perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id pengujian ...... · perpustakaan.uns.ac.id...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN

PERSEGI DENGAN OBLIQUE TEETH TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

HANSEN HARTADO TARIGAN

NIM. I0407038

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2012


commit to user

iii

HALAMAN PENGESAHAN PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR

GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN OBLIQUE TEETH TWISTED TAPE INSERT

Disusun oleh

HANSEN H. TARIGAN NIM. I0407038

Dosen Pembimbing I

Tri Istanto, ST, MT NIP. 197308202000121001

Dosen Pembimbing II

Wibawa Endra Juwana, ST, MT NIP. 197009112000031001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Jumat tanggal 21 Desember 2012

1. D. DANARDONO, ST, MT ,PhD

NIP. 196905141999031001 ....................................

2. EKO PRASETYO, ST, MT NIP. 197109261999031002 ………………………

3. ZAINAL ARIFIN, ST, MT NIP. 197303082000031001 ………………………

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Didik Djoko Susilo, ST, MT NIP. 197203131997021001

Koordinator Tugas Akhir

Wahyu Purwo Raharjo, ST, MT NIP. 197202292000121001


commit to user

iv

MOTTO

“Kerja keras dengan sungguh-sungguh dapat menghasilkan hal yang

sangat berharga didalam hidup, keberhasilan akan penyelesaian dari

sebuah persoalan bukan sepintar apa kamu tetapi sejauh mana

ketulusanmu di dalam menyelesaikannya”

(Hansen H. Tarigan)

“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari

betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”

( Thomas Alva Edison)

Sesuatu yang belum dikerjakan, seringkali tampak mustahil; kita baru

yakin kalau kita telah berhasil melakukannya dengan baik.

( Evelyn Underhill )

“ Diberkatilah orang yang mengandalkan TUHAN, yang menaruh

harapannya pada TUHAN, Ia akan seperti pohon yang ditanam di tepi air,

yang merambatkan akar-akarnya ke tepi batang air, dan yang tidak

mengalami datangnya panas terik, yang daunnya tetap hijau, yang tidak

kuatir dalam tahun kering, dan yang tidak berhenti menghasilkan buah”

( Yeremia 17 : 7-8 )

“Bila engkau berjalan langkahmu tidak akan terhambat, bila engkau

berlari engkau tidak akan tersandung”

( Amsal 4 : 12 )

“Terimalah didikanKu lebih dari pada perak, dan pengetahuan lebih baik

dari pada emas pilihan”

(Amsal 8 : 10 )

“Karena itu Aku berkata kepadamu : Apa saja yang kamu minta dan

doakan, percayalah bahwa kamu telah menerimanya, maka hal itu akan

diberikan kepadamu”

( Markus 11 : 24 )


commit to user

v

PERSEMBAHAN

Puji dan syukur ke hadirat Tuhan, seiring dengan tanggung jawab yang telah

diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, dengan sangat

senang tugas akhir ini penulis persembahkan untuk:

Tuhan Yesus Kristus yang senantiasa memberikan rahmatNya dan

pertolonganNya kepada penulis selama berlangsungnya proses pengerjan skripsi ini

sampai selesai

Bapak dan Mamak tersayang yang selalu memberikan motivasi dan dukungan doa

kepada penulis dari kampung halaman saya di Perdagangan

Adik-adik terkasih Alman Julinius, Darwin Diego, Sandro Faysal, Donna

Widya Tarigan yang senantiasa memberikan semangat kepada penulis

Kekasih penulis Sondang br. Marbun yang selalu setia mendorong penulis untuk

menyelesaikan tugas akhir ini dengan cepat

. Pak Tri istanto (Mr. 3G) dan Pak Wibawa E.J, yang telah membimbing

dengan sabar dan mencurahkan waktu dan ilmu serta pemikiranya kepada penulis

Teman-teman twister “Twister Club” di Lab Perpindahan Panas UNS yang

terkenal degan semangat dan kerja keras nya “Army of Spartan”

Naposo Bulung HKBP Solo yang lucu-lucu, sangar-sangar dan baik hati yang

penuh dengan sejuta kenangan manis di dalam hidup penulis

Konco-Konco fastein Comp yang senantiasa membantu penulis

Almamater tercinta


commit to user

vi

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada

Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi dengan Oblique Teeth

Twisted Tape Insert

Hansen Hartado Tarigan

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan, pipa dalam dan pipa luar terbuat dari aluminium dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert. Panjang penukar kalor 2.170 mm dan jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam 2.255 mm. Aliran fluida di pipa dalam dan annulus adalah berlawanan arah. Fluida di pipa dalam adalah air panas, dimana temperatur masukannya dipertahankan pada 60oC, sedangkan fluida di annulus adalah air dingin dengan temperatur masukannya ± 28oC. Untuk perbandingan, diuji pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dan dengan penambahan classic twisted tape insert. Classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert dibuat dari pita aluminium dengan tebal 0,7 mm, lebar 12,6 mm, dimana mempunyai twist ratio 4,0 dan panjang pitch 59,3 mm, sedangkan oblique teeth twisted tape insert divariasi sudut gigi (tooth angle) sebesar 15°, 30°, dan 45° dan semuanya dipasang di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik.

Hasil menunjukkan bahwa pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan bilangan Nusselt, faktor gesekan, dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi daripada classic twisted tape insert dan plain tube. Nilai bilangan Nusselt, faktor gesekan, dan unjuk kerja termal meningkat seiring bertambah besarnya tooth angle dari oblique teeth twisted tape insert. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 16,24% , 18,42% dan 24,4% jika dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan classic twisted tape insert, pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 2,67; 3; 3,3; dan 3,6 kali lebih tinggi dari faktor gesekan plain tube. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam sebesar 1,105; 1,114; 1,126; dan 1,150.

Kata kunci :bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, tooth angle


commit to user

vii

Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of The Square Channel Concentric Tube Heat Exchanger With Oblique Teeth

Twisted Tape Insert

Hansen Hartado Tarigan

Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstract

This study is aimed to determine characteristics of heat transfer and friction factor in the single pass square channel concentric tube heat exchanger, with the addition of twisted tape insert with oblique teeth. The length of heat exchanger was 2,170 mm and the length of pressure drop measurement in the inner tube was 2,255 mm. The direction of fluid in the inner tube and annulus were counter flow. Fluid in the inner tube was hot water with inlet temperature was maintained at 60°C, whereas the fluid in the annulus was cold water with inlet temperature of ± 28oC. For comparison, the inner tube was also tested without twisted tape insert (plain tube) and classic twisted tape insert. Classic twisted tape insert and oblique teeth twisted tape insert was made of aluminum. The thickness of the insert tape 0.7 mm, width 12.6 mm, twist ratio 4.0 and the pitch length 59.3 mm. The oblique teeth twisted tape insert was varied with tooth angle of 15°, 30° and 45° and all of them were installed in the inner tube of the concentric tube heat exchanger.

The research showed that the inner tube with the addition of oblique teeth twisted tape insert produced Nusselt number, friction factor and thermal performance greater than the addition of classic twisted tape insert and plain tube. Values of Nusselt number, friction factor and thermal performance increased with the increasing of tooth angle. At the same Reynolds number, the addition of oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° increased Nusselt number in the inner tube 16,24%, 18,42% and 24,4% when compared to the plain tube, respectively. Compared to classic twisted tape inserts, inner tube with oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° increased Nusselt numbers 3,2%, 5,2% and 10,5%, respectively. At the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape insert and oblique teeth twisted tape insert with a tooth angle 15°, 30°, and 45° in the inner tube produced friction factor of 2.67; 3; 3.3; and 3.6 times higher than the friction factor of plain tube, respectively. The average thermal performance with the addition of classic twisted tape inserts, oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° in the inner tube were 1.105; 1.114; 1.126, and 1.150, respectively. Keywords : Nusselt number, Reynolds number, tooth angle.


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah

memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan Skripsi yang berjudul “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas

Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi Dengan

Oblique Teeth Twisted Tape Insert” 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 ataupun 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 Didik Djoko Susilo, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS

Surakarta.

2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I dan terlebih atas

bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Wibawa Endra J., ST, MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta

memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

4. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD, bapak Zainal Arifin, ST, MT, dan bapak

Eko Prasetyo, ST, MT, selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah

memberi saran yang membangun.

5. Bapak Ir. Wijang Wisnu R. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah

menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di

Universitas Sebelas Maret ini.

6. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir.

7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut

mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

8. Ibu, Bapak, Adik, dan seluruh keluarga yang telah memberikan doanya,

motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas

Akhir.


commit to user

ix

9. Teman-teman Skripsi Heat Exchanger, Anang, Fito, Mirando, Hanif, Noval,

Bram, dan Wisnu yang telah menemani penulis baik dalam keadaan suka

maupun duka.

10. Teman-teman teknik mesin angkatan 2007 beserta kakak dan adik angkatan di

teknik mesin UNS.

11. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun

laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi

ini.

Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan

bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Surakarta, Desember 2012

Penulis


commit to user

x

DAFTAR ISI

Halaman

Halaman Judul ........................................................................................... i

Halaman Surat Penugasan ......................................................................... ii

Halaman Pengesahan ................................................................................. iii

Halaman Motto .......................................................................................... iv

Halaman Persembahan .............................................................................. v

Abstrak .................................................................................................... vi

Kata Pengantar ......................................................................................... viii

Daftar Isi .................................................................................................. x

Daftar Tabel .............................................................................................. xiii

Daftar Gambar .......................................................................................... xiv

Daftar Persamaan ...................................................................................... xvii

Daftar Notasi ............................................................................................ xx

Daftar Lampiran ....................................................................................... xxiii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah ..................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ............................................................ 3

1.3. Batasan Masalah ................................................................. 3

1.4. Tujuan Dan Manfaat ........................................................... 4

1.5. Sistematika Penulisan .......................................................... 4

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................ 6

2.2. Dasar Teori ......................................................................... 11

2.2.1. Dasar perpindahan panas .......................................... 11

2.2.2. Aliran dalam sebuah pipa (internal flow in tube) ..... 12

2.2.2.1. Kondisi aliran ............................................. 12

2.2.2.2. Kecepatan rata-rata (mean velocity) ........... 14

2.2.2.3. Temperatur rata-rata ................................... 14

2.2.2.4. Penukar kalor .............................................. 15


commit to user

xi

2.2.2.5. Parameter tanpa dimensi ............................. 18

2.2.2.6. Teknik peningkatan perpindahan panas

pada penukar kalor .................................... 20

2.2.2.7. Sisipan pita terpilin (twisted tape insert) .... 25

2.2.2.8. Karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan ...................................................... 27

BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian ............................................................... 43

3.2. Bahan Penelitian ................................................................. 43

3.3. Alat Penelitian .................................................................... 43

3.4. Prosedur Penelitian ............................................................. 52

3.4.1. Tahap persiapan ........................................................ 52

3.4.2. Tahap pengujian ....................................................... 52

3.4.2.1. Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape

insert (plain tube) ...................................... 52

3.4.2.2. Pengujian penukar kalor dengan twisted

tape insert .................................................. 53

3.5. Metode Analisis Data ......................................................... 55

3.6. Diagram Alir Penelitian ...................................................... 56

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1. Data Hasil Pengujian .......................................................... 57

4.2. Perhitungan Data ................................................................ 63

4.2.1. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan

laju aliran volumetrik 7 LPM pada variasi tanpa

twisted tape insert (plain tube) ................................ 64

4.2.2. Daya pemompaan ..................................................... 76

4.2.3. Menentukan hi, ? , Re, Nui, f, ?, ?P, NTU pada

daya pemompaan yang sama ................................... 77

4.3. Analisis Data ...................................................................... 91

4.3.1. Uji validitas pipa dalam tanpa twisted tape insert

(plain tube) .............................................................. 91

4.3.2. Pengaruh bilangan Reynolds dan twisted tape insert

terhadap karakteristik perpindahan panas ............... 93


commit to user

xii

4.3.3. Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap

unjuk kerja termal(? )................................................ 98


rasio bilangan Nusselt (Nu/Nup) .............................. 99


efektivenes penukar kalor (?) ................................... 101


terhadap penurunan tekanan (?P) ............................ 102


terhadap faktor gesekan (ƒ) ..................................... 104


dengan rasio faktor gesekan (ƒ/ƒp) .......................... 107

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan ......................................................................... 109

5.2. Saran ................................................................................... 110

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 111

LAMPIRAN .............................................................................................. 114


commit to user

xiii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1. Spesifikasi pompa .................................................................. 50

Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas

di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain

tube) ....................................................................................... 58


di pipa dalam dengan classic twisted tape insert ................... 59


di pipa dalam pada variasi oblique teeth twisted tape insert

(tooth angle 15o) .................................................................... 60



(tooth angle 30o) .................................................................... 61



(tooth angle 45o) .................................................................... 62

Tabel 4.6. Perbedaan perhitungan validasi antara Plain Tube, Classic

Twisted Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert

150, 300, dan 450 pada laju aliran volumetrik 7 LPM ............ 70

Tabel 4.7. Data pengujian daya pemompaan penukar kalor saluran

persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape

insert (plain tube) .................................................................. 76

Tabel 4.8. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan

twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya

pemompaan yang sama .......................................................... 87


commit to user

xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan

pada saluran masuk aliran pipa ......................................... 13

Gambar 2.2. Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam

pipa .................................................................................... 14

Gambar 2.3. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur

fluida pada penukar kalor searah ...................................... 15

Gambar 2.4. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur

fluida pada penukar kalor berlawanan arah ...................... 16

Gambar 2.5. Jenis-jenis peralatan tube insert ........................................ 23

Gambar 2.6. Jenis-jenis twisted tape (a) full length twisted tape, (b)

regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying

pitch full length twisted tape .............................................. 25

Gambar 2.7. (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced

twistd tape element, (c) Full length oblique teeth twisted

tape insert, (d) Detail A dari gambar ................................. 26

Gambar 2.8. Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan

twisted tape insert .............................................................. 33

Gambar 2.9. Grafik Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran

berlawanan arah ................................................................. 39

Gambar 2.10. Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar

kalor pipa konsentrik ......................................................... 40

Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan

twisted tape insert ............................................................. 44

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan ........................ 45

Gambar 3.3. a) Classic twisted tape insert; b) oblique teeth twisted

tape insert (tooth angle 15o); c) oblique teeth twisted

tape insert (tooth angle 30o); d) oblique teeth twisted

tape insert (tooth angle 45o) .............................................. 46

Gambar 3.4. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan

proses pembubutan ............................................................ 46

Gambar 3.5. Instalasi alat penelitian tampak depan ............................... 47


commit to user

xv

Gambar 3.6. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur

temperatur air masuk dan keluar di pipa dalam dan di

annulus............................................................................... 48

Gambar 3.7. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur

temperatur dinding luar pipa dalam ................................... 48

Gambar 3.8. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14

titik pemasangan ................................................................ 48

Gambar 3.9. Thermocouple reader......................................................... 49

Gambar 3.10. Temperature controller...................................................... 49

Gambar 3.11. Flowmeter ......................................................................... 50

Gambar 3.12. Timbangan digital .............................................................. 51

Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam, pipa luar, dan twisted tape insert

penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi .................. 63

Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di pipa dalam dengan daya pemompaan ............. 77

Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam

dengan daya pemompaan................................................... 79

Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

dengan daya pemompaan .................................................. 80

Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan

daya pemompaan ............................................................... 82

Gambar 4.6. Grafik hubungan penurunan tekanan penukar kalor

dengan daya pemompaan .................................................. 84

Gambar 4.7. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan daya

pemompaan ....................................................................... 85

Gambar 4.8. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan daya

pemompaan ....................................................................... 86

Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube ............ 91

Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk

plain tube ........................................................................... 92

Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re ............................ 93

Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nu,i

Manglik-Berges dengan Reynolds .................................... 94


commit to user

xvi

Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya

pemompaan yang sama ..................................................... 97

Gambar 4.14. Grafik hubungan ? dengan Re .......................................... 98

Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan

yang sama .......................................................................... 100

Gambar 4.16. Grafik hubungan ? penukar kalor dengan NTU ................ 102

Gambar 4.17. Grafik hubungan ? P dengan Re pada daya pemompaan

yang sama .......................................................................... 103

Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re ........................................... 105

Gambar 4.19. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan

yang sama .......................................................................... 107

Gambar 4.20. Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan

yang sama .......................................................................... 108


commit to user

xvii

DAFTAR PERSAMAAN

Halaman

Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds untuk pipa bulat .......................... 12

Persamaan (2.2) Diameter hidrolik ....................................................... 13

Persamaan (2.3) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar ........... 13

Persamaan (2.4) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran transisi ............ 13

Persamaan (2.5) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran turbulen .......... 13

Persamaan (2.6) Laju aliran massa ....................................................... 14

Persamaan (2.7) Temperatur bulk rata-rata fluida ................................ 15

