PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: MAHMUDIN HUDA NIM: I0404048 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2009
81
Embed
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN …... · Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Inline Cylindrical Pin Fin Array ... 2.2.7.1 Perhitungan
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
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL
PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
MAHMUDIN HUDA NIM: I0404048
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2009
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL PIN FIN
ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
Disusun oleh:
Mahmudin Huda NIM. I0404048
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Tri Istanto, S.T., M.T. Wibawa Endra J., S.T., M.T. NIP. 19730820 200012 1 001 NIP. 19700911 200003 1 001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Selasa tanggal 28 Juli 2009. 1. Ir. Santoso, M.Eng.Sc. ............................................. NIP. 19450824 198012 1 001 2. Syamsul Hadi, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710615 199802 1 002 3. Eko Prasetya Budiana, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710926 199903 1 002
Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, S.T., M.T. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 19730804 199903 1 003 NIP. 19710615 199802 1 002
PERSEMBAHAN
Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan
hasil jerih payahku selama menempuh jenjang S1 ini yaitu sebuah skripsi yang
akan menjadi karya terbesarku selama ini sehingga aku lulus dari Universitas
Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah:
1. Dengan nama-Nya yang telah menciptakan alam semesta dan seisinya.
Segala puji bagi Allah, tidak ada daya dan upaya kecuali dengan-Nya.
Allahlah pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan.
2. Bapak Sumadi, Ibu Siti Maryam, karena beliaulah penulis terlahir di dunia
dengan kelebihan dan kekurangannya.
3. Adikku Khoirun Nisa dan kakakku Nur Qomarudin (kalian adalah harta
yang tak ternilai).
4. Mr. 3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport material (makan-makan),
spiritual, dan membimbing tanpa rasa letih dan selalu ceria.
5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah
bersama memberi pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta
dukungan dalam kehidupan penulis).
MOTTO
“Demi masa. Sesungguhnya manusia itu benar-benar dalam kerugian, Kecuali orang-orang yang beriman dan mengerjakan amal saleh dan nasehat menasehati
supaya mentaati kebenaran dan nasehat menasehati supaya menetapi kesabaran.” (Q.S. Al-‘Ashr: 1-3)
“Maka sesungguhnya bersama kesulitan pasti ada kemudahan, maka bersama kesulitan pasti ada kemudahan”
(Q.S. Al-Insyirah: 5-6)
“Kamu adalah umat terbaik yang dilahirkan untuk manusia, menyuruh yang ma’ruf dan mencegah dari yang munkar dan beriman kepada Allah.”
(Ali Imran: 110)
“Mukmin yang kuat lebih baik dan lebih dicintai Allah daripada mukmin yang lemah; pada keduanya ada kebajikan.”
(HR. Muslim)
“Cogito, ergo sum. (I think, therefore I am).” (Renè Descartes)
“If i die tomorrow I'd be allright
Because i believe That after we're gone The spirit carries on”
(Dream Theater)
“Kalau bisa dikerjakan sekarang, kenapa harus besok?” “Aku hidup di masa sekarang untuk menuju masa depan, bukan masa lalu.”
“Jika dengan mengenang kegagalan bisa membuat hari esok lebih baik, kenanglah. Namun jika tidak, buanglah.”
“Selalu berpikir ke depan dan optimis.” “Doa, usaha, dan tawakal.”
(From the deepest of my heart)
vi
Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Inline Cylindrical Pin Fin Array
Surface heat transfer extension using fins often used in heat exchanger equipment to enhance heat transfer. This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as thermal performance of inline cylindrical pin fin assembly in rectangular channel. It was used cylindrical pin fins with 12.7 mm of diameter and 75 mm of height. The parameters of this research were Reynolds number (3,000 – 37,500), depending on the averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, the interfin pitch distance in the spanwise direction (Sx/D) which was kept constant at 2.95 and the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94). The experimental result shown that increasing Reynolds number (Re) and decreasing the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased the average convection heat transfer coefficient (h) and Nusselt number (Nu). The pressure drop (∆P) and friction factor (f) decreased while the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η). At Sy/D = 1.97 for Re > 24,900, and Sy/D > 1.97 for Re > 12,400, the values of η were less than 1, i.e. the used of pin fin assembly would cause an energy loss rather than gain. The net energy gain (η was greater than 1) was only at Sy/D = 1.97 for Re < 24,900, and at Sy/D > 1.97 for Re < 12,400. A net energy gain up to 28 % was achieved at Sy/D = 1.97 for Re = 3,076. Key words: pin fin, rectangular channel, Reynolds number, friction factor, thermal
performance.
