pengujian karakteristik perpindahan panas dan … · 1. allah swt dan nabi muhammad saw. 2. bapak...

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

commit to user


commit to user

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP PIN SILINDER DAN SIRIP PIN SILINDER BERLUBANG SUSUNAN SEGARIS

DALAM SALURAN SEGIEMPAT

Skripsi

Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

TRI LAKSONO SUTOMO SUMANTORO

I1406015

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2014


commit to user

ii


commit to user

MOTTO;

"Saya bukannya pintar, boleh dikatakan hanya bertahan lebih lama menghadapi

masalah." (Einstein)

“Hiduplah seperti pohon kayu yang lebat buahnya; hidup di tepi jalan dan

dilempari orang dengan batu, tetapi dibalas dengan buah”.

"Janganlah kamu bersikap lemah, dan janganlah (pula) kamu bersedih hati,

padahal kamulah orang-orang yang paling tinggi (derajatnya), jika kamu orang-

orang yang beriman". (QS. Ali Imran:139)

“Dia yang tahu, tidak bicara. Dia yang bicara, tidak Tahu”. ( Loo Tse )

“Jangan pernah berhenti berjuang, jika kamu masih bisa bernafas”.

“Jangan pulang sebelum tumbang”.


commit to user

PERSEMBAHAN

Sebuah karya sederhana ini kupersembahkan untuk;

1. Allah SWT dan Nabi Muhammad SAW.

2. Bapak dan ibu tersayang, terimakasih untuk semua cinta dan kasih sayangmu

untuk semua doa yang senantiasa terucap untukku anakmu.

3. Kakakku Kartini Sarwendah yang memberikan penuh motivasi.

4. Teman-teman Teknik Mesin Non Reguler 06 terimakasih kalian telah

menjadi teman terbaikku, terimakasih buat kebersamaan, semua bantuan,

dukungan, kenangan, suka dan duka yang telah kita lewati selama ini.

5. Terimakasih kepada keluarga mas Herry Prasetya yang telah menjadikanku

adik angkatnya dan membantuku selama aku mmenyelesaikan studi di UNS.

6. Semua pihak yang begitu banyak yang tidak dapat saya sebutkan secara rinci

satu persatu terimakasih banyak.


commit to user

iii

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Dari Sirip - Sirip Pin Silinder dan Sirip-Sirip Pin Silinder Berlubang Susunan

Segaris Dalam Saluran Segiempat

Tri Laksono Sutomo Sumantoro Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Intisari

Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip sering digunakan dalam peralatan penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin silinder dan sirip-sirip pin silinder berlubang susunan segaris dalam saluran segiempat.

Dimensi plat dasar dimana sirip-sirip pin dipasang adalah 150 mm x 200 mm x 6,5 mm. Temperatur rata-rata permukaan plat dasar dijaga konstan sebesar 60oC. Sirip-sirip pin terbuat dari duralumin dengan dimensi; tinggi 75 mm dan diameter 12,7 mm. Sirip pin silinder berlubang mempunyai diameter lubang 6 mm dengan jarak 18 mm dari dasar sirip. Pada penelitian ini jarak antar titik pusat sirip pin silinder dalam arah melintang aliran udara, Sx/D, dibuat konstan sebesar 2,95, sedangkan jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara, Sy/D , sebesar 1,97, 2,36, 2,95 dan 3,94. Bilangan Reynolds (Re) pada penelitian ini adalah sebesar 3.128,3 – 37.865,6 pada sirip-sirip pin silinder dan 3.123 – 37.855,5 pada sirip-sirip pin silinder berlubang berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik saluran udara. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa pada sirip pin silinder dan sirip pin silinder berlubang, peningkatan bilangan Reynolds meningkatkan bilangan Nusselt (Nu) dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36. Bilangan Nusselt pada sirip-sirip pin silinder berlubang lebih tinggi dibandingkan nilai bilangan Nusselt dari sirip-sirip silinder tanpa lubang untuk Sy/D sama, dan ini berlaku untuk keseluruhan nilai Sy/D. Nilai penurunan tekanan (DP) dan faktor gesekan (f) meningkat dengan menurunnya nilai Sy/D. Nilai penurunan tekanan dan faktor gesekan dari sirip pin silinder berlubang lebih kecil dibandingkan dengan sirip pin silinder tanpa lubang untuk Sy/D sama. Unjuk kerja termal (h) menurun dengan kenaikan bilangan Reynolds untuk keseluruhan nilai Sy/D. Nilai unjuk kerja termal (h) sirip-sirip pin silinder antara 0,7 dan 1,36, sedangkan pada sirip-sirip pin silinder berlubang antara 0,82 dan 1,44. Perolehan energi netto pada sirip-sirip pin silinder dapat dicapai hingga 36% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.131,3, sedangkan pada sirip-sirip pin silinder berlubang dapat dicapai hingga 44% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.126. Kata kunci : sirip pin silinder berlubang, bilangan Reynolds, bilangan Nusselt,

