1 pengaruh debit terhadap unjuk kerja alat penukar kalor dan penurunan suhu ruangan

Dinamika Teknik Mesin, Volume 6 No. 1 Juni 2016 Mirmanto, Sayoga, Zulkarnain: Pengaruh debit terhadapp. ISSN: 2088-088X, e. ISSN: 2502-1729 unjuk kerja alat penukar kalor dan penurunan suhu ru-

1

PENGARUH DEBIT TERHADAP UNJUK KERJA ALAT PENUKAR KALORDAN PENURUNAN SUHU RUANGAN

Mirmanto*, I Made Adi Sayoga, ZulkarnainTeknik Mesin F.T. Universitas Mataram, Jl. Majapahit No.62 Mataram, Nusa Tenggara Barat,

83125, Indonesia*Email : [email protected]

ABSTRACTDue to population growth, industry advance and rapid development, fresh and

comfortable air may be difficult to get. Conditioning the air to get comfort environment may be abasic demand for people, but the prices of the device and its operation for this purpose areexpensive. This research tries to solve this problem but it is just only to know the capability ofthe heat exchanger to transfer/ absorb heat and is not to cool the room to be below the ambienttemperature. The working fluid used was clean water and the heat exchangers employed wereparallel and serpentine which were made of copper pipes with a diameter of 1/4 inch and 1/2inch (for the header). The volumetric flow rates used were 300 ml/minutes, 400 ml/minutes and500 ml/minutes. While the heat that should be absorbed by the water from the room is 50 W,100 W and 150 W. The results show that the effect of volumetric flow rate on heat exchangerperformance and room temperature is insignificant. From the pressure drop results, the parallelpipe heat exchanger has lower pressure drops while the serpentine has higher pressure drops.

Keywords: volumetric flow rate, heat exchanger, heat exchanger performance, roomtemperature.

PENDAHULUANBelum lama ini isu pemanasan global

dibicarakan di seluruh dunia. Iklim yang tidakmenentu, meningkatnya tinggi permukaan airlaut, dan meningkatnya suhu di seluruhpenjuru bumi merupakan beberapa efek yangtimbul dari pemanasan global. Peristiwa initerjadi karena meningkatnya konsentrasi gas-gas rumah kaca seperti karbondioksida dansebagainya, sehingga radiasi matahari yangseharusnya dipantulkan kembali dari bumisetelah masuk ke bumi, menjaditerperangkap.

Sebagai akibat dari pemanasan globaldan letaknya berada di katulistiwa sertapesatnya pertumbuhan penduduk,pemukiman dan industri, maka kenyamananudara yang sejukpun menurun. Pada kondisidemikianlah, maka perlu adanya upaya untukmengembalikan ke kondisi yang nyaman danperlu dicari alternatif lain yang dapatdigunakan sebagai penurun temperturruangan misalnya adalah menurunkantemperatur ruangan dengan menggunakan airbersih yang dapat diperoleh dari sumur atauPDAM.

Air tersedia melimpah danharganyapun murah. Terlebih-lebih jikatersedia pompa air dan sumur air, maka airdapat langsung dialirkan dan dimanfaatkansesuai dengan kebutuhan. Pemanfaatan airuntuk penurunan temperatur ruangan cukupmudah dan peralatan yang digunakannyapun

sederhana serta perawatannya mudah.Sementra itu, penurunan temperatur ruangandengan menggunakan air ini masih jarangatau mungkin belum ada dipasaran sehinggaalat ini perlu untuk diteliti dan dikembangkanlebih lanjut.

Mintorogo (2003) melakukan suatupenelitian pendinginan ruangan denganmenggunakan air. Pipa-pipa yang berisi airdiletakkan di atas atap terbuka untukmelepaskan panas di malam hari secarakonduksi, konveksi, dan radiasi. Air yangtelah dingin tersebut selanjutnyadimanfaatkan sebagai pendingin ruangandengan cara mengalirkannya ke pipa-pipadalam ruangan di atas plafon. Kesimpulanyang dihasilkan dari penelitian Mintrogo(2003) tersebut adalah bahwa pendinginandengan menggunakan air sangat berpotensiuntuk dikembangkan lebih lanjut. Suhuruangan dapat diturunkan dari 30°C ke 25°C.