Persamaan (2.8) Laju perpindahan panas di annulus ........................... 16

Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............ 16

Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ............................................. 17

Persamaan (2.11) Beda temperatur rata-rata logaritmik ......................... 17

Persamaan (2.12) Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik . 17

Persamaan (2.13) Laju perpindahan panas antara dua fluida ................. 18

Persamaan (2.14) Koefisien perpindahan panas overall ......................... 18

Persamaan (2.15) Bilangan Reynolds ..................................................... 19

Persamaan (2.16) Bilangan Prantl .......................................................... 19

Persamaan (2.17) Bilangan Nusselt ........................................................ 19

Persamaan (2.18) Twist ratio .................................................................. 26

Persamaan (2.19) Sudut heliks ............................................................... 26

Persamaan (2.20) Bilangan Nusselt dibawah kondisi temperatur

dinding yang konstan ................................................. 27

Persamaan (2.21) faktor gesekan Darcy ................................................. 27

Persamaan (2.22) Faktor gesekan dengan persamaan Petukhov ........... 27

Persamaan (2.23) Bilangan Nusselt dengan persamaan Dittus-Boelter . 27

Persamaan (2.24) Bilangan Nusselt dengan persamaan Pethukov ......... 28

Persamaan (2.25) Bilangan Nusselt dengan persamaan Gnielinski ........ 28

Persamaan (2.26) Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook .......... 28

Persamaan (2.27) Faktor gesekan dengan iterasi tunggal ....................... 28

Persamaan (2.28) Faktor gesekan dengan persamaan Blasius ................ 29

Persamaan (2.29) Korelasi perpindahan panas untuk bilangan Nusselt . 29


commit to user

xviii

Persamaan (2.30) Korelasi perpindahan panas untuk faktor gesekan .... 29

Persamaan (2.31) Kecepatan pusaran ..................................................... 30

Persamaan (2.32) Korelasi perpindahan panas bilangan Nusselt ........... 30

Persamaan (2.33) Laju perpindahan panas dari fluida panas di dalam

pipa dalam .................................................................. 31

Persamaan (2.34) Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus 31

Persamaan (2.35) Rata-rata temperatur dinding luar pipa dalam ........... 34

Persamaan (2.36) Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus ... 34

Persamaan (2.37) Ketidakseimbangan panas ......................................... 34

Persamaan (2.38) Persentase kesalahan keseimbangan energi ............... 34

Persamaan (2.39) Koefisien perpindahan panas rata-rata di annulus ..... 34

Persamaan (2.40) Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ................. 34

Persamaan (2.41) Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............ 34

Persamaan (2.42) Nilai beda temperatur rata-rata logaritmik ................ 35

Persamaan (2.43) Koefisien perpindahan panas overall ......................... 35

Persamaan (2.44) Koefisien perpindahan panas overall penjabaran

persamaan (2.43) ........................................................ 35

Persamaan (2.45) Koefisien perpindahan panas overall penjabaran

persamaan (2.44) ........................................................ 35

Persamaan (2.46) Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa

dalam .......................................................................... 36

Persamaan (2.47) Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam ........ 36

Persamaan (2.48) Bilangan Reynold ...................................................... 36

Persamaan (2.49) Bilangan Reynold ...................................................... 36

Persamaan (2.50) Laju kapasitas panas fluida panas .............................. 36

Persamaan (2.51) Laju kapasitas panas fluida dingin ............................. 37

Persamaan (2.52) Laju perpindahan panas fluida panas ......................... 37

Persamaan (2.53) Laju perpindahan panas fluida dingin ........................ 37

Persamaan (2.54) Efektivenes penukar kalor ......................................... 37

Persamaan (2.55) Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah

penukar kalor ............................................................. 37

Persamaan (2.56) Perbedaan temperatur maksimum .............................. 38

Persamaan (2.57) Laju perpindahan panas maksimum .......................... 38


commit to user

xix

Persamaan (2.58) Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil ................ 38

Persamaan (2.59) Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil ................ 38

Persamaan (2.60) Laju kapasitas panas aktual ....................................... 38

Persamaan (2.61) Korelasi efektivenes penukar kalor pipa konsentrik

aliran berlawanan arah ............................................... 38

Persamaan (2.62) Number of transfer units ............................................ 39

Persamaan (2.63) Rasio kapasitas ........................................................... 39

Persamaan (2.64) Penyederhanaan Korelasi efektivenes penukar kalor

pipa konsentrik aliran berlawanan arah ..................... 39

Persamaan (2.65) Korelasi NTU penukar kalor pipa konsentrik aliran

berlawanan arah ......................................................... 40

Persamaan (2.66) Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow . 40

Persamaan (2.67) Penurunan tekanan ..................................................... 40

Persamaan (2.68) Faktor gesekan ........................................................... 41

Persamaan (2.69) Daya pemompaan ...................................................... 41

Persamaan (2.70) Daya pemompaan konstan ......................................... 41

Persamaan (2.71) Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds 41

Persamaan (2.72) Unjuk kerja termal ..................................................... 42


commit to user

xx

DAFTAR NOTASI

Ai = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)

At,i = Luas penampang pipa dalam (m2)

At,S = Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (m2)

Cp,c = Panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Cp,h = Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)

d = kedalaman pemotongan (m)

di = Diameter hidrolik dalam pipa dalam (m)

do = Diameter hidrolik luar pipa dalam (m)

Dh = Diameter hidrolik annulus (m)

Di = Diameter hidrolik dalam pipa luar (m)

Do = Diameter hidrolik luar pipa luar (m)

f = Faktor gesekan

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

H = Panjang pitch twisted tape insert (m)

hi = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)

ho = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)

hp = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape

insert (W/m2.oC)

hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape

insert (W/m2.oC)

ki = Konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)

ko = Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).

L = Panjang pipa dalam (m)

Lt = Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m) ? ?? = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s) ? ?? = Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Nui = Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

p = Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)

pp = Daya pemompaan konstan


commit to user

xxi

Pr = Bilangan Prandtl

Q = Laju perpindahan panas (W)

Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)

Qh = Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

Re = Bilangan Reynolds

Red = Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa

t = Tebal twisted tape insert (m)

Tc,i = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,o = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

Th,i = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

Th,o = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

Tb,i = Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam (oC)

Tb,o = Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC) ??? ?? = Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC) ??? ?? � = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)

uc = Kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)

um = Kecepatan rata–rata fluida (m/s)

usw = Kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)

s = Swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)

Sw = Swirl number

Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa

dalam (W/m2.oC)

? = Viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)

V = Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s) ??�� = Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)

y = Twist ratio

? = Sudut heliks (o)

? h = Beda ketinggian fluida manometer (m)

? P = Penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)

? T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet kalor (oC)

? T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor


commit to user

xxii

(oC)

? TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature

different) (oC)

? = Viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

? i = Viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)

? o = Viskositas dinamik fluida di annulus (kg/m.s)

? = Efisiensi peningkatan perpindahan panas

? h = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

? c = Densitas fluida di annulus (kg/m3)

? m = Densitas fluida manometer (kg/m3)


commit to user

xxiii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data hasil pengujian ............................................................... 114

Lampiran 2. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran

volumetrik 4,5 LPM pada variasi Classic Twisted Tape Insert, dan

Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450 ............. 134

Lampiran 3. Hasil perhitungan penukar kalor tanpa dan dengan twisted

tape insert ............................................................................... 150

Lampiran 4. Tabel Kondukivitas thermal material...................................... 171

Lampiran 5. Properties air ......................................................................... 172


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Pada masa sekarang ini, teknologi untuk meningkatkan perpindahan panas

pada sebuah alat penukar kalor banyak dikembangkan dan dipergunakan pada

beberapa aplikasi penukar kalor antara lain pada proses industri, sistem pendingin,

otomotif, dan pada alat pemanas air tenaga surya. Adapun tujuan utama dari

peningkatan perpindahan panas adalah untuk meningkatkan koefisien perpindahan

panas. Unjuk kerja penukar kalor dapat ditingkatkan secara substansial dengan

sejumlah teknik. Tujuan umum teknik-teknik ini adalah untuk mengurangi ukuran

penukar kalor yang dibutuhkan, untuk meningkatkan kapasitas dari sebuah

penukar kalor yang ada, atau untuk mengurangi daya pemompaan.

Peningkatan perpindahan panas dalam penukar kalor dapat

diklasifikasikan dalam 3 kelompok yaitu; teknik pasif, teknik aktif dan teknik

campuran. Dalam teknik aktif, peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan

memberikan tambahan energi aliran ke fluida. Dalam teknik pasif, peningkatan

perpindahan panas diperoleh tanpa menyediakan tambahan energi aliran. Dalam

teknik campuran, dua atau lebih dari teknik aktif dan pasif digunakan secara

simultan untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas, dimana

peningkatan perpindahan panas lebih tinggi daripada teknik-teknik peningkatan

perpindahan panas dioperasikan secara terpisah. Di antara berbagai teknik yang

efektif untuk meningkatkan laju perpindahan panas di sisi pipa penukar panas,

penyisipan dengan pita terpilin (twisted tape) adalah salah satu teknik peningkatan

perpindahan panas pasif yang paling populer karena biaya rendah, kemudahan

instalasi, pemeliharaan yang mudah dan kehilangan tekanan rendah.

Ada banyak peralatan yang digunakan untuk menghasilkan aliran berputar

dalam pipa, seperti helical vanes, helical grooved tube, helical screw-tape, axial-

radial guide vanes dan snail entry, sementara twisted tape adalah salah satu

kelompok yang banyak dipakai. Teknologi penyisipan twisted tape insert banyak

digunakan pada berbagai industri yang menggunakan penukar kalor. Penambahan

twisted tape insert pada pipa penukar kalor merupakan teknologi peningkatan


commit to user

2

perpindahan panas konveksi yang sederhana dengan menghasilkan aliran yang

turbulen. Aliran turbulen dan berputar (swirl flow) pada pipa penukar kalor

menyebabkan lapis batas termal menjadi lebih tipis dan akibatnya akan

menghasilkan koefisien perpindahan panas konveksi yang tinggi. Dalam aplikasi

penukar kalor, lapis batas termal merupakan hal yang sangat penting dalam proses

perpindahan panas antara fluida dan dinding pipa. Lapis batas termal berkaitan

dengan jenis aliran fluida, dan ketebalan lapis batas termal lebih besar dalam

aliran laminar. Perpindahan panas dalam aliran turbulen terjadi lebih cepat

daripada yang terjadi dalam aliran laminar. Jenis aliran turbulen diketahui

memiliki koefisien perpindahan panas konveksi yang lebih baik dibandingkan

dengan aliran laminar. Maka dengan meningkatkan turbulensi di dalam pipa

penukar kalor diharapkan dapat meningkatkan laju perpindahan panasnya.

Hampir semua penukar kalor ringkas dengan penyisipan twisted tape yang

diteliti mempunyai penampang lingkaran, dan belum banyak penelitian mengenai

penukar kalor dengan penampang persegi (rectangular), walaupun banyak

ditemukan penukar kalor dengan penampang persegi dalam aplikasi industri,

misalnya pada plate fin heat exchangers. Jika dibandingkan dengan penukar kalor

penampang lingkaran, penukar kalor dengan penampang persegi memberikan

perbandingan luas permukaan terhadap volume yang lebih tinggi. Meskipun pada

sudutnya merupakan tempat yang kurang efektif untuk perpindahan panas. Karena

twisted tape insert menimbulkan pusaran aliran sekunder (dengan efek

mengaduk), maka akan lebih baik mempelajari unjuk kerja dari twisted tape insert

yang disebabkan oleh pusaran aliran yang melalui saluran persegi. (Ray, S.,

2003).

Banyak penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa unjuk kerja

peningkatan perpindahan panas dengan penyisipan twisted tape sangat tergantung

pada geometrinya. Desain yang tepat dari twisted tape memberikan peningkatan

laju perpindahan panas dengan nilai penurunan tekanan dalam batas yang dapat

diterima, sehingga mempengaruhi penghematan energi. Optimasi desain dari

twisted tape adalah tugas yang menantang untuk meningkatkan laju perpindahan

panas dan meminimalkan kerugian gesekan, yang bermanfaat untuk mengurangi

ukuran penukar kalor dan mempengaruhi penghematan energi. Berdasarkan


commit to user

3

literatur, menunjukkan bahwa modifikasi pada classic twisted tape insert yaitu

berupa potongan-potongan kecil pada tape, misalnya potongan V (Murugesan

dkk, 2011), persegi (Murugesan, 2010), dan trapesium (Murugesan, 2009)

memberikan jaminan untuk peningkatan baik laju perpindahan panas dan unjuk

kerja termal. Alasan di balik unjuk kerja termal yang tinggi adalah bahwa

potongan-potongan kecil pada classic twisted tape insert menghasilkan penurunan

tekanan dalam sistem ke tingkat yang dapat diterima.

Potongan-potongan kecil pada twisted tape memberikan gangguan

tambahan ke fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di belakang potongan dan

dengan demikian memicu pada peningkatan perpindahan panas lebih tinggi

dibandingkan dengan classic twisted tape insert. Dari literatur (Murugesan, 2009,

2010, 2011), didapatkan bahwa alasan untuk peningkatan perpindahan panas

karena promosi pencampuran fluida dan intensitas turbulensi, efek sinergi dari

sirkulasi vorteks bersama dengan aliran sekunder, di samping dengan aliran

pusaran utama dan peningkatan turbulensi dekat permukaan dinding pipa berturut-

turut menggunakan V-cut, square-cut dan trapezoidal-cut twisted tape.

Mekanisme ini diyakini juga akan terjadi pada pipa yang dilengkapi dengan

oblique teeth twisted tape insert. Oleh karena itu, penelitian mengenai

peningkatan perpindahan panas pada sebuah penukar kalor dengan modifikasi

twisted tape insert penting untuk dikembangkan.

Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air

di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape

insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa

dalam dan pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik

perpindahan panas dan faktor gesekannya.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :


commit to user

4

1. Pipa luar diisolasi dengan glasswool sebanyak 5 lapisan sehingga

perpindahan panas ke lingkungan dianggap nol.

2. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.

1.4 Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan

pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut:

1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu

penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan

panas secara pasif dengan menggunakan modified twisted tape insert.

2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan

perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas.

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, serta sistematika penulisan.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori

tentang metode peningkatan perpindahan panas pada penukar

kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada

penukar kalor.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah- langkah percobaan

dan pengambilan data.

BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,

perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari


commit to user

5

perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.


commit to user

6

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Ray S. dan Date, A.W (2003) melakukan penelitian mengenai karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada pipa saluran persegi dengan

twisted tape insert. Pipa persegi mempunyai panjang sisi 9,5 mm, tebal 5 mm dan

panjang 3.000 mm. Pada 1.000 mm pertama dari saluran tersebut merupakan

daerah masuk. Pipa persegi ditutup dengan plat acrylic dengan tebal 5 mm dan

dibalut serapat mungkin untuk memperkecil kehilangan energi panas ke

lingkungan. Penelitian dilakukan pada pipa saluran persegi sepanjang 2.000 mm

setelah entrance region. Air dengan temperatur yang dijaga konstan digunakan

sebagai fluida kerja dalam penelitian ini. Pada Reynolds, 100 < Re < 3.000, fluida

dialirkan dari tangki atas, dimana ketinggian dijaga konstan sedangkan untuk laju

kecepatan aliran yang tinggi, air dipompakan secara langsung dari pompa

sentrifugal tanpa adanya hambatan ke seksi uji. Penelitian dilakukan pada pipa

persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert. Twisted tape

insert dibuat dengan rasio menjadi 3 jenis yaitu 10,28, 5,64 dan 3,14. Pada

penelitian ini twisted tape insert dibuat dari metalic strips dengan ketebalan 0,3

mm. Penelitian dilakukan pada daerah laminar (100 < Re < 3.000), transisi (1.500

< Re < 3.000) dan turbulen (8.000 < Re < 87.000). Hasil dari penelitian

menunjukkan bahwa angka Nusselt dan faktor gesekan tertinggi adalah penelitian

dengan menambahkan twisted tape insert dengan twist ratio 3,14.

