.12 Pompa Sentrifugal .......................................................................... 28 Gambar 3.13 Bak penampung atas....................................................................... 29 Gambar 3.14 Stop kran ........................................................................................ 29 Gambar 3.15 (a) Stop kran dan (b) Ball valve ..................................................... 30 Gambar 3.16 (a) Thermocontroller, (b) Relay/contactor ..................................... 30 Gambar 3.17 Electric heater ................................................................................ 30 Gambar 3.18 Manometer U.................................................................................. 31 Gambar 3.19 Penjebak air .................................................................................... 31 Gambar 3.20 Timbangan digital .......................................................................... 32 Gambar 3.21 Stopwatch ....................................................................................... 32 Gambar 4.1 Grafik variasi massa air terhadap waktu ............................... 54 Gambar 4.2 Grafik variasi massa air terhadap waktu ............................... 65 Gambar 4.3 Kurva karakteristik gesekan pada aliran tanpa pertukaran kalor
............................................................................................... 77 Gambar 4.4 Kurva karakteristik gesekan pada aliran dengan/tanpa pertukaran
kalor ...................................................................................... 78 Gambar 4.5 Hubungan antara faktor gesekan aliran dengan perbedaan
temperatur air dalam anulus sempit ...................................... 79
Gambar 4.6 Ketidakpastian faktor gesekan pada aliran tanpa pertukaran kalor ............................................................................................... 82
Gambar 4.7 Ketidakpastian faktor gesekan pada aliran dengan pertukaran kalor ............................................................................................... 82
Gambar 4.8 Ketidakpastian bilangan Poiseuille pada aliran tanpa pertukaran kalor ...................................................................................... 83
Gambar 4.9 Ketidakpastian bilangan Poiseuille pada aliran dengan pertukaran kalor ...................................................................................... 84
DAFTAR NOTASI
a = Panjang sisi bagian luar inner tube (m)
Ac = Luas penampang melintang aliran (m2)
b = Panjang sisi bagian dalam outer tube (m)
D = Diameter dalam pipa (m)
Dh = Diameter hidrolik (m)
Di = Diameter luar inner tube (m)
Do = Diameter dalam outer tube (m)
∆P = Penurunan tekanan dalam pipa (Pa)
∆z = Perubahan elevasi (m)
ε = Kekasaran absolut (m)
ε/D = Kekasaran relatif
f = Faktor gesekan
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
hf = Kerugian head karena gesekan (m)
l = Panjang pipa (m)
·
m = laju aliran massa (kg/s)
µ = Viskositas dinamik (kg/m∙s)
µw = Viskositas dinamik air dalam saluran sempit (kg/m∙s)
p = Keliling basah pipa / wetted perimeter (m)
Po = Bilangan Poiseuille
Pf = Frictional pressure drop (Pa)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
ρm = Massa jenis fluida dalam manometer (kg/m3)
ρw = Massa jenis air dalam saluran sempit (kg/m3)
Re = Bilangan Reynolds
um = Kecepatan rata-rata fluida (m/s)
uxi = Ketidakpastian xi
uy = Ketidakpastian variable yang dihitung
v = Kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s)
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran A Data hasil pengujian ............................................................... 88
Tabel A.1 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit pada variasi tanpa pertukaran kalor. ................................................ 89
Tabel A.2 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit pada variasi dengan pertukaran kalor............................................... 90
Lampiran B Properti Air (Zat Cair Jenuh).................................................. 90
Lampiran C Properti air yang mengalir dalam anulus sempit. ................... 91\
Tabel C.1 Properti air yang mengalir dalam anulus sempit pada variasi tanpa
pertukaran kalor...................................................................... 92
Tabel C.2 Properti air yang mengalir dalam anulus sempit pada variasi dengan
pertukaran kalor...................................................................... 93
Lampiran D Hasil perhitungan data pengujian ........................................... 94
Tabel D.1 Hasil perhitungan data pengujian pada variasi tanpa pertukaran kalor .........................................................................................................94
Tabel D.2 Hasil perhitungan data pengujian pada variasi dengan pertukaran kalor .........................................................................................................96
Lampiran E Hasil perhitungan ketidakpastian data pengujian ................... 97
Tabel E.1 Hasil perhitungan ketidakpastian pada pengujian tanpa pertukaran
kalor ........................................................................................ 98
Tabel E.2 Hasil perhitungan ketidakpastian pada pengujian dengan pertukaran
kalor ........................................................................................ 100
Lampiran F Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian .......................... 102
Tabel F.1 Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian pada variasi tanpa
pertukaran kalor...................................................................... 102
Tabel F.2 Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian pada variasi dengan
pertukaran kalor...................................................................... 104
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Penukar kalor atau lebih sering disebut dengan heat exchanger adalah
suatu alat yang digunakan sebagai media transfer kalor antara fluida panas dan
fluida dingin. Penukar kalor banyak digunakan dalam bidang rekayasa, misalnya:
dalam hal pemanas ruangan, pengkondisian udara, pembangkit tenaga, dan
proses–proses kimia. Dalam perkembangannya, alat-alat penukar kalor
mengaplikasikan teknologi struktur mikro untuk meningkatkan perpindahan kalor,
salah satunya adalah penukar kalor dengan menggunakan saluran sempit (narrow
channel).
Penukar kalor dengan saluran sempit digunakan dalam produk atau
peralatan yang memiliki fluks panas tinggi seperti : reaktor nuklir, bioreaktor
(berfungsi memodifikasi dan memisahkan sel–sel makhluk hidup dan membran
sel), piranti – piranti elektronik, dan automobile. Teknik peningkatan perpindahan
kalor dengan saluran sempit memiliki keunggulan-keunggulan yang besar di
dalam perbedaan temperatur yang kecil, efisiensi perpindahan kalor yang tinggi,
dan konfigurasi yang ringkas (compact) tanpa proses permesinan yang rumit atau
pemrosesan permukaan tambahan. Geometri penampang dan ukuran saluran
sempit sangat penting dalam sebuah penukar kalor. Sebagai contoh saluran non
circular dalam sebuah penukar kalor dapat mempengaruhi pola aliran.
