LAPORAN AKHIR UNGGULAN KOMPETITIF UNIVERSITAS SRIWIJAYA KARAKTERISTIK ALIRAN NANO FLUIDA TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS Ketua : Astuti, ST, MT (NIDN : 0008107204) Anggota : Dr. RR. Sri Poernomo Sari, ST, MT (NIDN : 0304017205) Anggota : Ismail Thamrin, ST, MT (NIDN : 0002097104) Dibiayai oleh : Anggaran DIPA Badan Layanan Umum Universitas Sriwijaya tahun anggaran 2018 No. 042.01.2.400953/2018 tanggal 05 Desember 2017 Sesuai dengan Kontrak Penelitian Unggulan Kompetitif Universitas Sriwijaya Nomor : 0007/UN9/SK.LP2M.PT/2018 Tanggal 6 Juni 2018 UNIVERSITAS SRIWIJAYA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK NOVEMBER 2018
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LAPORAN AKHIR
UNGGULAN KOMPETITIF UNIVERSITAS SRIWIJAYA
KARAKTERISTIK ALIRAN NANO FLUIDA TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS
Ketua : Astuti, ST, MT (NIDN : 0008107204) Anggota : Dr. RR. Sri Poernomo Sari, ST, MT (NIDN : 0304017205)
Anggota : Ismail Thamrin, ST, MT (NIDN : 0002097104)
Dibiayai oleh : Anggaran DIPA Badan Layanan Umum
Universitas Sriwijaya tahun anggaran 2018 No. 042.01.2.400953/2018 tanggal 05 Desember 2017
Sesuai dengan Kontrak Penelitian Unggulan Kompetitif Universitas Sriwijaya Nomor : 0007/UN9/SK.LP2M.PT/2018
Tanggal 6 Juni 2018
UNIVERSITAS SRIWIJAYA JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK NOVEMBER 2018
HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR
PENELITIAN UNGGULAN KOMPETITIF UNIVERSITAS SRIWIJAYA ________________________
1. Judul Penelitian : Karakteristik Aliran Nano Fluida Terhadap Koefisien Perpindahan Panas
2. Bidang Penelitian : Rekayasa/Keteknikan 3. Ketua Peneliti :
a. Nama Lengkap : Astuti, ST, MT b. Jenis Kelamin : Perempuan c. NIP : 197210081998022001 d. Pangkat dan Golongan : Penata/IIIc e. Jabatan Struktural : Tidak ada f. Jabatan Fungsional : Lektor g. Perguruan Tinggi : Universitas Sriwijaya h. Fakultas/Jurusan : Teknik/Teknik Mesin i. Alamat Kantor : Jurusan Teknik Mesin Unsri Indralaya j. Telepon/Fax : 0711-580272 k. Alamat Rumah : Jl. Limbungan No. 129/22 RT 007 RW 002 Bukit Kecil Plg l. Telepon/HP/Fax/E-mail : 08117891810 / [email protected]
4. Jangka Waktu Penelitian : 2 tahun 5. Biaya Tahun pertama : Rp. 70.000.000,- 6. Jumlah yang diajukan : Rp.70.000.000,-
Mengetahui, Indralaya, 28 November 2018
Dekan Fakultas Teknik Ketua Peneliti, Prof. Ir. Subriyer Nasir, MS., Ph.D. Astuti, ST, MT NIP. 196009091987031004 NIP. 197210081998022001
Menyetujui, Ketua Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat
Prof. Drs. Tatang Suhery, M.A., Ph.D.
NIP. 195904121984031002
IDENTITAS PENELITIAN
1. Judul Penelitian : Karakteristik Aliran Nanofluida Terhadap Koefisien Perpindahan Panas 2. Ketua Peneliti
(a) Nama Lengkap : Astuti, ST, MT (b) Bidang Keahlian : Konversi Energi
3. Anggota Peneliti No Nama dan Gelar Keahlian Institusi CurahanWaktu
(Jam/ minggu)
1 2.
