kalor pipa konsentrik dengan double-sided delta … fileperpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id...

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

commit to user

STUDI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN KARAKTERISTIK

PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR

KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA WING

TAPE INSERT DAN DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

FIRDAUS WISNU ADI SAPUTRO

NIM. I 0407036

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2015


commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Alloh SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala

limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan Skripsi “Studi Eksperimental Perbandingan Karakteristik

Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik

dengan Double-Sided Delta Wing Tape Insert dan Double-Sided Delta Winglet

Tape Insert” ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi salah satu syarat guna 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 terima kasih yang

sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan

Skripsi ini, terutama kepada:

1. Alloh SWT, atas segala limpahan nikmat dan kemudahan yang telah diberikan.

2. Bapak Wibawa Endra Juwana, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I yang

senantiasa memberikan arahan, bimbingan, motivasi dan nasehat hingga

selesainya penulisan skripsi.

3. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing II yang telah

memberikan bimbingan dan nasehat hingga selesainya penulisan skripsi.

4. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

5. Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T., M.Kom, selaku pembimbing akademis yang

selalu memberikan motivasi dan semangat sampai memperoleh kelulusan.

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

mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Bapak Untung, Ibu Wuryani, Didit Kurniawan, Indah Purnamawati, Leny

Dianasari, Aryoto Agung Ramadhani, Ratu Kana Syahidah, Kirana Aninda

Zahra, Affan Sodiq Sabda Prayoga dan semua keluargaku yang selalu

memberikan motivasi, dukungan dan semangat material maupun spiritual

selama penyelesaian Tugas Akhir.


commit to user

viii

8. Rekan-rekan KMTM (Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin), TMNT (Teknik

Mesin Nol Tujuh) last man standing dan seluruh kakak dan adik angkatan

teknik mesin UNS atas dorongan semangat dan motivasinya. Salam “ M

Solidarity FOREVER “.

9. Semua pihak yang telah memberikan bantuan moral dan spiritual hingga

terselesainya penulisan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.

Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua

Amin.

Surakarta, 1 Juli 2015

Penulis.


commit to user

ix

DAFTAR ISI

Halaman

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

Surat Tugas ........................................................................................................ ii

Lembar Pengesahan ......................................................................................... iii

Motto dan Persembahan .................................................................................... iv

Abstrak ............................................................................................................. v

Kata Pengantar .................................................................................................. vii

Daftar Isi ........................................................................................................... ix

Daftar Tabel ..................................................................................................... xi

Daftar Gambar .................................................................................................. xii

Daftar Notasi ...................................................................................................... xiv

Daftar Lampiran ................................................................................................. xvi

BAB I PENDAHULUAN

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

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

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

1.4 Tujuan dan Manfaat .......................................................................... 3

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

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................. 5

2.2 Dasar Teori ...................................................................................... 8

2.2.1 Dasar perpindahan panas ............................................................. 8

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa ............................................................ 9

2.2.3 Lapis Batas (Boundary Layer) ..................................................... 10

2.2.3.1 Lapis Batas Kecepatan (Velocity Boundary Layer) ...... ........ 10

2.2.3.2 Lapis Batas Termal (Thermal Boundary Layer) ........... ........ 12

2.2.4 Penukar Kalor ............................................................................... 15

2.2.5 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar

Kalor ........................................................................................ 20

2.2.5.1 Vortex Generator ................................................................... 22

2.2.5.2 Longitudinal Tape Insert ...................................................... 25

2.2.6 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan ............ 26

2.2.6.1 Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah

Aliran Laminar dan Turbulen Melalui Sebuah Pipa Bulat

Halus ................................................................................. 26

2.2.6.2 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan

pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik ................................ 28

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian .............................................................................. 36