Karakteristik aliran dari saluran-saluran sempit ini memegang sebuah
peranan penting dalam keamanan dan keandalan dari alat penukar kalor. Dasar
pemahaman karakteristik aliran pada suatu saluran adalah distribusi kecepatan dan
penurunan tekanan. Hal tersebut merupakan hal dasar dalam desain dan proses
kontrol pada peralatan microfluidic. Penurunan tekanan pada penukar kalor
saluran bercelah sempit merupakan parameter desain yang penting dalam aplikasi
rekayasa karena menentukan daya pemompaan (pumping power) yang
dibutuhkan. Adanya penurunan tekanan berarti terdapat kehilangan energi akibat
gesekan antara fluida dengan permukaan saluran. Semakin besar penurunan
tekanan dalam penukar kalor saluran bercelah sempit semakin besar pula daya
pemompaan yang dibutuhkan untuk mempertahankan aliran, yang berdampak
pada biaya pemompaan yang semakin besar pula. Sehingga menentukan daya
pemompaan fluida yang diperlukan adalah hal yang utama sebagai bagian dari
desain sistem dan analisis biaya operasi. Daya pemompaan dihubungkan dengan
gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi penurunan tekanan lain sepanjang
lintasan aliran fluida.
Oleh karena itu, perlu diadakan penelitian mengenai karakteristik aliran
sebuah penukar kalor dengan saluran sempit, yang diyakini mempunyai
karakteristik aliran yang berbeda dengan penukar kalor konvensional. Penelitian
ini akan menguji pengaruh bilangan Reynolds aliran air di saluran bercelah sempit
dan pengaruh tanpa pertukaran kalor dan dengan pertukaran kalor terhadap
karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) yang
terjadi pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
1.2 Perumusan masalah
a. Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds aliran air pada saluran rektangular
bercelah sempit terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke
bawah (downward) pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
b. Bagaimanakah pengaruh tanpa pertukaran kalor dan dengan pertukaran kalor
terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah
(downward) yang terjadi pada penukar kalor saluran rektangular bercelah
sempit.
1.3 Batasan masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :
1. Alat penukar kalor berupa penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube
heat exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa (tube) adalah
segiempat (rectangular) dengan lebar celah (gap) antar pipa seragam sebesar
2,64 mm (diameter hidrolik = Dh = 5,28 mm). Panjang penukar kalor 1.900
mm dan panjang pressure tap sebesar 1.200 mm.
2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium di mana friction factor
diperhatikan. Pada pipa segiempat luar (outer tube); dimensi sisi luar 24,68
mm dan sisi dalam 23,68 mm dan pipa segiempat dalam (inner tube); dimensi
sisi luar 18,4 mm dan sisi dalam 17,4 mm.
3. Arah aliran fluida dalam penukar kalor adalah berlawanan arah (counter flow
heat exchanger).
4. Seksi uji diisolasi sehingga perpindahan panas ke lingkungan diabaikan.
5. Pengujian karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah
(downward) dalam saluran rektangular bercelah sempit dilakukan pada posisi
vertikal.
6. Pengujian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment).
7. Penelitian dilakukan pada temperatur kamar.
8. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.
9. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini
adalah 4 titik, yaitu 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air
panas masuk seksi uji dan 2 titik lagi untuk mengukur temperatur air dingin
dan air panas keluar dari seksi uji.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk :
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air pada saluran rektangular bercelah
sempit terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah
(downward) pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
2. Membandingkan karakteristik aliran fasa tunggal di penukar kalor saluran
rektangular bercelah sempit aliran air vertikal ke bawah (downward) dengan
pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor.
Hasil yang diperoleh dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan
manfaat sebagai berikut :
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu mekanika fluida
khususnya mengenai karakteristik aliran pada penukar kalor saluran rektangular
bercelah sempit.
2. Menjadi dasar bagi penelitian berikutnya, yakni pada aliran dua fasa dalam penukar
kalor saluran rektangular bercelah sempit.
3. Dapat diterapkan dalam bidang industri dan reaktor nuklir sebagai alat penukar kalor
yang kompak, ringan, murah, dan mempunyai karakteristik aliran yang baik.
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
karakteristik aliran, dan teori tentang karakteristik aliran di dalam
sebuah saluran.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan
pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data
hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
BAB II
LANDASAN TEORI
1.2 Tinjauan Pustaka
Li, dkk (2003) menyelidiki karakteristik tahanan gesekan pada aliran
deionized water dengan menggunakan microtubes dari bahan kaca, silikon, dan
stainless steel berdiameter 79,9 - 166,3 mm, 100,25 - 205,3 mm, dan 128,76 -
179,8 mm. Microtubes dari kaca dan silikon dapat dianggap sebagai material
halus, sedangkan microtubes dari stainless steel dengan kekasaran relatif 3 - 4%
dapat dianggap material kasar. Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa untuk
aliran air kembang penuh dalam microtubes dari kaca dan silikon yang halus, hasil
perkalian dari faktor gesekan Darcy (f) dan bilangan Reynolds (Re) mendekati 64,
dimana sesuai dengan hasil dalam macrotubes. Sedangkan nilai f ∙ Re untuk aliran
air dalam microtubes dari stainless steel yang kasar adalah 15% - 37% lebih
tinggi dari 64.
Celata, dkk (2004) menyelidiki perpindahan panas dan aliran fluida pada
micropipes berdiameter 130 mm dan kekasaran permukaan 2,65 % dengan variasi
bilangan Reynolds dari 100 – 8.000 menggunakan R114 sebagai fluida kerjanya.
Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa terdapat kesesuaian dengan teori Hagen -
Poiseuille pada daerah laminar untuk bilangan Reynolds 600 – 800. Sedangkan
untuk bilangan Reynolds yang lebih besar menunjukan harga faktor gesekan
(friction factor) lebih besar dari hukum Hagen – Poiseuille. Daerah transisi dari
aliran laminar ke turbulen terjadi pada kisaran bilangan Reynolds 1.800 – 2.500.