Dr. RR. Sri Poernomosari, ST, MT Ismail Thamrin, ST, MT
Konversi Energi Konversi Energi
Univ. Gunadarma Univ. Sriwijaya
15
15
4. Isu Strategis :Perkembangan nano teknologi maju pesat dan aplikasinya hampir di semua bidang 5. Topik Penelitian :Energi 6. Objek Penelitian (jenis material yang akan diteliti dan segi penelitian) :
Mencari kinerja yang optimum dari suatu model perpindahan panas dengan fluida nano 7. Lokasi Penelitian : Laboratorium Fenomena Dasar Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sriwijaya Inderalaya Ogan Ilir 8. Hasil yang ditargetkan (beri penjelasan) :Dapat mengetahui kinerja alat yang di teliti / didesain 9. Institusi lain yang terlibat : Tidak ada 10. Sumber biaya lain : Tidak ada
ABSTRAK Nanofluida merupakan fluida yang terdispersi dari nanopartikel padat yang sangat halus dan merupakan larutan yang mengandung nano partikel dengan ukuran 1-100 nm dalam fluida dasar. Partikel nano biasanya terbuat dari logam yang secara kimia stabil, oksida logam atau karbon dalam berbagai bentuk.Ukuran dari partikel nano memberikan karakteristik yang unik terhadap fluida, termasuk peningkatan energi, momentum dan perpindahan kalor serta mengurangi kecenderungan dari pengendapan dan erosi dari permukaan. Nanofluida memiliki karakteristik termal yang lebih baik dibandingkan dengan fluida konvensional (air). Berkaitan dengan hal tersebut, saat ini sedang berkembang pemikiran untuk menggunakan nanofluida sebagai fluida perpindahan panas alternatif. Heat exchanger digunakan untuk memindahkan panas dari fluida berlawanan arah yang bertemperatur lebih tinggi menuju fluida yang bertemperatur lebih rendah. Tujuan penelitian ini menganalisis karakteristik aliran nanofluida terhadap nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada heat exchanger (penukar kalor). Analisa dilakukan dengan membandingkan fluida pendingin jenis nanofluida TiO2 (Titanium Dioksida) dengan air murni berdasarkan grafik koefisien perpindahan panas. Nilai koefisien konveksi akan diperoleh dari nilai bilangan Reynolds dan bilangan Nusselt. Penambahan konsentrasi nanopartikel pada fluida air diharapkan mampu meningkatkan nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada heat exchanger. Fluida pendingin nanofluida dengan perbandingan konsentrasi 0,5% dan 1%. Pipa untuk fluida panas terbuat dari kuningan (brass), panjang 1200 mm, tebal 1 mm, diameter luar 31,7 mm dan diameter dalam 29,7 mm. Pipa untuk fluida pendingin terbuat dari stainless steel, panjang 1000 mm, tebal 2 mm, diameter luar 101,7 mm dan diameter dalam 97,7 mm. Temperatur dikontrol 95°C untuk fluida panas dan 28°C untuk fluida pendingin. Debit aliran dijaga konstan.
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kemajuan teknologi industri saat ini yang makin meningkat akan memberikan dampak
di dalam dunia industri. Industri yang memanfaatkan fenomena perpindahan panas
memanfaatkan teknologi yang mampu meningkatkan produktifitas dan efisiensi. Dunia
industri memanfaatkan fenomena perpindahan panas untuk suatu proses perpindahan panas
dengan menggunakan alat yang disebut alat penukar panas atau heat exchanger.
Salah satu tipe dari heat exchanger yang banyak dipakai adalah double pipe. Heat
exchanger jenis ini memiliki desain yang sederhana, dengan pipa lurus kedepan dimana
terdapat 2 pipa yang masing-masing pipa kecil pada bagian dalam dan pipa besar pada
bagian luarnya. Heat exchanger jenis ini biasanya digunakan untuk pekerjaan-pekerjaan
kecil karena memiliki fleksibilitas, yakni mudah didesain sesuai kebutuhan dari bentuk
maupun aliran fluidanya.
Klasifikasi aliran pada heat exchanger ini dapat dibedakan menjadi parallel flow,
counter flow dan crossflow. Ketiganya ini dibedakan menurut arah alirannya dimana untuk
parallel flow kedua aliran fluida nya masuk dan keluar pada sisi yang sama dan tidak
bercampur. Untuk yang counter flow arah kedua aliran fluidanya sejajar namun berlawanan
arah dan tidak bercampur. Sedangkan untuk crossflow arah kedua alirannya saling tegak
lurus namun tidak bercampur.
Dari ketiga jenis aliran ini idealnya yang paling efektif yakni dengan arah counter
flow. Hal ini dikarenakan perbedaan suhu di seluruh dinding penukar cross section yang
terendah, menghasilkan tegangan thermal minimum pada dindingnya dibandingkan dengan
arah aliran lainnya.
Dalam aliran tersebut pada fluida pendinginnya digunakan nanofluida TiO2.
Nanofluida merupakan cairan yang mengandung partikel berukuran nanometer yang
disebut nano partikel. Cairan ini merupakan suatu rekayasa dengan adanya kemajuan
teknologi saat ini.
B. Tujuan Khusus Penelitian
1. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan nilai koefisien perpindahan panas dari alat
pemodelan penukar kalor jenis double pipe dengan menggunakan material jenis brass
sebagai pipa dalam ditinjau dari pengaruh laju aliran dan perubahan bilangan Reynolds.
2. Membandingkan nilai koefisien konveksi antara pendingin air murni dengan nanofluida
TiO2 (Titanium Dioksida) konsentrasi 0,5% dan 1% dari grafik hasil olah data.
BAB II. PETA JALAN PENELITIAN
Tahun PETA JALAN
2015 Pengaruh Nanofluida TiO2 Terhadap Nilai Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Counterflow Heat Exchanger
2016 Numerical Analysis of Shell and Tube Heat Exchangers with Segmental and Helical Baffle
2017 Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode yang sudah ada sebelumnya (riset pendahulu) pencampuran
konvensional
2017 Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode yang sudah ada sebelumnya (riset pendahulu) pencampuran
konvensional dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran
2018 Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel
nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi
2018 Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel
nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran + segitiga
2019
Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran + segitiga
+ bujursangkar
2019
Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran + segitiga
+ bujursangkar variasi 2 proses sonifikasi
2020
Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran + segitiga
+ bujursangkar variasi 2 proses sonifikasi
2021
Mencari koefisien konveksi nanofluida dengan menggunakan karakteristik partikel nanofluida dari metode numerik dan metode pencampuran nanofluida dengan proses sonifikasi dengan double pipe heat exchanger pipa penampang lingkaran + segitiga
+ bujursangkar variasi 3 proses sonifikasi
BAB III. STUDI PUSTAKA
Pendinginan atau pemanasan fluida adalah suatu kebutuhan yang utama dalam dunia
industri. Sifat-sifat termal dari fluida memegang peran yang penting didalam perkembangan
efisiensi energi peralatan perpindahan kalor. Tetapi fluida perpindahan kalor seperti air,
ethylene glycol dan minyak mesin memiliki sifat-sifat perpindahan kalor yang sangat rendah
dibandingkan dengan benda padat.