Naphon (2006) melakukan penelitian untuk menyelidiki karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa

twisted tape insert, dan membandingkannya dengan twisted tape insert dengan

berbagai nilai pitch. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga lurus dengan

panjang 2.000 mm dan ukuran diameter pipa dalam dan pipa luar berturut-turut

adalah 8,10 mm dan 9,54 mm. Twisted tape insert berupa aluminium strip dengan

tebal 1 mm dan panjang 2.000 mm. Dalam pengujian tersebut fluida yang

digunakan adalah air panas pada suhu 40oC dan 45oC dan air dingin pada suhu

15oC dan 20oC, dan twisted tape insert dibuat 2 variasi pitch yaitu 2,5 mm dan 3,0


commit to user

7

mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa twisted tape insert mempunyai

pengaruh yang besar terhadap peningkatan laju perpindahan panas, akan tetapi

penurunan tekanan yang terjadi juga bertambah besar. Semakin besar bilangan

Reynolds maka laju perpindahan panas semakin tinggi, dimana twisted tape insert

dengan pitch 2,5 cm mempunyai laju perpindahan panas yang paling tinggi. Hal

ini juga terjadi pada koefisien perpindahan panas, semakin tinggi bilangan

Reynolds maka koefisien perpindahan panas semakin tinggi, dimana pitch 2,5 cm

mempunyai koefisien perpindahan panas yang paling tinggi. Sedangkan semakin

tinggi bilangan Reynolds maka faktor gesekan juga akan semakin tinggi. Pada

penelitian ini terlihat jelas pengaruh ada tidaknya twisted tape insert terhadap

faktor gesekan, akan tetapi perbedaan pitch tidak mempunyai pengaruh yang

berarti pada faktor gesekan.

Murugesan dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan

panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa twisted tape

insert dan membandingkannya dengan trapezoidal-cut twisted tape insert pada

twist ratio 4,4 dan 6. Seksi uji menggunakan pipa tembaga sepanjang 2.000 mm

yang memiliki diameter 28,5 mm. Dalam pengujian tersebut, pada pipa dalam

fluida yang mengalir adalah air panas dengan suhu 54oC dengan variasi debit

menggunakan flow meter antara 2-7 LPM dimana skala kenaikan adalah 0,5 LPM,

sedangkan air dingin mengalir melalui annulus dengan suhu 30oC dan debit dijaga

konstan sebesar 10 LPM. Sistem diisolasi glass wool. Pembacaan suhu

menggunakan RDT 100 pada sisi masuk dan keluar penukar kalor yang berjumlah

4 buah dengan tingkat akurasi 0,1oC sedangkan pengukuran penurunan tekanan

menggunakan manometer U yang kedua ujungnya diletakkan di kedua sisi

penukar kalor. Sisipan berupa trapezoidal-cut twisted tape insert menggunakan

material aluminium dengan ketebalan 1,5 mm dan lebar 23,5 mm dimana setiap

pitch pada twisted tape insert dipotong dengan geometri trapesium. Potongan

trapesium memiliki dimensi sisi berturut-turut adalah 8 mm dan 12 mm dengan

kedalaman pemotongan adalah 8 mm. Perlakuan pemotongan ini pada twisted

tape insert memiliki tujuan untuk menimbulkan efek aliran spiral pada sisi

dinding pipa. Hasil penelitian menunjukkan penukar kalor dengan penambahan

twisted tape insert mengalami peningkatan angka Nusselt dibandingkan tanpa


commit to user

8

twisted tape insert, diikuti dengan peningkatan laju perpindahan panas dimana

untuk penukar kalor dengan penambahan trapezoidal-cut twisted tape insert

dengan twist ratio 4,4 dan 6,0 berturut-turut meningkat sebesar 41,8% dan 27,0%

dibanding tanpa sisipan. Faktor gesekan memiliki kecenderungan menurun seiring

meningkatnya angka Reynolds. Pada penukar kalor dengan sisipan trapezoidal-

cut twisted tape insert faktor gesekannya lebih tinggi, berturut-turut untuk pitch

ratio 4,4 dan 6 sebesar 2,85 dan 1,97 kali dibandingkan penukar kalor tanpa

sisipan.

Murugesan dkk (2010) melakukan penelitian mengenai karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda dengan

plain twisted tape insert (PTT) dan membandingkannya dengan square-cut

twisted tape insert (STT). Twisted tape insert yang digunakan mempunyai twist

ratio 2, 4,4 dan 6 dengan angka Reynolds berkisar 2.000-12.000. Seksi uji

menggunakan pipa tembaga dengan diameter 25 mm dengan panjang 2.000 mm.

Fluida air panas mengalir melalui pipa dalam dan fluida air dingin mengalir

melewati annulus. Sistem diisolasi glass wool dan tali asbes. Dua buah rotameter

untuk mengukur laju aliran air dingin dan air panas memiliki rentang aliran 0 - 20

LPM. Pembacaan suhu menggunakan RDT Pt 100 pada sisi masuk dan keluar

penukar kalor yang berjumlah 7 buah dengan tingkat akurasi 0,1oC. Pengukuran

penurunan tekanan menggunakan manometer air pipa U vertikal yang kedua

ujungnya diletakkan di kedua sisi penukar kalor. Fluida yang digunakan adalah air

panas dan air dingin. Kondisi air dingin dijaga konstan pada laju aliran massa

0,166 kg/s dengan temperatur masukan dijaga konstan pada 30oC, sedangkan laju

aliran massa air panas divariasi antara 0,033 - 0,12 kg/s dengan temperatur

masukannya konstan sebesar 54oC. Twisted tape insert terbuat dari aluminium

dengan tebal 1,5 mm dan lebar 23,5 mm. Modifikasi twisted tape meliputi square-

cut dengan dimensi lebar 8 mm dan kedalaman 8 mm. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa laju perpindahan panas, faktor gesekan dan unjuk kerja

termal dari pipa dengan penambahan STT secara signifikan lebih besar daripada

yang dilengkapi dengan PTT. Hal ini disebabkan karena STT memberikan efek

gangguan aliran yang lebih besar terhadap fluida di sekitar dinding pipa yang

menyebabkan peningkatan perpindahan panas apabila dibandingkan dengan plain


commit to user

9

tube dan PTT. Laju perpindahan panas twisted tape insert dengan twist ratio 2

lebih tinggi dibandingkan dengan twist ratio 4,4 dan 6 karena peningkatan

intensitas turbulen dan panjang aliran. Angka Nusselt, faktor gesekan dan unjuk

kerja termal dengan penambahan STT adalah 1,03-1,14, 1,05-1,25 dan 1,02-1,06

kali dari pipa dengan penambahan PTT untuk twist ratio 2, 4,4 dan 6.

Saha (2010) melakukan penelitian mengenai karakteristik perpindahan

panas dan penurunan tekanan aliran turbulen dari udara yang dilakukan pada

bilangan Reynolds 10.000-100.000 melalui saluran persegi panjang dan bujur

sangkar yang permukaan dalamnya berombak dalam arah aksial dan dikombinasi

dengan penambahan twisted tape insert dengan dan tanpa oblique teeth. Seksi uji

terdiri dari saluran lingkaran yang memiliki diameter dalam 25 mm. Saluran bujur

sangkar memiliki penampang 51 mm × 51 mm. Saluran persegi panjang dengan

aspek rasio (AR) = 0,5 dan 0,25 dengan penampang berturut-turut 51 mm × 102

mm dan 25,5 mm × 102 mm. Diameter hidrolik saluran berturut-turut adalah 51

mm, 68 mm, dan 40,8 mm. Panjang setiap saluran dan saluran lingkaran adalah

1,275 m. Lapisan keramik tipis ditempatkan di sisi dalam permukaan papan kayu

untuk isolasi listrik dan termal, kemudian lapisan stainless steel dengan ketebalan

0,025 mm disemen di bagian dalam dari seksi uji. Setiap seksi uji memiliki 28

termokopel di tujuh lokasi secara aksial dan 4 termokopel pada setiap lokasi

aksial. Posisi aksial dari termokopel sepanjang saluran uji adalah 0,025 m, 0,225

m, 0,425 m, 0,625 m, 0,825 m, 1,025m, dan 1,225 m. Untuk mengurangi konduksi

panas aksial pada ujung-ujung seksi uji, cakram spacer Teflon masing-masing

dengan ketebalan 3 cm digunakan pada kedua sisi seksi uji. Tali asbes dan glass

wool digunakan sebagai isolasi panas yang meminimalkan kehilangan panas radial

dari saluran uji. Penurunan tekanan di seksi uji diukur menggunakan manometer

air pipa U vertikal yang kedua ujungnya diletakkan di ujung kedua sisi saluran uji.

Udara dialirkan melalui saluran uji dengan menggunakan blower. Twisted tape

yang digunakan terbuat dari lembaran stainless steel dengan panjang penuh (l = 1)

dan panjang setengah penuh (l = 0,5), dan semua twisted tape mempunyai twist

ratio (y) = 2,5. Twisted tape yang digunakan ada dua variasi yaitu regulary spaced

twisted tape dan twisted tape dengan tooth angle sebesar 10o dan 30o dengan non

dimensional tooth horizontal length sebesar 0,01538 dan 0,03077. Corrugation


commit to user

10

angle sebesar 30o dan 60o dengan non dimensional corrugation pitch (P/e) sebesar

2,0437 dan 5,6481. Laju aliran massa udara dihitung dengan mencatat penurunan

tekanan melewati orifice meter. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan faktor

gesekan untuk semua seksi uji pada semua jenis twisted tape. Jika corrugation

angle meningkat maka faktor gesekan akan meningkat. Jika tooth angle dan tooth

horizontal length dari twisted tape meningkat maka faktor gesekan juga

meningkat. Untuk semua jenis twisted tape, gabungan axial corrugation dan

twisted tape dengan oblique teeth, baik faktor gesekan dan bilangan Nusselt

meningkat lebih tinggi dibandingkan twisted tape tanpa oblique teeth.

Berdasarkan daya pemompaan yang sama terjadi peningkatan perpindahan panas

hingga 55% untuk gabungan axial corrugation dan regulary spaced twisted tape

insert dengan oblique teeth dibandingkan dengan tanpa oblique teeth twisted tape

insert, namun daya pemompaan berkurang hingga 47%.

Murugesan dkk (2011) melakukan penelitian mengenai karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda dengan

plain twisted tape insert (PTT) dan membandingkannya dengan V-cut twisted tape

insert (VTT). Twisted tape insert yang digunakan mempunyai twist ratio 2, 4,4

dan 6 serta variasi depth ratio (DR) dan width ratio (WR) untuk VTT sebesar 0,34

dan 0,43. Seksi uji menggunakan pipa tembaga dengan diameter 25 mm dan

panjang 2.000 mm. Sistem diisolasi glass wool dan asbestos. Fluida yang

digunakan adalah air panas dan air dingin. Kondisi air dingin dijaga konstan pada

laju aliran massa 0,166 kg/s dengan temperatur masukan dijaga konstan pada

30oC, sedangkan laju aliran massa air panas divariasi antara 0,033-0,12 kg/s

dengan temperatur masukan dijaga konstan sebesar 54oC. Twisted tape insert

terbuat dari aluminium dengan tebal 1,5 mm dan lebar 23,5 mm. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa angka Nusselt meningkat dan faktor gesekan menurun

seiring dengan kenaikan angka Reynolds. Angka Nusselt dan faktor gesekan pada

penukar kalor dengan penambahan VTT lebih tinggi nilainya dibandingkan tanpa

twisted tape insert. Angka Nusselt dengan penambahan VTT naik berturut-turut

1,36-2,46 dan 2,49-5,82 kali dari plain tube dan 1,03-1,37 dan 1,05-1,59 kali dari

pipa dengan penambahan PTT. Hal ini disebabkan karena VTT memberikan efek

aliran turbulen terhadap fluida di sekitar dinding pipa yang menyebabkan


commit to user

11

peningkatan perpindahan panas bila dibandingkan dengan plain tube dan PTT.

Perpindahan panas dan faktor gesekan meningkat seiring dengan meningkatnya

depth ratio dan menurunnya width ratio. Unjuk kerja termal untuk VTT lebih

besar dibandingkan dengan PTT untuk angka Reynolds yang sama. Unjuk kerja

termal untuk PTT dan VTT menurun seiring dengan meningkatnya angka

Reynolds. Dengan menggunakan PTT, unjuk kerja termal berada pada rentang

1,18-1,16, 1,07-1,05 dan 1,03-1,01 berturut-turut untuk twist ratio 2,0, 4,4 dan

6,0. Pada penggunaan VTT, unjuk kerja termal berada pada rentang 1,23-1,27,

1,15-1,11 dan 1,11-1,07 berturut-turut untuk twist ratio 2,0, 4,4 and 6,0.

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan

perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan

material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu

dinamakan kalor/panas (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya

menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain,

tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-

kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung

pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan

termodinamika, hanya dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem

kesetimbangan baja dan air itu. Namun termodinamika tidak akan dapat

menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan

itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas dapat membantu meramalkan suhu

batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu.

Ada tiga macam cara perpindahan panas bila dilihat dari cara

perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi

(pancaran).

1. Perpindahan panas secara konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa tanpa disertai

perpindahan partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat

padat.


commit to user

12

2. Perpindahan panas secara konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan

molekul dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya

lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.

3. Perpindahan panas secara radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya

dan tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat

merambat pada ruang hampa.

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)

2.2.2.1 Kondisi aliran

Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah

masuk (entrance region). Sebuah lapisan batas dimana efek viskos menjadi

penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian rupa sehingga profil

kecepatan awal berubah, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah

masuk, dimana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi. Aliran ini

yang disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari

arah masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ”hydrodynamic entry

length”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk

parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih

datar karena aliran berputar pada arah pipa.

Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting

adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia

dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:

Re = ?� XP ' K

? (2.1)

dimana :

Re = bilangan Reynolds

? = massa jenis fluida (kg/m3)

? = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

um = kecepatan rata–rata fluida (m/s)

Dh = diameter hidrolik pipa dalam (m)


commit to user

13

Gambar 2.1 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan

pada saluran masuk aliran pipa (White, 2001)

Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung

berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :

Dh = $F

3 (2.2)

dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ac = luas penampang melintang aliran (m2)

p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar

atau aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah

aliran laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah

aliran transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai

bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran

pipa, kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada

umumnya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen

adalah sebagai berikut :

Re < 2.300 aliran laminar (2.3)

2.300 = Re = 10.000 aliran transisi (2.4)

Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)

Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan


commit to user

14

tanpa getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan

Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds

untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re ? 2.300.

2.2.2.2 Kecepatan rata–rata (mean velocity)

Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka

digunakan kecepatan rata–rata um untuk menyelesaikan permasalahan mengenai

aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata–rata um dikalikan dengan massa jenis air

? dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran massa air (m? ) yang

melalui pipa. Laju aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa

air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah:

? ? = ? um A (2.6)

2.2.2.3 Temperatur rata – rata

Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan,

temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan

dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.

Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan

temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak

seperti kecepatan fluida, temperatur rata–rata (Tm) akan berubah sewaktu–waktu

ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.

(a) Aktual (b) Rata – rata

Gambar 2.2 Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam pipa (Cengel, 2003)

? ? ? ??? ?????cA cpm pmpfluida A T V ? Cm T CT CmE

????

? ? ? ?

? ? ??? ??

??

R

mpm

R

p

p

mm x) rdrT(r,x)V(r,

RVCR?V

dr?V T C

Cm

mCp TT

022

0 2r 2p

??

??


commit to user

15

Temperatur rata–rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau

pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada

temperatur bulk rata–rata fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata–

rata dari temperatur rata–rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata–rata sisi keluar

(Tm,o), yaitu :

Tb = (2.7)

2.2.2.4 Penukar Kalor

Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur

fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui

suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan

panas dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan

konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan

berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah

alirannya dan keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah

aliran, yaitu penukar kalor aliran searah (paralel flow heat exchanger) dan

berlawanan arah (counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan

keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat

exchanger).

a. Penukar kalor aliran searah.

Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah dengan fluida

yang mendinginkan (fluida dingin).

Gambar 2.3 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah (Cengel, 2003)

(a) (b)


commit to user

16

b. Penukar kalor aliran berlawanan arah

Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah

dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).

(a)

(b)

Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah (Cengel, 2003)

Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan

panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin.

Sehingga, Qh = Qc

4 F �P?F &S F 7FRXW-7FLQ (2.8)

Qh �P?K &S K 7K LQ-7KRXW (2.9)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

? ???? = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

Cp,o = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

? ?? = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)

Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

Dalam analisis sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean

temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar


commit to user

17

kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam

metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari :

Q = U.As. ? TLMTD (2.10)

¨ 7 / 0 7 ' �� ¨ 7 - ¨ 7

OQ? ¨ 7¨ 7

? (2.11)

dimana :

Q = laju perpindahan panas (W)

U = koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)

As = luas perpindahan panas (m2)

? TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

? T1 , ? T2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi masuk dan

keluar penukar kalor (oC).

Nilai-nilai ? T1 dan ? T2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah

berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.3(b) dan 2.4(b).

c. Penukar kalor pipa konsentrik.

Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner

tube) dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida

panas, sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus)

yang dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.

Perpindahan panas yang terjadi berawal secara konveksi dari fluida panas

ke dinding dalam pipa dalam. Dari dinding dalam diteruskan secara konduksi ke

dinding luar pipa dalam. Perpindahan panas akan dilanjutkan secara konveksi dari

dinding luar pipa dalam ke fluida dingin yang ada pada annulus. Proses

perpindahan panas pada penukar kalor ini dapat dianalogikan dengan jaringan

tahanan listrik. Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan membagi beda

temperatur total dengan jumlah total tahanan termal.

