1 jurnal skripsi program sarjana endrid gusman

12
1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman 20400417 JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS GUNADARMA 2006

Upload: phungkhuong

Post on 31-Dec-2016

224 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

1

JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA

Endrid Gusman

20400417

JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS GUNADARMA

2006

Page 2: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

2

Abstraksi

Alat penukar kalor / panas(heat exchanger) dengan bermacam tipe digunkan dalam

sistem permesinan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari koefisien perpindhan

panas total didalam pipa konsentrik dengan aliran searah dan berlawanan arah.

Pipa koesentrik dengan diameter dalam 0,5 in, diameter pipa luar 1 in dipasang secara

horizontal, sirkulasi air dengan pompa dimana air panas mengalir di dalam dan air

dingin diluar. Temperartur air panas dan air dingin di ukur sebelum masuk dan di ukur

pada saat keluar. Variasi laju aliran di ukur dengan gelas ukur. Hasil di tunujkkan dalam

grafik, dimana debit aliran atau angka bilangan Reynolds, selisih temperature, material

pipa, diameter pipa, angka Nusselt sangat berpengaruh terhdap koefisien perpindahan

panas.

Page 3: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

Pendahuluan

Perkembangan teknologi saat ini sangat

berkembang dengan pesat seiring dengan

proses globalisasi dalam segala bidang,

salah satunya dalam bidang ilmu

pengetahuan dan teknolgi, terutama yang

erat kaitannya dalam hal industri sehingga

sangat di butuhkan temuan – temuan

inovtive yang dapat mendukung

perkembangan industri tersebut yang dapat

berupa teori – teori atau pun berupa alat –

alat. Temuan tersebut tentu harus sudah

melalui proses banyak penelitian dan

percobaan untuk menghasilkan efesiensi

yang besar.

Permasalahan dan Batasan Masalah

Dalam perpindahan panas (heat

exchanger) pada pipa kosentrik yang mana

pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa

aluminium dan pipa pvc, yang digabungkan

menjadi satu, yang mana fungsinya untuk

mencari nilai koesifien perpindahan panas

tersebut yang terjadi di dalam pipa

aluminium. Sehingga kita menggunkan

sebuah rumus perpindahan panas yang

utama yaitu :

TU.d.A. dq ∆=

Dalam persamaan tersebut U adalah

koefisien perpindahan panas yang tidak

berdimensi.yang mana maksud dari

persamaan di atas tersebut adalah untui

menentukan laju aliran perpindahan panas

pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida

yang di gunakan adalah air panas yang

dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu

100ºC.

Untuk mempermudah penulisan

khususnya dalam perhitungan data maka

dilakukan pembatasan – pembatasan

masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan

masalah dan asumsi tersebut antara lain:

1.Tipe alat penukar panas yang digunakan

adalah sebuah pipa yang mana pipa yang

digunakan adalah pipa pvc dan pipa

aluminium yang merupakan cangkang.

2.Fluida yang digunakan adalah air panas.

3.Salah satu fluida (air) mengalir melalui

pipa di dalamnya, fluida tersebut mengalir

melalui cincin yang berbentuk silinder

pipa, maupun silinder dalam dan silinder

luar.Karena kedua aliran fluida melintas

penukar panas hanya sekali, maka

dinamakan satu lintas saja(single pass),

lalu dalam penelitian alat ini kedua fluida

itu mengalir dalam arah yang sama atau

berbarengan (parallel flow), dan juga

terdapat aliran berlawan arah(counter

flow), yang mana terdapat beda suhu

antara fluida yang panas dan fluida yang

dingin tidak konstan nilainya pada

Page 4: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

3

sepanjang pipa dan laju aliran panasanya

akan berbeda- beda.

4.Dalam penelitian alai ini menggunkan

sebuah pompa air yang jenis tipe semi jet

pump.

5.Analisa penelitian menggunakan dasar-

dasar teori termodinamika yang hanya

dipakai materinya yaitu konveksi dan

konduksi, radiasi tidak dipakai materinya.

Tujuan penelitian ini yang kita uji coba

adalah untuk mencari nilai koefisien

perpindahan panas total pada logam

aluminium (Al), dan (Cu) di dalam pipa

kosentrik dengan aliran searah dan

berlawanan arah dan perpindahan panas

yang terjadi pada pipa pvc, yang mana di

dalam pipa pvc terdapat pipa aluminium.

