1 jurnal skripsi program sarjana endrid gusman
TRANSCRIPT
1
JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA
Endrid Gusman
20400417
JURUSAN TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS GUNADARMA
2006
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.
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
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.
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
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
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)
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.
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 :
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.
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”
5