R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = KL$L

OQ?? ?? ?N/ KR $R

(2.12)


commit to user

18

dimana :

hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam

(W/m2.oC)

ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus

(W/m2.oC)

Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ai = 8.a. L

Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Ao = 8.b. L

2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)

2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)

k = konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)

L = panjang pipa (m)

Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua

tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu

tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida

sebagai berikut :

Q = ? 7

5 = U.A.? T = Ui.Ai.? TLMTD = Uo.Ao. ? TLMTD (2.13)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan W/m2.oC,

dan ? TLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean

temperature different ) (oC). Diperoleh nilai :

8 L $L

�8 R $R

��5 �� KL $L

OQ?? ?? ?N/ KR $R

(2.14)

2.2.2.5 Parameter Tanpa Dimensi

Pada penukar kalor metode perpindahan panas yang terjadi utamanya

adalah konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan

dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi

(dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan

panas konveksi adalah :


commit to user

19

a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)

Bilangan Reynolds (Re) 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. Gaya inersia dalam bentuk ? [(?u)u]/?x dapat didekati dengan

persamaan: F1 = ? ? ? /L. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam

bentuk ? ?? ? ,yyuyyx ??????? ?? dapat didekati dengan persamaan:

2LVµFs ? . Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

)

) V =

?9 /? � / =

?9/

? = ReL (2.15)

Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada

gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih

berpengaruh dari gaya inersia.

b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)

Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas

momentum, ? (m2/s) , dengan diffusifitas termal, ? (m2/s). Bilangan Prandtl

menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan

transfer energi dengan cara difusi di dalam lapis batas kecepatan dan termal.

Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer energi dan

momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 2007). Nilai Pr

sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif lapis batas kecepatan dan termal.

Pr = ?

I (2.16)

c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)

Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan

perbandingan antara koefisien perpindahan panas koveksi (h) terhadap

konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan

tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan

Nusselt dirumuskan:

Nu = K�G

N (2.17)


commit to user

20

Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr.

Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai

Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.

2.2.2.6 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor

Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri

dan bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit,

diperlukan analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan

penurunan tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek

ekonomis dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor

adalah membuat penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas

tinggi menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik

untuk meningkatkan perpindahan panas berhubungan dengan beberapa aplikasi

keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang

tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien.

Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan

panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak

(scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor

yang digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri- industri kimia. Dalam

beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluida-

fluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan

instalasi desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju

perpindahan panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam

aliran fluida (memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses tersebut

daya pemompaan dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya

pemompaan menjadi tinggi. Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas

yang diinginkan dalam sebuah penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang

ekonomis, beberapa teknik telah ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini.

Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah

dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi,

otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah

mendorong atau mengakomodasi fluks-fluks kalor yang tinggi. Ini menghasilkan


commit to user

21

pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya

yang lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor

beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien

perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa

pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih

kecil bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan

perpindahan panas menarik dalam aplikasi penukar kalor.

Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar

kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori :

a. Metode aktif (active method)

Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power

input) untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak

potensi yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak

mudah untuk disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif

adalah pulsasi yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers,

penggunaan medan magnet untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan

dalam sebuah aliran yang sedang mengalir.

b. Metode pasif (passive method)

Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang

diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang

tersedia dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan

fluida. Industri penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak

termal (meningkatkan koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya

pemompaan untuk memperbaiki efisiensi termohidrolik dari penukar kalor.

Desain sebuah penukar kalor yang baik seharusnya mempunyai unjuk kerja

termodinamika yang efisien, yaitu pembangkitan entropi yang minimum atau

destruksi kerja tersedia (exergy) yang minimum dalam sebuah sistem penukar

kalor. Hampir tak mungkin untuk menghentikan kehilangan exergy secara

sempurna, tetapi hal tersebut dapat diminimalisasi melalui sebuah desain yang

efisien.


commit to user

22

c. Metode gabungan (compound method)

Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik

metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang

kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.

Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi

metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-

industri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya

termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan

ruang angkasa, automobiles dan lain- lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert)

digunakan dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas,

menguntungkan dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur

insert sederhana dan teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar

kalor. Dalam desain alat penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam

meningkatkan perpindahan panas memainkan peranan yang penting jika

konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat dipilih berdasarkan kondisi kerja

penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan panas).

Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat

untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering

digunakan. Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal

sebagai alat peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert

sesuai untuk daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran

turbulen. Kelakuan termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari

kondisi aliran (laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert.

Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube),

teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang

paling umum, terutama sekali pada kondisi retrofit. Dengan teknologi tube insert,

penambahan luasan perpindahan panas dapat diabaikan, sehingga penghematan

biaya secara signifikan menjadi mungkin. Peralatan tube insert meliputi twisted

tape insert, wire coil insert, extended surface insert, mesh insert dan lain- lain.


commit to user

23

Gambar 2.5 Jenis-jenis peralatan tube insert (Wang, L., 2002)

Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang

pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik

dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical

coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (non-

integral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang

dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan

kontak termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter

hidrolik dan bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari

sebuah matrik dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu

keseluruhan medan temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya

adalah dua faktor utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan

teknik-teknik pasif peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape

insert dan wire coil insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-

tahun belakangan ini dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena

teknik-teknik seperti extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena

menghasilkan masalah penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran.

Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran

untuk menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik

saluran aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh

insert seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan

aliran (flow blockage) membagi aliran utama dan aliran sekunder (secondary


commit to user

24

flow). Halangan aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek

viskos karena luas aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan

kecepatan aliran dan dalam beberapa situasi memicu aliran sekunder secara

signifikan. Aliran sekunder selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih

baik antara permukaan saluran dan fluida, karena aliran sekunder menciptakan

pusaran (swirl) dan menghasilkan percampuran fluida memperbaiki gradien

temperatur dimana pada akhirnya memicu koefisien perpindahan panas yang

tinggi.

Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor.

Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh

lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih

efektif dalam aliran turbulen dibandingkan dengan twisted tape, karena wire coil

mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup

efektif, sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di

lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh

dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen.

Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat

mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan

twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam

aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis

fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan

bilangan Prantl yang berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang

berbeda. Sehingga, pemilihan yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja

termal dan hidrolik.

Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert

dan wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix

angle). Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan

perpindahan panas meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut

pilin. Akan tetapi, untuk sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape

insert menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire

coil insert. Ini mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu

keseluruhan medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu


commit to user

25

aliran di dekat dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh

terhadap peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih

tinggi untuk fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik,

mungkin karena fakta bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi

mempunyai tebal lapis batas yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida

yang mempunyai bilangan Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan

oleh tube insert lebih efisien untuk meningkatkan perpindahan panas.

Bagaimanapun, kenaikan perpindahan panas sering dihubungkan dengan kerugian

penurunan tekanan. Dapat disimpulkan bahwa wire coil insert menghasilkan

penurunan tekanan yang lebih rendah dibandingkan twisted tape insert.

2.2.2.7 Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)

Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar

2.6 menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted tape dengan 180o twisted pitch.

Geometri twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai

modifikasi untuk mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas.

Gambar 2.6 Jenis-jenis twisted tape (a) full-length twisted tape, (b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying pitch full-length twisted tape (Dewan, A., 2004)


commit to user

26

Gambar 2.7 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar (Saha, S.K.,

2010)

Parameter-parameter pada twisted tape insert :

a. Twist pitch

Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang

sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape.

b. Twist ratio

Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan twist pitch terhadap

diameter dalam pipa.

y = (2.18)

dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah

diameter dalam pipa.

Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan

sebagai :

tan a = (2.19)


commit to user

27

2.2.2.8 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan

2.2.2.8.1. Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah

Aliran Laminar dan Turbulen Melalui Sebuah Pipa Bulat Halus

Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed), dalam sebuah

pipa bulat halus tanpa insert, bilangan Nusselt (Nu) mempunyai nilai yang

konstan dibawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall

temperature) sebagai berikut :

Nu = 3,657 (2.20)

dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan

dengan persamaan :

f = 64/Re (2.21)

Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds

(Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran.

Untuk pipa halus, faktor gesekan dalam aliran turbulen dapat ditentukan

dari persamaan Petukhov pertama (first Petukhov equation) :

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2 (2.22)

Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt

dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter :

Nu = 0,023.Re0,8.Prn (2.23)

Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 = Pr = 160, Re ? 10.000,

dan L/D ? 10. Untuk proses pemanasan, n = 0,4 sedangkan untuk proses

pendinginan, n = 0,3. Sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata

bulk (bulk mean fluid temperature), Tb = (Ti + Te)/2. Ketika perbedaan temperatur

antara fluida dan dinding pipa sangat besar, perlu menggunakan sebuah faktor

koreksi untuk menghitung perbedaan viskositas di dekat dinding pipa dan di pusat

pipa.

Korelasi Dittus-Boelter sederhana, tetapi memberikan kesalahan hingga

25% (Incropera, 2006). Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10%

dengan menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti

menggunakan persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai

berikut :


commit to user

28

Nu �?I ?5H� 3U

I ?3U - ? (2.24)

Persamaan Petukhov kedua berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 104 <

Re < 5 x 106. Akurasi persamaan ini pada bilangan Reynolds yang rendah

diperbaiki dengan modifikasi oleh Gnielinski :

1 X�� ?I ??5H�-� ? 3U� ?I ? ?3U -�? (2.25)

Persamaan Gnielinski berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 3 x 103 < Re

< 5 x 106, dimana faktor gesekan, f , dapat ditentukan dari hubungan yang sesuai

seperti persamaan Petukhov pertama (persamaan 2.22). Persamaan Gnielinski

lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.24) dan (2.25) sifat-sifat

fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk.

Tidak seperti aliran laminar, faktor gesekan dan koefisien konveksi dalam

aliran turbulen adalah fungsi dari kekasaran permukaan. Faktor gesekan dalam

aliran turbulen berkembang penuh tergantung pada bilangan Reynolds dan

kekasaran relatif, ?/D (relative roughness, ?/D). Colebrook mengkombinasikan

semua data faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa-pipa

halus dan kasar ke dalam sebuah persamaan implisit yang dikenal sebagai

persamaan Colebrook, sebagai berikut :

? I = - 2,0 . log ? I ' ??

5H? I? (2.26)

Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam

ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re

dan ?/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu

metode iterasi. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis,

perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996) menyarankan bahwa iterasi

tunggal akan memberikan hasil dalam 1% jika perkiraan awal dihitung dari:

I = 0,25 ??? ?��?I ' ? �?5H

?�?? ? (2.27)

Moody menggambarkan persamaan Colebrook dalam sebuah diagram yang

dikenal dengan Diagram Moody, dimana meskipun diagram ini dibentuk untuk

pipa bulat, tetapi dapat juga digunakan untuk pipa tidak bulat dengan mengganti


commit to user

29

diameter pipa dengan diameter hidrolik. Untuk aliran turbulen dalam pipa-pipa

halus juga dapat dihitung dengan persamaan Blasius :

f = 0,3164.Re-0,25 (2.28)

Valid untuk aliran turbulen dengan Re = 105.

2.2.2.8.2 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan

Twisted Tape Insert di Daerah Aliran Laminar

Korelasi berikut digunakan untuk memperkirakan koefisien perpindahan

panas dan faktor gesekan di daerah laminar untuk twisted tape insert. Manglik dan

Berges (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding

konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data

penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar

sebagai berikut :

Nu = 4,162 . ? [ � - VZ�3 U ?? ? ?? ? ?? ?? ? (2.29)

dimana :

Nu = bilangan Nusselt

Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl)

dalam pipa.

Sw = �? ? ??

y = twist ratio

Pr = bilangan Prandtl

? = viskositas dinamik (kg/m.s)

? w = viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)

Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah

dikembangkan :

( f . Red )SW = 15,767 ??��-�WGL

?�-�WGL? ? - 6Z ? ?

(2.30)

dimana :

f = faktor gesekan

Red = bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa

t = tebal twisted tape insert (m)


commit to user

30

di = diameter dalam pipa (m)

Faktor gesekan dan bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan pusaran (swirl

velocity)

usw = uc (1 + tan2a)1/2 (2.31)

dimana :

usw = kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)

uc = kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)

a = sudut heliks (o)

Kondisi-kondisi eksperimental untuk mengembangkan korelasi-korelasi di

atas adalah sebagai berikut : air (3 = Pr = 6,5) dan ethylene glycol (68 = Pr = 100)

adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5,

dan 6,0) yang diuji, bilangan Reynolds dari 300 sampai 30.000, dimana meliputi

daerah laminar, transisi dan turbulen. Rata-rata ketakpastian (uncertainties) Nu

dan f berturut-turut adalah ± 4,1% dan ± 4,5%. Korelasi ini aktualnya meliputi

data untuk ethylene glycol dan polybutene (1.000 = Pr = 7.000) dari Marner dan

Bergles.

2.2.2.8.3 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dengan Twisted Tape Insert di

Daerah Turbulen

Berdasarkan eksperimen yang sama, Manglik dan Bergles (1993) juga

mengembangkan korelasi untuk twisted tape insert dalam daerah turbulen.

Cakupan eksperimen sama seperti keadaan di daerah laminar. Korelasi

berdasarkan metode asymtotic, dan valid untuk temperatur dinding konstan dan

fluks kalor konstan. Korelasi perpindahan panas sebagai berikut (Sarma, P.K.,

2002) :

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '

+ ] Ø2 (2.32)

dengan Ø2 = ? ?

?�- WGL? ? ?� - WGL

?�- WGL?

dimana :


Pr = bilangan Prandtl


commit to user

31

t = ketebalan twisted tape insert (m)

D = diameter dalam pipa dalam (m)

H = panjang pitch twisted tape insert (m)

2.2.2.8.4 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada

Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twisted Tape Insert

Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik,

laju perpindahan panas dari fluida panas di dalam pipa dalam dapat dinyatakan

sebagai :

Qh = ? ?? .Cp,h .(Th,in – Th,out) = hi. Ai. (Tb,i - ??? ??) (2.33)

dimana :


? ?? = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)

Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam

(W/m2.oC)


Ai = 8.a. L

2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)

L = panjang pipa dalam (m)

Tb,i = temperatur fluida rata-rata bulk fluida di dalam pipa

dalam (oC)

??? ?? = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)

Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :

Qc = ? ??.Cp,c .(Tc,out – Tc,in) = ho. Ao. (??? ?? – Tb,o) (2.34)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

? ?? = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

Cp,c = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)


commit to user

32

Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus

(W/m2.oC)

Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Ao = 8.b. L

2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)

L = panjang pipa dalam (m)

??? ?? � = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

Tb,o = temperatur fluida rata-rata bulk fluida dingin di

annulus (oC)


commit to user

33

Gambar 2.8 Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert. ( Kuncoro, 2011 )


commit to user

34

Nilai ??? ?? dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :

�?? ?? = s 7Z R

Q (2.35)

Tb,o = (Tc,out + Tc,in)/2 (2.36)

dimana s ?? ?? adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan

n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.

Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.33) dan (2.34)

menunjukkan ketidaksetimbangan energi (heat balance error) dari penukar kalor

heat balance error = ?4 K-�4 F? (2.37)

dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase

kehilangan panas konveksi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :

% heat balance error = ?4 K-4 F4 F

? . 100% (2.38)

Koefisien perpindahan panas rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan dari

persamaan (2.34) :

ho = P?F &S 7FRXW– 7FLQ

$R 7?Z R – 7E R (2.39)

Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan

persamaan :

Nuo = KR ' K??

NR (2.40)

dimana :

Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus

(W/m2.oC)

Dh,o = diameter hidrolik annulus (m)

Dh,o = 2c – 2b

ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).

Persamaan (2.33) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien

perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam :

Qh = Ui.Ai. ? TLMTD (2.41)


commit to user

35

dimana :


Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam

pipa dalam (W/m2.oC)


Ai = 8. a. L

? TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean

temperature different ) (oC)

Untuk penukar kalor pipa konsentrik dengan arah aliran kedua fluida berlawanan

arah (counter-flow), nilai beda temperatur rata-rata logaritmik dinyatakan sebagai

berikut :

? TLMTD = ?7KLQ�-�7FRXW?-?7KRXW�-�7FLQ?

OQ? ?7KLQ�-�7FRXW? ?7KRXW�-�7FLQ?? (2.42)

Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor

konsentrik ini dinyatakan dengan :

8 L$ L�

KL $L

OQ?? ?? ?N/ KR $R

Ui = $L?

KL$ L

OQE D?N/ KR$ R

? Ui =

D/ ?KL D/

OQE D?N/ KR E/

? Ui = ?