Pada penelitian ini menggunkan air panas

yang dipanaskan terlebih dahulu mencapi

suhu 100ºC.

Hasil Pembahasan

Desain alat yang digunakan pada

penelitian ini dari panjang pipa pvc terhadap

konduktivitas thermalnya dan nilai koefisien

thermalnya. Alat yang dibuat desain yaitu

suatu perpindahan panas yang dilakukan

menggunakan pipa yang terbuat dari bahan

aluminium yang gunannya untuk

mengetahui konduktivitas thermalnya.

Untuk mendapatkan data yang benar penulis

menggunakan sebuah rangakian atau

instalasi pipa yang sederhana. Pada alat

penelitian ini dipasang 3 buah katup, di

setiap sambungan pipa pvc, yang mana

fungsinya untuk mengatur tekanan air yang

keluar di outlet pipa menuju ke bak

penampung air dan pada percobaan ini

menggunakan sebauh pompa sejenis jet

pump yang gunanny auntuk untuk sebagai

proses sirkulasi air panas menjadi dingin,

yang mana hasil proses sirkulsinya dapat

diketahui di bak penampung air. Yang mana

ember tersebut berukuran sedang. Pada

instalasi pipa ini teradapat komponen –

komponen di dalamnya yaitu:

-Strenggear. Yang gunannya untuk

sebagai tempat kedudukan tangki buat air

panas yang telah dipanaskan terlebih

dahulu.

- Tangki air panas. Yang gunannya

untuk menampung air panas pada suhu

100ºC.

- Bak penampung awal. Yang gunannya

untuk menampung air dingin yang di isi

terlebih dahulu.Yang mana fungsinya untuk

terjadinya proses sirkulasi air panas menjadi

dingin.

Page 5: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

5

- Bak penampung terakhir. Yang

gunannya untuk menampung air yang

keluar dari ujung outlet pipa aluminium.

- Pipa aluminium. Yang gunannya untuk

pengambilan data. Dengan berdiameter.1

inch.

- Pipa pvc. Yang gunannya untuk

menggabungkan pipa pvc dan pipa

aluminium di jadi satu, yang fungsinya

untuk menentukan cara proses kerja

perpindahan panas (heat exchanger).

- Pompa. Yang gunannya untuk

mengalirkan air dingin dari bak penampung

awal menuju ke sisitem pendingin dan

untuk mempercepat tekanan air.

- Termometer digital Yang gunannya

untuk mengukur suhu pada pipa pvc dan

aluminium yang dari mana ketelitian

bacanya 40 -150ºC (1 buah)

- Stopwatch Yang gunannya untuk

mengukur waktu yang diperlukkan pada

saat mengalirkan air menuju ke bak

penampung.

- Gelas ukur. Yang gunannya untuk

mengukur berapa liter air yang keluar dari

outlet pipa aluminium.

Keterangan Gbr:

- Panjang pipa pvc =183 cm

- Panjang pipaaluminium =

202 cm.

Gambar 3.1 Set up alat uji pipa aluminium

& pipa pvc.

Pada Gbr 3.1. adalah sebuah rangkaian

pipa atau instalasi pipa pvc dan pipa

aluminium. Yang mana pada rangakian pipa

tersebut gunannya untuk mengetahui cara

perpindahan panas(heat exchanger),dan

menentukan nilai koefisien panas

thermalnya. Pada pengolahan data ini

kembali di lakukan langkah – langkah

pengambilan data sebagai berikut :

1. Untuk menentukan nila Reynolds :

µ

ρud=Re

Page 6: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

6

Dimana :

Re = Renould number

ρ = Kerapatan fluida (kg/m 3 )

u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu

dalam arah (m/dt)

d = Diameter pipa (m)

µ = Dinamika viskositas (Pa.dt).