Perkembangan saat ini dalam teknologi nano telah menciptakan suatu kelas fluida baru
disebut nanofluida, yang muncul sebagai fluida yang memiliki potensi yang besar untuk
aplikasi pendinginan. Istilah nanofluida berarti dua campuran fase dimana fase yang biasanya
cairan dan fase yang terdispersi terdiri dari nano partikel padat yang sangat halus, berukuran
lebih kecil daripada 100 nm[1].
Perkembangan teknologi material telah mampu memproduksi partikel dalam ukuran
nano meter sehingga diharapkan partikel yang dicampurkan dalam fluida cair akan
tersuspensi lebih baik, seperti dilakukan oleh Choi[2] yang mencampurkan partikel CuO dan
Al2O3 dalam ukuran nano meter dengan fluida cair diantaranya air dan ethylene. Dari hasil
penelitian diperoleh peningkatan perpindahan kalor konduksinya sebesar 20%.
Lalu Eastman,et.al[3] menyatakan dari hasil penelitiannya diperoleh peningkatan sebesar
40% pada konduktivitas termal hanya dengan menambahkan 0.3% partikel Cu pada ethylene
glycol.
Dalam dunia industri fenomena perpindahan panas dimanfaatkan untuk keperluan proses
perpindahan panas dalam melakukan suatu keperluan tertentu dengan menggunakan suatu alat
yang biasa disebut sebagai alat penukar panas atau heat exchanger. Heat exchanger
merupakan alat yang digunakan sebagai media untuk memindahkan panas dari fluida yang
bertemperatur lebih tinggi menuju fluida yang bertemperatur lebih rendah.
Dalam aplikasinya alat ini digunakan untuk menaikkan maupun menurunkan temperatur
dan mengubah fase fluida. Heat exchanger yang digunakan pada penelitian ini adalah heat
exchanger tipe counterflow yang merupakan pola aliran paling efisien. Tipe ini akan
memberikan koefisien perpindahan panas tertinggi keseluruhan untuk desain penukar panas
pipa ganda.
Hal ini berbeda untuk penukar panas tradisional, khususnya penukar panas shell and
tube[4][5]. Perpindahan panas yang dihitung dalam tabung melingkar dipelajari oleh regers
dan mayhew[6]. Alat uap panas, temperatur yang tinggi seragam dinding tidak diperoleh
terutama disebabkan oleh distribusi kondensat uap atas permukaan coil[7].
Pada aliran sepenuhnya dikembangkan dalam curved pipa dengan fluks panas yang
seragam untuk jumlah temperatur besar[8]. Aliran dan temperatur dipelajari dengan
eksperimen. Aliran dibagi menjadi dua bagian, lapisan batas kecil dekat dinding pipa dan
wilayah inti besar yang membuat aliran yang tersisa.
A. Perpindahan Panas
Perpindahan kalor atau alih bahang (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material.
Dari ilmu termodinamika kita telah mengenal bahwa energi yang dipindahkan itu disebut kalor
atau bahang atau panas (heat). Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba menjelaskan
bagaimana kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, melainkan juga dapat
meramalkan laju perpindahan kalornya pada kondisi-kondisi tertentu.
1. Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi ini juga sering disebut perpindahan panas secara
hantaran. Jika suatu benda terdapat gradient suhu, maka menurut pengalaman akan terjadi
perpindahan energi dari bagian yang memiliki suhu lebih tinggi ke bagian yang memiliki suhu
lebih rendah. Kita katakan bahwa energi berpindah secara konduksi atau hantaran dan bahwa
laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradient suhu normal:
!"~%
&'&(
jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan
kesebandingan, maka :
! = −%"&'&(
Dimana: q : laju perpindahan kalor (J/s)
!"
!#
: gradient suhu kea rah perpindahan kalor (°C/m)
K : konduktifitas termal (W/m.°C)
A : luas penampang (m²)
Dalam perhitungan nilai konduksi suatu bahan seperti yang digunakan pada formula
sebelumnya maka terlebih dahulu harus diketahui nilai konduktifitas termalnya. Nilai
konduktifitas termal bergantung kepada bahan atau zatnya, berikut ini beberapa nilai
konduktifitas termal beberapa zat:
a. Nilai konduktifitas termal beberapa gas
Gambar 1. Nilai Konduktifitas Termal Beberapa Gas
b. Nilai konduktifitas termal beberapa logam
Gambar 2. Nilai Konduktifitas Termal Beberapa Logam
2. Perpindahan Panas Konveksi
Jika suatu plat logam panas ditaruh di depan kipas angin akan mengalami pendinginan
lebih cepat jika dibandingkan plat tersebut dibiarkan di udara terbuka, panas tersebut di ilikan,
inilah yang disebut dengan perpindahan panas secara konveksi atau ilian. Fenomena
perpindahan panas secara sederhana dapat dirumuskan:
! = ℎ"('- − '∞)
Dimana:
h : koefisien konveksi (W/m².°C)
A : luas penampang (m²)
Tw : suhu bahan/material (°C)
T∞ : suhu media pengantar (contoh: fluida)
Jika sebuah plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber
gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradient densitas di
sekitar plat itu, fenomena ini disebut sebagai konveksi alamiah (natural convection) atau
konveksi bebas (free convection), sedangkan jika udara itu dihembuskan oleh kipas pada plat
tersebut maka keadaan ini disebut sebagai konveksi paksa (forced convection). Perpindahan
kalor secara konveksi dapat diilustrasikan dari gambar berikut.