vii
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array
dalam Rectangular Channel
Mahmudin Huda Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip sering digunakan dalam peralatan penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris dalam saluran segiempat. Digunakan sirip-sirip pin silinder dengan diameter 12,7 mm dan tinggi 75 mm. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (3.000 – 37.500) berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara (Sx/D) yang dibuat konstan sebesar 2,95 dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94). Hasil pengujian menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds (Re) dan semakin kecilnya jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D) akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dan bilangan Nusselt (Nu). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) semakin menurun dengan meningkatnya nilai Sy/D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η).Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400, nilai-nilai η lebih kecil dari 1, yang berarti bahwa pemakaian pin fin assembly akan menyebabkan kehilangan energi daripada perolehan energi. Perolehan energi netto (nilai η lebih besar dari 1) hanya untuk Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076. Kata kunci: sirip pin, saluran segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan,
unjuk kerja termal.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala
limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan skripsi ”Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan
Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array dalam 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 maupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih
yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam
menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Dody Ariawan, S.T., M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I atas bimbingannya
hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Wibawa Endra J, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang telah
turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak Teguh Triyono, S.T., M.T. selaku Pembimbing Akademis yang
telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di
Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Syamsul Hadi, S.T,. M.T. selaku koordinator Tugas Akhir.
6. Bapak Budi Kristiawan, S.T., M.T. dan Ibu Eliza yang telah banyak
membantu meminjami alat-alat pendukung penelitian.
7. Seluruh dosen serta staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku, atas doa restu, motivasi, dan dukungan
material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
9. Rekan Skripsi: Apras, Adit, Doddy, Aji’, Teddy, Wisnu, mas Fendy, dan
mas Giyono yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian ini, terima
dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran
udara, jarak antar titik pusat sirip (interfin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi
dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat
dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan
dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas
permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas
dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah
konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini
dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip
pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan.
Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang
didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.
Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang
disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel).
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip
dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin
assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat
(rectangular channel).
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:
1. Material sirip pin dan base plate yang digunakan adalah duralumin.
2. Dimensi base plate yang digunakan adalah; panjang 200 mm, lebar 150
mm dan tebal 6,5 mm.
3
3. Dimensi pin fin yang digunakan adalah; tinggi 75 mm dan diameter 12,7
mm, atau H/D = 5,9.
4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara
(shroud clearance) adalah nol.
5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:
Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm.
Fan hisap.
Pemanas (heater).
Pelurus aliran udara (flow straightener).
Manometer U.
6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang
halus, sehingga faktor gesekan diabaikan.
7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi
dengan glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke
lingkungan diabaikan.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate
sebesar 60 oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip
dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.
9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu
sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s
serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise
direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dilakukan pada
kondisi tunak (steady state).
11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada
temperatur kamar.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin
assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangular channel.
4
2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara
(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan
sirip inline dalam rectangular channel.
3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik
pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari
cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam
rectangular channel.
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat
sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan
panas dan unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan
susunan sirip inline dalam rectangular channel.
2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas dan
sistem elektronik modern.
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.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian
susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan
perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari
susunan sirip pin dalam saluran segiempat.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan
penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan
pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data
hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
5
BAB II
2 DASAR TEORI I
2.1 Tinjauan Pustaka
Solid block dapat meningkatkan perpindahan panas dari sebuah plat secara
signifikan karena meningkatnya luasan permukaan perpindahan panas, tetapi
menimbulkan energi yang terbuang karena adanya penurunan tekanan (pressure
drop) yang lebih besar dalam aliran dan lebih sedikitnya aliran udara yang kontak
dengan plat. Selain itu, meningkatnya bilangan Reynolds menyebabkan
menurunnya unjuk kerja termal (Sara,1999).