3.2 Skema Alat Penelitian........................................................................ 36

3.3 Alat dan Instrumentasi Penelitian ...................................................... 38

3.4 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 50

3.5 Prosedur Penelitian ............................................................................ 51


commit to user

x

3.5.1 Tahap Persiapan ........................................................................... 51

3.5.2 Pengujian Penukar Kalor Tanpa Tape Insert ............................... 51

3.5.3 Pengujian Penukar Kalor Dengan Tape Insert ............................. 52

3.6 Metode Analisis Data ............................................................... ........ 53

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1 Data Hasil Pengujian .................................................................... 55

4.2 Perhitungan Data .......................................................................... 55

4.3. Analisa Data.................................................................................. 56

4.3.1 Validasi Perpindahan Panas Plain Tube. ................................. 56

4.3.2 Validasi Karakteristik Faktor Gesekan Plain Tube. ................ 57

4.3.3 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik

Perpindahan Panas Penukar Kalor ........................................... 57

4.3.4 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik Faktor

Gesekan Penukar Kalor ........................................................... 60

4.3.5 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik

Evektivenes Penukar Kalor ...................................................... 62

4.3.6 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik Unjuk

Kerja Termal Penukar Kalor .................................................... 64

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan .................................................................................... 66

5.2 Saran .............................................................................................. 66

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 68

LAMPIRAN ................................................................................................. 70


commit to user

xi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1 Hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan plain tube ........................................................................... 104

Tabel 2 Hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan pipa dalam dengan penambahan L-T, T-Wing dan T-

Winglet .......................................................................................... 105

Tabel 3 Rekapitulasi hasil perhitungan nilai unjuk kerja termal untuk L-T, T-

Wing dan T-Winglet . ...................................................................... 109

Tabel Konduktivitas Termal Material. ................................................... 110

Tabel Properties Air . .............................................................................. 111

70


commit to user

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas................................... 8

Gambar 2.2 Lapis batas kecepatan dan profil kecepatan laminar,

transisi dan turbulen aliran fluida melewati plat datar ........... 10

Gambar 2.3 Ketebalan lapis batas kecepatan........................................ ..... 11

Gambar 2.4 Lapis batas termal di atas plat datar (permukaan plat lebih

panas daripada fluida) ............................................................ 13

Gambar 2.5 Lapis batas termal di atas plat datar (fluida lebih panas

daripada permukaan plat datar) .............................................. 13

Gambar 2.6 Fluk panas pada permukaan plat datar ................................... 14

Gambar 2.7 Lapis batas termal fluida dingin melalui plat panas ............... 15

Gambar 2.8 Arah aliran fluida dan perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor aliran searah .................................................... 16

Gambar 2.9 Arah aliran fluida dan perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor aliran berlawanan arah .................................... 16

Gambar 2.10 Penukar kalor pipa konsentrik ................................................ 18

Gambar 2.11 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor

pipa konsentrik ....................................................................... 19

Gambar 2.12 Streamwise vortices ................................................................ 22

Gambar 2.13 Pembangkitan vorteks longitudinal menggunakan

rectangular winglet ................................................................ 23

Gambar 2.14 Vortex generators berupa wing dan winglet ........................... 24

Gambar 2.15 Penyisipan longitudinal tape insert dalam sebuah pipa bulat 25

Gambar 2.16 Pola aliran berupa sel-sel vorteks yang simetris yang

dihasilkan oleh longitudinal tape insert pada Re = 100 ......... 26

Gambar 3.1 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan

T-Wing dan T-Winglet .......................................................... 36

Gambar 3.2 Gambar alat penelitian ........................................................... 37

Gambar 3.3 Skema pengukuran temperatur di penukar kalor ................... 38

Gambar 3.4 Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan

double sided delta wing tape insert ....................................... 40

Gambar 3.5 Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan ............................ 40

Gambar 3.6 Perbedaan delta wing dan delta winglet ................................. 41

Gambar 3.7 Nomenklatur double sided delta wing tape insert (T-Wing) . 42

Gambar 3.8 Nomenklatur double sided delta winglet tape insert

(T-Winglet) ............................................................................ 43

Gambar 3.9 Longitudinal tape insert (L-T). ............................................... . 43

