BAB III

PENGUJIAN KONVEKSI

3.1 PENDAHULUAN

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan suhu

antara benda atau material. Energi yang berpindah dinamakan kalor atau panas. Ilmu

perpindahan kalor menjelaskan bagaimana dan seberapa cepat kalor atau panas tersebut

dapat berpindah. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas, yaitu konduksi,

konveksi, dan radiasi.

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi karena

adanya gerakan curah fluida, dimana gerakan ini dapat diamati secara makro.

Mekanisme perpindahan panas konveksi berbeda dengan perpindahan panas konduksi

atau radiasi. Konveksi terjadi pada dua peristiwa yaitu konveksi paksa dan konveksi

alami.

Gambar 3.1 Skema perpindahan panas konveksi [1]

Mekanisme perpindahan panas konveksi erat kaitannya dengan jenis aliran

fluidanya. Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran

fluida tersebut laminar atau turbulen. Dalam aliran laminar, aliran dari garis aliran

(streamline) bergerak dalam lapisan-lapisan. Partikel fluida tersebut tetap pada urutan

yang teratur tanpa saling mendahului. Gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen

berbentuk tidak teratur. Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar

terhadap perpindahan panas konveksi.

Konveksi sangat penting peranannya dalam mengatur fenomena arus samudra,

pembentukan angin laut/darat, pembentukan mikro struktur logam selama pendinginan

logam cair, pemanfaatan energi surya, gerakan udara panas ketika terjadi kebakaran,

pembakaran hutan, emisi gas buang kendaraan, dsb. Aplikasi paling umum di industri

adalah pada pendinginan udara pada chip komputer dan peralatan-peralatan besar[2].

3.2 DASAR TEORI

Konveksi adalah proses perpindahan panas antara permukaan benda padat dan

fluida yang bergerak di atasnya (mengalir). Pada proses tersebut melibatkan kombinasi

dari konduksi dan gerakan fluida. Perpindahan panas konveksi dibagi menjadi dua,

yaitu konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami adalah perpindahan panas

pada fluida yang terjadi karena efek mengambang (buoyancy effect). Perbedaan

temperatur akan menyebabkan perbedaan densitas fluida. Pada temperatur tinggi

densitas fluida akan menurun, sedangkan pada temperatur yang rendah densitas fluida

lebih besar. Konveksi paksa adalah perpindahan panas pada fluida karena adanya gaya

luar. Pada gambar 3.2 pelat logam yang panas akan cepat menjadi dingin apabila ditaruh

kipas angin (konveksi paksa) dibandingkan dengan ditempatkan pada udara tenang

(konveksi alami) [2].

(a) (b)

Gambar 3.2 Skema konveksi (a) paksa dan (b) bebas [2]

3.2.1Pengetahuan Umum Konveksi

Perpindahan panas konveksi terbagi menjadi dua, yaitu konveksi alami atau

bebas dan konveksi paksa. Konveksi alami adalah perpindahan panas pada fluida yang

terjadi karena efek mengambang (buoyancy effect). Perbedaan temperatur akan

menyebabkan perbedaan densitas fluida. Pada temperatur tinggi densitas fluida akan

menurun, sedangkan pada temperatur yang rendah densitas fluida lebih besar, sehingga

keberadaan gravitasi atau gaya sejenis sangat penting dalam perpindahan kalor konveksi

bebas[3].

Perpindahan kalor secara konveksi paksa terjadi karena adanya pengaruh dari

luar/paksaan yang memaksa fluida untuk mengalir sesuai dengan arah yang dipaksakan.

Paksaan atau gaya yang diberikan dapat berupa kipas, pompa, blower, kompresor dsb.

Pada gambar 3.3 (a) telur yang panas akan cepat dingin karena bantuan angin dari kipas

dibandingkan (b) telur yang hanya dibiarkan dingin secara alami[2].

(a) (b)

Gambar 3.3 (a) konveksi paksa (b) konveksi bebas [2]

Laju perpindahan kalor suatu benda sebanding dengan beda temperatur antara

benda dengan fluida sekelilingnya. Sesuai dengan Hukum Newton tentang pendinginan

yang dirumuskan:

Q = h.A.(To - T∞)

Dimana :

Q = laju perpindahan kalor (W)

h = koefisien perpindahan panas (W/m2K)

A = Luas permukaan objek (m2)

To = Temperatur permukaan objek (K)

T∞ = Temperatur lingkungan/fluida (K) [2].

Laju perpindahan kalor (Q) merupakan besarnya perpindahan panas yang terjadi

terhadap suatu objek. Koefisien perpindahan panas (h) merupakan koefisien konveksi

aliran. Luas permukaan objek (A) adalah luas permukaan yang dikenakan perpindahan

panas. Ada beberapa rumus luasan yaitu :

a. Pada plat datar (A = P x L)

b. Pada silinder (Ar = 2πrL)

Gradien temperatur (∆T) merupakan selisih temperatur antara temperatur objek dan

temperatur lingkungan/fluida[3].

Untuk menganalisa perpindahan panas konveksi terdapat bilangan tak

berdimensi, yaitu bilangan Nusselt, bilangan Reynolds, dan bilangan Prandtl yang

kemudian akan dibahas pada sub bab berikutnya.

Dalam perpindahan panas konveksi kita juga harus mempertimbangkan bentuk

aliran fluida. Apakah laminar atau turbulen. Aliran laminar adalah aliran yang berlapis-

lapis. Partikel fluida mengikuti lintasan yang lancar serta malar (kontinu). Kebalikan

dari gerakan laminar, gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen berbentuk tidak

teratur. Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan

panas konveksi.

Konveksi sangat penting peranannya dalam mengatur fenomena arus samudra,

pembentukan angin laut/darat, pembentukan mikro struktur logam selama pendinginan

logam cair, pemanfaatan energi surya, gerakan udara panas ketika terjadi kebakaran,

pembakaran hutan, emisi gas buang kendaraan, dsb [4].

3.2.2 Tujuan Praktikum

Tujuan dari praktikum konveksi paksa aliran udara pada pipa horizontal adalah:

1. Mencari nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk variasi tertentu

seperti laju alir, temperatur udara keluar dan temperatur dinding pada pipa

horizontal.