Tahat, M. et al. (2000) melakukan penelitian tentang perpindahan panas
kondisi tunak pada alat penukar panas tipe plat bersirip pin yang tersusun secara
inline dan staggered untuk menentukan desain optimum alat penukar panas
tersebut. Dalam penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar
berdimensi 250 mm x 300 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal
dengan diameter 8 mm dan panjang 90 mm dengan jarak antar titik pusat sirip,
Sx/D = 9,86 – 63,44 dan Sy/D = 1,09 – 83,92. Spesimen diletakkan pada saluran
udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 405 mm x 100 mm x
3.000 mm dengan variasi kecepatan aliran udara 6 m/s, 7 m/s dan 7,8 m/s. Dari
penelitian tersebut diperoleh bahwa laju panas yang hilang meningkat seiring
dengan meningkatnya bilangan Reynolds, namun menurun seiring dengan
meningkatnya jarak antar titik pusat sirip pin untuk arah streamwise dan spanwise.
Bilen, K. et al. (2001) melakukan penelitian tentang karakteristik
perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan unjuk kerja termal pada
suatu permukaan bersirip di dalam saluran udara segiempat. Pada penelitian
tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 180 mm x 300 mm
x 2 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 17 mm dan
panjang 100 mm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik
pusat sirip, Sx/D = 2,2 dan Sy/D = 1,96 – 4,41. Spesimen diletakkan dalam saluran
udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 180 mm x 100 mm x
2.000 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 3.700 –
30.000. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan meningkatnya
bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti
6
meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan
Reynolds, peningkatan perpindahan panas (heat transfer enhancement) dan unjuk
kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada
variasi Sy/D = 2,94. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan
perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan
permukaan perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan
yang lebih besar dalam saluran.
Sahin, B. dan Demir, A. (2008) melakukan penelitian tentang peningkatan
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin di dalam suatu
saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen
berupa plat datar berdimensi 250 mm x 250 mm x 6 mm yang diberi sirip pin
berbentuk silinder pejal dengan diameter 15 mm dan panjang 100 mm yang
disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik pusat sirip, Sx/D = 2,2
dan Sy/D = 1,208 – 3,417. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat
yang berdimensi 250 mm x 100 mm x 3.140 mm dengan clearance ratio sebesar
0, 0,33 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar
13.500 – 42.000. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin
berpenampang lingkaran dapat meningkatkan perpindahan panas. Efisiensi
meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan
bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar titik pusat
sirip pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi
perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar titik
pusat sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol
parameter-parameter tersebut.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Sirip
Permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat
transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk
kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil,
dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen
tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti dalam proses-
proses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika,
7
dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada
boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir.
Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan
panas, bentuk-bentuk sederhana seperti silinder, batang dan plat biasa diterapkan
pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat source and heat
sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-
masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan
utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka
gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas
(extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama
dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau
silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h) (i)
Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g) cylindrical spine (h) truncated conical spine (i) truncated parabolic spine
Kebutuhan untuk perlengkapan turbin gas, pengkondisian udara, dan
kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan
alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan
yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya
ditunjukkan dalam gambar 2.2. Keringkasan (compactness) mengacu pada
perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar
panas.
8
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e) offset plate fin (f) crossed rod matrix
Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat
penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245
m2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah
tersedia lebih dari 4.100 m2 per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130 m2 per
meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in.
Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan
utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga
bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat
diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari
jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama.
Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari
permukaan yang diperluas (extended surface).
Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal
yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama.
Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada
penampang melintang segiempat pada gambar 2.3.
9
Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip
Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan
koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan
plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya
yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts.
Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan
panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp
– Ts. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan
panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas
memasuki sirip melalui dasarnya (base), dan bergerak berpindah secara kontinyu
melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus, temperatur dasar sirip
akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang diserap oleh sirip melalui
dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur
dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T
bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T – Ts akan lebih kecil
daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif
dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.
Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang
hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh
permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk,
dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi
sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya
berkenaan dengan lingkungannya. Saat ini telah terdapat beberapa referensi yang
dibuat mengenai permukaan yang diperluas yang berisikan beberapa tipe
Ts (Surroundings)
Source (T1)
Hot face of plate
TP
TP
Fin
T
T
10
permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran
panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat
diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar
2.1 yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines.
Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan
memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas
(source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat banyak hal
mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan
penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip
adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah
dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar
sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu:
1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap
waktu.
2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala
arah, dan tetap konstan.
3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan
seragam di keseluruhan permukaan sirip.
4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.
5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan
panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan
perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.