KL

DOQE D?N

DE KR

? (2.43)

Dari persamaan (2.33), (2.41) dan (2.42), maka nilai Ui dapat dihitung :

Ui = P?K &S 7KLQ– 7KRXW

$L ¨ 7/ 0 7 ' (2.44)

Ui = P?K &S 7KLQ– 7KRXW? /?7KLQ–�7FRXW?-?7KRXW–�7FLQ?

OQ??7KLQ�–�7FRXW? ?7KRXW�–�7FLQ?? (2.45)

Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.39) dan Ui dari persamaan (2.45),


commit to user

36

maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan (2.43).

Ui = ?KL

� �DOQE D?NL

�� DE KR

?

hi = ?8 L

– DOQ?E D? ?NL

– DE KR

? (2.46)

dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.

Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan

persamaan berikut :

Nui = KL �' KL

NL (2.47)

dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari

sifat fluida pada temperatur fluida rata-rata bulk.

Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan :

Re = 9 ' K�L

? (2.48)

Re = ? 9 ' K� L

? (2.49)

dimana :


V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)

Dh,i = diameter hidrolik pipa dalam (m)

Dh,i = 2a

? = viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)

? = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

? = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)

Dalam analisis penukar kalor, sering menggabungkan perkalian laju aliran

massa dengan panas jenis fluida ke dalam besaran yang disebut laju kapasitas

panas (heat capacity rate), C, dan didefinisikan untuk aliran fluida panas dan

dingin berturut-turut sebagai berikut :

Ch = ? ?? G? ? ?? (2.50)


commit to user

37

Cc = P?F &S F (2.51)

Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas

yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1oC ketika

mengalir melalui penukar kalor. Dalam sebuah penukar kalor, fluida dengan laju

kapasitas panas besar akan mengalami perubahan temperatur yang kecil, dan

fluida dengan laju kapasitas panas yang kecil akan mengalami perubahan

temperatur yang besar. Dengan definisi laju kapasitas panas di atas, maka

persamaan (2.33) dan (2.34) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan :

Qh = Ch .(Th,in – Th,out) (2.52)

Qc = Cc .(Tc,out – Tc,in) (2.53)

Metode LMTD mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika

temperatur-temperatur masuk dan keluar dari fluida panas dan dingin diketahui

atau dapat ditentukan dari kesetimbangan energi. Jika ? TLMTD , laju aliran massa,

dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan

perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.

? TLMTD. Jenis masalah kedua yang dihadapi dalam analisis penukar kalor adalah

menentukan laju aliran panas dan temperatur keluaran dari fluida panas dan fluida

dingin untuk laju aliran massa dan temperatur-temperatur masukan telah

ditentukan ketika jenis dan ukuran dari penukar panas ditentukan. Metode LMTD

masih dapat digunakan untuk masalah ini, tetapi prosedur penyelesaian

memerlukan iterasi dan tidak praktis. Untuk menghindari iterasi penyelesaian

masalah ini dapat menggunakan metode ?-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan

menyederhanakan analisis penukar kalor.

Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut

efektivenes penukar kalor, ?, didefinisikan sebagai :

I� �4

4 PDN

ODMX�SHUSLQGDKDQ�SDQDV�DNWXDO

ODMX�SHUSLQGDKDQ�SDQDV�P DNVLP XP � \ DQJ � P XQJNLQ (2.54)

Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah penukar kalor dapat ditentukan dari

kesetimbangan energi pada fluida panas dan fluida dingin dan dapat dinyatakan

sebagai berikut :

Q = Cc.(Tc,out – Tc,in) = Ch.(Th,in – Th,out) (2.55)


commit to user

38

Dimana Cc dan Ch berturut-turut adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan

fluida panas. Untuk menentukan laju perpindahan panas yang mungkin dalam

sebuah penukar kalor, maka perbedaan temperatur harus maksimum antara

temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin dalam penukar kalor. Sehingga :

? Tmak = Th,in – Tc,in (2.56)

Perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor akan mencapai nilai maksimum

ketika (1) fluida dingin dipanaskan ke temperatur masukan fluida panas, atau (2)

fluida panas didinginkan ke temperatur masukan dari fluida dingin. Fluida dengan

laju kapasitas panas yang lebih kecil akan mengalami perubahan temperatur yang

besar. Sehingga, laju perpindahan panas maksimum dalam sebuah penukar kalor

adalah :

Qmak = Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.57)

dimana Cmin adalah nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil, jika :

Cc > Ch , maka Ch = Cmin (2.58)

Cc < Ch , maka Cc = Cmin (2.59)

Menentukan Qmak memerlukan ketersediaan data temperatur masuk fluida panas

dan dingin dan laju aliran kedua fluida tersebut, dimana biasanya sudah

ditentukan. Sehingga jika efektivenes dari penukar kalor telah diketahui, laju

perpindahan panas aktual Q dapat ditentukan dari persamaan :

Q = ?.Qmak = ?.Cmin .(Th,in – Tc,in) (2.60)

Sehingga efektivenes penukar kalo r dapat digunakan untuk menentukan

laju perpindahan panas tanpa mengetahui temperatur keluaran fluida-fluida.

Efektivenes dari sebuah penukar kalor tergantung pada geometri penukar kalor

dan juga susunan aliran. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan

arah (counter flow) korelasi untuk ? dinyatakan sebagai berikut :

I� –�H[S?–�8 $V

&PLQ? –�&PLQ

&PDN??

–�&PLQ&PDN

�H[S?–�8 $ V&PLQ

? –�&PLQ&PDN

?? (2.61)

Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa

dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of transfer units (NTU) dan

dinyatakan sebagai berikut :


commit to user

39

178 � � 8 $V

&PLQ

8 $V?P?&S?PLQ

(2.62)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas

permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As.

Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas

permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar

penukar kalor.

Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi

lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut :

c =&PLQ

&PDN (2.63)

Dapat dilihat bahwa efektivenes dari sebuah penukar kalor adalah fungsi dari

NTU dan rasio kapasitas, c. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran

berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk ? dapat ditulis ulang dengan

menggabungkan persamaan (2.61), (2.62) dan (2.63) sebagai berikut :

I� � -H[ S?-1 7 8 ? �-�F??-�F H[S?-1 7 8 ? -�F? ? (2.64)

Jika besaran c = Cmin/Cmak dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes ?

dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor

tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,out dan

Tc,out dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.

Gambar 2.9. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah


commit to user

40

Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode ?-NTU dengan pertama

kali mengevaluasi efektivenes ? dari persamaan (2.54), dan kemudian NTU dapat

ditentukan dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor

pipa konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk NTU sebagai

berikut :

-

ln -

- (2.65)

Dalam prakteknya, untuk menyatakan penurunan tekanan untuk semua

jenis internal flow ( aliran laminar atau turbulen, pipa bulat atau tidak bulat,

permukaan halus atau kasar) dengan persamaan :

(2.66)

dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction

factor). Penurunan tekanan (? P) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan

dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana ? P dinyatakan

dengan persamaan :

? P = ?m.g. ? h (2.67)

dimana :

? P = penurunan tekanan (Pa)

? m = densitas fluida manometer (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

? h = beda ketinggian fluida manometer (m)

Gambar 2.10 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor

pipa konsentrik ( Kuncoro, 2011)


commit to user

41

Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai

berikut :

f = ? 3? / W

GL?? ?

9 � ? (2.68)

dimana :

f = faktor gesekan

? P = penurunan tekanan (Pa)

Lt = panjang jarak titik pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam (m)

di = diameter dalam pipa dalam (m)

? = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)

Jika penurunan tekanan (? P) telah diketahui, maka daya pemompaan, ? ?? ? ? ? ,

dapat ditentukan dari :

: ?SXPS 9?̈ 3 (2.69)

dimana ?? adalah laju aliran volumetrik aliran fluida (m3/s).

Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah efisiensi

peningkatan perpindahan panas (? ). Efisiensi peningkatan perpindahan panas (? )

dianalisa dibawah kondisi daya pemompaan (pumping power) yang konstan,

antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa dengan twisted tape

insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan, berlaku :

?9??3 ?S �?9??3 ?

V (2.70)

dimana :

??��= laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)

? P = penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)

p = plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)

s = swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)

Dimana hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat

dinyatakan sebagai berikut :

?�I �5 H ?S ��?�I �5 H ?

V (2.71)


commit to user

42

Efisiensi peningkatan perpindahan panas (? ) didefinisikan sebagai

perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa

dengan twisted tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata

dari pipa tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang konstan.

? = ? KV

KS?

SS (2.72)

dimana :

? = unjuk kerja termal

hs = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape

insert (W/m2.oC)

hp = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape

insert (W/m2.oC)

pp = daya pemompaan konstan


commit to user

43

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian

Tempat penelitian ini dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan

Perpindahan Panas Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

3.2 Bahan Penelitian

? Bahan penelitian adalah fluida berupa air.

3.3 Alat Penelitian

Spesifikasi alat penelitian :

a) Alat penukar kalor saluran persegi bercelah sempit

? Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric

tube heat exchanger)

? Bahan pipa :

- Pipa dalam dan pipa luar : Aluminium

? Dimensi

- pipa dalam : sisi luar = 15,90 mm

sisi dalam = 14,80 mm

- pipa luar : sisi luar = 22,70 mm

sisi dalam = 21,70 mm

- panjang seksi uji : 2.170 mm

- ukuran celah annulus : 5,8 mm

- diameter hidrolik annulus : 11,6 mm.

? Jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam : 2.255 mm.

? Arah aliran : counter flow

- Pipa dalam : air panas dengan arah aliran horisontal

- Pipa luar /annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah dengan

aliran air panas.


commit to user

44

Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert.( Kuncoro, 2011 )

14,80

15,90

21,70

22,70

2255

2170


commit to user

45

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.

b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert)

Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal 0,7

mm dan lebar 12,6 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk sebuah

pilinan yang mempunyai panjang pitch 59,3 mm dan twist ratio-nya sebesar 4,0.

Sedangkan oblique teeth twisted tape insert terbuat dari bahan dan ukuran yang

sama dengan classic twisted tape insert, dengan panjang pitch 59,3 dan twist ratio

4,0. Pada setiap variasi oblique teeth twisted tape insert mempunyai ukuran tooth

horizontal length yang sama sebesar 8 mm dan oblique teeth twisted tape insert

divariasi nilai tooth angle sebesar 15°, 30°, dan 45°. Keempat jenis twisted tape

insert yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.3.

(a)

(b)

(c)


commit to user

46

(d)

Gambar 3.3. Variasi twisted tape insert a). Classic twisted tape insert; b). oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15°); c). oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 30°); d.) oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 45°)

c). Flange

Flange ini terbuat dari bahan nylon yang berfungsi untuk menyangga pipa

dalam dan pipa luar. Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan

dari nylon yang berbentuk silinder. Nylon dibor dalam hingga mencapai diameter

yang diinginkan, seperti ditunjukan pada gambar 3.4 di bawah:

90°

60,00

17,2

0

23,0

5

21,7

5

9,33

9,33

6,00

30,0010,00

30,0

0

(a)

(b)

Gambar 3.4. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan.


commit to user

47

Gambar 3.5. Instalasi alat penelitian tampak depan.

Keterangan gambar 3.5 :

1. Penukar kalor 2. Bak air panas 3. Bak air dingin atas 4. Rotameter 5. Manometer 6. Temperature controller 7. MCB pompa air dingin dan air panas 8. Penjebak air 9. Stop valve

d) Termokopel

Untuk mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe-K. Tipe K

?Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)? tersedia untuk rentang suhu -200 °C

hingga ± 1.200 °C. Termokopel ini dipasang pada sisi pipa dalam (untuk

mengukur temperatur air panas masuk dan keluar dari pipa dalam), pada dinding

5 1

8

3

4 7

2

6

9


commit to user

48

luar pipa dalam berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding

luar pipa dalam), dan pada sisi keluar dan masuk air dingin di annulus.

Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar

penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas, dan mengukur

tamperatur dinding luar pipa dalam dapat dilihat pada gambar 3.6 dan gambar 3.7

berikut ini :

Gambar 3.6. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan

keluar di pipa dalam dan di annulus.

Gambar 3.7. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur

dinding luar pipa dalam.

Gambar 3.8. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik pemasangan

e) Thermocouple reader

Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh

termokopel.


commit to user

49

Gambar 3.9. Thermocouple reader.

f) Temperature controller dan contactor atau relay

Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas

yang akan masuk ke pipa dalam agar konstan. Contactor atau relay dihubungkan

dengan temperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung

arus listrik yang diatur oleh temperature controller.

Gambar 3.10. Temperature controller

g) Pemanas air elektrik (electric water heater)

Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas.

Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai

adalah 5.000 Watt.

h) Tandon air

Tandon digunakan untuk menampung air panas dan air dingin sementara

sebelum masuk penukar kalor.

i) Pompa sentrifugal

Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air dari tangki air masuk ke

dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa. Pompa yang digunakan sebanyak

dua buah yaitu untuk memompa air panas dan air dingin.


commit to user

50

Tabel 3.1. Spesifikasi pompa

Model AQUA 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis )

Kapasitas Max : 37 ltr/min Size : 1”x1”

Daya hisap : 9 meter OUTPUT : 125 Watt

Daya dorong : 15 meter V/HZ/PH : 220/50/1

Total Head : 24 meter RPM : 2850

j) Flowmeter

Flowmeter digunakan untuk mengukur debit aliran air panas sebelum masuk

ke pipa dalam dari penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara saluran

bypass dengan pipa sebelum masuk pipa dalam dari penukar kalor.

Spesifikasi flowmeter :

? Acrylic cover with linear scale

? Glass : - Borosilite

? Measuring span : - 1:10

? Suitable for on line instalation

? Centre to Centre Distance : - 100 mm to 300 mm

? Range between – 26 – 260 to 185 – 1850 NLPH of Water

? Various Materials of Constructions :- MS / SS304 / SS316 / Brass.

? Connections :- 1/4 BSP / NPT (F) Back - Back / Bottom – Top

? Accuracy :- +/- 2% of full scale.

? Powder coated finis

Gambar 3.11. Flowmeter

k) Penjebak Air

Penjebak air digunakan agar air dari pipa dalam tidak masuk ke manometer.


commit to user

51

l) Manometer

Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk

mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi pipa dalam. Fluida manometer

yang digunakan adalah air.

m) Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan

untuk menampung air yang keluar dari annulus dalam jumlah tertentu dengan

menggunakan ember.

n) Timbangan digital (digital scale)

Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam

ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di

annulus.

Gambar 3.12. Timbangan digital

o) Stop kran

Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit

aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur

debit yang akan diinginkan..

p) Ball valve

Ball valve ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin

yang keluar dari annulus sebelum dibuang.

q) Rangka dan pipa – pipa saluran air

Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur

dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk

meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa – pipa saluran air ini berasal dari

bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air

masuk ke dalam alat penukar kalor.


commit to user

52

3.4. Prosedur Penelitian

Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem

lintasan pipa dalam, dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan pipa dalam

adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas yang berada dalam tangki air panas

digerakkan oleh pompa air, panas, mengalir melewati seksi uji (pipa dalam) dan

kembali ke tangki air panas. Pemanas air elektrik dikontrol dengan

thermocontroller untuk mempertahankan temperatur konstan dalam tangki air

panas. Lintasan aliran pada annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air dingin di

annulus menggunakan metode gravitasi, di mana aliran air dingin berasal dari

tandon air dingin yang dipasang di atas. Air dingin yang keluar dari seksi uji

langsung dibuang.

3.4.1 Tahap Persiapan

1 Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam

pengujian, seperti: pompa sentrifugal, penukar kalor, thermocontroller,

pemanas air elektrik, manometer, tangki air dingin, tangki air panas dan

alat pendukung lainnya.

2 Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat penelitian baik itu

pada pipa–pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian

yang lain.

3 Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan

semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader.

4 Memastikan bahwa ketinggian permukaan air pada manometer adalah

sama.

3.4.2 Tahap Pengujian

Pada penelitian ini, sebagai perbandingan diuji penukar kalor tanpa

penambahan twisted tape insert di pipa dalam (plain tube), dan dengan

penambahan classic twisted tape insert.

Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan variasi

bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) adalah sebagai berikut :

3.4.2.1. Pada penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube).

1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan

menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC


commit to user

53

2. Menyalakan pompa air panas

3. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam, debit aliran air panas di pipa

dalam terbaca pada flowmeter

4. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas

5. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari

tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu laju aliran massa air

konstan di annulus. Laju aliran massa air di annulus diperoleh dengan cara

menimbang air yang keluar annulus dalam selang waktu tertentu

6. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60oC

maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan

keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,

temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di

manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,

temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60oC

7. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala

untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula

8. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi

pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai

dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa

temperatur air kondisi temperatur lingkungan

9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk

pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya

10.Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di pipa

dalam berikutnya hingga diperoleh ±15 variasi debit aliran air panas di

pipa dalam.