Gambar 3. Perpindahan Panas Konveksi
B. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Sejauh ini telah dibahas bagaimana panas berpindah dari suatu daerah ke daerah lain.
Penjelasan dan rumus-rumus di pembahasan sebelumnya akan di gunakan sebagai pendukung
dalam perhitungan-perhitungan dalam perpindahan panas, yang umumnya perpindahan panas
ini digunakan dalam berbagai bidang dalam kehidupan. Alat yang umum digunakan ini disebut
sebagai Heat Exchanger. Heat Exchanger atau alat penukar kalor ini adalah suatu device yang
digunakan untuk melakukan perpindahan panas dari dua atau lebih fluida baik dibatasi oleh
suatu dinding padat maupun terjadinya kontak langsung antara kedua fluida tersebut.
plant). Seperti yang dijelaskan di atas bahwa panas berpindah dari suatu fluida ke fluida lain
dengan pembatas suatu dinding padat, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah ini:
Jenis-jenis Penukar Kalor
1. Penukar Kalor Pipa Ganda
Alat penukar kalor jenis ini memiliki konstruksi cukup sederhana dengan sebuah pipa
kecil dibagian dalam dan satu buah pipa besar dibagian luar, seperti yang dapat dilihat dari
gambar berikut:
Gambar 4. Penukar Kalor Pipa Ganda (double pipe)
2. Heat Exchanger Shell and Tube
Heat exchanger jenis ini memiliki konstruksi dengan beberapa buah pipa kecil pada
bagian dalam yang biasa disebut dengan shell dengan beberapa pembatas untuk mengatur arah
alirannya yang biasanya disebut dengan baffle kemudian sebuah pipa besar di bagian luar,
seperti yang dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 5. Penukar Kalor jenis shell and tube
3. Heat Exchanger Jenis Coil
Heat exchanger jenis ini memiliki konstruksi yaitu koil, yang berupa gulungan logam
yang dibagian dalamnya dapat dilewati fluida, dapat dilihat dari gambar berikut.
Gambar 6. Penukar Kalor Jenis Koil
4. Heat Exchanger Jenis Cross-Flow
Penukar kalor jenis ini memiliki arah masuk aliran yang bersilangan satu sama lain,
seperti yang dapat dilihat dari gambar berikut.
Gambar 7. Penukar Kalor jenis Cross Flow
5. Penukar Kalor Jenis Kompak
Penukar kalor jenis ini sangat cocok untuk penerepan dalam aliran gas dimana nilai
koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) adalah rendah dan diperlukan luas yang besar
dalam volume yang kecil, dapat dilihat dari gambar berikut.
Gambar 8. Penukar Kalor Jenis Kompak
Setelah mengetahui beberapa jenis Heat Exchanger berdasarkan beberapa kategori,
selanjutnya pembahasan akan lebih ditekankan pada Heat Exchanger jenis Counter Flow dan
Parallel Flow. Parallel flow memiliki aliran yang sejajar antara aliran fluida pada pipa bagian
luar dan pipa bagian dalam. Sedangkan pada counter flow memiliki arah aliran yang
menyilang antara pipa bagian luar dan bagian dalam. Untuk perbedaan distribusi suhu dari
kedua jenis aliran tersebut dapat dilihat dari gambar berikut.
Gambar 9. Profil suhu (a) Parallel Flow (b) Counter Flow
Untuk mengetahui perbedaan suhu pada masing-masing aliran di atas, dapat digunakan rumus:
Untuk aliran parallel flow : ΔT1 = Th in-Tc in
ΔT2 = Th out- Tc out
Untuk aliran counter flow: ΔT1 = Th in-Tc out (2-1)
ΔT2 = Th out-Tc in (2-2)
C. Kesetimbangan Energi
Kapasitas kalor atau kapasitas panas adalah besaran terukur yang menggambarkan
banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat atau benda sebesar jumlah
tertentu. Kapasitas kalor biasanya dilambangkan dengan C dengan satuan J/Kg. °K. Kapasitas
kalor pada sebagian besar sistem tidaklah konstan, namun bergantung pada kondisi
termodinamika. Kapasitas panas bergantung pada temperatur, tekanan, volume dari sistem itu
sendiri.
D. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Aliran Fluida
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi aliran fluida dalam pipa diantaranya: nilai
debit aliran, kecepatan aliran, viskositas atau kekentalan fluida, densitas fluida, dan lain-lain.
1. Debit Aliran
Debit adalah perbandingan antara nilai volume fluida yang mengalir (m³) terhadap
satuan waktu (detik). Persamaannya dapat dituliskan:
Q = !" (2-5)
Dimana: V : Volume (m³)
t : waktu (s)
Q : Debit (m³/s)
2. Kecepatan Aliran Fluida
Kecepatan alir fluida dalam adalah kemampuan fluida berpindah didalam dengan
satuan m/s. kecepatan dapat dirumuskan sebagai berikut:
v = #$ (2-6)
dimana: V : Kecepatan aliran (m/s)
Q : Debit aliran (m³/s)
A : Luas Penampang (m²)
3. Viskositas atau Kekentalan Fluida
Viskositas atau kekentalan fluida adalah kemampuan tahanan suatu fluida terhadap
tegangan geser yang terjadi pada fluida tersebut. Viskositas ini secara umum terbagi menjadi
dua yaitu viskositas dinamis (µ) dan viskositas kinematis (ʋ).