6. Temperatur dasar sirip adalah seragam.
7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan
permukaan utama.
8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.
9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan
dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.
10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan
temperatur antara sirip dan medium sekitar.
11
2.2.2 Sirip Pin
Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang
dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida
pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen
tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti
bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya.
Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan
sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin)
memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang
besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam
hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.
Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin
Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5 sirip-sirip
pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). Sx
adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah
aliran (spanwise direction), sedangkan Sy adalah jarak antar titik pusat sirip
sepanjang arah aliran (streamwise direction).
12
(a) (b)
Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered
2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip Pin
2.2.3.1 Silinder
Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri
sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan
silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin
silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam
gambar 2.6.
Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet
2.2.3.2 Kubus
Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat
maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan
segiempat yang diputar 45o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.
Sy Sy
Sx
Sx
13
Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond
2.2.3.3 Oblong
Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk
kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ,
berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan
dalam sirip pin oblong.
Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong
2.2.3.4 Ellips
Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah
garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua
bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis)
segaris dengan arah aliran.
Gambar 2.9 Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.
14
Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. Standard Elliptical Fin (SEF)
Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu
minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah
1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali
luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin
karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.
b. N fin
Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang
sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5
kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih
besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama
dengan circular fin.
2.2.4 Aplikasi Sirip Pin
Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat
penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat
penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara
konveksi dari turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya dimasukkan
dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu
turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu
beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga
meningkatkan efisiensi termal dan daya output.
Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling)
15
Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10, trailing
edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang
pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.
Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping
kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin
kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan
penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran
segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.
2.2.5 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk
meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena
adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas
dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu perpindahan panas secara konduksi,
konveksi dan radiasi.
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas
yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke
bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada
benda tersebut. Untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat
dipergunakan rumus:
xTAkQ ∆
= (2.1)
dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas termal (W/m.oC)
A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)
∆T = beda temperatur (oC)
x = ketebalan bahan (m)
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang
terjadi karena terdapat aliran fluida. Perpindahan panas konveksi dapat dihitung
dengan rumus sebagai berikut:
TAhQ ∆= (2.2)
dimana: h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)
16
Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu:
1. Konveksi alami (natural convection)
Adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi karena berubahnya
densitas fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.
2. Konveksi paksa (forced convection)
Adalah perpindahan panas konveksi konveksi yang berlangsung dengan
bantuan peralatan mekanis, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat
oleh kipas.
Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi
melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat
perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan digunakan rumus:
4TAQ σε= (2.3)
dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt)
ε = emisivitas (0 s.d. 1)
A = luas perpindahan panas (m2)
T = temperatur (K)
σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K4
Khusus untuk benda hitam sempurna menurut hukum Stefan-Boltzmann:
4TAQ σ= (2.4)
2.2.6 Parameter tanpa Dimensi
Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting
yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa
dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia
dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol
volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan
sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol
volume.
17
Gaya inersia dalam bentuk [ ] xuuρ ∂∂ /)( dapat didekati dengan persamaan:
.2 LVρFI = Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
( )[ ] ,yyuµτ yyx ∂∂∂∂=∂∂ dapat didekati dengan persamaan: 2LVµFs = .
Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
L
s
I ReµVLρ
LVµLVρ
FF
=== 2
2
(2.5)
b. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap
konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan
tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan
Nusselt dirumuskan:
kdhNu =
(2.6)
2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin
Assembly
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)
Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji
yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut:
lossconvelect QQQ += (2.7)
dimana: Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (W)
Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang
disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem dapat disebabkan
karena radiasi dari permukaan maupun konduksi melalui dinding-dinding saluran
ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.7) dapat ditulis menjadi:
condradconvelect QQQQ ++= (2.8)
dimana: Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)
18
Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995)
melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa adalah
sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan.
Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan
dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan
jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan
bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan
isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diabaikan. Analisis
data akan memuaskan jika persentase total heat loss, conv
convelect
QQQ −
kurang dari
10% (Naphon, P., 2007).