2. Untuk menentukan aliran koefisien

perpindahan panas :

k

lhNu

.=

Dimana :

Nu = Nusslet number

h = Koefisien perpindahan panas konvek

si.(W/m 2 K)

L = Signifikan panjang pipa (m)

k = Konduktivitas thermal (W/m 2 K)

3. Untuk menentukan nilai konveksi dari

dalam yaitu :

Q = 2(.. TAlh - 1T )

Dimana :

Q = Laju volume aliran fluida (air).(m 3 )

=lh. Koefisien perpindahan panas fasa cair

an (W/m 2 K)

2T = Temperatur awal (ºC)

1T = Temperatur akhir (ºC)

4. Untuk menentukan waktu aliran air

menuju ke outlet pipa yaitu :

2

minmax TTTm

∆−∆

=∆

Dimana :

=∆Tm Beda temperatur rata – rata di

dalam penukar kalor.

=∆ maxT Beda temperatur maksimum

(rad)

minT∆ = Beda temperatur minimum

(rad)

Rekapitulasi Data.

Untuk menentukkan temperatur pada

penelitian alat ini yaitu :

1hT : Temperatur air panas yang masuk

2hT : Temperatur air panas yang keluar

1cT : Temperatur air dingin yang masuk

2cT : Temperatur air dingin yang masuk

hT : Temperatur air panas keseluruhan

nya

cT : Temperatur air dingin keseluruhan

nya

mT∆ : Beda temperature rata – rata kesel

uruhanya

Page 7: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

7

Jumlah panas yang dibutuhkan

didalam perpindahan panas (Heat

exchanger ) dengan berbahan pipa PVC

yang dilapisi pipa aluminium adalah

dengan menghasilkan beda suhu rata – rata

dalam penukar kalor dengan rumus sebagai

berikut :

Untuk mencari perbedaan temperatur/

suhu rata – rata yaitu :

2

TeTiTm

∆+∆

=∆ = (°K)

Dimana :

Th1 = 90 ºC + 273 ºK = 363 ° K.

Tc1 = 55 ºC + 273 ºK = 328° K.

Th2 = 67 ºC + 273 ºK = 357 ° K.

Tc2 = 32 ºC + 273 ºK 305 ° K.

Th = 703 ° K.

Tc = 633 ° K.

Sehingga kita dapat memasukkan data

tersebut ke dalam rumus sebagai berikut :

21 chi TTT −=∆ dan 12 ch TTTe −=∆

= mT∆ = 2

ei TT ∆+∆

= 35=∆ mT (°K).

Didalam analisa ini tak lupa penulis

kemukakan data dari penelitian yang

penulis lakukan dengan menghitung /

mengukur suatu penelitian yaitu :

• Dimeter dalam pipa (pipa

aluminium) = 0,5 inch , dimana

diameter dalam tersebut satuannya

dijadikan m (meter).

Sehingga : 1 inch = 2,54 cm.

½ inch = 2,54 : 2

=1,27cm = 0,0127 m.

• Diameter luar pipa (pipa PVC ) = 1

inch = 0,0254 m

• Luas penampang pipa aluminium =

8,05 m² , dimana di dapat dari

rumus : A = Ld..π jadi luas

penampang dapat kita hjitung

dengan menggunakan rumus

tersebut , hitungannya sebagai

berikut :

Dimana :

A= Luas penampang pada perpinda

han kalor (m²)

π = Jari – jari silender pada ujung

pipa (rad)

d = diameter dalam pipa .(rad)

Page 8: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

8

Sehingga hasil yang didapat pada data

diatas yaitu :

A = π .d. L

= 3,14 x 0,0127m.2,02m

= 8,05m².

Panjang pipa Aluminium = 202 cm

= 2,02 m.

Perhitunganuntuk mencari konduktivitas

panas (k), pada pipa aluminium pada

pipa konsetrik yaitu :

k = A xQL

TT hh )( 21−

= 290 (W/m² ºk ).

Perhitungan untuk mencari koefisien

panas yang terjadi pada pipa kosentrik

yaitu :

h = A

k (W/m² ºK).

Diketahui :

k = 290 (W/m° K) .

A = 8,05 (m²).

Jadi dari data diatas dapat kita masukkan

kedalam rumus koefisien thermal dibawah

ini :

h = A

k

= 05,8

290 = 36 (W/m² ºK).

Perhitungan untuk mencari perpinda

han kalor pada pipa kosentrik.