2. Praktikan menemukan korelasi antara bilangan Reynolds untuk menentukan

kecepatan laju alir dan bilangan Nusselt untuk mengetahui temperatur dinding [5].

3.2.3 Rumus Perhitungan konveksi paksa

Rumusan konveksi paksa erat hubungannya dengan angka Reynolds (Re),

Prandtl (Pr), Nusselt (Nu). Bilangan Reynolds dapat menggambarkan apakah aliran

tersebut laminar atau turbulen, sedangkan bilangan Prandtl menunjukkan karakteristik

termal fluida, dan bilangan Nusselt menggambarkan karakteristik proses perpindahan

panas. Ketiga bilangan ini membentuk persamaan :

N ud=C . R edm . Ρ rn

di mana:

Nud = bilangan nusselt

Red = biangan reynold

Pr = bilangan prandtl

n = 0,4(pemanasan)

= 0,3(pendinginan)

c, m, dan n adalah konstanta yang harus ditentukan dari percobaan. Berikut rumus

bilangan-bilangan tersebut. [3]

1. Bilangan Reynold

Merupakan bilangan tak berdimensi yang diperoleh dari rasio gaya inersia

dengan viskositas. Bilangan Reynold digunakan untuk menentukan karakteristik suatu

aliran fluida laminar atau turbulen.

R ed=ρ μm d

μ

di mana:

Red = bilangan Reynold

ρ = densitas fluida (kg/m3)

v = kecepatan aliran (m/s)

μ = viskositas (kg/m.s)

D = diameter pipa (m)[3]

Gambar 3.4 Pengembangan daerah aliran lapis batas di atas plat rata [3]

Dengan bilangan Reynolds kita dapat mengetahui apakah aliran fluida tersebut

laminar atau turbulen dengan melihat batasan berikut.

Re ≤ 2300 Aliran laminar

Re ≥ 2300 Aliran turbulen [3].

2. Bilangan Prandtl

Bilangan Prandtl merupakan bilangan yang digunakan sebagai perbandingan

viskositas kinematik fluida terhadap difusivitas termal fluida. Viskositas kinematik

memberikan informasi tentang laju difusi momentum dalam fluida dan difusitas termal

memberikan informasi tentang difusi kalor dalam fluida.

Ρ r= vα

= μ/ ρk / ρ c p

=c p μ

k

di mana:

ν=viskositas kinematis (m2/s)

μ=viskositasdinamis (kg/m.s)

c p = kalor jenis pada tekanan konstan(kJ/kgoC)

k =koeffisien konduktivitas termal (W/moC)[3].

Untuk aliran dalam pipa, seperti halnya aliran melewati plat datar profil

kecepatan serupa dengan profil suhu untuk fluida yang mempunyai bilangan Prandtl

satu [3].

3. Bilangan Nusselt

Merupakan bilangan yang digunakan untuk menentukan distribusi suhu

permukaan atau plat.

N ud=hLk

di mana:

Nud = bilangan nusselt

h = koeffisien perpindahan panas kenveksi(W/m2oC)

L = panjang plat (m)

K = koeffisien konduktifitas termal(W/moC)[3]

Nilai bilangan Nusselt dipengaruhi oleh beberapa jenis aliran yaitu :

a. Aliran Laminar berkembang penuh

Nud=1,86.¿

batasan R ed . PrDL

>10

b. Aliran Turbulen berkembang penuh

Nud=0.027 . R ed0.8 . Pr0.3( μ

μW )0.14

di mana:

μ = viskositas fluida (kg/m.s)

μ w = viskositas dinding (kg/m.s)[3]

Untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully developed

turbulent flow) dalam tabung licin, digunakan persamaan berikut:

Nud=0.023 . R ed0.8. Prn

batasan:

n = 0,4 pemanas dan n = 0,3 pendingin

0,6 < Pr < 100 (untuk aliran turbulen yang tidak berkembang sepenuhnya di dalam

tabung licin dan dengan beda suhu moderat antara dinding fluida ) [3].

4. Koefisien Perpindahan Kalor

h= kD

Nud(W /m2 . o C)

di mana:

h = koefisien perpindahan kalor (W/m2 0C)

k = konduktivitas termal (W/m 0C)

D = diameter pipa (m)

Nud = bilangan Nusselt [5].

5. Hukum Newton tentang pendinginan

Laju perpindahan kalor suatu benda sebanding dengan beda temperatur antara

benda dengan fluida sekelilingnya.

Q = h.A.(To - T∞)

laju perpindahan kalor (Q) merupakan besarnya perpindahan panas yang terjadi

terhadap suatu objek. Koefisien perpindahan panas (h) merupakan koefisien konveksi

aliran. Luas permukaan objek (A) adalah luas permukaan yang dikenakan perpindahan

panas.

6. Pemanas Heater

Qheater=h .2π . r . L (T w−Tb )Watt

di mana:

h = koefisien perpindahan kalor (W/m2 0C)

r = jari-jari (m)

L = panjang pipa (m)

T w = temperatur dinding (0C)

T b = temperatur bulk (0C)

7. Perpindahan kalor total

Q=mc p(T w−T b)

di mana:

m= massa per satuan waktu (m/kg)

cp = kalor jenis pada tekanan konstan(Joule/Kg oC)

Tw = temperatur dinding (0C)

Tb = temperatur bulk (0C) [5].

3.2.4 Aplikasi Konveksi Paksa

Kondensor adalah peralatan yang berfungsi untuk mengubah uap menjadi air.

Prinsip kerja Kondensor proses perubahannya dilakukan dengan cara mengalirkan uap

ke dalam suatu ruangan yang berisi pipa-pipa (tubes). Uap mengalir di luar pipa-pipa

(shell side) sedangkan air sebagai pendingin mengalir di dalam pipa-pipa (tube side).