Maka persamaan (2.8) menjadi:
convelect QQ = (2.9)
Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +−=
2.. outin
bsconvTT
TAhQ (2.10)
dimana: Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata
(W/m2.K)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara
dari susunan sirip pin (m2)
bT = temperatur base plate (K)
inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)
outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)
Dari persamaan (2.10), Qconv dapat juga dinyatakan dengan:
( )inoutpconv TTCmQ −= ..& (2.11)
dimana: m& = laju aliran massa udara (kg/s)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)
outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)
19
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung menggunakan
kombinasi persamaan (2.10) dan (2.11), sehingga didapatkan bahwa:
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutp
TTTATTCm
h+−
−=
& (2.12)
Dari persamaan (2.12), laju aliran massa udara, ,m& dapat dihitung dengan
persamaan:
VAm ..ρ=& (2.13)
dimana: ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luas penampang saluran udara (m2)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol
Untuk clearance nol seperti pada gambar 2.11, maka A dihitung dengan rumus:
bWHA .= (2.14)
As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip
pin atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip, dan dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan:
4..
....2
ffbs
NdπNHdπLWA −+= (2.15)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
4.... dHNdπLWA fbs (2.16)
20
dimana: Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
d = diameter sirip pin (m)
Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin
H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)
Dari persamaan (2.12), nilai-nilai bT , inT dan outT diukur dari penelitian yang
dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara Cp
dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, ( ) 2outinf TTT += menggunakan
Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam
saluran bersirip diukur di bawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi
ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai
pengukuran penurunan tekanan, ∆P, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
∆2Vρ
DL
Pf
h
t
(2.27)
dimana: f = faktor gesekan
∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
Lt = panjang seksi uji (m)
Dh = diameter hidrolik (m)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin Assembly
Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan disertai penurunan tekanan.
Dalam banyak aplikasi praktis hal tersebut diperbolehkan, sehingga perlu untuk
menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan
pengaruh sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi menyeluruh dari
sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.
23
Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk
mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya
blower. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, efektivitas peningkatan
perpindahan panas dari permukaan bersirip dibandingkan dengan permukaan
halus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
aass PVPV ∆.∆. && = (2.28)
dimana sV& dan aV& berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa
halangan (blocks) dan laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan,
sedangkan sP∆ dan aP∆ berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa halangan
dan penurunan tekanan dengan halangan. Menggunakan persamaan Darcy untuk
penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari
hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya
pemompaan yang sama, persamaan (2.31) dapat ditulis ulang menjadi:
3aa
3ss RefRef .. = (2.29)
Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan
yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut:
( )psa hh=η (2.30)
dimana: ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip
(W/m2.K)
hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip
(W/m2.K)
Jika nilai η ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas
adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η ≤ 1, energi yang
digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang
diperoleh.
24
BAB III
3 METODOLOGI PENELITIAN I
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
3.2 Alat Penelitian
Gambar 3.1 Skema alat penelitian
Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
a. Saluran udara segiempat (rectangular channel)
Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam
dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari
saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.
25
b. Pelurus aliran udara (flow straightener)
Pelurus aliran udara tersusun dari sedotan plastik berdiameter 5 mm,
panjang 200 mm sehingga dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara
adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.
Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flow straightener)
c. Fan hisap
Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga
blower dapat menghisap udara.
Gambar 3.4 Fan hisap
d. Rheostat
Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan
kecepatan udara yang diinginkan.
Gambar 3.5 Rheostat
26
e. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang
masuk ke dalam saluran udara segiempat.
Gambar 3.6 Anemometer
f. Pemanas listrik (electric heater)
Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm
dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan
dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.
Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater)
g. Regulator
Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke
heater sehingga temperatur base plate dapat dijaga konstan pada setiap
variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise.
Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater
27
h. Multitester digital
Multitester digital digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik
yang dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate
yang diinginkan.
Gambar 3.9 Multitester digital
i. Amperemeter
Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang
dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate yang
diinginkan.
Gambar 3.10 Amperemeter
j. Manometer U
Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua
ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat
mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida
yang digunakan dalam manometer ini adalah solar.
Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan
28
k. Termokopel
Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah
termokopel digunakan untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah
termokopel untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah
termokopel untuk mengukur temperatur base plate yang direkatkan
dengan lem Araldite.
Gambar 3.12 Termokopel tipe T
l. Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh
sensor termokopel.
Gambar 3.13 Thermocouple reader
3.3 Spesimen
Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi base plate panjang 200
mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, sedangkan profil sirip adalah silinder pejal
dengan diameter sirip 12,7 mm dan tinggi sirip 75 mm. Bahan base plate dan sirip
adalah duralumin.
Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen
29
Gambar 3.15 Model spesimen
Spesifikasi spesimen adalah sebagai berikut:
Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian Spesimen Sx Sy H Wb L
1 37,5 mm 25 mm 75 mm 150 mm 200 mm 2 37,5 mm 30 mm 75 mm 150 mm 200 mm 3 37,5 mm 37,5 mm 75 mm 150 mm 200 mm 4 37,5 mm 50 mm 75 mm 150 mm 200 mm 5 Plat tanpa sirip
Gambar 3.16 Spesimen 1 Gambar 3.17 Spesimen 2
Gambar 3.18 Spesimen 3 Gambar 3.19 Spesimen 4
30
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada
temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur base plate
yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu
seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode
pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan
hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai kondisi steady state.
Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang
akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan
diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data
temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur base plate).
3.4.1 Tahap Persiapan
Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti
fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat
pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik.
Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah
terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur
permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar.
3.4.2 Tahap Pengujian
1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.
2. Menghubungkan semua termokopel pengukur temperatur base plate
dengan thermocouple reader.
3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 oC.
4. Menghidupkan fan hisap.
5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan
menggunakan rheostat.
6. Mengatur temperatur base plate pada temperatur 60 oC.
7. Mencatat seluruh data temperatur dan tekanan setiap 10 menit sampai
didapatkan temperatur steady.
8. Mencatat tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan
hisap.
9. Mencatat beda tekanan yang terjadi yang terukur pada manometer U.
31
10. Mematikan heater setelah selesai mengambil data.
11. Mematikan fan.
12. Mengulangi pengujian untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, 2
m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).
13. Mengulangi langkah (3) – (11).
14. Mengulangi pengujian untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise, Sy yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm).
15. Mengulangi langkah (1) – (11).
16. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip.
17. Mengulangi langkah (1) – (4).
18. Mengatur daya pemompaan.
19. Mengulangi langkah (6) – (11).
3.5 Proses Analisis Data
Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara,
temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi
uji, temperatur rata-rata base plate, beda tekanan serta tegangan listrik dan arus
listrik yang disuplai ke heater, maka dapat dilakukan perhitungan dan analisis
mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk
kerja termal dari inline cylindrical pin fin assembly. Dari hasil perhitungan
tersebut akan dibuat grafik-grafik yang menunjukkan pengaruh jarak antar titik
pusat sirip pin dalam arah aliran (streamwise direction, Sy/D) terhadap koefisien
perpindahan panas rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds (Re), bilangan Nusselt
(Nu) dengan bilangan Reynolds, faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds, dan
efisiensi (η) dengan bilangan Reynolds, serta grafik bilangan Nusselt dengan Sy/D.
Kemudian dari grafik-grafik tersebut akan dilakukan analisis.
32
3.6 Diagram Alir Penelitian
Variasi: • Kecepatan aliran udara; 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3
m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s. • Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran
udara (streamwise); 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
Analisis data: • Laju aliran panas dari listrik (Qelect) • Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) • Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) • Bilangan Reynolds (Re) • Bilangan Nusselt (Nu) • Faktor Gesekan (f) • Unjuk kerja termal dari Inline cylindrical pin fin
assembly (η)
Pengumpulan data: • Temperatur udara masuk seksi uji (Tin),
temperatur udara keluar seksi uji (Tout) dan temperatur permukaan plat
• Beda tekanan udara masuk dan udara keluar seksi uji (∆P)
Kesimpulan
Selesai
Hasil analisis data: Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan
serta unjuk kerja termal
Mulai
Persiapan: Inline cylindrical pin fin assembly
33
BAB IV
4 DATA DAN ANALISIS I
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan
jarak antartitik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap
karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal
dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam
saluran segiempat (rectangular channel).
Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5
– 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise
direction, Sy/D) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang
diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan udara masuk, temperatur udara
masuk, temperatur udara keluar, temperatur base plate, penurunan tekanan serta
tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan
sampai didapatkan temperatur pada kondisi steady pada tiap variasi pengujian.
Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi steady.
4.1 Data Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta.
Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara
keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara
masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap
saat pengujian pada kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 4.1 – 4.4 di
bawah ini.
(a) (b) (c)
Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran (b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar saluran.
34
1. Spesimen 1
Tabel 4.1Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) Kecepatan aliran udara (m/s)