4. Densitas Fluida
Densitas atau massa jenis fluida adalah perbandingan antara massa fluida terhadap
volume yang ditempati atau dilewati. Densitas ini biasanya dilambangkan dengan ρ (kg/m³).
0 =12 (%3/1³)
E. Parameter Tak Berdimensi
Dalam menentukan nilai dari koefisien perpindahan kalor konveksi perlu diperhatikan
beberapa parameter tak berdimensi (dimensionless parameter). Sejumlah besar parameter
dibutuhkan untuk menjelaskan perpindahan kalor dan dapat dikelompokkan bersama untuk
membentuk suatau nilai.
1. Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah parameter tidak berdimensi untuk menentukan apakah aliran
yang terjadi laminar atau turbulen yang tergatung dari besarnya bilangan tersebut. Untuk
mengetahui sifat dari aliran tersebut laminer atau turbulen ditunjukkan dengan bilangan
Reynolds (Re) yang dituliskan dalam persamaan sebagai berikut :
67 = $&'
8 =1̇"
Sehingga bilangan Reynolds dapat ditulis:
67 = (̇&
*+
= ,(̇
&*
(2-7)
Keterangan :
Re = Bilangan Reynolds
ṁ = laju aliran massa (kg/s)
A = luas penampang pipa (m²)
D = Diameter pipa (m)
: = Viskositas dinamis fluida (kg/m.s)
2. Bilangan Nusselt
Bilangan Nusselt (Nu) yang dapat didefinisikan sebagai rasio perpindahan kalor
konveksi fluida dengan perpindahan kalor konduksi fluida dalam kondisi yang sama. Sehingga
bilangan Nusselt adalah :
;< = ℎ=%
Keterangan :
Nu = Bilangan Nusselt
h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m- °C)
D = Diameter pipa (m)
k = Konduktivitas termal (W/m °C)
3. Bilangan Prandlt
Bilangan Prandlt merupakan rasio kinematik viskositas (ν) fluida dengan difusivitas
kalor (α) konveksi karena kedua besaran ini menghubungkan distribusi kecepatan dan
distribusi suhu.
Bilangan Prandlt adalah besaran tak berdimensi apabila kita menggunakan perangkat
satuan yang konsisten :
?@ = ./
= ' 0⁄
2 03!⁄
= 3!'2
(2-9)
Keterangan :
Pr = Bilangan Prandlt
A = Viskositas kinematik (m-/s)
B = Difusivitas termal (m-/s)
: = Viskositas dinamik (kg/m s)
C4 = Kalor spesifik pada tekanan (kJ/kg °C)
k = Konduktivitas termal (kW/m °C)
F. Koefisien Konveksi
Koefisien konveksi digunakan dalam perhitungan pindah panas konveksi atau
perubahan fase antara padat dan cair. Koefisien konveksi banyak dimanfaatkan dalam ilmu
termodinamika dan mekanika serta ilmu kimia. Satuan untuk koefisien konveksi ini adalah
Watt per meter persegi per celcius (W/m².°C). Salah satu cara yang banyak digunakan dalam
perhitungan koefisien konveksi adalah dengan membagi hasil perkalian bilangan Nusselt
(yaitu bilangan tak berdimensi) dengan konduktifitas termal dengan diameter pipa. Secara
matematis dapat dirumuskan sebagai berikut:
ℎ = 56&
7
(2-10)
Keterangan:
h : Koefisien konveksi (W/m².°C)
Nu : Bil. Nusselt
K : Konduktifitas termal (W/m. °C)
G. Laju Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor
Pada dasarnya laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor dapat di hitung dengan
rumus :
D = E. ". ∆'(
Sehingga dari persamaan diatas dapat diartikan ada 3 hal yang mempengaruhi
perpindahan kalor pada alat penukar kalor, yaitu :
1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U)
Semakin besar koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U), maka laju perpindahan
kalor yang terjadi antara dua fluida juga semakin besar. Koefisien perpindahan kalor
menyeluruh adalah penjumlahan dari seluruh koefisien perpindahan kalor yang meliputi
koefisien perpindahan kalor secara konduksi, koefisien perpindahan kalor secara konveksi dan
koefisien perpindahan kalor secara radiasi.
Gambar 10. Analogi tahanan untuk silinder berlubang dengan kondisi batas konveksi
2. Luas Permukaan Perpindahan Kalor (A)
Semakin luas permukaan heat exchanger maka semakin besar pula laju perpindahan
laju perpindahan kalor dan juga tergantung pada diameter dalam pipa. Luas penampang alat
penukar kalor secara konveksi tidaklah sama untuk kedua fluida. Luas bidang ini tergantuung
pada diameter dalam dan tebal pipa.
a. Menghitung luas perpindahan kalor (A)
Luas permukaan perpindahan kalor pada permukaan dalam pipa (A8)
"9= I=
9J
Luas permukaan perpindahan kalor pada permukaan luar pipa (A:)
";= I=
;J
b. Menghitung luas permukaan kalor total (A<:<=>
)
! = E;"?;?@A
K∆'B"C&
maka
"?;?@A
=!