Kondensor seperti ini disebut kondensor tipe surface (permukaan). Kebutuhan air untuk

pendingin di kondensor sangat besar sehingga dalam perencanaan biasanya sudah

diperhitungkan. Air pendingin diambil dari sumber yang cukup persediannya, yaitu dari

danau, sungai atau laut. Posisi kondensor umumnya terletak dibawah turbin sehingga

memudahkan aliran  uap keluar turbin untuk masuk kondensor karena gravitasi.

Laju perpindahan panas tergantung pada aliran air pendingin, kebersihan pipa-

pipa dan perbedaan temperatur antara uap dan air pendingin. Proses perubahan uap

menjadi air terjadi pada tekanan dan temperatur jenuh, dalam hal ini kondensor berada

pada kondisi vakum. Karena temperatur air pendingin sama dengan temperatur udara

luar, maka temperatur air kondensatnya maksimum mendekati temperatur udara luar.

Apabila laju perpindahan panas terganggu, maka akan berpengaruh terhadap tekanan

dan temperatur.

Gambar 3.5 Skema perpindahan panas pada kondensor[6].

3.2.5 Alat dan Prosedur Pengujian

3.2.5.1 Bagian – Bagian Alat Beserta Fungsinya

Gambar 3.6 Skema alat pengujian konveksi paksa [5]

Gambar 3.7 Alat pengujian konveksi paksa [7]

Heater

Display termo kopel

BlowerPipa A

Pipa B+Kain asbestos+gips

1. Transformator

Berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC

Gambar 3.8 Transformator [7]

2. Anemometer

Berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran udara (fluida) pada waktu awal dan

suhu fluida keluar

Gambar 3.9 Anemometer [8]

3. Watt meter

Berfungsi untuk mengukur daya yang masuk.

Gambar 3.10 Watt meter [7]

4. Asbestos

Berfungsi sebagai peredam panas yang akan merambat keluar melalui celah

sambungan pipa

Gambar 3.11 Asbestos [7]

5. Gips

Berfungsi sebagai isolator supaya panas dari pipa horizontal tidak keluar ke

lingkungan.

Gambar 3.12 Gips [7]

6. Kawat Filamen

Berfungsi untuk mendistribusikan panas ke pipa konveksi

Gambar 3.13 Kawat filament [7]

7. Regulator

Berfungsi untuk mengatur daya yang dikeluarkan.

Gambar 3.14 Regulator [7]

8. Pipa Konveksi

Berfungsi untuk arah aliran fluida (udara).

Gambar 3.15 Pipa konveksi. [7]

9. Thermo display

Berfungsi untuk menampilkan suhu terukur pada pipa konveksi(pada 4 titik).

Gambar 3.16 thermo display [7]

10. Blower

Berfungsi untuk memberi hembusan (penghembus) udara ke pipa konveksi.

Gambar 3.17 Blower [7]

11. Thermo kopel

Berfungsi untuk mengukur suhu pada pipa konveksi (pada 4 titik).

Gambar 3.18 Sensor Thermokopel (Fine Thermocouple) [7]

12. Stopwatch

Berfungsi mengukur waktu sampai terjadi kondisi steady state.

Gambar 3.19 stopwatch [9]

3.2.5.2 Prosedur Pengujian

Prosedur pengujian praktikum konveksi paksa aliran udara pipa horizontal

adalah:

1. Menyambungkan alat-alat ke sumber listrik.

2. Mengatur daya keluaran dengan regulator sebesar 60 watt yang terukur pada watt

meter

3. Mencatat suhu dinding awal pada thermo display dan suhu keluaran awal dengan

anemometer.

4. Mencatat perubahan suhu dinding dan suhu keluaran setiap 30 detik dengan

stopwatch hingga mencapai steady state (saat suhu dinding dan suhu keluaran tetap

sama selama 5 kali pengambilan data).

5. Setelah mencapai steady state, nyalakan blower untuk pengambilan data penurunan

suhu.

6. Mencatat suhu dinding awal, suhu keluaran awal, dan kecepatan awal aliran.

7. Mencatat perubahan suhu dinding, suhu keluaran, dan kecepatan aliran setiap 30

detik hingga mencapai steady state (saat suhu dinding dan suhu keluaran tetap sama

selama 5 kali pengambilan data)

8. Setelah mencapai steady state, pencatatan dihentikan.

9. Mematikan blower.

3.2 DATA PERHITUNGAN DAN ANALISA

3.3.1 Data Hasil Percobaan

Tabel 3.1 Temperatur (Konveksi Alami)

No. Waktu

(detik)

Suhu dinding (oC) Suhu udara keluar

(T5) (oC)

Laju Aliran

(m/s)T1 T2 T3 T4 T

1 0 32 32 34 30 32 32 0.1

2 30 32 33 35 30 32,5 32 0.1

3 60 33 33 35 30 32,75 32 0.1

4 90 33 33 36 31 33,25 32 0.1

5 120 33 34 36 31 33,5 32 0.1

6 150 34 34 37 31 34 32 0.1

7 180 34 34 37 31 34 32 0.1

8 210 34 35 37 32 34,5 32 0.1

9 240 35 35 38 32 35 32 0.1

10 270 35 35 38 32 35 32 0.1

11 300 35 36 38 32 35,25 32 0.1

12 330 35 36 39 32 35,5 33 0.1

13 360 36 36 39 33 36 33 0.1

14 390 36 36 39 33 36 33 0.1

15 420 36 36 39 33 36 33 0.1

16 450 36 37 40 33 36,5 33 0.1

17 480 36 37 40 33 36,5 33 0.1

18 510 37 37 40 33 36,75 33 0.1

19 540 37 37 40 33 36,75 33 0.1

20 570 37 37 41 34 37,25 33 0.1

21 600 37 38 41 34 37,5 33 0.1

22 630 37 38 41 34 37,5 33 0.1

23 660 38 38 41 34 37,75 33 0.1

24 690 38 38 41 34 37,75 33 0.1

25 720 38 38 41 34 37,75 33 0.1

26 750 38 38 42 34 38 33 0.1

27 780 38 39 42 34 38,25 33 0.1

28 810 38 39 42 34 38,25 33 0.1

29 840 38 39 42 35 38,5 33 0.1

30 870 38 39 42 35 38,5 33 0.1

31 900 39 39 42 35 38,75 33 0.1

32 930 39 39 42 35 38,75 33 0.1

33 960 39 39 43 35 39 33 0.1

34 990 39 39 43 35 39 33 0.1

35 1020 39 40 43 35 39,25 33 0.1

36 1050 39 40 43 35 39,25 33 0.1

37 1080 39 40 43 35 39,25 33 0.1

38 1110 39 40 43 35 39,25 33 0.1

39 1140 39 40 43 35 39,25 33 0.1

Tabel 3.2 Temperatur (Konveksi Paksa)