Gambar 3.10 Double sided delta wing tape insert (T-Wing) dengan

b = 4 mm, c = 8 mm, P = 15 mm dan = 30o....................... 43

Gambar 3.11 Double sided delta winglet tape insert (T-Winglet) dengan

b = 4 mm, c = 8 mm, P = 15 mm dan = 30o....................... 44

Gambar 3.12 Gambar detail flange .............................................................. 44

Gambar 3.13 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur

air masuk dan keluar di inner tube dan di annulus ................ 45


commit to user

xiii

Gambar 3.14 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur

dinding luar pipa dalam .......................................................... 45

Gambar 3.15 Thermocouple reader ............................................................. 46

Gambar 3.16 Temperature controler............................................................ 46

Gambar 3.17 Pemanas air elektrik ............................................................... 47

Gambar 3.18 Rotameter ............................................................................... 47

Gambar 3.19 Penjebak air ............................................................................ 48

Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ................. 56

Gambar 4.1 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube ...................... 57

Gambar 4.3 Grafik hubungan Nui dengan Re ............................................ 58

Gambar 4.4 Grafik hubungan P dengan Re ............................................. 60

Gambar 4.5 Grafik hubungan f dengan Re ................................................. 62

Gambar 4.6 Grafik hubungan dengan Re ................................................ 63

Gambar 4.7 Grafik hubungan dengan Re ................................................ 64

Gambar 1 Skema pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa

konsentrik ............................................................................... 93

Gambar 2 Grafik hubungan Re dengan Wpump ........................................... 106

Gambar 3 Grafik hubungan hi dengan Wpump ............................................ 107


commit to user

xiv

DAFTAR NOTASI

Ac = luas penampang melintang aliran (m2)

Ai = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)

As = Luas perpindahan panas (m2)

At,i = Luas penampang pipa dalam tanpa sisipan (m)

At,s = Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (m)

Cc = Laju kapasitas panas fluida dingin (J/soC)

Ch = Laju kapasitas panas fluida panas (J/soC)

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

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

Dh = Diameter hidrolik annulus (m)

di = Diameter dalam pipa dalam (m)

do = Diameter luar pipa dalam (m)

f = Faktor gesekan

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

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)

H = Panjang pitch (m)

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

ki = Konduktivitas termal rata-rata fluida panas di pipa dalam (W/m.oC).

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

L = Panjang pipa (m)

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

LT = Longitudinal Tape Insert

cm = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

hm = Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Nui = Bilangan Nusselt di sisi pipa dalam

Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

Pr = Bilangan Prandtl

pp = Daya pemompaan konstan (Watt)

Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)

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

Re = Bilangan Reynolds

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

Tb,o = Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC)

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)

Tw = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

t = Tebal tape insert (m)

T-Wing = Double-sided Delta Wing

T-Winglet = Double-sided Delta Winglet

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


commit to user

xv

Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam

pipa dalam (W/m2.oC)

Uo = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan luar

pipa dalam (W/m2.oC)

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

= Viskositas kinematik fluida di pipa dalam (m2/s)

h = Beda ketinggian fluida manometer (m)

P = Penurunan tekanan (Pa)

TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

T1 , T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet dan outlet

penukar kalor (oC).

α = Sudut serang (o)

= Efektivenes penukar kalor

= Unjuk kerja termal penukar kalor.

= Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

m = Densitas fluida manometer (kg/m3)

= Viskositas dinamik (kg/m.s)

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


commit to user

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Data Hasil Pengujian ............................................................. 71

Lampiran 2 Contoh Perhitungan Data dan Rekapitulasi Perhitungan

Data ........................................................................................ 93

Lampiran 3 Tabel Kondukivitas termal material ....................................... 110

Lampiran 4 Properties Air ......................................................................... 111


commit to user

vi

STUDI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN KARAKTERISTIK

PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR

KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA WING TAPE

INSERT DAN DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT

Firdaus Wisnu Adi Saputro

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk membandingkan karakteristik perpindahan panas dan

faktor gesekan dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan double-sided

delta wing tape insert (T-Wing) dan double-sided delta winglet tape insert (T-

Winglet). T-Wing dan T-Winglet adalah modifikasi dari longitudinal tape insert (L-