Lu dan Wang (2007) melakukan penelitian terhadap karakteristik aliran
dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor pada anulus sempit dengan
diameter dalam pada inner tube 12,93 mm dan diameter dalam pada outer tube
22,09 mm, sedangkan diameter hidroliknya 6,16 mm. Bilangan Reynolds divariasi
dari 3 sampai 30.000. Penelitian ini menggunakan fluida air dengan arah aliran
horizontal, ke atas (upward), dan ke bawah (downward). Hasil penelitian
menunjukkan bahwa karakteristik aliran air yang melalui anulus sempit berbeda
bila dibandingkan dengan pipa ukuran konvensional. Karakteristik aliran dalam
anulus sempit berhubungan dengan perbedaan temperatur cairan pada bagian
masuk dan keluar anulus. Hal ini relatif terlihat jelas pada daerah aliran laminar.
Ketika bilangan Reynolds lebih besar dari 10.000, terdapat sedikit perbedaan
antara faktor gesekan aliran dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor.
Transisi aliran dimulai lebih awal dibandingkan dengan pipa normal pada kisaran
bilangan Reynolds dari 1.100 sampai 1.500.
Melalui perbandingan antara kurva karakteristik gesekan (friction
characteristic) aliran air dalam anulus sempit dan pipa normal dalam Gambar 2.1
oleh Lu dan Wang (2007), terlihat bahwa pada daerah aliran laminar faktor
gesekan dalam anulus sempit adalah 19 – 47% lebih besar dibanding dalam pipa –
pipa normal. Akan tetapi dalam daerah aliran turbulen, kedua kurva karakteristik
gesekan ini mempunyai sedikit perbedaan. Dalam daerah aliran laminar,
persamaan regresi untuk faktor gesekan adalah,
Re9,88
=f (2.1)
Dalam daerah aliran laminar, hasil yang didapat dengan regresi Persamaan (2.1)
adalah 1,389 kali sebesar nilai yang dihitung dengan persamaan f=64/Re.
Gambar 2.8 Karakteristik gesekan tanpa pertukaran kalor pada tiga arah aliran (Lu dan Wang, 2007).
Penelitian Lu dan Wang (2007) terhadap karakteristik aliran dilakukan
dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor dalam anulus sempit.
Karakteristik aliran dalam anulus sempit itu dianalisa dengan faktor gesekan (f)
yang diplot terhadap bilangan Reynolds seperti dalam Gambar 2.2 berikut:
Gambar 2.9 Karakteristik gesekan aliran vertikal dengan atau tanpa
pertukaran kalor (Lu dan Wang, 2007)
Dari Gambar 2.2 disimpulkan bahwa pada range bilangan Reynolds
3<Re<1.100 merupakan daerah aliran laminar, dan pada range bilangan Reynolds,
Re >1.500 merupakan daerah aliran turbulen. Daerah dimana terjadi perubahan
trendline nilai faktor gesekan (f) untuk daerah aliran laminar ke trendline faktor
gesekan (f) untuk daerah aliran turbulen disimpulkan sebagai daerah transisi,
dimana dalam penelitian ini terletak pada range bilangan Reynolds 1.100 < Re <
1.500. Ketika terjadi pertukaran panas pada aliran di anulus, arah aliran
mempunyai dampak yang kecil terhadap gesekan aliran begitu juga dengan aliran
tanpa pertukaran panas. Akan tetapi, pertukaran kalor mempunyai pengaruh besar
pada gesekan aliran khususnya pada daerah dengan bilangan Reynolds rendah.
Jie Jiang, dkk (2008) meneliti karakteristik aliran fluida dan pertukaran
kalor pada rectangular microchannels. Seksi uji terbuat dari tembaga dengan tebal
3 mm, lebar 20 mm dan panjang 80 mm. Pada seksi uji terdapat 30 parallel
rectangular micro-slot dengan lebar 900 µm, tinggi 350 µm, panjang 80 mm dan
dipisahkan dengan tebal dinding 500 µm. Deionized water dipanaskan dengan
pemanas listrik dan konduktor termal kemudian dialirkan melalui seksi uji. Hasil
pengujian menunjukkan bahwa faktor gesekan (friction factor) pada microchannel
mengalami penurunan dengan peningkatan bilangan Reynolds dan nilainya lebih
kecil daripada kondisi konvensional yaitu sekitar 20 – 30 %. Bilangan Reynolds
kritis terjadi lebih kecil daripada kondisi konvensional yaitu sekitar 1.100.
Mokrani, dkk (2009) melakukan penelitian aliran fluida dan pertukaran
panas konveksi pada flat microchannels menggunakan air sebagai fluida kerjanya.
Microchannel berpenampang segiempat (rectangular) dengan ketinggian saluran
sempit divariasi 50 - 500 mm dan melakukan variasi diameter hidrolik antara 100
mm dan 1 mm. Penurunan tekanan ditandai dengan bilangan Poiseuille, yaitu
untuk macrochannel bilangan Poiseuille bernilai konstan pada daerah aliran
laminar tergantung pada bentuk dari penampang saluran, dan pada daerah aliran
turbulen nilai dari bilangan ini akan meningkat seiring dengan peningkatan
bilangan Reynolds. Koefisien gesekan aliran diperkirakan dengan pengukuran
penurunan tekanan (pressure drop) di dalam microchannel secara langsung pada
daerah dimana aliran telah kembang penuh. Bilangan Poiseuille diukur secara
eksperimental untuk semua tinggi microchannel dalam daerah laminar dan
turbulen. Hasil eksperimen di daerah laminar dibandingkan dengan korelasi Shah
dan London, sedangkan untuk daerah turbulen dibandingkan dengan korelasi
Blasius dan Kakaç. Hasil eksperimen dan hasil teoritis untuk Po sebagai fungsi
bilangan Reynolds (Re) untuk berbagai tinggi saluran (e) dapat dilihat pada
Gambar 2.3.
Gambar 2.10 Perbandingan bilangan Poiseuille hasil eksperimen dengan
korelasi fungsi Re (Mokrani et al, 2008).
Dari Gambar 2.3 dapat diambil kesimpulan bahwa hasil eksperimen Po
untuk daerah laminar sesuai dengan nilai teoritis, sedangkan untuk daerah
turbulen kehilangan tekanan (pressure losses) yang didapat dalam korelasi Blasius
agak lebih rendah dibanding hasil eksperimen, tetapi perbedaannya lebih kecil
dibanding ketidakpastian pengukuran (measurement uncertainties). Pengukuran
terletak diantara korelasi Blasius yang didapat dari saluran segiempat dengan
aspect ratio yang besar dan korelasi Kakac, dkk untuk saluran segiempat.