Untuk menyerap panas dari ruangandan membuangnya ke lingkungan diperlukanperalatan yang disebut dengan heatexchanger. Jenis-jenis heat exchanger sangatbanyak diantaranya adalah heat exchangershell and tube, heat exchanger pipa-pipabersirip, plate heat exchanger dansebagainya. Berdasarkan aliran dari fluida,heat exchanger dapat dibedakan menjadiheat exchanger aliran searah, aliranberlawanan, aliran menyilang, mixed flow heatexchanger dan unmixed flow heat exchanger,


2

direct contact heat exchanger dansebagainya.

Pada penelitian ini jenis heat exchangeryang dipakai adalah berupa pipa-pipa yangdisusun paralel dan serpentin yang dialiri airdingin dan diletakan di bawah tutup kotakprototipe alat penelitian. Pertimbanganpemelihan heat exchanger ini adalahkemudahan dalam pembuatan, murah danperawatannyapun sederhana. Oleh sebab itualat penukar kalor ini memungkinkan untukditiru oleh masyarakat guna mendinginkanruangannya. Perbedaan dengan penelitianyang dilakukan oleh Mintorogo (2003) adalahkomponen kondensor dan evaporatornyatersusun dalam bentuk heat exchanger koil,sedangkan pada penelitian ini tidak terdapatkondensor sebab air yang digunakan berasaldari sumur dan setelah dilewatkan HElangsung dibuang ke lingkungan.

FASILITAS DAN METODE PENELITIANSkema Alat Penelitian

Skema alat penelitian dapat dilihatpada gambar 1 dan seksi uji dapat dilihatpada gambar 2. Ruangan pada mulanyaberada pada suhu lingkungan sekitar 28 s/d30°C. Kemudian heater di dalam kotakprototipe di hidupkan. Akibat panas dariheater, suhu ruangan naik perlahan-lahan danakhirnya mencapai suhu tertentu yang disebutdengan suhu kesetimbangan. Pada suhukesetimbangan ini keadaan ruangan sudahmencapai steadi dan semua suhu dicatat.Kemudian air dingin dari kran dialirkan dansuhunya sekitar 27 s/d 29°C. Akibat aliran airdi dalam heat exchanger ini suhu ruangankemudian turun kembali dan akhirnya jugamencapai kesetimbangan termal atau steadi.Pada kondisi ini semua suhu, tekanan dandebit air dicatat.

Suhu air, udara di dalam ruangan danudara di luar ruangan semuanya dicatatdengan menggunakan termokopel tipe Kdengan akurasi ± 0,2°C hasil kalibrasi.Sedangkan perbedaan tekanan pada sisi inletdan outlet dicatat diukur denganmenggunakan pressure transducer 26PCCDyang telah dikalibrasi dengan akurasi ± 0,2kPa. Aliran air diukur dengan menggunakangelas ukur yang resulosinya 10 ml danstopwatch dengan resolusi 1/100 detik.

Alat uji/heat exchanger terbuat daripipa-pipa tembaga dengan diameter 1/2 inuntu headernya dan 1/4 in untuk pipa-pipaparalel dan serpentin. Ukuran total ruanganprototipe adalah 50 cm x 50 cm x 50 cm yang

terbuat dari triplek dengan ketebalan 5 mmyang dikencangkan dengan kayu dan baut.

Gambar 1. Skema alat penelitian

Debit aliran yang diuji adalah 300, 400dan 500 ml/menit sedangkan daya heateryang digunakan adalah 50, 100 dan 150 W(daya apparent) yang diukur denganmenggunakan clamp meter dengan resolusi1/100 untuk arus maupun tegangan.