No. Waktu

(detik)

Suhu Dinding (oC) Suhu Udara Keluar

(T5) (oC)

Laju Aliran

T1 T2 T3 T4 T (m/s)

1 0 39 40 43 35 39,25 33 3

2 30 38 40 43 36 39,25 33 2,9

3 60 38 39 42 35 38,5 33 2,5

4 90 37 39 42 35 38,25 33 2,6

5 120 37 39 42 35 38,25 33 2,5

6 150 36 39 41 36 38 33 2,5

7 180 36 38 41 35 37,5 33 2,6

8 210 36 38 41 35 37,5 33 2,6

9 240 36 38 41 35 37,5 33 2,7

10 270 35 38 41 35 37,25 33 2,7

11 300 35 38 40 35 37 33 2,6

12 330 35 38 40 35 37 33 2,7

13 360 35 38 40 35 37 33 2,5

14 390 35 37 40 35 36,75 33 2,6

15 420 35 37 40 35 36,75 33 2,6

16 450 35 37 40 35 36,75 33 2,7

17 480 35 37 40 35 36,75 33 2,8

18 510 35 37 40 35 36,75 33 2,9

3.3.2 Perhitungan Ralat

Sampel perhitungan ralat dari tabel konveksi alami pada saat 0 detik,

diketahui:

Tabel 3.3 Sampel data konveksi alami pada t = 0 detik

Tn T (Suhu), oC (Tn - T )2

T1 32 0

T2 32 0

T3 34 4

T4 30 4

Trata-rata T = 32 Σ = 8

Galat (eror)

ε T=|T−TnT

|×100%

ε T 1=|32−3232

|×100%

= 0 %

ε T 2=|32−3232

|×100 %

= 0 %

ε T 3=|32−3432

|×100 %

= 6.25 %

ε T 4=|32−3032

|×100 %

= 6.25 %

Standar Deviasi

δ T

= √∑ (Tn−T )2

n(n−1 )

δ T =

√812

= 0.816

Nilai T sesungguhnya

T = (T±δ T )= ( 32 0.816) oC

Ralat Nisbi = ( δ T

T )×100 %=( 0 . 81632 )

×100% = 2.55 %

Keseksamaan = (1−δ T

T )×100 %=(1−0 . 816

32 )×100% = 97.45 %

Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Ralat Data Temperatur Konveksi Alami Aliran Pipa

Horisontal

No.

Waktu Galat (%)

 δ TRalat Keseksa-

maan

(%)(detik) T1 T2 T3 T4

Nisbi

(%)

1 0 0 0 6.25 6.25 0.816 2.55 97.452 30 1.53846 1.53846 7.69231 7.69231 1.041 3.20 96.803 60 0.76336 0.76336 6.87023 8.39695 1.031 3.15 96.854 90 0.75188 0.75188 8.27068 6.76692 1.031 3.10 96.90

5 120 1.49254 1.49254 7.46269 7.46269 1.041 3.11 96.89

6 150 0 0 8.82353 8.82353 1.225 3.60 96.40

7 180 0 0 8.82353 8.82353 1.225 3.60 96.40

8 210 1.44928 1.44928 7.24638 7.24638 1.041 3.02 96.98

9 240 0 0 8.57143 8.57143 1.225 3.50 96.50

10 270 0 0 8.57143 8.57143 1.225 3.50 96.50

11 300 0.70922 2.12766 7.80142 9.21986 1.250 3.55 96.45

12 330 1.40845 1.40845 9.85915 9.85915 1.443 4.07 95.93

13 360 0 0 8.33333 8.33333 1.225 3.40 96.60

14 390 0 0 8.33333 8.33333 1.225 3.40 96.60

15 420 0 0 8.33333 8.33333 1.225 3.40 96.60

16 450 1.36986 1.36986 9.58904 9.58904 1.443 3.95 96.05

17 480 1.36986 1.36986 9.58904 9.58904 1.443 3.95 96.05

18 510 0.68027 0.68027 8.84354 10.2041 1.436 3.91 96.09

19 540 0.68027 0.68027 8.84354 10.2041 1.436 3.91 96.09

20 570 0.67114 0.67114 10.0671 8.72483 1.436 3.86 96.14

21 600 1.33333 1.33333 9.33333 9.33333 1.443 3.85 96.15

22 630 1.33333 1.33333 9.33333 9.33333 1.443 3.85 96.15

23 660 0.66225 0.66225 8.60927 9.93377 1.436 3.80 96.20

24 690 0.66225 0.66225 8.60927 9.93377 1.436 3.80 96.20

25 720 0.66225 0.66225 8.60927 9.93377 1.436 3.80 96.20

26 750 0 0 10.5263 10.5263 1.633 4.30 95.70

27 780 0.65359 1.96078 9.80392 11.1111 1.652 4.32 95.68

28 810 0.65359 1.96078 9.80392 11.1111 1.652 4.32 95.68

29 840 1.2987 1.2987 9.09091 9.09091 1.443 3.75 96.25

30 870 1.2987 1.2987 9.09091 9.09091 1.443 3.75 96.25

31 900 0.64516 0.64516 8.3871 9.67742 1.436 3.71 96.29

32 930 0.64516 0.64516 8.3871 9.67742 1.436 3.71 96.29

33 960 0 0 10.2564 10.2564 1.633 4.19 95.8134 990 0 0 10.2564 10.2564 1.633 4.19 95.8135 1020 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652 4.21 95.7936 1050 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652 4.21 95.7937 1080 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652 4.21 95.79