Disimpulkan juga bahwa untuk tinggi saluran antara 100 mm dan 500 mm, transisi
antara daerah laminar dan turbulen terjadi pada bilangan Reynolds antara 2.000
dan 3.000.
1.3 Dasar Teori
2.2.1 Klasifikasi Saluran (Channel) dalam Alat Penukar Kalor
Saat ini telah banyak dikembangkan sistem penukar kalor baru dengan
penampang saluran yang bervariasi mulai dari dimensi nanometer hingga yang
besar (konvensional). Ini tidak terlepas juga dengan tuntutan akan alat penukar
kalor untuk sistem-sistem mikro dalam dunia rekayasa. Klasifikasi saluran
menurut Mehendale, et.al (2000) adalah sebagai berikut :
1. Conventional passages D > 6 mm
2. Compact passages 1 mm < D < 6 mm
3. Meso-channels 100 µm < D < 1 mm
4. Microchannels 1 µm < D < 100 µm
2.2.2 Pertimbangan-pertimbangan Hidrodinamik
1. Kondisi-kondisi Aliran
Dimisalkan terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat dengan
jari–jari ro , dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam. Ketika
fluida mengalami kontak dengan permukaan, efek kekentalan menjadi penting dan
lapis batas (boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x.
Perkembangan ini terjadi pada saat aliran mulai mengalami pengerutan pada
daerah aliran tak kental ( inviscid flow ).
Gambar 2.11 Perkembangan kecepatan lapis batas pada pipa (Y. A. Cengel,
2003).
Efek kekentalan akan memanjang ke seluruh luasan permukaan pipa dan
profil kecepatan berubah dengan bertambahnya jarak x. Aliran ini yang disebut
dengan aliran kembang penuh ( fully developed flow ), dan jarak dari arah
masukan hingga kondisi ini dicapai disebut dengan ”hydrodynamic entry length”,
xfd,h. Profil kecepatan aliran kembang penuh berbentuk parabola untuk aliran
laminar. Untuk aliran turbulen berbentuk lebih datar karena aliran berputar pada
arah pipa. Untuk pipa berbentuk anuli, panjang saluran yang dibutuhkan untuk
mencapai kondisi kembang penuh adalah antara 20 hingga 25 kali diameter
hidrolik (Olson et.al, 1963).
Ketika berhadapan dengan aliran internal (aliran dalam pipa), sangat
penting untuk mengenal sifat masukan aliran, apakah aliran tersebut bersifat
laminar atau turbulen. Angka Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan :
mr Dum=Re (2.2)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
r = massa jenis fluida (kg/m3)
m = viskositas dinamik (kg/m.s)
um = kecepatan rata – rata fluida (m/s)
D = diameter dalam pipa (m)
Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds, dihitung
berdasarkan diameter hidrolik (Dh), yang didefinisikan :
p
AD c
h
4= (2.3)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
Ac = luas penampang aliran (m)
p = keliling basah pipa (wetted perimeter) (m)
Sangat penting mengetahui nilai bilangan Reynolds yang tepat untuk aliran
laminar, transisi, dan aliran turbulen. Pergantian aliran laminar ke turbulen juga
dipengaruhi oleh gangguan yang ada pada pipa , seperti : kekasaran pipa, getaran
pipa, dan fluktuasi aliran. Untuk prakteknya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran
laminar, transisi, dan turbulen adalah sebagai berikut :
Ø aliran laminar, Re < 2.300
Ø aliran transisi, 2.300 < Re < 10.000
Ø aliran turbulen, Re > 10.000
Pada aliran transisi, aliran berubah antara aliran laminar dan turbulen
secara acak. Perlu diingat bahwa aliran laminar dapat dijaga pada nilai bilangan
Reynolds yang tinggi pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan
aliran dan tanpa getaran pada pipa.
Di dalam aliran kembang penuh, nilai bilangan Reynolds untuk terjadinya
aliran turbulen adalah Re » 2.300, meskipun untuk mencapai aliran turbulen
sepenuhnya bilangan Reynolds harus mencapai nilai lebih besar dari 10.000.
Transisi aliran ke turbulen terjadi pada perkembangan lapis batas pada daerah
masukan.
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 fluida , r , dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran
massa ( m& ) yang melalui pipa :
Aum mr=& (2.4)
Untuk aliran stedi, tidak termampatkan di dalam sebuah pipa dengan luas
permukaan melintang yang seragam, m& dan mu konstan tidak tergantung pada x.
Dari persamaan (2.2) dan (2.4) , untuk aliran di dalam sebuah pipa bulat
(A=πD2/4), bilangan Reynolds diturunkan menjadi :
mp Dm·
=4
Re (2.5)
3. Profil Kecepatan di dalam Daerah Kembang Penuh
Sebuah tanda yang penting untuk kondisi hidrodinamik pada daerah
kembang penuh adalah kedua komponen baik komponen kecepatan arah radial
u dan gradien komponen kecepatan arah aksial xu¶¶
di setiap tempat adalah nol.
0=u dan 0=÷øö
çè涶
xu
(2.6)
Komponen kecepatan arah aksial hanya tergantung pada r, u(x,r) = u(r).
komponen kecepatan arah radial didapat dari penyelesaian persamaan momentum
arah x. Dengan perhitungan lebih lanjut didapat rumus profil kecepatan :
( )( ) ú
úû
ù
êêë
é÷÷ø
öççè
æ-=
2
0
1rr
muru
(2.7)
um dapat dicari dari rumus laju aliran massa.