11.Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.

3.4.2.2 Pada penukar kalor dengan twisted tape insert.

1. Menyisipkan classic twisted tape insert (twisted tape insert without

oblique teeth) ke dalam pipa dalam.

2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan

menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC

3. Menyalakan pompa air bagian pipa dalam


commit to user

54

4. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam sama seperti pengujian

penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di pipa

dalam terbaca pada flowmeter

5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas

6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin ke annulus,

sehingga diperoleh satu laju aliran massa air konstan di annulus. Laju

aliran massa air di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang

keluar annulus dalam selang waktu tertentu

7. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60oC,

maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan

keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,

temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di

manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,

temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60oC

8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala

untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula

9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi

pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai

dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa

temperatur air kondisi temperature lingkungan

10.Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk

pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya

11.Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di

pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ± 15 variasi debit aliran air panas

di pipa dalam. Debit aliran air panas yang divariasi sama dengan debit

aliran air panas saat pengujian dengan penukar kalor tanpa twisted tape

insert

12. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk oblique teeth twisted tape insert

(tooth angle 15°).


(tooth angle 30°).


commit to user

55


(tooth angle 45°).

13. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.

3.5. Metode Analisis Data

Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan

keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam,

beda ketinggian air di manometer dan laju aliran massa air di annulus (konstan)

dan debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu

dengan:

a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus

b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (? ?) c. Menghitung laju perpindahan panas (�? ) dan (�?)

d. Menghitung persentase kesalahan kesetimbangan energi.

e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus

(? ? )

f. Menghitung angka Nusselt rata-rata di sisi annulus (�? ? )

g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan

dalam pipa dalam (�?) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam

(? ?) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (�? ?) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re)

k. Menghitung efektivitas penukar kalor (e)

l. Menghitung Number of Transfer Units (NTU)

m. Menghitung penurunan tekanan (?P)

n. Menghitung faktor gesekan ( f )

o. Menghitung unjuk kerja termal (? ).

Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik–grafik hubungan Nu,i - Re,

Nu/Nup - Re, ? P - Re, f vs Re, f/fp – Re, e – NTU dan ? - Re. Dari hasil

penelitian ini nanti juga dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.


commit to user

56

3.6. Diagram Alir Penelitian

Mulai

Alatpenukarkalorpipakonsentriksaluran annular

Pengambilan data: ? Debit air panas dan laju aliran

massa air dingin di annulus. Indikator: Konstan

? Temperatur air dan temperatur dinding luar pipa dalam. Indikator : 1. Th in > Th out 2. Tc in < Tc out

? Beda ketinggian air manometer Indikator : Tekanan pada sisi inlet > Tekanan pada sisi outlet

Analisis data: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b.Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam ( ? ?? c. Menghitung laju perpindahan panas (�? ) dan (�?) d.Menghitung persentase kesalahan keseimbangan energi e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (? ? ) f. Menghitung bilangan nusselt rata-rata di sisi annulus (�? ? ) g.Menghitung koefisien perpindahan panas overall (�?) h.Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (? ?) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (�? ?) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k.Menghitung efektivitas penukar kalor (e) l. Menghitung number of transfer units (NTU) m.Menghitung penurunan tekanan (?P) n. Menghitung fator gesekan ( f ) m. Menghitung unjuk kerja termal (? )

Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam tanpa twisted tape insert

Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan classic twisted tape insert

Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15o), (tooth angle 30o), dan (tooth angle 45o)

Kesimpulan

Selesai

Mulai

Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan


commit to user

57

BAB IV

DATA DAN ANALISIS

Di dalam bab ini akan dibahas dan dianalisis mengenai pengaruh variasi

bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan oblique

teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°,30° dan 45° di pipa dalam dari

penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan

panas dan faktor gesekannya.

Penelitian ini dilakukan dengan membuat variasi bilangan Reynolds aliran

air di pipa dalam dengan variasi debit 2 - 10 LPM untuk pipa tanpa twisted tape

insert, sedangkan untuk pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert

variasi bilangan Reynolds pada debit 2 - 8,5 LPM. Pengujian dilakukan dengan

menjaga temperatur air panas masukan pada pipa dalam adalah konstan 60oC,

sedangkan air dingin masuk ke annulus dengan temperatur ± 28oC. Data yang

diperoleh dalam pengujian ini, yaitu temperatur air masuk dan keluar pipa dalam,

temperatur air masuk dan keluar annulus, temperatur dinding luar pipa dalam,

laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan penurunan tekanan pada sisi

pipa dalam. Tiap variasi pengujian, data diambil setiap 10 menit hingga diperoleh

kondisi tunak (steady state). Data-data pada kondisi tunak ini yang akan

digunakan dalam perhitungan dan analisa data penelitian.

4.1 Data Hasil Pengujian

Dari hasil pengamatan laju aliran massa air di annulus (? ??) dan penurunan

tekanan di sisi pipa dalam (? P), temperatur air panas masuk (Thi) dan keluar (Tho)

pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tci) dan temperatur air keluar (Tco)

annulus, serta temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada

kondisi tunak, diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3 dan 4.4 dan 4.5

sebagai berikut :


commit to user

58

Tabel 4.1.Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube).

?? Th,i Th,o Tc,i Tc,o T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m)

2,0 60,3 42,3 28,0 31,7 44,9 40,4 37,8 36,5 36,4 35,4 35,0 33,1 32,4 32,0 0,0070 2,5 60,0 42,7 27,1 31,6 46,8 41,8 39,7 38,5 38,3 37,4 36,6 34,4 32,7 31,6 0,0100 3,0 60,2 43,5 27,5 32,7 46,4 42,3 40,0 39,0 38,6 38,3 35,8 35,7 34,0 32,7 0,0150 3,5 60,3 44,6 27,3 33,0 48,0 43,9 41,9 40,4 39,5 39,4 37,4 36,8 35,5 32,9 0,0200 4,0 60,0 45,0 27,0 33,2 46,8 43,4 42,6 40,9 40,1 40,1 37,5 37,5 35,9 33,4 0,0240 4,5 60,3 46,4 27,3 33,8 50,3 45,3 44,6 43,8 43,4 42,6 39,1 38,6 37,1 34,0 0,0280 5,0 60,4 46,9 28,2 35,2 50,2 45,5 45,1 44,4 43,6 43,1 39,8 39,0 37,5 34,2 0,0360 5,5 60,2 47,3 27,9 35,3 50,9 47,0 46,1 44,0 43,5 42,4 40,7 39,2 38,8 35,0 0,0400 6,0 60,2 47,6 27,6 35,4 47,1 46,7 45,8 44,8 44,1 43,4 41,5 40,5 39,8 36,1 0,0460 6,5 60,4 48,0 27,2 35,6 51,5 46,8 46,8 45,1 44,9 44,1 41,7 39,6 39,0 35,6 0,0550 7,0 60,0 48,1 27,0 35,5 48,0 47,6 46,8 45,5 45,1 43,7 41,7 40,3 39,9 36,2 0,0630 7,5 60,5 48,5 26,9 36,3 51,8 48,0 47,3 46,1 46,0 43,2 42,1 40,0 39,7 35,6 0,0720 8,0 60,0 49,1 27,3 36,4 49,4 49,1 48,6 46,8 46,2 44,9 43,8 41,7 41,4 36,9 0,0800 8,5 60,0 49,9 28,3 37,2 52,4 49,4 49,0 47,4 47,0 45,7 44,8 42,8 42,7 37,9 0,0880 9,0 60,0 50,0 27,8 37,1 52,0 50,3 49,3 47,8 47,6 45,9 44,8 43,0 42,6 37,5 0,0930 9,5 60,3 51,0 28,5 37,6 55,0 50,4 50,0 48,9 48,6 46,9 46,5 43,9 43,5 39,3 0,1000 10,0 60,5 51,2 29,0 38,6 55,2 50,7 50,4 49,3 48,8 47,6 47,0 44,2 43,3 39,1 0,1150


commit to user

59

Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan classic twisted tape insert.

?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h

(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m) 2,0 60,5 40,3 28,5 32,0 40,1 39,8 38,6 37,4 37,2 36,4 34,6 32,9 32,6 30,5 0,020 2,5 60,1 41,5 28,7 32,9 41,5 41,1 39,7 39,2 38,8 38,2 36,8 33,8 33,7 31,8 0,030 3,0 60,2 42,4 28,8 33,4 42,3 41,7 41,3 40,0 39,7 38,7 38,6 34,9 34,7 32,6 0,040 3,5 60,1 43,0 28,0 33,2 43,3 42,7 42,4 40,6 39,3 39,0 37,9 35,1 35,1 32,7 0,050 4,0 60,3 43,8 28,0 33,7 44,3 43,5 42,8 41,6 40,3 39,9 38,8 36,0 35,7 33,1 0,060 4,5 60,1 44,9 28,4 34,3 45,4 44,4 44,2 42,7 41,4 41,1 39,7 36,8 36,8 33,7 0,075 5,0 60,1 44,6 27,0 33,8 44,8 43,9 43,3 42,0 40,9 40,6 39,0 36,2 36,0 33,0 0,085 5,5 60,0 45,9 28,2 34,9 46,2 45,5 45,2 43,5 42,3 42,2 41,9 37,8 37,4 34,2 0,101 6,0 60,0 46,4 28,4 35,4 46,8 45,8 45,5 44,0 42,9 42,5 41,7 38,1 37,8 35,0 0,121 6,5 60,0 46,8 28,0 35,7 47,9 47,2 45,9 44,7 43,4 43,2 42,5 38,8 38,4 34,9 0,133 7,0 60,0 47,5 27,8 35,5 48,4 47,5 46,8 45,6 44,1 43,8 43,1 39,7 38,8 35,7 0,154 7,5 60,1 47,8 28,0 36,3 48,3 48,0 47,1 46,0 44,6 44,3 42,4 40,7 39,3 36,2 0,170 8,0 60,2 49,0 28,8 36,8 49,3 49,2 47,9 46,8 45,3 45,2 43,5 41,2 40,0 36,8 0,180 8,5 60,3 49,4 29,0 37,4 49,8 49,6 47,7 47,4 46,1 45,7 44,2 42,0 41,5 37,8 0,200


commit to user

60

Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15°).

?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ?h



commit to user

61


?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h



commit to user

62


?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m)

2,0 60,3 39,0 29,0 33,0 40,7 40,6 39,4 38,4 38,1 37,3 35,4 34,6 32,9 31,5 0,0240 2,5 60,3 40,1 28,0 32,6 41,3 41,1 40,5 38,7 37,7 36,9 35,7 35,4 33,0 31,7 0,0330 3,0 60,1 41,7 28,6 33,7 43,5 42,6 41,8 40,8 39,3 38,4 37,8 37,0 34,6 32,8 0,0450 3,5 60,3 42,8 28,8 34,6 44,6 43,3 43,2 41,6 40,0 39,2 38,8 38,8 35,6 33,0 0,0600 4,0 60,1 43,3 28,3 34,8 44,9 44,8 44,6 42,3 41,3 39,7 39,5 39,1 35,6 33,1 0,0750 4,5 60,1 43,8 27,2 33,8 45,4 44,6 44,0 43,0 41,0 39,7 39,7 38,9 35,4 32,7 0,0910 5,0 60,3 45,0 28,1 35,2 47,0 46,0 45,8 44,7 42,9 41,7 41,4 40,2 36,8 34,1 0,1090 5,5 60,1 45,6 28,4 35,8 47,6 46,6 46,5 45,3 43,8 42,0 41,3 40,7 37,9 34,7 0,1250 6,0 60,1 46,1 28,3 36,0 47,8 47,0 47,0 45,5 44,2 42,8 42,5 42,3 38,3 34,8 0,1400 6,5 60,1 47,1 28,8 36,2 48,8 47,8 47,2 45,3 45,3 43,1 43,0 41,2 38,8 35,8 0,1600 7,0 60,1 47,2 28,6 36,8 49,2 48,0 47,6 45,8 45,5 43,9 43,3 41,4 39,3 35,9 0,1850 7,5 60,1 47,8 28,6 36,8 48,4 48,4 48,0 46,5 45,6 43,7 43,6 41,7 39,5 36,1 0,2100 8,0 60,1 48,0 28,5 37,0 49,5 49,0 48,2 46,9 46,1 43,8 44,3 42,3 39,9 36,1 0,2300 8,5 60,1 48,7 29,6 38,4 50,1 49,8 49,6 48,2 48,2 45,8 45,3 42,3 41,3 37,6 0,2420


commit to user

63

4.2 Perhitungan Data

Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi :

? Massa jenis fluida manometer (?m) : 995,75 kg/m3

? Panjang pipa dalam antar flange : 2,170 m

? Panjang antar pressure tap (Lt) : 2,255 m

? Panjang sisi dalam pipa dalam (2a) : 1,48.10-2 m

? Panjang sisi luar pipa dalam (2b) : 1,59.10-2 m

? Panjang sisi dalam pipa luar (2c) : 2,17.10-2 m

? Panjang sisi luar pipa luar (2d) : 2,27.10-2 m

Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi

? Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) :

Ai = 4.2a. L = 4 . 1,48.10-2 m . 2,170 m = 1,28.10-1 m2

? Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)

Ao = 4.2b.L = 4 . 1,59.10-2 m . 2,170 m = 1,38.10-1 m2

? Luas penampang pipa dalam (At,i)

At,i = 2a. 2a = 1,48.10-2 m . 1,48.10-2 m = 2,19.10-4 m2

? Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (At,s)

At,s = At,i – luas penampang twisted tape insert

At,s = 2,19.10-4 m2 – (0,0007 m x 0,0126 m)

At,s = 2,102.10-4 m2


commit to user

64

4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran

volumetrik 7 LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube)

Data hasil pengujian :

- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,0oC

- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 48,1oC

- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 27,0oC

- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 35,5oC

- Beda ketinggian air pada manometer (?h) : 63,0.10-3 m

- Laju aliran massa air masuk annulus (? ??) : 17,3 .10-2 kg/s

a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus

? Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam :

Tb,i = 7KL 7KR =

?& = 54,1oC = 327,1 K

? Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Incropera,2006) :

? h = 986,19 kg/m3

Cp,h = 4.182,8 J/kg oC

ki = 0,647 W/m oC

? i = 5,12.10-4 kg/m s

Pr = 3,31

? Temperatur bulk rata-rata air di annulus :

Tb,o = 7FL 7FR =

?& = 31,3oC = 304,3 K

? Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Incropera,2006) :

? c = 995,32 kg/m3

Cp,c = 4.178 J/kg oC

ko = 0,618 W/m oC

? = 7,8.10-4 kg/m s

b. Laju aliran massa air di pipa dalam,? ?? : ? ??= ?h . ??= 986,19 kg/m3 . ? / 3 0

V P? = 11,50.10-2 kg/s


commit to user

65

c. Laju perpindahan panas :

Qh =�??? . Cp,h .(Th,i – Th,o)

= 11,5.10-2 kg/s . 4.182,8 J/kg oC . (60,0 – 48,1) oC

= 5.725,67 W

Qc = ? ?? . Cp ,c. (Tc,out – Tc,in)

= 17,3. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg oC . (35,5 – 27,0) oC

= 6.143,97 W

d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error)

heat balance error = ?4 K- 4 F? = ? : �– : ? = 418,3 W

% heat balance error = ?4 K- 4 F4 K

?.100%

= ? ?.100% = 7,3 %

e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :

7 wall = � � � � � � � � � � � � � � � � � �

= 43,5oC

ho = 4 F

$ R� 7? Z R- 7E R =

:- P �– ?&�

= 3649,3 W/m2 oC

f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :

Nuo = KR ' KD

NR =

�: P R&� -

: P R& = 34,25

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam, Ui :

Qh = ? ?? .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai. ? TLMTD

Ui = P?K�&S K� ?7KL- 7KR?

$L ?7/ 0 7 ' =

4 K$ L ? 7 / 0 7 '


commit to user

66

Ui = 4 K

$ L ? ?7 KL- 7F R?-?7KR- 7F L?OQ�??7 KL- 7 FR? ?7KR- 7 F L???

Ui = :

- P ? ? - ??&�– ? - ??&

OQ�?? - ??& ? - ??&??

= 1958,47 W/m2 oC

h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :

hi = ?8 L

- DOQ E D?? ? - DE KR

? hi =

: P R&–

- P OQ�? - P- P

?: P R&

- PP �: P R&

hi = 3958,09 W/m2 oC

i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

luar pipa dalam, Uo :

8 R $ R

KL$ L

OQ?? ?? ?N/ KR $ R

Uo = E

D�KL

E OQ? ED?

NP KR

Uo = -

-

-

OQ ? -

- ? �

Uo = 1822,98 W/m2 oC

j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :

Nui = KL ? KL

NL =

: P R&� - P

: P R& = 90,5


commit to user

67

k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :

Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, ? :

? = ??