38 1110 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652 4.21 95.7939 1140 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652 4.21 95.79

Sampel perhitungan ralat dari tabel konveksi paksa pada saat 0 detik,

diketahui:

Tabel 3.5 Sampel data konveksi paksa pada t = 0 detik

T (Suhu), oC (Tn - T )2

T1 39 0.0625

T2 40 0.5625

T3 43 14.0625

T4 35 18.0625

Trata-rata T = 39.25 Σ = 32.75

Galat (eror)

ε T=|T−TnT

|×100%

ε T 1=|39. 25−3939. 25

|×100 %

= 0.636943 %

ε T 1=|39. 25−4039. 25

|×100%

= 1.910828 %

ε T 1=|39. 25−4339. 25

|×100%

= 9.55414 %

ε T 1=|39. 25−3539. 25

|×100 %

= 10.82803 %

Standar Deviasi

δ T

= √∑ (Tn−T )2

n(n−1 )

δ T =

√32. 7512

= 1.652019

Nilai T sesungguhnya

T = (T±δ T )= ( 39.25 1.652019) oC

Ralat Nisbi = ( δ T

T )×100 %=( 1. 65201939 . 25 )

×100% = 4.21 %

Keseksamaan = (1−δ T

T )×100 %=(1−1 .652019

39.25 )×100% = 95.79 %

Tabel 3.6 Hasil Perhitungan Ralat Data Temperatur Konveksi Paksa Aliran Pipa

Horisontal

No

.

Waktu Galat (%)

δ T

Ralat Kesek

(detik) T1 T2 T3 T4Nisbi

(%)

Samaan

(%)

1 0 0.63694 1.91083 9.55414 10.828 1.652019 4.21 95.79

2 30 3.18471 1.91083 9.55414 8.28025 1.493039 3.80 96.20

3 60 1.2987 1.2987 9.09091 9.09091 1.443376 3.75 96.25

4 90 3.26797 1.96078 9.80392 8.49673 1.493039 3.90 96.10

5 120 3.26797 1.96078 9.80392 8.49673 1.493039 3.90 96.10

6 150 5.26316 2.63158 7.89474 5.26316 1.224745 3.22 96.78

7 180 4 1.33333 9.33333 6.66667 1.322876 3.53 96.47

8 210 4 1.33333 9.33333 6.66667 1.322876 3.53 96.47

9 240 4 1.33333 9.33333 6.66667 1.322876 3.53 96.47

10 270 6.04027 2.01342 10.0671 6.04027 1.436141 3.86 96.14

11 300 5.40541 2.7027 8.10811 5.40541 1.224745 3.31 96.69

12 330 5.40541 2.7027 8.10811 5.40541 1.224745 3.31 96.69

13 360 5.40541 2.7027 8.10811 5.40541 1.224745 3.31 96.69

14 390 4.7619 0.68027 8.84354 4.7619 1.181454 3.21 96.79

15 420 4.7619 0.68027 8.84354 4.7619 1.181454 3.21 96.79

16 450 4.7619 0.68027 8.84354 4.7619 1.181454 3.21 96.79

17 480 4.7619 0.68027 8.84354 4.7619 1.181454 3.21 96.79

18 510 4.7619 0.68027 8.84354 4.7619 1.181454 3.21 96.79

3.3.3 Perhitungan Data Hasil Praktikum

Sampel perhitungan dari tabel konveksi alami pada 0 detik,diketahui:

Um = 0.1 m/s (Laju aliran udara)

P = 60 Watt (Daya)

L = 175 cm = 1.75 m (Panjang pipa)

Dluar = 6 cm = 0.06 m (Diameter luar pipa)

Ddalam = 5.6 cm = 0.056 m (Diameter dalam pipa)

Tebal pipa = 0.004 m

Tb = 30 OC (Suhu fluida standard pada tekanan 1 atm)

Tw = 32 OC (Suhu dinding)

Suhu limbak / suhu film

T f=T w+T b

2

T f=305+305

2=305 K

Dengan melihat tabel A-6 (John H.Lienhard) dan melakukan interpolasi didapat:

ρ = 1.158 kg/m3

Langkah Interpolasi:

Tabel 3.7 Interpolasi temperature dengan densitas

T ρ

300 1.177

305 X

310 1.139

(305−300)(310−300)

=( X−1.177)

(1.139−1.177)

X =

(305−300)(310−300)

(1.139−1 . 177)+1 .177

X = 1.158 kg/m3

Dengan cara yang sama didapat:

k = 0.026535 W/moC

μ = 1.873 x 10-5 kg/m.s

Pr = 0.711

μm= 1.873 x10-5 kg/m.s

Angka Reynold

Red =

ρ .Um .Dμ

= 1,158

kgm 3

×0.1 × 0,056

1,873 x1 0−5 kg /m. s

= 346.225 (Aliran Laminar)

Angka Nusselt

Nud = 1,86(Red x Pr) 1/3 ( D

L )1/3

( μμw

)0,14

= 1.86¿

= 3.700886

Koefisien perpindahan kalor konveksi

h =

kD

. Nud

=

0 .0265350 .056

x 3.700886

= 1.753625 W/m2 oC

Panas heater

Q = h.2π.r.L.(Tw – Tb)

= (1.753625)x(6.28)x(0.028)x1.75x(0)

= 0 watt

Sampel perhitungan dari tabel konveksi paksa pada 0 detik, diketahui:

Um = 3 m/s (Laju aliran udara)

P = 60 Watt (Daya)

L = 175 cm = 1.75 m (Panjang pipa)

Dluar = 6 cm = 0.06 m (Diameter luar pipa)

Ddalam = 5.6 cm = 0.056 m (Diameter dalam pipa)

Tebal pipa = 0.004 m

Tb = 30 OC (Suhu fluida standard pada tekanan 1 atm)

Tw = 32 OC (Suhu dinding)

Suhu limbak / suhu film

T f=T w+T b

2

T f=312 .25+306

2=309.125 K

Dengan melihat tabel A-6 (John H.Lienhard) dan melakukan interpolasi didapat:

ρ = 1.142325 kg/m3

k = 0.026787 W/moC

μ = 1.8862 x10-5 kg/m.s

Pr = 0.70935

μm= 1.8962x10-5 kg/m.s

Angka Reynold

Red =

ρ .Um .Dμ

= 1.142325

kgm 3

× 4.5 ×0,056

1.8962 .1 0−5 kg /m. s

= 10174.46 ( Aliran Turbulen )

Angka Nusselt

Nud = 0.027.Red 0,8.Pr 0,33.(

μμ m

)0.14

= 0.027 ×10174.460,8 ×0 . 709350,33( 1,8862.1 0−5

1.8962. 10−5 )0,14

= 38.71108

Koefisien perpindahan kalor konveksi

h =

kD

. Nud

=

0 .0267870 .056

x 38.71108 = 18.51677 W/m2 oC

Panas heater

Q = h.2π.r.L.(Tw – Tb)

= (18.51677)x(6.28)x(0.028)x1.75x(6.25)

= 35.61238 watt

3.3.4 Tabel Hasil Pengolahan Data

Tabel 3.8 Hasil Perhitungan Data Temperatur Konveksi Alami Aliran Pipa Horisontal

Waktu

(detik)

Um

(m/s)

Red Nud H

(W/m°C)

Q

(Watt)

Tw

(K)

Tb

(K)

0 0.1 346.22531 3.70089 1.75363 0 305 305

30 0.1 345.79357 3.69895 1.75372 0.26983 305.5 305

60 0.1 345.57785 3.69799 1.75376 0.40475 305.75 305

90 0.1 345.14667 3.69605 1.75385 0.67462 306.25 305

120 0.1 344.93121 3.69509 1.7539 0.80956 306.5 305

150 0.1 344.50059 3.69316 1.75399 1.07947 307 305

180 0.1 344.50059 3.69316 1.75399 1.07947 307 305

210 0.1 344.07032 3.69123 1.75407 1.34941 307.5 305

240 0.1 343.64043 3.6893 1.75416 1.61937 308 305

270 0.1 343.64043 3.6893 1.75416 1.61937 308 305

300 0.1 343.42562 3.68833 1.7542 1.75436 308.25 305

330 0.1 342.35294 3.68438 1.75484 1.35 308.5 306

360 0.1 341.92451 3.68246 1.75492 1.62007 309 306

390 0.1 341.92451 3.68246 1.75492 1.62007 309 306

420 0.1 341.92451 3.68246 1.75492 1.62007 309 306

450 0.1 341.49644 3.68053 1.755 1.89017 309.5 306

480 0.1 341.49644 3.68053 1.755 1.89017 309.5 306

510 0.1 341.28254 3.67956 1.75505 2.02523 309.75 306

540 0.1 341.28254 3.67956 1.75505 2.02523 309.75 306

570 0.1 340.85502 3.67764 1.75513 2.29537 310.25 306

600 0.1 340.64139 3.67667 1.75517 2.43045 310.5 306

630 0.1 340.64139 3.67667 1.75517 2.43045 310.5 306

660 0.1 340.42786 3.67571 1.75521 2.56554 310.75 306

690 0.1 340.42786 3.67571 1.75521 2.56554 310.75 306

720 0.1 340.42786 3.67571 1.75521 2.56554 310.75 306

750 0.1 340.21441 3.67475 1.75525 2.70063 311 306

780 0.1 340.00106 3.67378 1.75529 2.83572 311.25 306

810 0.1 340.00106 3.67378 1.75529 2.83572 311.25 306

840 0.1 339.7878 3.67282 1.75533 2.97083 311.5 306

870 0.1 339.7878 3.67282 1.75533 2.97083 311.5 306

900 0.1 339.57463 3.67186 1.75537 3.10593 311.75 306

930 0.1 339.57463 3.67186 1.75537 3.10593 311.75 306

960 0.1 339.36154 3.6709 1.75541 3.24105 312 306

990 0.1 339.36154 3.6709 1.75541 3.24105 312 306

1020 0.1 339.14855 3.66993 1.75545 3.37617 312.25 306

1050 0.1 339.14855 3.66993 1.75545 3.37617 312.25 306

1080 0.1 339.14855 3.66993 1.75545 3.37617 312.25 306

1110 0.1 339.14855 3.66993 1.75545 3.37617 312.25 306

1140 0.1 339.14855 3.66993 1.75545 3.37617 312.25 306

Tabel 3.9 Hasil Perhitungan Data Temperatur Konveksi Paksa Aliran Pipa Horisontal

Waktu

(detik)

Um

(m/s)

Red Nu d H

(W/m°C)

Q

(Watt)

Tw

(K)

Tb

(K)

0 3 10174.457 38.7111 18.5168 35.6124 312.25 306

30 2,9 9835.308 37.6753 18.0213 34.6595 312.25 306

60 2,5 8494.695 33.513 16.0167 27.1076 311.5 306

90 2,6 8840.0276 34.6004 16.5316 26.7074 311.25 306

120 2,5 8500.0265 33.5316 16.021 25.8824 311.25 306

150 2,5 8505.3604 33.5502 16.0253 24.6565 311 306

180 2,6 8856.6762 34.658 16.545 22.9105 310.5 306

210 2,6 8856.6762 34.658 16.545 22.9105 310.5 306

240 2,7 9197.3176 35.7203 17.0521 23.6128 310.5 306

270 2,7 9203.0855 35.7401 17.0567 22.307 310.25 306

300 2,6 8867.7871 34.6964 16.5539 20.3759 310 306

330 2,7 9208.8558 35.7599 17.0613 21.0004 310 306

360 2,5 8526.7184 33.6247 16.0426 19.7465 310 306

390 2,6 8873.3461 34.7156 16.5584 19.1075 309.75 306

420 2,6 8873.3461 34.7156 16.5584 19.1075 309.75 306

450 2,7 9214.6286 35.7798 17.0659 19.6932 309.75 306

480 2,8 9555.9112 36.836 17.5697 20.2746 309.75 306

510 2,9 9897.1937 37.8848 18.0699 20.8518 309.75 306

3.4 PEMBAHASAN

3.4.1 Grafik dan Analisa Grafik

Konveksi Alami

Gambar 3.20 Grafik hubungan temperatur dinding terhadap waktu.