Data ReduksiPerpindahan panas yang terjadi di

dalam ruangan prototipe ada dua macamyaitu perpindahan panas konveksi alamiah,dimana panas dari udara yang bergeraksecara alami mengalir masuk ke dalam pipaheat exchanger yang kemudian diserap olehair yang mengalir di dalam pipa heatexchanger tersebut. Panas yang mengalir dariudara ke dinding pipa heat exchanger dapatdiprediksi dengan persamaan (Holman,1997):

TTAhq wo (1)

dimana q adalah laju aliran panas dari udarake dinding pipa (W), ho menyatakan koefisienperpindahan panas konveksi bebas (W/m2°C),Tw adalah suhu dinding pipa heat exchanger(diukur pada penelitian ini), dan T∞menyatakan suhu udara rata-rata di dalamruangan prototipe pada keadaan steadi danheat exchanger dialiri air. A menyakan luasanperpindahan panas (m2). Sementara ho dapatdicari dengan persamaan (Holman, 1997):

o

uo D

kh

Nu (2)

dimana Nu adalah angka Nusselts, kumenyatakan konduksi termal udara (W/m °C),dan Do adalah diameter luar pipa heatexchanger (m). Nu itu sendiri untuk konveksibebas dihitung dengan menggunakanpersamaan Churchill dan Chu (Holman,1997):


3

Gambar 2. Heat exchanger/seksi uji (a) pipa paralel, (b) pipa serpentin, (c) prototipe ruangan

2

6/1

9/1616/90,559/Pr1

PrGr

387,06,0

Nu

(3)

Pr adalah angka Prandtl yang dapat dicaripada tabel sifat-sifat fisis fluida dan Gr adalah

angka Grashoft yang dapat diprediksi denganpersamaan (Holman, 1997):

2

2

ow DTTg

Gr (4)

dimana adalah viskositas kinematis udara(m²/s) yang dapat dicari pada tabel sifat-sifatfisis udara. β adalah koefisien ekspansivolume dan dapat ditulis sebagai 1/T. Tmerupakan suhu rata-rata dari suhu dinding


4

heat exchanger dan suhu udara rata-rata danharus dalam satuan Kelvin:

2/ TTT w (5)

Panas yang diserap oleh air (qrem) didalam pipa bundar dalam heat exchangerdapat diprediksi dengan persamaan (Holman,1997):

ioprem TTcmq (6)

dengan m laju aliran massa air (kg/s), cpadalah panas jenis air (W/kg °C), Tomenyatakan suhu air keluar dan Ti adalahsuhu air masuk heat exchanger.

Hasil-hasil penelitian yang berkaitandengan pembandingan akan dilakukandengan menggunakan uji Anova danmenggunakan error analysis. Hal ini akanditampilkan pada paper ini sebab hampirseluruh penelitian di Teknik Mesin Unramselalu menggunakan uji Anova. Sedangkanerror analysis ditampilkan untuk membantumahasiswa agar mampu memahami cara-cara menganalisis ketidak pastian dan dapatpula digunakan untuk membandingkan duakelompok data yang masing-masing individudata mempunyai error tersendiri. Analysiserror ini menggunakan petunjuk pada bukuColeman and Steele (2009). Ketidak pastianpengukuran atau error pada dasarnyadikelompokan menjadi sistematik error danrandom error. Sistematik arror dapatdiperbaiki misal dengan cara mengkalibrasialat ukur sedangkan random error tidak dapatdiperbaiki tetapi dapat diperkecil dengan caramemperbanyak data pengukuran. Misalmengukur suhu X dilakukan berulang kalidengan menggunakan termokopel, makaketidak pastian sistematiknya adalah standardeviasi kalibrasi termokopel, tetapi jika tidakdikalibrasi, maka sistematik errornya dapatdiperoleh pada spesifikasi termokopeltersebut. Karena pengukuran satu titikdilakukan berkali-kali maka akan timbulstandar deviasi dan standar deviasi inilahmenjadi salah satu random error. Perlu dicatatbahwa pengukuran berkali-kali dalampenelitian atau pengukuran adalah proseduryang betul. Jika pengukuran dilakukan hanyasatu kali, maka timbulah keraguan nilaikebenaran dari data yang diperoleh. Olehsebab itu setiap individu memiliki ketidakpastian sendiri-sendiri. Jika ketidak pastiansistematik adalah B dan ketidak pastianrandom adalah R maka ketidak pastian total

dari suhu yang diukur tersebut minimal samadengan:

22 RBUT (7)

Persamaan untuk propagasi ketidakpastiandapat dilihat pada Coleman and Stelee(2009). Tetapi contoh persamaan akandiberikan di sini. Misal, ketidak pastian daripersamaan (6) dapat diprediksi sebagaiberikut:

5,0

2

2

2

i

orem

Ti

rem

To

rem

mrem

q

UT

q

UT

q

Um

q

U

(8)

U menyatakan ketidak pastian atau error,sedangkan ketidak pastian dari panas jenis cpdianggap nol sebab nilai cp diperoleh daritabel.

HASIL DAN PEMBAHASANGambar 3 menunjukan perbandingan

kalor yang diserap oleh air (qrem) padaberbagai debit aliran 300 ml/menit, 400ml/menit, dan 500 ml/menit untuk daya 50 W,100 W dan 150 W. Pada gambar 3 nampakbahwa untuk daya yang sama, panas yangdiserap air tidak terpengaruh dengan debitaliran. Hal ini sedikit bertentangan denganpersamaan (6). Pada persamaan (6), jikadebit aliran naik maka laju perpindahan panasnaik untuk (To-Ti) konstan. Tetapikenyataanya adalah tidak, hal ini disebabkankarena jumlah panas yang diserap oleh heatexchanger pada kondisi jenuh/maksimumadalah tetap. Disamping itu, suhu air masukjuga sama, sehingga persamaan (6) dapatdipahami apabila m naik maka (To - Ti) justruturun. Dengan demikian laju perpindahanpanasnya tetap selama daya yang diberikansama/tetap.


5

Gambar 3. Pengaruh debit terhadap lajuperpindahan panas ke air.

Apabila gambar 3 dianalisismenggunakan uji Anova, maka pengaruhdebit tidak siknifikan tetapi pengaruh dayasangat siknifikan. Namun demikian jikapengaruh ke dua variabel tersebut diujidengan error analysis dengan menampilkanerror bar, maka kedua variabel tersebut tidakberpengaruh siknifikan terhadap lajuperpindahan panas. Hal ini dibuktikan denganadanya error bar yang masih saling berkaitanrentang ketidakpastiannya. Jadi padapembahasan ini memang sengaja disajikandata yang diuji pengaruhnya terhadapvariabel tertentu dengan dua metode yaitumetode Anova dan error analysis. Erroranalysis yang digunakan mengikuti bukuColeman and Steele (2009). Kedua analisismembuktikan bahwa jika setiap individuvariabel memiliki ketidakpastian, maka erroranalysislah yang tepat digunakan dansebaliknya.Untuk memperkuat penjelasan yang berkaitandengan gambar 3, gambar 4 menyajikan (To-Ti) terhadap debit aliran untuk berbagai daya.Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa pengaruhdebit terhadap kenaikan suhu air sangatsiknifikan pada daya yang sama dan debityang berbeda berdasarkan uji Anova. Namun,jika diuji dengan error analisis, pengaruh debitmaupun daya tidak siknifikan terhadap io TT . Pengaruh yang tidak siknifikan inidisebabkan oleh ketidakpastian suhu yangbesar. Dengan menggunakan errorpropagation (Coleman and Steele, 2009),ketidak pastian total dari qrem menjadi besar.Ketidak pastian dari suhu baik itu suhu sisimasuk ataupun keluar dari air adalah sebesar± 0,2 °C, sehingga error propagation nyaadalah ± 0,28°C. Jika yang digunakanpatokan adalah 90% kepercayaan, maka dataakan siknifikan pengaruhnya apabila ΔT yangdiukur adalah minimal 2,8°C. Selama ΔTkurang dari 2,8°C, maka pengaruh dari debitdan daya pemanas ruangan tidak siknifikanterhadap ΔT. Akibat ketidak pastian suhuyang besar ini, maka pada gambar 3,