4. Perubahan Tekanan dan Faktor Gesekan di dalam Aliran Kembang Penuh
Penurunan tekanan diperlukan untuk menopang sebuah aliran internal dan
parameter ini menentukan kebutuhan daya pompa atau fan. Untuk menentukan
penurunan tekanan, sangat sesuai bila menggunakan faktor gesekan Moody
(Moody/Darcy friction factor) yang merupakan parameter tanpa dimensi yang
didefinisikan sebagai :
2. 2v
DdxdP
fr
÷øö
çèæ-
= (2.8)
Faktor gesekan (friction factor) pada aliran laminar kembang penuh fluida
fasa tunggal dalam pipa–pipa normal berbentuk bulat dapat dihitung dengan
persamaan berikut:
Re64
=f ; Re < 2.300 (2.9)
Persamaan (2.9) ini menunjukkan bahwa dalam aliran laminar, faktor
gesekan hanya merupakan fungsi dari bilangan Reynolds dan tak tergantung pada
kekasaran permukaan pipa. Untuk aliran turbulen kembang penuh, selain
tergantung pada bilangan Reynolds, faktor gesekan merupakan fungsi dari kondisi
permukaan pipa. Pada permukaan halus nilai faktor gesekan minimum dan
meningkat dengan meningkatnya kekasaran permukaan, e. Hubungan yang
mendekati kondisi permukaan halus untuk aliran turbulen kembang penuh:
25,0Re3164,0 -=f ; 43 103Re104 ´<<´ (2.10)
2,0Re184,0 -=f ; 64 10Re103 <<´ (2.11)
Diagram Moody dikembangkan untuk pipa – pipa bulat, tapi dapat
digunakan untuk pipa tidak bulat dengan menggunakan diameter hidrolik.
Diagram Moody merupakan representasi grafis dari persamaan Colebrook. Bagian
turbulen pada diagram Moody dinyatakan oleh persamaan Colebrook (akurasi
sampai ± 15%) :
÷÷ø
öççè
æ+-=
f
D
f Re
51,27,3
/log2
1 e (2.12)
dimana :
f = faktor gesekan
ε = kekasaran absolut (m)
D = diameter dalam pipa (m)
Re = bilangan Reynolds
ε/D = kekasaran relatif
Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa persamaan (2.12) ini berbentuk
implisit dalam ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang
diberikan (Re dan ε/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa
melakukan suatu metode iteratif. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi
komputer matematis, perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996),
menyarankan sebuah iterasi tunggal yang akan menghasilkan f dalam 1% jika nilai
perkiraan dihitung dengan persamaan :
2
9,0Re74,5
7,3/
log25,0-
úû
ùêë
é÷ø
öçè
æ+=
Dsfo (2.13)
Bila dxdP
= konstan, dan diintegrasikan dari x = 0 dimana adalah tekanan
1P , ke x = L dimana adalah tekanan 2P , maka didapat :
lP
l
PP
dxdP D
-=-
= 12 (2.14)
Dalam mekanika fluida, pressure drop ( PD ) adalah kuantitas positif, dan
didefinisikan sebagai 21 PPP -=D , frictional pressure drop dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan (2.15) :
hgv
dl
fP D××==D rr2
2
(2.15)
2
2vP
ld
frD
= (2.16)
dimana :
f = faktor gesekan
PD = penurunan tekanan dalam pipa (Pa)
r = densitas aliran fluida dalam pipa (kg/m3)
d = diameter pipa (m)
l = panjang pipa (m)
v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s)
Gambar 2.12 Skema pengukuran beda tekanan pada seksi uji aliran vertikal ke
bawah dengan menggunakan manometer pipa U
Perhitungan penurunan tekanan air di dalam pipa vertikal dengan
menggunakan persamaan energi adalah sebagai berikut :
fww
hzg
vPz
gvP
+++=++ 2
222
1
211
22 gg (2.17)
fw
hzzgvvPP
--+-
=-
21
22
2112
2g (2.18)
)2
( 21
22
21
12 fw hzzgvv
PP --+-
=- g (2.19)
Pipa berdiameter konstan ( 21 hh DD = ) sehingga VVV == 21 , kerugian
tinggi tekan akibat gesekan (hf) :
)( 2112 fw hzzPP --=- g (2.20)
hm D.g ( )fw hz -D= g (2.21)
fh ( ) ( )
w
mw hz
ggg D-D
=..
(2.22)
fh ( ) ( )
g ρ
..Δz g ρ
w
w hgm D-=
r
(2.23)
hf ( ) ( )
g ρ
Δz g ρ
w
w PD-=
(2.24)
Penurunan tekanan air akibat gesekan (frictional pressure drop), Pf, pada
pipa vertikal adalah :
fwf hgP ××=D r
(2.25)
Faktor gesekan aliran dihitung dengan persamaan (2.24) :
2
2
vl
hgDf fh
××××
= (2.26)
dimana :
fh = kerugian head gesekan (m)
∆Pf = frictional pressure drop (Pa)
rm = massa jenis air dalam manometer (kg/m3)
rw = massa jenis air dalam annulus sempit (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
∆z = perubahan elevasi (m)
∆h = beda ketinggian fluida dalam manometer (m)
wg = berat jenis air dalam saluran rektangular bercelah sempit
(kg/(m².s²))
mg = berat jenis fluida dalam manometer (kg/(m².s²))
Blasius (1913) membuat korelasi nilai faktor gesekan untuk daerah
turbulen dengan rentangan nilai bilangan Reynolds 4×103 ≤ Re ≤ 3×104 , sebagai
berikut :
f = 0,3164∙Re-0,25 (2.27)
2.2.3 Aliran Melalui Pipa Annulus
Peralatan penukar kalor yang sederhana terdiri dari dua buah pipa konsentrik, dan
sering disebut dengan penukar kalor pipa ganda (double – pipe heat exchanger). Pada
penukar kalor tersebut, salah satu fluida mengalir melalui pipa, dan fluida yang lain
mengalir melalui ruang anulus (ruang antara pipa satu dengan pipa yang lain). Aliran
laminar yang stedi melalui pipa anulus dapat dipelajari secara analitis dengan
menggunakan kondisi batas yang cocok.
Gambar 2.13 Penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari 2 pipa konsentrik
(Y. A. Cengel, 2003).