Analisa grafik:

Grafik diatas menunjukkan hubungan kenaikan temperatur dinding terhadap waktu

berbanding lurus walaupun garis yang terbentuk tidak linier sempurna. Maka dapat

dianalisa bahwa semakin bertambahnya waktu, temperatur pada dinding akan semakin

bertambah. Hal ini terjadi karena adanya perambatan panas dari heater ke dinding-

dinding pipa horizontal, sehingga memungkinkan temperatur dinding besarnya akan

sama dengan temperatur heater setelah mencapai waktu tertentu (steady state).

Fenomena perambatan panas pada dinding tersebut disebut juga perpindahan panas

konduksi.

Gambar 3.21 Grafik hubungan temperatur udara keluar terhadap waktu.

0 60 120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

780

840

900

960

1020

1080

1140

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Grafik Hubungan Temperatur Dinding Terhadap Waktu

Waktu, t (detik)

Tem

per

atu

r D

ind

ing,

Tw

(°C

)

Analisa Grafik:

Grafik diatas menunjukkan hubungan temperatur udara keluar terhadap waktu

berbanding lurus. Dapat dianalisa bahwa semakin bertambahnya waktu maka semakin

bertambah pula temperatur udara keluar walaupun pertambahanya sangat kecil. Hal

tersebut terjadi karena adanya perambatan panas konveksi secara alami. Suhu dalam

pipa lebih tinggi dari udara luar, sehingga terjadi aliran secara alamiah dari temperatur

tinggi ke temperatur rendah akibat perbedaan densitas fluida. Bentuk yang tidak teratur

disebabkan oleh posisi peralatan alat ukur temperature udara yang kurang baik selama

pengujian dan peletakan sensor di dinding, sehingga menimbulkan kesalahan pada

pengukuran. Pengisolasian dengan gips/asbes yang kurang tebal juga membuat ada

panas yang keluar dari pipa.

Konveksi Paksa

0 60 120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

780

840

900

960

1020

1080

1140

31.4

31.6

31.8

32

32.2

32.4

32.6

32.8

33

33.2

Grafik Hubungan Temperatur Udara Keluar Terhadap Waktu

Waktu, t (detik)

Tem

per

atu

r U

dar

a K

elu

ar, T

out

(°C

)

Gambar 3.22 Grafik hubungan temperatur dinding dengan waktu.

Analisa Grafik:

Grafik diatas menunjukkan hubungan penurunan temperatur dinding terhadap waktu

berbanding terbalik walaupun tidak berbanding terbalik secara linier. Penurunan

temperatur tersebut dikarenakan adanya gaya yang berupa paksaan dari blower agar,

sihinnga udara panas mengalir konveksi secara paksa dimana panas yang dihasilkan

dinding pipa horizontal mengalir karena adanya gaya paksaan (blower) oleh udara

didalam pipa. Suhu dalam pipa yang cukup tinggi didinginkan dengan hembusan angin

blower, sehingga kalor dari udara dinding sekitar diserap dan terbawa keluar dari pipa

horizontal. Fenomena perpindahan panas tersebut adalah fenomena perpindahan panas

secara konveksi paksa.

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 51035.5

36

36.5

37

37.5

38

38.5

39

39.5

Grafik Hubungan Temperatur Dinding Terhadap Waktu

Waktu, t (detik)

Tem

per

atu

r D

ind

ing,

Tw

(°C

)

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 5100

5

10

15

20

25

30

35

Grafik Hubungan Temperatur Udara Keluar Terhadap Waktu

Waktu, t (detik)

Tem

per

atu

r U

dar

a K

elu

ar, T

out

(°C

)

Gambar 3.23 Grafik hubungan temperatur udara keluar dengan waktu

Analisa Grafik:

Grafik diatas menunjukkan hubungan temperatur udara keluar terhadap waktu yang

berbanding lurus. Dapat dianalisa bahwa semakin bertambahnya waktu maka

temperatur udara keluar akan semakin bertambah walaupun pertambahanya sangat

kecil. Hal ini dikarenakan udara dari blower menyerap panas yang dihasilkan oleh

dinding pipa horizontal dan membawa panas tersebut keluar dari pipa tersebut sesuai

arah yang dipaksakan blower. Bentuk yang tidak teratur disebabkan oleh posisi

peralatan alat ukur temperatur udara yang kurang baik selama pengujian dan peletakan

sensor di dinding, sehingga menimbulkan kesalahan pada pengukuran. Pengisolasian

dengan gips/asbes yang kurang tebal juga membuat ada panas yang keluar dari pipa.

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 314.5

15

15.5

16

16.5

17

17.5

18

18.5

19

Grafik Hubungan Kecepatan Terhadap Koefisien Perpindahan Panas Konveksi

Kecepatan Aliran, Um (m/s)

Koe

fisi

en P

erp

ind

ahan

Pan

as K

onve

ksi

,h

(W

/m.°

C)

Gambar 3.24 Grafik hubungan kecepatan dengan koefisien perpindahan panas

konveksi

Analisa Grafik:

Grafik diatas menunjukkan hubungan kecepatan udara yang dihembuskan blower

terhadap koefisien perpindahan panas konveksi yang berbanding lurus. Dapat dianalisa

bahwa semakin bertambahnya kecepatan maka koefisien perpindahan panas konveksi

akan semakin bertambah. Hal ini dikarenakan dalam menentukan nilai koefisien

perpindahan panas konveksi, besarrnya nilai kecepatan sangat mempengaruhinya. Nilai

kecepatan tersebut berpengaruh pada nilai bilangan Reynold yang dapat diasumsikan

berbanding lurus dengan bilangan Nusselt. Semakin besar nilai kecepatan, maka nilai

bilangan Reynold akan semakin besar dan bilangan Nusselt pun akan semakin besar

sehingga nilai koefisien perpindahan panas akan semakin besar juga.