$ WL =

/ 3 0 �P HQLW

V� P

/- P

= 0,533 m/s

Re = ?K ? ? KL

?

= NJ P P V - P �

- NJ P V

= 15.194,26

l. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) :

? Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):

Faktor gesekan menurut Petukhov :

ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2

= (0,79. ln 15.194,26 - 1,64)-2

= 2,81.10-2

Nui,Gnelienski = ? ¦ ? ?5 H- ? 3U?¦ ? 3U -

=

? - ? ? - ?? - ? -

= 85,995

% error =?1 XL�3ODLQ�WXEH- 1 X�•????•?•?1 X•????•?•? ?.100%

% error = ? - ? .100%

= 5,23 %


commit to user

68

? Menggunakan persamaan Petukhov

Nui,Petukhov = ?¦ ? 5 H� 3U?¦ ? 3U -

=

? - ?? - ? -

= 88,82

% error =?1 XL�3ODLQ�WXEH - 1 X3HWXNKRY

1 X3HWXNKRY?.100%

= ? – ?.100%

= 1,89 %

m. Penurunan tekanan dalam pipa, (?P):

? P = ? m.g. ? h

= 995,75 (kg/m3) .9,81 (m/s2).63,0.10-3 m.? 1

NJ P V? ? 3D

1 P?

= 615,40 Pa

n. Faktor gesekan, ƒ:

ƒ = ? 3

/ WGKL

?K YB

= 3D

PG -NJ P ? P V?

= -


commit to user

69

o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Petukhov, Blassius dan

Colebrook

? Menggunakan persamaan Petukhov:

Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 2,81.10-2

%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ 3HWXNKRY¦ 3HWXNKRY

? .100%

= ? - – -

-?.100%

= 2,49 %

? Persamaan Blasius:

ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. (15.194,26)-0,25 = 2,85.10-2

%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ %ODVLXV¦ %ODVLXV

?.100%

= ? - – -

-? .100%

= 1,05 %

? Persamaan Colebrook:

Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:

?? = 0,25 ?ORJ ?I '?5 H

? ?-

Kekasaran relatif pipa dalam, e/Dh = 0, dengan metode iterasi didapat data :

fColebrook = 2,87 . 10-2

%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ &ROHEURRN¦ &ROHEURRN

?.100%

= ? - – -

-? .100%

= 0,34 %


commit to user

70

p. Efektifitas penukar kalor

Ch = ? ?? . Cp,h = 11,50. 10-2 kg/s . 4.182,8 J/kgoC = 481,022 J/s oC

Cc = ? ?? . Cp,c = 17,3 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 722,79 J/s oC

Ch< Cc , Cmin = Ch = 481,022 J/s oC ; Cmaks= Cc= 722,79 J/s oC

F = &P LQ

&P DNV = = 0,67

? = 4 K

4 P DNV =

4 K&P LQ 7KL- 7F L

= :

- V?&� – ?& = 0,36

NTU = 8 R $ R

&P LQ =

: P & - P

- V&� = 0,52

NTU = F-

ln ? Η-

ΗF-? = � -

ln ? -G -? = 0,52

Untuk perhitungan selanjutnya dengan menggunakan Classic Twisted

Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450

dipengaruhi oleh perbedaan perhitungan validasi bilangan Nusselt dan faktor

gesekan sebagai berikut :

Tabel 4.6. Perbedaan perhitungan validasi antara Plain Tube, Classic Twisted Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450 pada laju aliran

volumetrik 7 LPM

Variasi Validasi bilangan Nusselt pada pipa

dalam (Nu,i)

Validasi faktor gesekan

(f)

Plain

Tube

? Menggunakan Persamaan Pethukov :

Faktor gesekan menurut Petukhov :

ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2

= (0,79. ln 15.194,26 - 1,64)-2

= 2,81.10-2

? Menggunakan Persamaan

Blasius :

? ƒ = 0,3164. Re-0,25

= 0,3164. (15.194,26)-0,2

= 2,85.10-2


commit to user

71

? Nui, Petukhov = ?¦ ?5 H� 3U?¦ ? 3U -

= ? - ?

? - ? -

= 88,82

? % error

%error =?1 XL�3 ODLQ�WXEH- 1 X3HWXNKRY

1 X3HWXNKRY?.100%

= ? – ?.100%

= 1,89 %

%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ %ODVLXV

¦ %ODVLXV?.100%

=? - – -

- ? .100%

= 1,05 %

? Menggunakan Persamaan Gnielinski

(1976) :

? Nui,Gnelienski = ?¦ ??5 H- ? 3U?¦ ? 3U -

= ? - ? ? - ?

? - ? -

= 85,995

? % error

% error =�?1 XL�3ODLQ�WXEH- 1 X�*QLHOLQVNL

1 X* QLHOLQVNL?.100%

=�? - ? .100%

= 5,23 %


Pethukov :

? Diketahui faktor gesekan

menurut Petukhov = 2,81.10-2

%error =�?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ 3HWXNKRY

¦ 3HWXNKRY? .100%

= ? - – -

- ?.100%

= 2,49 %


commit to user

72


Colebrook :

? Faktor gesekan dengan

persamaan Colebrook : ?? =0,25?ORJ ?I '?5H

??-

Kekasaran relatif pipa

dalam, e/Dh = 0, dengan

metode iterasi didapat data :

fColebrook = 2,87 . 10-2

%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ &ROHEURRN

¦ &ROHEURRN?.100%

= ? - – -

- ? .100%

= 0,34 %

Classic

Twisted

Tape

Insert

? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi

dengan korelasi Manglik –Berges.� Ø2 = ? ?

?�- WGL? ??� - WGL

?�- WGL?

= ? ?

?--

-

? ?? --

-

?�--

-

?

= 1,16

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '

+ ] Ø2

= 0,023. 15.882,820,8. 3,330,4 [1+0,769.-

-]. 1,16


commit to user

73

= 138,27

% error = ?1 XL�FODVVLF- 1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV

1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV? .100%

= ? – ?100%

= 16,33 %

Oblique

Teeth

150

? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran

persegi dengan korelasi Manglik –Berges.

�Ø2 = ? ?

?�- WGL? ??� - WGL

?�- WGL?

= ? ?

?--

-

? ?? --

-

?�--

-

?

= 1,16

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '

+ ] Ø2

= 0,023. 15.882,330,8. 3,320,4 [1+0,769.-

-]. 1,16

= 138,1

% error = ?1 XL�2 WHHWK - 1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV

1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV? .100%

= ? – ?100%

= 14,4 %

Oblique

Teeth

? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi


commit to user

74

300 dengan korelasi Manglik –Berges

Ø2 = ? ?

?�- WGL? ??� - WGL

?�- WGL?

= ? ?

?--

-

? ?? --

-

?�--

-

?

= 1,16

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '

+ ] Ø2

= 0,023. 15.882,810,8. 3,330,4 [1+0,769.-

-]. 1,16

= 124,26



= ? – ?100%

= 7,1 %

Oblique

Teeth

450

? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran

persegi dengan korelasi Manglik –Berges.� Ø2 = ? ?

?�- WGL? ??� - WGL

?�- WGL?


commit to user

75

= ? ?

?--

-

? ?? --

-

?�--

-

?

= 1,16

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 GL+

] Ø2

= 0,023. (13.569,19)0,8. (3,36)0,4[1+0,769.P

- � ?]. 1,16

= 124,51



=

87

Tabel 4.8. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama

Daya pemompaan

(W) Re Nu,i

Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)

0,00650 6164,19 4075,95 3928,24 3873,90 3784,17 33,94 40,73 40,27 41,24 42,66 0,01220 7835,37 5249,95 5078,84 5005,42 4864,92 42,44 49,57 49,32 50,29 51,82 0,01950 9368,27 6339,16 6149,84 6058,10 5866,00 50,12 57,38 57,36 58,30 59,90 0,02850 10825,60 7383,90 7179,70 7069,91 6824,98 57,35 64,59 64,81 65,70 67,35 0,03900 12199,78 8376,18 8159,88 8032,59 7734,88 64,11 71,23 71,70 72,52 74,20 0,05490 13897,39 9610,51 9381,56 9232,05 8865,60 72,38 79,25 80,05 80,77 82,47 0,06910 15170,41 10541,64 10304,73 10138,18 9717,85 78,54 85,15 86,20 86,84 88,55 0,09030 16798,61 11738,82 11493,45 11304,65 10812,80 86,36 92,56 93,96 94,47 96,18 0,11810 18607,30 13076,23 12823,53 12609,50 12035,00 95,00 100,65 102,44 102,81 104,50 0,14060 19885,60 14025,82 13769,17 13537,00 12902,23 101,07 106,27 108,36 108,62 110,28 0,17530 21629,03 15326,34 15065,82 14808,51 14089,24 109,30 113,85 116,33 116,43 118,06


commit to user

88

Lanjutan tabel 4.8.

Daya pemompaan

(W)

? P (Pa) f

Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)

0,00650 133,87 197,29 202,01 204,43 208,47 0,035 0,114 0,119 0,141 0,146

0,01220 199,67 290,22 296,78 300,53 308,03 0,033 0,103 0,107 0,128 0,135

0,01950 268,94 386,88 395,26 400,45 411,97 0,031 0,096 0,100 0,118 0,127

0,02850 342,22 488,21 498,41 505,14 521,25 0,030 0,090 0,094 0,111 0,121

0,03900 417,64 591,71 603,69 612,03 633,15 0,029 0,086 0,089 0,106 0,116

0,05490 518,93 729,70 743,96 754,50 782,67 0,029 0,081 0,084 0,100 0,111

0,06910 600,54 840,21 856,24 868,57 902,65 0,028 0,078 0,081 0,097 0,108

0,09030 711,77 989,97 1008,32 1023,11 1065,54 0,027 0,075 0,078 0,093 0,104

0,11810 844,02 1167,01 1188,00 1205,76 1258,46 0,027 0,072 0,075 0,089 0,100

0,14060 942,86 1298,67 1321,57 1341,56 1402,15 0,026 0,070 0,073 0,086 0,098

0,17530 1084,62 1486,70 1512,25 1535,46 1607,64 0,026 0,067 0,070 0,083 0,095


commit to user

89

Lanjutan tabel 4.8.

Daya

pemompaan

(W)

hi (W/m2 °C) Nu,i/Nu,p f/fp

Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)

0,00650 1478,23 1767,87 1748,53 1791,21 1850,54 1,20 1,19 1,22 1,26 3,30 3,43 4,07 4,23

0,01220 1848,48 2154,33 2144,22 2186,90 2250,82 1,17 1,16 1,19 1,22 3,16 3,28 3,90 4,12

0,01950 2183,33 2496,12 2496,09 2537,43 2604,25 1,14 1,14 1,16 1,20 3,05 3,17 3,77 4,04

0,02850 2498,20 2812,01 2822,66 2861,79 2930,48 1,13 1,13 1,15 1,17 2,97 3,09 3,67 3,98

0,03900 2792,45 3103,06 3124,60 3160,97 3230,75 1,11 1,12 1,13 1,16 2,91 3,02 3,59 3,93

0,05490 3152,87 3454,79 3490,68 3522,87 3593,27 1,09 1,11 1,12 1,14 2,84 2,95 3,51 3,88

0,06910 3421,15 3713,57 3760,80 3789,37 3859,76 1,08 1,10 1,11 1,13 2,80 2,90 3,45 3,84

0,09030 3762,07 4039,07 4101,40 4124,82 4194,71 1,07 1,09 1,09 1,11 2,74 2,85 3,39 3,80

0,11810 4138,15 4394,22 4474,02 4491,13 4559,87 1,06 1,08 1,08 1,10 2,69 2,80 3,33 3,76

0,14060 4402,43 4641,55 4734,09 4746,39 4814,00 1,05 1,07 1,07 1,09 2,66 2,76 3,29 3,74

0,17530 4761,02 4974,42 5084,80 5090,16 5155,83 1,04 1,06 1,07 1,08 2,58 2,69 3,19 3,65


commit to user

90

Lanjutan tabel 4.8. Daya

pemompaan

(W)

NTU e ?

Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)

0,00650 0,82 1,19 1,20 1,24 1,36 0,50 0,66 0,66 0,68 0,71 1,20 1,18 1,21 1,25

0,01220 0,74 1,05 1,06 1,09 1,19 0,46 0,60 0,60 0,62 0,64 1,17 1,16 1,18 1,22

0,01950 0,69 0,96 0,97 0,99 1,08 0,43 0,56 0,56 0,57 0,60 1,14 1,14 1,16 1,19

0,02850 0,65 0,89 0,90 0,92 1,00 0,40 0,52 0,53 0,54 0,56 1,13 1,13 1,15 1,17

0,03900 0,62 0,83 0,85 0,86 0,93 0,38 0,50 0,50 0,51 0,53 1,11 1,12 1,13 1,16

0,05490 0,59 0,78 0,80 0,81 0,87 0,36 0,47 0,48 0,49 0,51 1,10 1,11 1,12 1,14

0,06910 0,56 0,74 0,76 0,77 0,83 0,35 0,45 0,46 0,47 0,49 1,09 1,10 1,11 1,13

0,09030 0,54 0,70 0,73 0,73 0,78 0,34 0,43 0,44 0,45 0,47 1,07 1,09 1,10 1,12

0,11810 0,52 0,67 0,69 0,69 0,74 0,33 0,42 0,43 0,43 0,45 1,06 1,08 1,09 1,10

0,14060 0,50 0,64 0,67 0,67 0,71 0,32 0,41 0,42 0,42 0,44 1,05 1,08 1,08 1,09

0,17530 0,49 0,62 0,64 0,64 0,68 0,31 0,39 0,40 0,40 0,42 1,04 1,07 1,07 1,08


commit to user

73


commit to user

91

4.3. Analisis Data

4.3.1 Uji Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube).

Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan menggunakan

twisted tape insert, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan panas (Nu) dan

faktor gesekan (f) dari pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan

korelasi-korelasi empirik untuk perpindahan panas dan faktor gesekan. Dari uji

validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan nilai perpindahan panas

dan faktor gesekan aktual dari plain tube dibandingkan dengan korelasi-korelasi

empirik yang ada. Hasil perpindahan panas dari plain tube dibandingkan dengan

persamaan Gnielinski, Petukhov, sedangkan untuk nilai faktor gesekan

dibandingkan dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.

Perbandingan antara data penelitian dari plain tube dengan korelasi-korelasi

empirik dapat dilihat pada gambar 4.9. dan 4.10. Pada gambar 4.9,

membandingkan nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Gnielinski dan

Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.10, membandingkan nilai faktor gesekan

dari plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.

Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5000 10000 15000 20000 25000Re

Plain Tube

Gnelienski

Petukhov

Nui


commit to user

92

Persamaan Petukhov berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 104 <

Re < 5 x 106 sedangkan persamaan Gnielinski mempunyai batasan 0,5 < Pr <

2.000 dan 3 x 103 < Re < 5.106. Dari gambar 4.9, penyimpangan rata-rata nilai

aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Gnielinski sebesar 7,96%, sedangkan

dengan korelasi Petukhov sebesar 1,56%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu

dibandingkan dengan korelasi Gnielinski dan Petukhov cukup kecil sehingga data

nilai Nu di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert

(plain tube) adalah valid.

Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube.

Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-

pipa halus di daerah turbulen (Re ? 105). Dari gambar 4.10, nilai faktor gesekan

dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 2,77% dari persamaan Blasius,

3,21% dari persamaan Petukhov dan 2,34% dari persamaan Colebrook. Nilai

penyimpangan faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup besar

(4,88%), hal ini terjadi karena pada kisaran bilangan Reynolds tersebut aliran

dalam daerah transisi, dan tidak ada persamaan yang berlaku secara umum pada

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 5000 10000 15000 20000 25000

Plain Tube

Blasius

Petukhov

Colebrook

transisi

Re

f

Transisi Zone

TurbulentZone


commit to user

93

daerah transisi. Sedangkan pada daerah Re > 10.000 terjadi penyimpangan rata-

rata cukup kecil (2,7%), sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari penukar

kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid.

4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert

Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas.

Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan

Reynolds aliran air di pipa dalam, dan dengan memvariasikan penambahan classic

twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert.

Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re

Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh

penambahan classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert

dengan variasi tooth angle sebesar 15o (oblique teeth I), 30o (oblique teeth II) dan

45o (oblique teeth III) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran

persegi dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik perpindahan panas dari

penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan

Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5000 10000 15000 20000 25000

Re

Plain Tube

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Nui


commit to user

94

Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nui Manglik-Berges dengan Re

Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape

insert berlaku untuk pipa bulat, dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur

dinding konstan dan fluks kalor konstan. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai

rata-rata Nui di pipa dalam dengan persamaan Manglik-Bergles adalah sebesar

14,98% untuk classic twisted tape insert, dan oblique teeth twisted tape insert

dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° berturut-turut sebesar 12,44%, 10,50% dan

6,03%. Oblique teeth twisted tape insert menghasilkan penyimpangan yang

semakin kecil seiring dengan meningkatnya tooth angle. Nilai penyimpangan

terbesar pada oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, hal ini

dapat terjadi karena adanya potongan di tepi twisted tape insert yang

mengakibatkan gangguan aliran di sekitar dinding pipa dan vortisitas di belakang

potongan dan semakin besar tooth angle maka semakin kecil penyimpangan Nui

Manglik-Berges. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup

kecil dibandingkan korelasi Manglik-Berges (14,98%), sehingga data nilai Nu,i di

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5000 10000 15000 20000Re

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Manglik Classic

Manglik O.TEETH I

Manglik O.TEETH II

Manglik O.TEETH III

Nui


commit to user

95

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah

valid. Fenomena ini serupa dengan penelitian Marugesan dkk (2011) yang

membandingkan data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan

diperoleh penyimpangan sebesar ±10%. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa

dengan semakin besar bilangan Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata di

pipa dalam (Nu,i) akan semakin naik, ini serupa dengan penelitian Naphon

(2006). Kenaikan bilangan Nusselt berarti juga terjadi kenaikan perpindahan

panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Kenaikan

bilangan Nusselt rata-rata menunjukkan kenaikan koefisien perpindahan panas

konveksi rata-rata (h). Hal ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube

maupun untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert. Dengan

kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin tinggi laju aliran massa air dan

semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa dalam, sehingga kalor yang

berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di annulus dari penukar kalor

pipa konsentrik semakin besar pula.

Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat

digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi

keluar penukar kalor. Hal ini juga berfungsi untuk menambah waktu tinggal aliran

dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas termal, mencampur aliran antara

aliran inti dengan aliran dekat dinding pipa. Peningkatan laju perpindahan panas

dibandingkan tanpa sisipan twisted tape insert diakibatkan karena adanya

fenomena penurunan tebal lapis batas termal. Pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik tanpa twisted tape insert mempunyai aliran streamline, karena kondisi

tanpa slip, air yang kontak langsung dengan permukaan dalam pipa dalam

mempunyai kecepatan yang sangat rendah daripada aliran inti. Hal ini

menyebabkan lapis batas termal yang terbentuk sangat tinggi sehingga

perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape insert di pipa

dalam akan mengurangi tebal lapis batas termal sebagai sebuah turbulator untuk

sepanjang daerah perpindahan panas.

Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt dengan

penambahan twisted tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Ini dapat


commit to user

96

disebabkan karena twisted tape insert menghasilkan aliran berputar (swirl flow)

menginduksi turbulensi, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran

dekat dinding pipa sehingga mengurangi lapis batas batas termal yang akibatnya

menghasilkan peningkatan perpindahan panas (Murugesan, 2010). Pada bilangan

Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert,

bilangan Nusselt rata-rata meningkat 12,6% dibandingkan dengan plain tube.

Sedangkan untuk penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth

angle 15°, 30°, dan 45°, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

berturut-turut sebesar 16,24%, 18,42% dan 24,4% jika dibandingkan dengan plain

tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape

insert, pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan

tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan bilangan Nusselt, berturut-turut

rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%.

Penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan

bilangan Nusselt lebih besar dibandingkan dengan penambahan classic twisted

tape insert. Hal ini disebabkan karena potongan-potongan berupa gigi-gigi miring

(oblique teeth) pada twisted tape insert dapat memberikan turbulensi tambahan

untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan

tersebut, sehingga meningkatkan perpindahan panas yang lebih tinggi. Fenomena

serupa juga terjadi pada penelitian Murugesan (2009, 2010, 2011), dimana twisted

tape insert dengan potongan-potongan kecil berbentuk trapesium, persegi dan

huruf V dapat memberikan turbulensi tambahan untuk fluida di sekitar dinding

pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan tersebut, sehingga meningkatkan

perpindahan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan classic twisted tape

insert. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata dengan

penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin besar dengan kenaikan nilai

tooth angle. Hal ini sama dengan penelitian Saha (2010). Pada penelitian ini,

bilangan Nusselts rata-rata tertinggi diperoleh dengan penambahan oblique teeth

twisted tape insert dengan tooth angle 45o.

Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik memerlukan daya pemompaan yang lebih besar karena adanya


commit to user

97

penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis pengaruh

penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik

juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh penambahan twisted

tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik

perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada

gambar 4.13

Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.

Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama,

menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dengan pipa

dalam yang diberi twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan

Nusselt untuk pipa dalam dengan classic twisted tape insert naik rata-rata 8,93%

dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan oblique teeth twisted

tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, bilangan Nusselt naik rata-rata

berturut-turut sebesar 10,14%; 11,05%; dan 13,33% dibandingkan plain tube.

Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan

penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan

45° dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar

0

30

60

90

120

150

0 5000 10000 15000 20000 25000

Re

Plain Tube

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Classic

Nui


commit to user

98

1,1%, 1,2%, dan 4,1%. Ini menunjukkan bahwa penambahan oblique teeth twisted

tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan dengan

penambahan classic twisted tape insert, karena dapat meningkatkan perpindahan

panas lebih besar pada daya pemompaan yang sama.

4.3.3. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja

Termal

Unjuk kerja termal (? ) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien

perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan twisted

tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam

tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama. Pada penelitian ini

dianalisis nilai ? dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted insert,

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°.

Karakteristik unjuk kerja termal (? ) untuk pipa dalam dengan penambahan twisted

tape insert dapat dilihat pada gambar 4.14.

Gambar 4.14. Grafik hubungan antara ? dengan Re

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

0 5000 10000 15000 20000

Re

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

?


commit to user

99

Dari gambar 4.14. dapat dilihat bahwa penambahan oblique teeth twisted

tape insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menghasilkan

unjuk kerja termal yang lebih baik dibandingkan dengan penambahan classic

twisted tape insert. Nilai ? rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic

twisted tape insert adalah 1,105. Sedangkan penambahan oblique teeth twisted

tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan ?

rata-rata berturut-turut sebesar 1,114; 1,126; dan 1,150. Jika dibandingkan

dengan penambahan classic twisted tape insert, unjuk kerja termal dengan


45° naik berturut-turut rata-rata sebesar 0,81%, 1,90%, dan 4,08%. Dari gambar

4.14 terlihat bahwa pada penambahan oblique teeth twisted tape insert, unjuk

kerja termal semakin naik dengan kenaikan tooth angle. Unjuk kerja termal

tertinggi diperoleh pada penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan

tooth angle 45o, hal ini serupa dengan penelitian Saha (2010).

4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan

Nusselt.

Rasio bilangan Nusselt adalah rasio bilangan Nusselt rata-rata di pipa

dalam dengan twisted tape insert dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert

(plain tube). Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya

pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert

dapat dilihat pada gambar 4.15.


commit to user

100

Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama

Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya

pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert

dapat dilihat pada gambar 4.15. Dari gambar 4.15, dapat dilihat bahwa pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape insert,

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, mempunyai

nilai rasio bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut 1,105; 1,113; 1,125; dan 1,151.

Ini menunjukkan bahwa pada daya pemompaan yang sama, pipa dalam dengan

penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan peningkatan

perpindahan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan pipa dalam dengan

penambahan classic twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama

peningkatan perpindahan panas tertinggi diperoleh dengan penambahan oblique

teeth twisted tape insert dengan tooth angle 45o.

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

0 5000 10000 15000 20000

Re

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Nu/

Nup


commit to user

101

4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes

Penukar Kalor (? ).

Efektivenes sebuah penukar kalor adalah perbandingan laju perpindahan

panas aktual yang terjadi dengan laju perpindahan panas maksimum yang

mungkin. Nilai efektivenes penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan

classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle

15°, 30°, dan 45°, di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.16.

Gambar 4.16. merupakan grafik hubungan pengaruh twisted tape insert

terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar NTU maka

akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Dari gambar 4.16

terlihat bahwa dengan penambahan twisted tape insert, penukar kalor pipa

konsentrik mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan tanpa

penambahan twisted tape insert. Efektivenes rata-rata penukar kalor tanpa

penambahan twisted tape insert (plain tube), dengan penambahan classic twisted

tape insert dan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth

angle 15°, 30°, dan 45°, berturut-turut sebesar 0,380; 0,492; 0,499; 0,508; dan

0,528. Penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan efektivenes

rata-rata yang lebih besar dari plain tube dan penambahan classic twisted tape

insert. Pada penambahan oblique teeth twisted tape insert, efektivenes penukar

kalor semakin tinggi dengan kenaikan tooth angle. Efektivenes rata-rata tertinggi

diperoleh untuk pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert

dengan tooth angle 45°. Kenaikan NTU penukar kalor dengan penambahan

classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle

15°, 30°, dan 45°, berturut-turut sebesar 1,34; 1,37; 1,41; dan 1,53 kali

dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Nilai NTU

meningkat seiring bertambahnya tooth angle dari oblique teeth twisted tape insert.


commit to user

102

Gambar 4.16. Grafik hubungan ? penukar kalor dengan NTU.


Terhadap Penurunan Tekanan (?P).

Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik memberikan tambahan tahanan aliran dari air yang mengalir. Hal ini

akan menimbulkan penurunan tekanan yang lebih besar jika dibandingkan dengan

pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik pengaruh

bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan

tekanan dari penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat pada gambar 4.17.

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5

e

NTU

Plain Tube

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III


commit to user

103

Gambar 4.17. Grafik hubungan ? P dengan Re pada daya pemompaan yang sama

Dari gambar 4.17 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan

Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada penukar

kalor. Kenaikan penurunan tekanan di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik dengan twisted tape insert merupakan hal yang merugikan, karena

akan meningkatkan daya pemompaan untuk mempertahankan aliran dengan laju

aliran volumetrik yang sama. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan

tekanan rata-rata di pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert

adalah 1,39 kali lebih tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° nilai

penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah 1,42; 1,44; dan 1,50 kali lebih

tinggi daripada plain tube. Dari gambar 4.17, penambahan oblique teeth twisted

tape insert di pipa dalam menghasilkan penurunan tekanan yang lebih besar

dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert. Nilai penurunan

tekanan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin besar

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5000 10000 15000 20000 25000

Re

Plain Tube

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Classic

?P (P

a)


commit to user

104

dengan kenaikan tooth angle. Hal ini sesuai dengan penelitian Saha (2010). Pada

daya pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan


45° adalah 1,01; 1,03; dan 1,07 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert.

Hal ini disebabkan karena potongan-potongan gigi miring (oblique teeth)

memberikan gangguan tambahan dalam aliran fluida yang meningkatkan kontak

tangensial antara aliran sekunder dan permukaan dinding pipa (Saha, 2010).


Terhadap Faktor Gesekan (ƒ).

Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh

penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan

tooth angle 15°, 30°, dan 45° terhadap faktor gesekan di pipa dalam dapat dilihat

pada gambar 4.18. Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan

bilangan Reynolds, nilai faktor gesekan di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik semakin berkurang. Hal ini terjadi untuk plain tube maupun pipa

dalam dengan penambahan classic twisted tape insert dan penambahan oblique

teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°. Hal ini disebabkan

dengan semakin tinggi bilangan Reynolds, maka kecepatan aliran air di pipa

dalam akan semakin tinggi, dimana nilai faktor gesekan berbanding terbalik

dengan nilai kuadrat dari kecepatan aliran air di pipa dalam.


commit to user

105

Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re.

Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa dalam

dengan penambahan twisted tape insert lebih besar dibandingkan faktor gesekan

plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape

insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik 2,67 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Sedangkan

dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°,

dan 45°, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik

berturut-turut adalah 3; 3,3; dan 3,6 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain

tube. Hal ini serupa dengan penelitian Saha (2010). Hal ini disebabkan potongan-

potongan gigi-gigi miring (oblique teeth) memberikan intensitas turbulensi

tambahan untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-

potongan gigi-gigi miring tersebut yang menyebabkan gangguan tambahan dalam

aliran fluida yang meningkatkan kontak tangensial antara aliran sekunder dan

permukaan dinding pipa. Nilai faktor gesekan tertinggi diperoleh untuk

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0 5000 10000 15000 20000 25000Re

Plain Tube

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

"O.TEETH III"

f


commit to user

106

penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 45°. Hal ini

serupa dengan penelitian Saha (2010) dimana pipa dalam yang disisipi dengan

oblique teeth twisted tape insert menghasilkan nilai faktor gesekan semakin tinggi

seiring bertambahnya tooth angle. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan


45° berturut-turut adalah 1,1; 1,25; dan 1,37 kali lebih tinggi dibandingkan faktor

gesekan pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert.

Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap faktor gesekan di pipa

dalam juga dianalisis pada daya pemompaan yang sama, seperti terlihat pada

gambar 4.19. Karakteristik faktor gesekan dengan penambahan twisted tape insert

pada daya pemompaan yang sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan

pada bilangan Reynolds yang sama. Dengan penambahan twisted tape insert di

pipa dalam, menjadikan nilai faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan

plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, dengan penambahan classic twisted

tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor

pipa konsentrik 2,93 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube.

Sedangkan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth

angle 15°, 30°, dan 45°, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor

pipa konsentrik berturut-turut adalah 3,03; 3,62; dan 3,97 kali lebih tinggi

daripada faktor gesekan plain tube. Hal ini sesuai dengan penurunan tekanan (? P)

akibat penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert

dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° pada daya pemompaan yang sama (gambar

4.19), dimana nilai faktor gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai penurunan

tekanan (? P).


commit to user

107

Gambar 4.19. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama


Terhadap Rasio Faktor Gesekan (ƒ/ƒp)

Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam

dengan penambahan twisted tape insert dengan nilai faktor gesekan pipa dalam

tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik hubungan rasio faktor

gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.20.

Dari gambar 4.20, terlihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted

tape insert akan menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari

satu. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan

meningkatkan nilai faktor gesekan pipa dalam. Penambahan oblique teeth twisted

tape insert pada pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi

dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert. Nilai rasio faktor

gesekan rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert,

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0 5000 10000 15000 20000 25000

f

Re

Plain Tube

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

Classic


commit to user

108

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, berturut-

turut adalah 2,88; 2,99; 3,56; dan 3,91 kali lebih tinggi daripada plain tube.

Gambar 4.20 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 5000 10000 15000 20000

Re

Classic

O.TEETH I

O.TEETH II

O.TEETH III

f/fp


commit to user 109

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada pipa dalam pada penukar

kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan penambahan oblique teeth twisted

tape insert with, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan oblique teeth twisted tape

insert dengan tooth angle 15o, 30o dan 45o menghasilkan bilangan Nusselt,

faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi dibandingkan dengan

penambahan classic twisted tape insert dan plain tube. Bilangan Nusselt dan

faktor gesekan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin

besar dengan semakin besarnya tooth angle.

2. Oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°

menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar

3,2%, 5,2% dan 10,5% dan kenaikan unjuk kerja termal berturut-turut sebesar

0,81%, 1,90%, dan 4,08% daripada classic twisted tape insert. Ini

mengindikasikan bahwa penukar kalor dengan penambahan oblique teeth

twisted tape insert lebih ringkas dibandingkan dengan penambahan classic

twisted tape insert, sehingga sisipan ini dapat menggantikan classic twisted

tape insert untuk mengurangi ukuran dari penukar kalor.

3. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan oblique teeth twisted tape

insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° menghasilkan kenaikan bilangan

Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 16,24% , 18,42% dan

24,4% dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan penambahan

classic twisted tape insert, pipa dalam dengan penambahan oblique teeth

twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan

bilangan Nusselt, berturut-turut rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%. Pada

daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan

penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°,

dan 45° naik berturut-turut rata-rata sebesar 10,14%; 11,05%; dan 13,33%

dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt


commit to user

110

rata-rata pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert

dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° dibandingkan dengan penambahan

classic twisted tape naik berturut-turut rata-rata sebesar 1,1%, 1,2%, dan

4,1%.

4. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert,

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa

dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 2,67; 3;

3,3; dan 3,6 kali dari faktor gesekan plain tube. Nilai faktor gesekan pipa

dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth

angle 15°, 30°, dan 45° berturut-turut adalah 1,1; 1,25; dan 1,37 kali lebih

tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan classic

twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic

twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°,

30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-

turut sebesar 3,03; 3,62; 4,43; dan 3,97 kali faktor gesekan plain tube.

5. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert,

oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa

dalam berturut-turut sebesar 1,105; 1,114; 1,126; dan 1,150.

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi dengan oblique teeth twisted tape insert, penulis

menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian dengan modifikasi classic

twisted tape insert lainnya, misalnya; v-cut twisted tape insert, square-cut twisted

tape insert, trapezoidal-cut twisted tape insert, regularly spaced twisted tape

insert dan sebagainya.

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id pengujian ...... · perpustakaan.uns.ac.id...

Documents