Anggap sebuah pipa konsentrik annulus dengan diameter luar inner tube Di, dan
diameter dalam outer tube Do, diameter hidrolik annulus adalah:
ioi
ich DD
DD
DD
p
AD -=
+-
==)(
4/)(44
0
220
pp
(2.28)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
Do = diameter dalam pipa luar/outer tube (m)
Di = diameter luar pipa dalam/inner tube (m)
Ac = luas penampang melintang aliran (m2)
p = keliling basah / wetted perimeter (m)
Jika penampang dari concentric tube berbentuk segiempat, maka diameter
hidroliknya adalah :
Gambar 2.14 Skema penampang melintang saluran sempit berbentuk
segiempat
( )( )ba
abp
AD c
h 4444 22
+-
== (2.29)
( )( )
( ) ( )( )ab
ababbaab
Dh ++´-
=+-
=22
(2.30)
( )abDh -= (2.31)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
b = panjang sisi dalam outer tube (m)
a = panjang sisi luar inner tube (m)
Dalam perhitungan faktor gesekan untuk aliran dalam anulus dengan persamaan
(2.16) diameter saluran diganti dengan diameter hidrolik anulus.
Pressure losses dapat dikarakterisasikan dengan bilangan Poiseuille.
Untuk macrochannels, dalam daerah laminar bilangan ini merupakan konstanta
yang hanya tergantung pada bentuk penampang melintang saluran. Ketika aliran
menjadi turbulen, bilangan Poiseuille akan meningkat sebanding dengan bilangan
Reynolds. Dalam penyelidikan yang dilakukan Mokrani, dkk (2009), bilangan
Poiseuille pada daerah turbulen dapat diperkirakan seperti dalam daerah laminar
dimulai dari pengukuran secara simultan laju aliran dan penurunan tekanan
(pressure drop) antara bagian pemasukan dan keluaran pada microchannel.
Pressure drop diukur secara langsung dalam saluran dimana aliran telah kembang
penuh secara hidrodinamis (hydrodynamically fully developed). Nilai bilangan
Poiseuille diperoleh dari:
Re.fPo = (2.32)
dimana :
Po = bilangan Poiseuille
f = faktor gesekan
Re = bilangan Reynolds
2.2.4 Karakteristik Aliran dalam Internal Flow
Ada 2 hal dasar yang biasanya menjadi pertimbangan dalam analisis
konfigurasi internal flow, yaitu gesekan antara fluida dengan dinding saluran dan
laju perpindahan panas (heat transfer rate) atau tahanan termal (thermal
resistance) antara fluida dan dinding – dinding pembatas. Gesekan fluida
berhubungan dengan penurunan tekanan yang dialami oleh aliran sepanjang arah
aliran. Untuk menghitung laju perpindahan panas dan distribusi temperatur
melewati aliran, pertama harus mengetahui aliran tersebut, atau distribusi
kecepatan. Prediksi yang akurat mengenai penurunan tekanan dan karakteristik
perpindahan kalor adalah hal yang dasar untuk merancang suatu penukar kalor.
Kelakuan aliran fluida dan perpindahan kalor di internal flow berkaitan
erat dengan jenis dan daerah aliran fluida tersebut. Kelakuan aliran fluida di
daerah aliran laminar, transisi, dan daerah turbulen mempunyai karakteristik
tersendiri. Aplikasi internal flow dalam suatu alat penukar kalor tersebut
merupakan hal yang dasar. Data menunjukkan bahwa parameter geometris saluran
pada penukar kalor seperti; diameter hidrolik (Dh), perbandingan tinggi dan lebar
saluran, dan perbandingan diameter hidrolik dan jarak antar pusat saluran (untuk
multi-channel), semuanya mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap daerah
aliran dan perpindahan kalornya.
Pembagian daerah aliran dalam internal flow (laminar, transisi, dan
turbulen) dihubungkan dengan nilai bilangan Reynolds (Re) yang terjadi. Perlu
sekali mengetahui nilai bilangan Reynolds yang tepat untuk daerah aliran laminar,
transisi, dan turbulen untuk geometri saluran tertentu. Beberapa peneliti membuat
korelasi karakteristik gesekan aliran laminar dan turbulen fasa tunggal dalam
saluran konvensional, saluran sempit (narrow channel), dan microchannel dalam
nilai faktor gesekan (f) fungsi bilangan Reynolds (Re). Sehingga dalam banyak
penelitian untuk mengetahui karakteristik aliran dari suatu saluran, biasanya
dibuat grafik hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re).
2.2.5 Ketidakpastian Pengukuran (Measurement Uncertainty)
Kesalahan (error) merupakan unsur yang tak dapat dihindari dalam proses
pengukuran. Kesalahan dalam pengukuran biasanya didefinisikan sebagai
perbedaan antara nilai sebenarnya dengan nilai terukur. Efek error adalah
menciptakan ketidakpastian (uncertainty) dalam nilai sebuah hasil pengukuran.
Ketika digunakan dalam konteks pengukuran, ketidakpastian mempunyai sebuah
angka dan satuan yang berhubungan dengannya. Lebih spesifik lagi,
ketidakpastian pengukuran mempunyai satuan yang sama dengan hasil
pengukuran. Perhitungan ketidakpastian yang teliti tak hanya memberikan
perkiraan yang tepat mengenai data penelitian yang didapat, tapi juga dapat
digunakan untuk menentukan pengukuran–pengukuran yang memerlukan
kepresisian lebih tinggi agar didapat hasil yang akurat. Analisis ketidakpastian
merupakan alat yang sangat berguna untuk menetapkan tingkat reliabilitas sebuah
pengukuran dan untuk validasi model–model teoritis dan simulasi. Selain itu,
analisis ketidakpastian dapat memberikan kontribusi nyata dalam merencanakan
penelitian–penelitian.
Analisis ketidakpastian digunakan untuk mengukur seberapa baik data
eksperimental mengambarkan nilai-nilai faktor gesekan aktual. Metode yang
diuraikan oleh R.J Moffat (1988) untuk ketidakpastian pengukuran sampel
tunggal digunakan untuk melakukan analisis. Persamaan dasar dalam analisis
ketidakpastian :
yu å = ÷øö
çè涶
±=n
i xiu
x
y1
2
(2.33)
dimana
y = variabel yang diukur/diinginkan
yu = ketidakpastian variabel yang diinginkan
ix = salah satu dari variabel-variabel terukur untuk mendapatkan nilai y
ixu = ketidakpastian ix
ixy
¶¶
= koefisien kepekaan (sensitivity coefficient) y terhadap ix
Variabel yang diukur sering tak dapat ditentukan secara langsung. Sebagai
gantinya, diukur kuantitas–kuantitas input yang menentukan nilai dari variabel
yang diukur. Jika terdapat n input kuantitas, nxxx ,....,, 21 , digambarkan hubungan
mereka terhadap variabel yang diukur, y, dengan hubungan fungsional.
y ( )nxxxf ,...,, 21= (2.34)
Ketika y tergantung pada angka sembarang dari kuantitas – kuantitas input,
seperti dalam persamaan 2.37, ketidakpastian ( )ixu i = 1, 2, …, n berpropagasi
ke dalam y menurut :
)(2 yu ( ) ( ) ( )÷÷
ø
ö
çç
è
æ÷÷ø
öççè
涶
++÷÷ø
öççè
涶
+÷÷ø
öççè
涶
±= nn
xuxy
xuxy
xuxy 2
2
22
2
21
2
2
1
...