E;K∆'
B"C&
Keterangan :
"; = Luas permukaan luar total, dalam (m-)
"9 = Luas permukaan dalam total, dalam (m-)
=9 = Diameter pipa bagian dalam (m)
=; = Diameter pipa bagiam luar (m)
L = Panjang pipa (m)
E; = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan pipa luar (W/m-
°C)
F = Faktor Koreksi
∆'B"C&
= Beda temperatur rata-rata log
3. Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (LMTD)
Semakin besar beda temperatur rata-rata antara fluida maka semakin besar pula laju
perpindahan kalornya. Temperatur fluida di dalam penukar kalor pada umumnya tidak
konstan, tetapi berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu kalor mengalir dari fluida
yang panas ke fluida yang dingin. Untuk tahanan termal yang konstan, laju aliran panas akan
berbeda-beda sepanjang lintasan alat penukar kalor, karena harganya tergantung pada beda
temperatur antara fluida yang panas dan fluida dingin pada penampang tertentu.
Profil temperatur untuk aliran sejajar dan aliran lawan arah dalam penukar kalor pipa
ganda, menunjukan bahwa beda temperatur antara fluida masuk dan pada waktu keluar tidak
sama. Maka perlu ditentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam persamaan, yaitu :
! = E"('D-−'
E-) − ('
DF−'
EF)
ln('D-−'
E-)/('
DF−'
EF)
Bahwa beda temperatur rata-rata merupakan pengelompokkan suku-suku dalam
kurung, sehingga diperoleh :
∆'(= (""#H"$%)H(""%H"$#)
>J(""#H"$%)/(""%H"$#)
Beda temperatur ini disebut beda temperatur rata-rata log (Log Mean Temperature
Difference). Dengan kata lain beda temperatur pada salah satu ujung penukar kalor dikurangi
beda temperatur pada ujung yang satu dibagi dengan logaritma alamiah dari perbandingan
kedua beda temperatur tersebut.
H. Nanofluida TiO2
Nanofluida adalah material atau partikel yang berukuran nano yang tercampur atau
tersuspensi koloid didalam fluida dasar baik air maupun zat cair lainnya. Nanopartikel dalam
nanofluida ini dapat berupa logam, oksida, karbon nanotube dan karbid. Sedangkan fluida
dasar yang digunakan biasanya adalah air, minyak, dan etilen glikol. Karakteristik dari
nanofluida yang cukup bagus ini memungkin nanofluida digunakan dalam banyak hal dibidang
heat transfer atau perpindahan panas, seperti: mesin hibrid, mikroelektronik, sistem pendingin
pada mesin, dan lain-lain.
Titanium dioksida atau juga biasa dikenal dengan titania adalah oksida titanium dengan
rumus kimia TiO2. Umumnya oksida ini bersumber dari ilmenite, rutile, dan anatase. Titanium
dioksida memiliki titik lebur 1.843 °C, densitas 4.23 gr/cm³, serta titik didih 2.972°C.
Dalam penelitian ini digunakan nanofluida jenis TiO2 sebagai fluida pendingin atau
fluida yang dilewatkan pada pipa luar. Konsentrasi yang digunakan masing-masing adalah
0.5% dan 1%. Nanfoluida TiO2 dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 11. Nanopartikel TiO2
BAB IV. MANFAAT PENELITIAN
Pemanasan atau pendinginan fluida adalah suatu kebutuhan utama di dalam banyak
sektor industri, termasuk transportasi, kebutuhan di bidang energi dan produksi serta bidang
elektronika. Nanofluida dibutuhkan untuk mengembangkan suatu strategi baru dalam
meningkatkan efektivitas perpindahan kalor dari fluida konvensional.
BAB V. METODE PENELITIAN
A. Prosedur Penelitian
Dalam pembuatan nanofluida hal yang harus diperhatikan adalah percampuran antara
nanopartikel dengan fluida dasarnya agar menghasilkan percampuran yang baik sehingga
menghasilkan karakteristik fluida baru.
Pada penelitian sebelumnya percampuran antara nanopartikel dengan fluida dasar
menggunakan ultrasonic processor yang dapat menghasilkan nanofluida yang terdispersi
dengan baik dan terdapat tiga metode pembuatan yang banyak digunakan pada penelitian
sebelumnya.
Pembuatan nanofluida pada penelitian ini dapat dikatakan menggunakan metode yang
pertama yaitu dengan cara mencampurkan nanopartikel kedalam fluida dasarnya.
Pencampuran tersebut berdasarkan jenis nanopartikel dan perbandingan persentase massa
nanopartikel dan fluida dasar. Pada penelitian ini menggunakan nanopartikel TiO2 dengan
persentase massa masing–masing sebesar 0,5% dan 1% dan menggunakan air sebagai fluida
dasar.
Karena keterbatasan alat seperti ultrasonic processor yang digunakan untuk pembuatan
nanofluida maka pada penelitian ini pembuatan nanofluida dilakukan dengan cara
pengadukan manual selama 1 – 2 jam, agar nanopartikel dan fluida dasarnya dapat
tersuspensi dengan baik.
Berdasarkan alur proses pembuatan nanofluida, jika nanofluida yang dihasilkan masih
terdapat endapan dari nanopartikel ketika didiamkan, maka nanofluida tersebut harus
kembali diaduk untuk membuat nanopartikel terdispersi dengan baik pada fluida dasarnya.