T) dengan penambahan delta wings atau delta winglets di kedua sisi sisi tape secara

selang-seling sebagai vortex generators untuk meningkatkan koefisien perpindahan

panas konveksi. Pada penelitian ini, luasan dan sudut serang dari delta wings dan

delta winglets dijaga konstan. Sebagai perbandingan, pada penelitian ini juga diuji

penukar kalor tanpa sisipan (plain tube) dan dengan penambahan sisipan L-T. Fluida

kerja di pipa dalam adalah air panas dan di annulus adalah air dingin, dengan arah

aliran berlawanan arah. Pengujian dilakukan pada bilangan Reynolds (Re) 5300-

14.300. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunakan sisipan T-Winglet

menghasilkan peningkatan perpindahan panas (bilangan Nusselt) yang lebih tinggi,

faktor gesekan yang lebih rendah dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi

dibandingkan dengan menggunakan T-Wing. Bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam

dengan penambahan T-Winglet meningkat dalam kisaran 8%-13% dibandingkan

dengan penambahan T-Wing. Faktor gesekan (f) rata-rata pipa dalam dengan

penambahan T-Wing 1,1 kali lebih besar dibandingkan faktor gesekan pipa dalam

dengan penambahan T-Winglet. Unjuk kerja termal penukar kalor dengan

penambahan sisipan T-Wing dan T-Winglet berturut-turut dalam kisaran 0,77-0,93

dan 0,78-0,95. Unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan T-Winglet

2,2% lebih besar dibandingkan dengan penambahan T-Wing.

Kata kunci : bilangan Nusselt, delta wings, delta winglets, faktor gesekan, vortex

generators.


commit to user

v

EXPERIMENTAL STUDIES ON COMPARISON OF HEAT TRANSFER AND

FRICTION FACTOR CHARACTERISTICS IN A CONCENTRIC TUBE HEAT

EXCHANGER FITTED WITH DOUBLE-SIDED DELTA WING TAPE INSERT

AND DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT

Firdaus Wisnu Adi Saputro

Mechanical Engineering Departement

Engineering Faculty Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstract

This study was conducted to compare the characteristics of heat transfer and friction

factor of the concentric tube heat exchanger fitted with the double-sided delta wing

tape insert (T-Wing) and double-sided delta winglet tape insert (T-Winglet). T-

Wing and T-Winglet were a modification of the longitudinal tape inserts (L-T) with

the addition of delta wings or delta winglets on both sides of the tape alternately as

vortex generators to enhance the convection heat transfer coefficient. In this study,

the area and the angle of attack of the delta wings and delta winglets were kept

constant. For comparison, heat exchanger without insert (plain tube) and with the

addition of the L-T also were tested in this study. The working fluid in the inner

tube was hot water and in the annulus was cold water, with the flows direction were

counter flow. Tests were conducted at a Reynolds number (Re) 5300-14,300. The

results showed that the use of T-Winglet insert generate higher heat transfer

(Nusselt number), lower friction factor and higher thermal performance compared

to T-Wing. Average Nusselt number in the inner tube with the addition of T-

Winglet increase in the range of 8% - 13% was compared to the addition of the T-

Wing. Average friction factor (f) in the inner tube with the addition of the T-Wing

was 1.1 times larger than the friction factor with the addition of T-Winglet. Heat

exchanger thermal performance with the addition of insert T-Wing and T-Winglet

in the range of 0.77 to 0.93 and 0.78 to 0.95, respectively. Heat exchanger thermal

performance with the addition of T-Winglet was 2.2% greater than the addition of

the T-Wing.

Keywords: delta wings, delta winglets, friction factor, Nusselt number, vortex

generators.

kalor pipa konsentrik dengan double-sided delta … fileperpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id...

Documents