(2.35)
ix ( i = 1, 2, …, n) tak terhubung satu sama lain. Jika 1=¶¶ ixy untuk semua i =
1, 2, …, n sehingga didapat :
)(2 yu ( ) ( ) ( )( )nxuxuxu 22
21
2 ...+++±= (2.36)
atau
)( yu ( ) ( ) ( )( )nxuxuxu 22
21
2 ...+++±=
(2.37)
Persamaan 2.40 menunjukkan bahwa )( yu adalah akar penjumlahan kuadrat
(root-sum-square) dari )(xu .
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
1. Lokasi dan Waktu Penelitian.
Penelitian dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan Panas
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta dimulai pada
bulan Agustus 2009 hingga bulan Maret 2010.
2. Bahan Penelitian
Pada penelitian ini bahan yang digunakan adalah :
1. Air Dingin
Gambar 3.1 Air dingin dalam bak penampung
2. Air Panas
Gambar 3.2 Air panas dalam bak penampung
3. Alat Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada skema
instalasi alat penelitian dan seksi uji pada gambar 3.3 dan 3.4, sedangkan foto
instalasi alat penelitian dapat dilihat pada gambar 3.5 dan 3.6.
Gambar 3.3 Skema instalasi alat penelitian
Gambar 3.4 Skema seksi uji alat penkar kalor saluran rektangular bercelah sempit
dengan titik-titik penempatan termokopel
Gambar 3.5 Foto instalasi alat penelitian tampak depan
Gambar 3.6 Foto instalasi alat penelitian tampak belakang
Spesifikasi alat penelitian
a. Penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
1) Kontruksi : penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger)
atau double tube heat exchanger satu laluan dengan bentuk penampang kedua
pipa adalah segiempat (rectangular).
2) Bahan tube :
· inner tube : aluminium
· outer tube : aluminium
3) Dimensi :
· inner tube : panjang sisi luar 18,4 mm, panjang sisi dalam 17,4 mm
· outer tube : panjang sisi luar 24,68 mm, panjang sisi dalam 23,68 mm
· panjang inner dan outer tube : 1620 mm
· lebar celah : 2,64 mm
· diameter hidrolik : 5,28 mm
4) Pola aliran : counterflow (aliran berlawanan arah)
· inner tube : aliran air panas ke atas (upward)
· outer tube/ saluran rektangular bercelah sempit : aliran air dingin ke
bawah (downward).
5) Instrumentasi dan alat tambahan :
· Termokopel tipe T.
Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan
keluar penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas dapat dilihat
pada gambar 3.7 berikut ini:
Posisi Termokopel
Lem
Ujung Termokopel
Pipa
Gambar 3.7 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air.
Gambar 3.8 Termokopel tipe T
(a) (b)
Gambar 3.9 (a) Lem Araldite ; (b) Konektor termokopel
· Flange
Flange terbuat dari bahan nilon yang dipasang pada bagian ujung-ujung
dari alat penukar kalor yang berfungsi untuk menyangga pipa bagian dalam
dan pipa bagian luar agar konsentrik (sehingga lebar celah saluran seragam.)
Selain itu juga berfungsi sebagai tempat saluran masuk dan saluran keluar dari
air dingin.
Gambar 3.10 Flange
· Isolator
Dinding luar dari outer tube ini diisolasi untuk mencegah kehilangan
panas (heat loss) ke lingkungan. Bahan isolasi adalah termoplex isolator.
b. Display Termokopel /Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan/membaca temperatur yang diukur
oleh sensor termokopel.
Gambar 3.11 Display Termokopel
c. Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal digunakan untuk mengalirkan air dari bak air masuk ke
dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa.
Tabel 3.1. Spesifikasi teknik pompa DAB
Model Aqua 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis )
Daya hisap 9 meter Voltage 110 V 220 V
Daya dorong 15 meter Output 125 Watt
Total Head 24 meter
Motor
Amper
220 V 1,4 Ampere
Pompa
Kapasitas Max 37 ltr/min WINDING CLASS B MOTOR PROTECTOR
INCORPORATED
Gambar 3.12 Pompa Sentrifugal
d. Bak penampung atas
Bak penampung atas digunakan agar aliran air yang masuk ke dalam narrow
annulus dalam kondisi steadi. Bak ini dilengkapi dengan saluran overflow untuk
menjaga ketinggian air agar tetap sama tiap variasi debit aliran, sehingga aliran air
yang masuk ke bagian celah sempit di penukar kalor stedi.
Gambar 3.13 Bak penampung atas
e. Pipa – pipa saluran air
Pipa – pipa saluran air ini berasal dari bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan
digunakan untuk mempermudah aliran air masuk ke dalam alat penukar kalor.
f. Stop kran
Stop kran ini dari bahan kuningan yang digunakan untuk mengatur debit
dari aliran air, dan diletakkan pada sisi keluaran seksi uji.
Gambar 3.14 Stop kran
g. Ball valve
Ball valve ini digunakan untuk mengatur arah dari aliran air baik itu untuk
arah aliran vertikal maupun horisontal dari penukar kalor.
(a) (b)
Gambar 3.15 (a) Stop kran dan (b) Ball valve
h. Thermocontroller dan Relay
Thermocontroller dan Relay digunakan untuk mengontrol temperatur dari
air panas yang akan masuk ke seksi uji agar konstan.
Gambar 3.16 (a) Thermocontroller, (b) Relay/contactor
i. Pemanas (Heater)
Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam bak penampung.