pengaruh debit dan daya terhadap lajuperpindahan panas menjadi tidak siknifikan.Namun demikian pada penelitian ini tidakdapat dihasilkan ΔT yang tinggi sebabperbedaan antara suhu air masuk dan suhuudara sebelum air dialirkan hanyalah berkisar20-30°C. Demikian pula perbedaan antarasuhu lingkungan dengan suhu ruanganberkisar antara 20-30°C. Dengan perbedaansuhu ini, panas yang diserap oleh air tidakbanyak karena sebagian panas keluar kelingkungan. Kecilnya panas yang diserap airmenimbulkan ΔT yang kecil.

Gambar 4. Pengaruh debit aliran dan dayapanas terhadap ΔT.

Gambar 5. Pengaruh debit aliran dan dayaterhadap penurunan suhu ruangan.

Gambar 3 menunjukan bahwa debitaliran tidak berpengaruh terhadap lajuperpindahan panas dari ruangan ke aliran air,tetapi bagaimanakah pengaruh debit alirandengan penurunan suhu ruangan? Hubunganantara debit aliran dengan penurunan suhuruangan dapat ditunjukan pada gambar 5.

Gambar 5 menunjukan adanyapengaruh dari debit aliran atupun daya heaterterhadap penurunan atau besarnya suhu yangditurunkan. Pada daya yang sama denganmeningkatnya debit aliran, maka penurunansuhu akan naik. Hal ini dapat diterima, sebabdengan debit yang tinggi, panas yang diserapdari ruangan oleh aliran air juga meningkat.Tetapi dengan adanya gambar 3 dan 4,fenomena ini justru bertentangan. Pada


6

gambar 3 tidak ada pengaruh debit aliranterhadap kalor/panas yang diserap oleh aliranair, sedangkan penurunan suhu ruangandipengaruhi oleh debit aliran. Artinya bahwaperpindahan panas yang terjadi secaraalamiah dari udara ke heat exchangerdipengaruhi oleh debit aliran.

Demikian pula dengan daya yangmeningkat, suhu yang dapat diturunkan juganaik. Hal ini sebenarnya bertentangan dengangambar 3 dan 4. Namun demikian hal inidapat dipahami dengan cara menelusurikondisi percobaan. Kotak prototipe tidakdiisolasi, artinya dengan adanya penambahandaya, suhu di dalam ruangan sebelum airdingin dialirkan akan lebih tinggi dibandingkandengan suhu ruangan pada daya rendah.Seiring dengan naiknya suhu ruangan, panasyang mengalir ke lingkungan juga meningkat.Meningkatnya panas keluar ruangan inimempengaruhi/membantu penurunan suhuruangan, sehingga ketika air dingin dialirkanmaka suhu ruangan drop secara siknifikan.

Berdasarkan gambar 6 s/d 8, pengaruhbentuk HE terhadap suhu akhir ruangansiknifikan. Bentuk paralel menghasilkan suhuakhir ruangan yang lebih tinggi dibandingkandengan bentuk serpentin. Trend ini samauntuk semua daya yang diberikan, suhuruangan dengan HE paralel lebih tinggi.

Gambar 6. Hubungan Tr dengan debit debit300, 400 dan 500 cm3/menit pada pipaparallel dan serpentin dengan daya 50 W.



Kerugian tekanan yang dihasilkan olehdua bentuk pipa yang berbeda pada debityang berbeda dapat dilihat pada pada gambar9 berikut:

Gambar 9. Hubungan ∆P dengan debit debit300, 400 dan 500 cm3/menit pada pipa paralleldan serpentin.