Dimana untuk menghitung perpindahan

kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru

mus sebagai berikut :

q = U.A. mT∆

= 1123 W/m 2 x 8,05 m².x (35° K)

= 316,4 Watt.

Dimana :

U = Koefisien perpindahan kalor menye

luruh

A = Luas permukaan perpindahan kalor

yang sesuai dengan definisi U

mT∆ = Beda suhu rata – rata.

Diketahui :

U = 1123 W/m 2 °K

A = 8,05 m².

mT∆ = 35 ºK.

Page 9: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

9

Dimana untuk menghitung laju aliran

panas didapatkan rumus sebagai berikut

:

dq = U ( hT – cT ) dA

dimana subskrip h dan c masing – masing

menandai fluida – panas dan fluida dingin

Diketahui :

U = 1123 W/m °K

hT = 706° K.

cT = 633° K.

Sehingga dari data diatas mendapatkan hasil

berikut :

dq = U ( hT – cT ) dA

= 1123(703 K – 671 K) 0,0127 x 8,

= 367,39 W/m² ° K

Perhitungan untuk mencari kecepatan

aliran pada pipa kosentrik.

V = 4 × q / π × D².

Diketahui :

q = 316,4 m² /dt.

D = 0,0254 m.

π = 3,14

Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba

gai berikut :

V = 4 x q / π× D²

= 4 × 316,4 m²/dt / 3,14 × (0,0254) 2 m.

= 624,74 m /dt.

Perhitungan untuk mencari Nusselt

Nu = k

lh.

Diketahui :

h = 36,0 W/m 2 K

L = 2,02 m.

k = 290 W/m ° K.

Sehingga dari data di atas mendapatkan

hasil sebagai berikut :

Nu = k

lh.

= 290

02,20,36 x

= 0,250 Watt

Perhitungan untuk mencari Reynolds

yaitu :

Re = µ

UxD

Diketahui :

Page 10: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

10

U = 1123 W /m 2 °K

D = 0,0254 2 m.

µ = 20,92 x 10 6 (m 2 /dt)

(Viskositas kinematik dari tabel A4)

Dari data di atas mendapatkan hasilnya

sebagai berikut :

Re = µ

dUx.

= 6

2

1029,20

0254,01123

x

x

= 6,815 x 10 8

Kesimpulan.

1. Konduktivitas panas pada pipa alumini

um terlihat konstan, mungkin disebabkan

selisih temperatur dan laju aliran yang ren

dah

2. Nilai koefisien panas, (h) sangat di penga

ruhi oleh laju aliran air dingin dan selisih

temperatur.

Saran.

1. Perlu di buat alat yang lebih baik agar pe

ngukuran temperature dan laju aliran

lebih akurat

2. Harus dibuat selisih temperatur yang bes

ar, panjang pipa, debit aliran agar mudah

mendapatkan data.

Page 11: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

4

4.1 Tabulasi Hasil Dari Pengambilan Data Keseluruhannya.

1hT (° k) 363 342 333

1CT (°K) 328 321 295

2hT (°K) 340 331 329

2CT (°K) 310 305 297

CT (°K) 633 625 604

hT (°K) 703 689 678

q (Watt) 316 250 307

k (W/m °K) 290 270 230

h (W/m 2 °K) 36,0 34,0 32,0

Re 6,815 x10 8 6,421x10 8 5,931 x10 7

mT∆ (°K) 35 32 29

Daftar Pustaka

1. J.P. Holman “Heat Transfer”, 6 th ,ed, McGraw-Hill Book Company,1987.

2. Frank Kreith Arko Prijono M.sc,”Prinsip – prinsip Perpindahan Panas “edisi Ke 3,

Jakarta Timur, 1994.

3. J.P Holman E. Jasjfi, “Perpindahan Kalor”,ed Ke-6, Jakarta Timur, 1995

4. Sears.Zemansky,”Fisika Mekanika Panas dan Bunyi “,(The City Collage of The

City of The New York, Inc,1962.

5. P.K Tata McGraw-Hill “Heat Transfer”,13 th (Tata McGraw – Hill Publishing

Company Limited, 7 West Patel Nagar, New Dehli, 2004

6. Hand book ‘’Heat Transfer”

Page 12: 1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman

5