Pemanas yang digunakan berjumlah 14 buah dengan total daya yang dipakai
adalah 9700 Watt.
Gambar 3.17 Electric heater
j. Manometer
Manometer berfungsi untuk mengukur perbedaan tekanan di dua titik yang
berlawanan yaitu tekanan masuk dan keluar celah sempit. Manometer yang
digunakan manometer kolom cairan bentuk pipa U yang diisi dengan fluida
berupa air.
Gambar 3.18 Manometer U
k. Penjebak Air
Berfungsi untuk menetralkan manomemeter, agar air dari saluran celah
sempit tak masuk ke manometer.
Gambar 3.19 Penjebak air
l. Timbangan Digital
Digunakan untuk menimbang massa air keluar dari seksi uji dalam selang
waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air.
Gambar 3.20 Timbangan digital
m. Stopwatch
Digunakan untuk mencatat waktu pengukuran massa tertentu dengan
menggunakan gelas ukur untuk mengetahui laju aliran massa air.
Gambar 3.21 Stopwatch
4. Prosedur Penelitian
Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data adalah sebagai berikut :
3.4.1 Tahap Persiapan
1) Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam
pengujian, seperti : pompa sentrifugal, seksi uji, termostat, heater,
manometer, tandon air dingin dan alat pendukung lainnya.
2) Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat percobaan 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 cairan dalam manometer adalah sama.
5)
3.4.2 Tahap Pengujian
· Tanpa Pertukaran Kalor (Without Heat Exchange)
1) Menyalakan pompa air panas dan pompa air dingin
2) Mengatur debit aliran air dalam inner tube sehingga alirannya konstan.
3) Mengatur debit aliran air yang akan masuk ke saluran rektangular
bercelah sempit dengan cara mengatur bukaan katup pengatur debit aliran
air dingin.
4) Memastikan bahwa air yang masuk dan keluar saluran rektangular
bercelah sempit dalam kondisi kembang penuh yang ditandai dengan
tidak adanya gelembung udara dalam selang air yang masuk dan keluar
saluran sempit.
5) Mengukur laju aliran massa yang keluar dari saluran rektangular bercelah
sempit dengan menggunakan timbangan digital dan stopwatch serta
mencatat data temperatur pada titik - titik pengukuran setiap 10 menit
hingga 1 jam.
6) Mengukur beda ketinggian permukaan cairan pada manometer setiap 10
menit hingga 1 jam seiring pengukuran debit air yang keluar dari saluran
sempit.
7) Mengulangi langkah 2 sampai 6 untuk variasi debit aliran berikutnya
hingga diperoleh sejumlah ± 35 variasi debit aliran.
8) Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit
kelistrikan.
9) Menganalisa data hasil percobaan.
· Dengan Pertukaran Kalor (With Heat Exchange)
1) Menyalakan heater dan menyetel thermocontroller pada temperatur
60oC.
2) Menyalakan pompa air panas dan pompa air dingin.
3) Mengatur debit aliran air dalam inner tube sehingga alirannya konstan.
4) Mengatur debit aliran air dingin yang akan masuk ke saluran rektangular
bercelah sempit dengan cara mengatur bukaan katup pengatur aliran air
dari tandon air dingin (diatur sama dengan percobaan tanpa pertukaran
kalor).
5) Memastikan bahwa air yang masuk dan keluar saluran sempit dalam
kondisi kembang penuh yang ditandai dengan tidak adanya gelembung
udara dalam selang air yang masuk dan keluar saluran sempit.
6) Mencatat seluruh data temperatur setiap 10 menit hingga temperatur pada
setiap titik-titik pengukuran temperatur dinding luar inner tube tersebut
mencapai kondisi tunak (steady state).
7) Menghitung debit air yang keluar dari saluran sempit dengan bantuan
timbangan,kalkulator, dan stopwatch setiap 10 menit hingga mencapai
kondisi tunak.
8) Mengukur beda ketinggian permukaan cairan pada manometer setiap 10
menit hingga mencapai kondisi tunak.
9) Menetralkan alat uji untuk pengambilan data variasi debit aliran air
dingin berikutnya.
10) Mengulangi langkah 2 sampai dengan 9 untuk variasi debit aliran
berikutnya hingga diperoleh sejumlah ± 35 variasi debit aliran
11) Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit
kelistrikan.
12) Menganalisa data hasil percobaan.
5. Analisis Data
Dari data yang telah diperoleh, selanjutnya dapat dilakukan analisis data
yaitu dengan melakukan perhitungan terhadap :
· Bilangan Reynolds (Re)
· Faktor gesekan (f)
· Bilangan Poiseuille ( Po )
Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa temperatur air masuk dan
keluar saluran rektangular bercelah sempit, laju aliran massa air di saluran
rektangular bercelah sempit, dan beda ketinggian fluida di manometer (∆h) , dapat
dihitung perbedaan temperatur sisi masuk dan keluar saluran rektangular bercelah
sempit (∆T), bilangan Reynolds (Re), bilangan Poiseuille (Po), dan faktor gesekan
(f). Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik-grafik hubungan f-Re, Po-Re
dan hubungan matematis yang selanjutnya dapat digunakan untuk analisa
karakteristrik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) dalam
penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit dengan atau tanpa pertukaran
kalor.
6. Diagram alir penelitian
Mulai
Persiapan : Penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit
Variasi : · Tanpa pertukaran kalor, dengan variasi bilangan Reynolds di dalam
celah sempit · Dengan pertukaran kalor, temperatur air di dalam inner tube dijaga pada
60oC, dan dengan variasi bilangan Reynolds di sisi celah sempit
Pengambilan data: Beda ketinggian cairan dalam manometer pada sisi celah sempit dan temperatur air masuk dan keluar celah sempit.
Analisa data: · Perbedaan temperatur air masuk dan
keluar celah sempit ( TD ) · Bilangan Reynolds (Re) · Bilangan Poiseuille (Po) · Faktor gesekan (f)
Hasil analisa data : Karakteristik aliran air fasa tunggal aliran air
vertikal ke bawah (downward) dengan atau tanpa pertukaran kalor di pada penukar kalor saluran
rektangular bercelah sempit
Kesimpulan
Selesai