Berikut merupakan diagram alir yang digunakan untuk menyelesaikan
proses penelitian:
Gambar 12. Diagram Alir Proses Penelitian
Dalam proses penelitian ini percobaan penelitian dilakukan dengan menggunakan heat
exchanger double tube dan menggunakan jenis fluida air untuk fluida panas yang akan
didinginkan dan menvariasikan penggunaan fluida pendinginnya diataranya air sebagai
fluida pendingin konvensional dan nanofluida TiO2.
MULAI
Proses Pengujian
DATA PENGUJIAN1. Temperatur (̊ C)
2. Volum (V)
3. Waktu (s)
4. Massa (kg)
Proses Pengolahan Data Interpolasi dari TAbel A-9 (J.P. Holman)
DATA PENGOLAHAN INTERPOLASI1. Viskositas dinamik air (µ )
2. Bilangan Prandlt (Pr)
3. Konduktivitas termal (k)
4. Panas Spesifik (Cp)
Proses Pengolahan Data
PENGOLAHAN DATA 1. Debit aliran (Q)
2. Kecepatan aliran (v)
3. Laju aliran massa (ṁ )
4. Beda temperatur (∆T)
Proses Pengolahan Data Hasil
ANALISA DATA1. Kesetimbangan energi (W)
2. Bilangan Reynold (Re)
3. Bilangan Nusselt (Nu)
4. Koefisien konveksi (h)
5. Koefisien konveksi total (U)
ANALISIS
KESIMPULAN
SELESAI
Tabel 1. Jadwal Penelitian
No. Kegiatan Tahun 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1. Desain sistem heat exchanger
2 . Pembuatan perangkat alat uji sistem heat exchanger
3. Uji coba di laboratorium
4. Pengambilan data dengan pengujian alat sistem heat exchanger
5. Diseminasi/Seminar/ Jurnal Nasional
6. Laporan
Percobaan dilakukan secara berulang–ulang dengan penggunaan kadar persentase
nanopartikel yang berbeda di setiap percobaannya. Sedangkan untuk fluida air percobaan
dilakukan hanya sekali percobaan saja. Percobaan pertama menggunakan fluida panas air
dan fluida pendinginnya juga air sebagai fluida konvensional.
Instalasi alat uji dapat ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 13. Instalasi Alat Uji
Gambar 14. Gambar 3D Instalasi Alat Uji
Gambar 15. Skema Alat Uji
B. Prosedur Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan menggunakan alat penukar kalor pipa ganda dengan air
murni dan nanofluida Titanium Dioksida (TiO2) sebagai fluida kerja. Berikut ini secara detil
prosedur pengujian yang dilakukan untuk fluida kerja air murni:
1. Mengisi masing-masing tanki dengan air murni
2. Menyalakan kompor untuk memanaskan fluida kerja panas
3. Menunggu hingga suhu fluida kerja panas mencapai 80° C, pompa tidak dinyalakan
hingga suhu ini sudah stabil.
4. Menyalakan pompa air panas, untuk kemudian di cek pada display termokopel bahwa
aliran dengan suhu tersebut sudah stabil.
5. Menyalakan pompa air dingin.
6. Mencatat debit aliran dengan menggunakan stopwatch dan gelas ukur ketika masing-
masing fluida sudah mencapai aliran stabil.
7. Mencatat massa air yang terdapat didalam gelas ukur.
8. Mencatat perubahan temperatur pada masing-masing input dan output alat penukar
kalor, yang ditunjukkan oleh display digital termokopel.
9. Proses pencatatan pengambilan data meliputi:
a. Pencatatan debit aliran fluida panas
b. Pencatatan debit aliran fluida dingin
c. Pencatatan temperatur aliran masuk fluida panas
d. Pencatatan temperatur aliran keluar fluida panas
e. Pencatatan temperatur aliran masuk fluida dingin
f. Pencatatan temperatur aliran keluar fluida dingin
10. Proses pengambilan data untuk debit masing-masing aliran dilakukan sebanyak 15 kali
(15 data).
Berikut ini detil prosedur pengujian yang dilakukan untuk fluida kerja nanofluida Titanium
Dioksida (TiO2):
1. Menghitung jumlah air (gram) menggunakan rumus fraksi mol zat padat didalam zat
cair.
2. Menimbang nanopartikel titanium dioksida (TiO2) (gram) agar untuk konsentrasi 0,5 %
dan 1%
3. Setelah ditentukan masing-masing jumlah (gram) nanopartikel dan air, kemudian
dimasukkan ke dalam tanki khusus untuk nanofluida dengan konsentrasi yang telah
dihitung
4. Diaduk hingga merata kurang lebih 10 menit pengadukan
5. Memanaskan air murni sebagai fluida panasnya hingga mencapai temperatur kurang
lebih 80°C (suhu agak sulit dijaga konstan sebab pemanas menggunakan kompor)
6. Jika suhu sudah stabil, kemudian menyalakan pompa
7. Mencatat perubahan suhu yang terjadi pada masing-masing inlet dan outlet pipa
8. Kemudian mengambil data berikutnya diantaranya:
a. Pencatatan debit aliran fluida panas
b. Pencatatan debit aliran fluida dingin
c. Pencatatan temperatur aliran masuk fluida panas
d. Pencatatan temperatur aliran keluar fluida panas
e. Pencatatan temperatur aliran masuk fluida dingin
f. Pencatatan temperatur aliran keluar fluida dingin
BAB VI. HASIL DAN PEMBAHASAN
Persiapan pengujian meliputi kegiatan yang berhubungan dengan mempersiapkan alat-
alat yang dibutuhkan selama pengujian seperti: tanki air, stopwatch, gelas ukur, kompor dan
gas, dan lain-lain. Kemudian setelah semua peralatan dan bahan yang dibutuhkan selanjutnya
dilakukan pengujian yaitu dengan mencatat data-data yang dibutuhkan. Data-data yang
diperoleh pada proses pengujian ini meliputi: temperatur air panas masuk dan keluar,
temperatur air dingin masuk dan keluar, volume, massa, dan waktu.