Dari gambar 9 di atas, terlihat kerugiantekanan yang terjadi semakin naik seiringdengan bertambahnya debit air. Hal ini terjadikarena dipengaruhi oleh kecepatan aliran air(V), semakin besar debit yang dialirkan makasemakin tinggi kecepatan aliran air, lihatlahpersamaan pressure drop, persamaan (9).

2

2V

D

fLp (9)

Untuk dua bentuk pipa yang berbeda,pipa parallel memiliki kerugian tekanan yanglebih kecil dibandingkan dengan pipaserpentin untuk daya dan debit yang sama.HE yang paralel tersusun atas pipa-pipa yangpendek dan kecepatan aliran pada masing-masing pipa sangat rendah sedangkan pipaserpentin jauh lebih panjang dan aliranfluidanya cepat sehingga berdasarkanpersamaan pressure drop pipa serpentinmenghasilkan pressure drop yang lebih besar.


7

KESIMPULANDari hasil pembahasan dapat diambil

beberapa kesimpulan sebagai berikut:1. Pengaruh bentuk HE pipa paralel dan

serpentin terhadap kenaikan suhuruangan siknifikan.

2. Penurunan temperatur ruangan (Tr) olehdebit aliran tidak signifikan.

3. Suhu air keluar (∆T) tidak dipengaruhioleh bentuk HE tetapi dipengaruhi olehdebit aliran.

4. Kerugian tekanan pada pipa parallel lebihkecil dari pada pipa serpentin. Olehsebab itu bentuk HE yang baik adalahHE pipa paralel.

DAFTAR SIMBOLA : luasan perpindahan panas (m²)B : ketidak pastian sistematiscp : panas spesifik (J/kg K)Do : diameter luar saluran (m)f : faktor gesekanGr : angka GrashoftHE : heat exchangerho : koefisien perpindahan panas (W/m²

K)ku : konduktivitas termal udara (W/m°C)m : laju aliran massa (kg/s)Nu : angka NusseltsPr : angka Pradtleq : laju aliran panas (W)qrem : panas yang diambil fluida (W)R : ketidak pastian randomT : suhu rata-rata (°C)Ti : suhu fluida masuk (°C)To : suhu fluida keluar (°C)Tw : suhu dinding (°C)T∞ : suhu fluida (°C)U : ketidak pastian (error)ν : viskositas kinematis (m/s²)V : kecepatan rata-rata fluida (m/s)X : sampel dataΔp : kerugian tekanan (Pa)ρ : densitas (kg/m³)

DAFTAR PUSTAKAAhmadi S., 2012, Laporan Kerja Praktek

Dinas Teknik Peralatan PT. AngkasaPura I (persero)BIL, Jurusan TeknikMesin, Unram.

Anwar K., Arif E., Piarah W.H., 2010, Efektemperatur pipa kapiler terhadap kinerjamesin pendingin, Jurnal Mekanikal, vol.1, no. 1, 30 – 39.

Burlian F., Khoirullah M. I., 2014, Pengaruhvariasi ketebalan isolator terhadaplaju kalor dan penurunan temperaturpada Permukaan Dinding Tungku

Biomassa, Jurusan Teknik Mesin,Universitas Sriwijaya.

Cengel Y.A., 1997, lntroduction toThermodynamics and Heat Transfer, Mc.Graw Hill, lnc., New york.

Holman J.P.,1988, Perpindahan Kalor,Erlangga, Jakarta.

Mintorogo D.S.,2003, Strategy water basedcondenser, Jurnal Teknik Arsitektur, vol.31, No. 2, 141-151.

Stocher W.F., Jones J.W, 1989, Refrigerationand Air Conditioning, Mc. Graw HillInternational Edition.

Tarigan B.V., 2003, Pengaruh penggunaanbaffles dan material baffles terhadapunjuk kerja kolektor surya plat datardengan bentuk bertingkat, JurusanTeknik Mesin, Universitas mataram.

1 pengaruh debit terhadap unjuk kerja alat penukar kalor dan penurunan suhu ruangan

Engineering