3.5 KESIMPULAN DAN SARAN

3.5.1 Kesimpulan

1. Faktor-faktor yang mempengaruhi koefisien konveksi paksa adalah kecepatan fluida

dan temperatur limbak.

2. Dari percobaan konveksi alami didapat nilai minimum dan maksimum untuk

bilangan Reynold, Nusselt, koefisien perpindahan panas konveksi, serta laju aliran

panas oleh heater. Besarnya bilangan Reynold maksimum terjadi pada saat t = 0

detik yaitu sebesar 346.2253 dan minimum terjadi pada saat t = 1020 – 1140 detik

yaitu sebesar 339.1486. Besarnya bilangan Nusselt maksimum terjadi pada saat t = 0

detik yaitu sebesar 3.70089 dan minimum terjadi pada saat t = 1020 – 1140 detik

yaitu sebesar 3.66993. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi maksimum terjadi

pada saat t = 1020 - 1140 detik yaitu sebesar 1.75545 W/m2 oC dan minimum terjadi

pada saat t = 0 detik yaitu sebesar 1.75363 W/m2 oC. Nilai laju aliran panas

maksimum terjadi pada saat t = 1020 – 1140 detik yaitu sebesar 3.37617 W dan

minimum terjadi pada saat t = 0 detik yaitu sebesar 0 W. Nilai temperatur dinding

(Tw) maksimum terjadi pada saat t = 1020 – 1140 detik yaitu sebesar 312.25 K dan

minimum terjadi pada saat t = 0 detik yaitu sebesar 305 K. Nilai temperatur bulk (Tb)

maksimum terjadi pada saat t = 330 – 1140 detik yaitu sebesar 306 K dan minimum

terjadi pada saat t = 0 – 330 detik yaitu sebesar 305 K. Hal tersebut menunjukan

variasi dari koefisien perpindahan panas dipengaruhi oleh temperatur dinding,

temperatur bulk, dan kecepatan aliran. Semakin tinggi temperatur dinding dan

semakin tinggi kecepatan aliran maka koefisien perpindahan panas akan semakin

tinggi.

3. Dari percobaan konveksi paksa didapat nilai minimum dan maksimum untuk

bilangan Reynold, Nusselt, koefisien perpindahan panas konveksi, serta laju aliran

panas oleh heater. Besarnya bilangan Reynold maksimum terjadi pada saat U = 3

m/s yaitu sebesar 10174.5 dan minimum terjadi pada saat U = 2.5 m/s yaitu sebesar

8494.7. Besarnya bilangan Nusselt maksimum terjadi pada saat U = 3 m/s.yaitu

sebesar 38.7111 dan minimum terjadi pada saat U = 2.5 m/s yaitu sebesar 33.513.

Nilai koefisien perpindahan panas konveksi maksimum terjadi pada saat U = 3 m/s

yaitu sebesar 18.5168 W/m2 oC dan minimum terjadi pada saat U = 2.5 m/s yaitu

sebesar 16.0167 W/m2 oC. Nilai laju aliran panas maksimum terjadi pada saat U = 3

m/s.yaitu sebesar 35.6124 W dan minimum terjadi pada saat U = 2.6 m/s detik yaitu

sebesar 19.1075 W. Nilai temperatur dinding (Tw) maksimum terjadi pada saat t = 0

– 30 detik yaitu sebesar 312.25 K dan minimum terjadi pada saat t = 390 – 510 detik

yaitu sebesar 309.75 K. Nilai temperatur bulk (Tb) tidak mengalami perubahan

sampai keadaan steady state yaitu sebesar 306 K. Hal tersebut menunjukan variasi

dari koefisien perpindahan panas dipengaruhi oleh temperatur dinding, temperatur

bulk, dan kecepatan aliran. Semakin tinggi temperatur dinding dan semakin tinggi

kecepatan aliran maka koefisien perpindahan panas akan semakin tinggi

.

3.5.2 Saran

1. Sebelum melakukan praktikum, lakukan kalibrasi pada alat ukur yang digunakan

pada praktikum pengujian konveksi, pastikan semuanya berfungsi dengan baik dan

terkalibrasi sehingga hasil pengukuran valid.

2. Dalam pengambilan data pada percobaan konveksi ini, praktikan harus

memperhatikan interval waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan steady

secara teliti dan tepat agar data yang diperoleh valid.

3. Pada praktikum konveksi ini sebaiknya posisikan anemometer tepat sebelum udara

keluar pipa agar hasil pengukuran temperatur keluar pipa tidak terpengaruhi oleh

temperatur lingkungan yang dapat menyebabkan pengukuran tidak valid.

4. Pengisolasian dengan asbes/gips harus tebal, agar tidak terjadi retak sehingga kalor

tidak menyebar ke luar samping pipa.

5. Dalam percobaan konveksi paksa sebaiknya sensor yang dipasang lebih peka

terhadap perubahan suhu.

6. Dalam percobaan ini sebaiknya dilakukan pada tempat yang memiliki kondisi steady

sehingga tidak mempengaruhi data percobaan.

DAFTAR PUSTAKA

[1]Incropera, Frank P. 2006. Fundamental of Heat and Mass Transfer 6 th ed. New

York : Wiley.

[2]Yunus, Cengel. 2007. Heat Transfer: A Practical Approach. New York : Mc Graw-

Hill Education.

[3]Holman, J.P . 1980. Perpindahan Kalor. Bandung : Erlangga.

[4]http://tekim.undip.ac.id/images/download/PERPINDAHAN_PANAS.pdf.Diakses

tanggal 28 Mei 2014 pukul 15.30 wib

[5]Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Konversi 2013.

[6]http://sigitpramuko.wordpress.com. Diakses tanggal 29 Mei 2014 pukul 09.37 wib

[7]Laboratorium Termofluid Jurusan Teknik Mesin.

[8]http://www.uvprocess.com/product.a?code=AIRVELO. Diakses tanggal 28 Mei 2014

pukul 22.00 wib.

[9]http://www.google.co.id/ /Files/Images/6. Diakses tanggal 27 Mei 2014 pukul 03.00

wib.