Setelah semua data yang diperlukan didapat, maka selanjutnya dilakukan pengolahan
data dengan menggunakan rumus-rumus yang terdapat pada landasan teori, sedangkan untuk
memperoleh nilai-nilai seperti Cp, µ, dan Pr dapat digunakan tabel A-9 pada buku perpindahan
panas, dengan nilai suhu yang beragam harus digunakan rumus interpolasi dalam menentukan
masing-masing nilai agar sesuai dengan suhu data yang dicari. Hasil pengolahan data meliputi:
nilai perbedaan temperatur ΔT1 dan ΔT2, laju aliran massa (ṁ), kecepatan aliran (v), Debit
(Q), Nilai Kesetimbangan Energi (q), Bil. Reynold (Re), Bil. Nusselt (Nu), Koefisien
Konveksi (h), dan Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U).
A. Data Pengujian
Dari percobaan yang telah dilakukan terhadap alat uji penukar kalor pipa ganda dengan
aliran lawan arah (counterflow) didapatkan perubahan temperatur dari sisi inlet terhadap sisi
outlet pada masing-masing pipa besar dan kecil. Temperatur fluida pendingin pada tanki yang
terukur adalah 31°C. Data-data hasil pengujian disajikan dalam bentuk tabel-tabel sebagai
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dibahas sebelumnya, maka dapat disimpulkan
beberapa hal penting antara lain:
1. Nilai rata-rata bilangan Reynolds dipengaruhi oleh adanya konsentrasi nanopartikel
didalam fluida dasar (air murni). Bilangan Reynolds akan meningkat seiring dengan
penambahan konsentrasi nanopartikel TiO2 didalam fluida dasar air.
2. Bilangan Nusselt akan meningkat seiring penambahan konsentrasi TiO2 didalam fluida
dasar air murni. Hal ini juga dapat dihubungkan dengan peningkatan nilai bilangan
Reynolds, sebab nilai bilangan Nusselt berbanding lurus dengan bilangan Reynolds.
3. Nilai rata-rata koefisien konveksi fluida pendingin (ho) dipengaruhi pula oleh adanya
konsentrasi nanopartikel didalam fluida dasar (air murni), penambahan konsentrasi
TiO2 didalam fluida dasar air murni akan meningkatkan nilai koefisien konveksi (ho).
4. Perpindahan energi panas secara umum akan lebih efektif bila menggunakan
nanofluida TiO2 dibandingkan dengan air murni. Hal ini ditandai dengan peningkatan
nilai koefisien perpindahan panas konveksi masing-masing fluida pendingin dan fluida
panas.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Choi, U. S., Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles in Developments Applications of Non-Newtonian Flows, D. A. Siginer and H. P. Wang, Eds., FEDvol. 231/MD-vol. 66, pp. 99–105, ASME, New York, NY, USA, 1995.
inadvancedCoolingSystems,ASMEPublicationsPVP-Vol.342/MDVol.72,pp. 227-234. [3] EastmanJA,ChoiUS,LiS,ThompsonLJ,LeeS.1997.Enhancedthermal conductivity through the
development of nanofluids. In: Komarneni, S., Parker, J.C., Wollenberger, H.J.(Eds.), Nanophase and n anocomposite Materials II.MRS, Pittsburg, PA, pp. 3-11.
[4] Cengel, Yunus. A., Heat And Mass Transfer: A Practical Approach Third Edition (Si Unit),
McGraw-Hill, Inc. New York, 2006. [5] Holman, J. P., Heat Transfer Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc. New York, 1986. [6] G.F.C. Rogers, Y.R. Mayhew, Heat transfer and pressure loss in helkically coiled tubes with
turbulent flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 7, 1964, 1207-1216 [7] R.A. Seban, E. F. McLaughlin, Heat transfer in tube coils with laminar and turbulent flow,
International Journal of Heat and Mass Transfer, 6, 1963,387-395 [8] Y.Mori, W. Nakayama, Study on forced convective heat transfer in curved pipe, International
Journal of Heat and Mass Transfer, 8, 1965, 67-82 [9] NanophaseTechnologies,Romeoville,IL,USA, http://www.nanophase.com. [10] Mikheyev, M., Fundamentals of Heat Transfer, John Willey & Sons Inc., New York, 1986. [11] Baehr, Hans Dieter & Karl Stephan., Heat And Mass Transfer: Second, Revised Edition,
Springer, Berlin, 2006 [12] Gerhart M. Philip, Fundamentals of Fluid Mechanics, Addison Wesley Publishing Company.
1985. P.443. [13] Schneider, P. J., Conduction Heat Transfer, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1957. [14] Frank P. Incropera and David P. Dewitt, Fundamental of Heat and Mass Transfer. Ottawa: John
Wiley&Sons, Inc, 1996 [15] Kern, D. Q., Process Heat Transfer, International Student Edition, McGraw Hill Kogakusha, Ltd.,