faktor gesekan, unjuk kerja termal.


commit to user

iv

Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of In-line Cylindrical Pin Fin Array and Perforated Cylindrical Pin Fin Array in

Rectangular Channel

Tri Laksono Sutomo Sumantoro Mechanical Engineering Department

Engineering Faculty, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstract

Surface heat transfer extension using fins often used in heat exchanger equipment to enhance heat transfer. This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as thermal performance of in-line cylindrical pin fin array and perforated cylindrical pin fin array in the rectangular channel.

Dimensions of the base plate in which pin fins were attached was 150 mm x 200 mm x 6,5 mm. The average temperature of the base plate surface was kept constant at 60℃ . Pin fins were made of duralumin with dimensions of 75 mm height, with 12,7 mm of diameter. Hole diameter of 6 mm which have the distance 18 mm from the base of the fins. This research the distance inter-fin pitch in the spanwise direction was kept constant at Sx/D = 2,95, and the distance between inter-fin pitch in the streamwise direction Sy/D = 1,97, 2,36, 2,95 and 3,94. The parameters of this research were Reynolds number (Re) 3.128,3 – 37.865,6 from cylindrical pin fins and 3.123 – 37.855,5 from perforated cylindrical pin fins based on averaged inlet air velocity and hydraulic diameter of rectangular channel. The research result shown of cylindrical pin fins and perforated cylindrical pin fins, that increasing the Reynolds number (Re) increases Nusselt number (Nu) which reaches a maximum at Sy/D = 2,36. Nusselt number (Nu) on the perforated cylindrical pin fins higher than the value of Nusselt number (Nu) of the pin fin cylindrical with increasing Sy/D, and this applies to the entire value of Sy/D. The values of pressure drop (∆՚) and friction factor (归) increase with decreasing values of Sy/D. The values of pressure drop (∆՚) and friction factor (归) on the perforated cylindrical pin fin is smaller than the cylindrical pin fin with increasing Sy/D. Thermal performance decreased with increasing Reynolds number (Re). The thermal performances (h) of cylindrical pin fin varied between 0,7 and 1,36, than the perforated cylindrical pin fin varied between 0,82 and 1,44. A net energy gain in cylindrical pin fin can be achieved by 36 % to the value Sy/D = 2,36 at Re = 3.131,3, whereas the perforated cylindrical pin fin can be achieved up to 44 % for the value Sy/D = 2,36 at Re = 3.126. Keywords : Perforated cylindrical pin fin, Reynolds number, Nusselt number,

friction factor, thermal performance.


commit to user

v

KATA PENGANTAR

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

limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Pengujian Karakteristik Perpindahan

Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Sirip – Sirip Pin Silinder dan Sirip – Sirip Pin

Silinder Berlubang Susunan Segaris Dalam Saluran Segiempat ” dengan baik dan

lancar.

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 penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada:

1. Bapak Eko Prasetyo B., ST, MT, selaku Pembimbing I terima kasih atas

bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

2. Bapak, Wibawa Endra Juwana., ST, MT, selaku Pembimbing II yang

telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3. Bapak Didik Djoko Susilo., ST, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik

Mesin UNS Surakarta.

4. Bapak D. Danardono., ST, MT, PhD, selaku Ketua Program Studi S1

Non Reguler Teknik Mesin UNS Surakarta.

5. Bapak Tri Istanto., ST, MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah

memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas

Maret ini.

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

7. Bu Elisa, Bu Endang, Pak Endras dan Pak Har yang banyak membantu

dalam hal administrasi.

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

mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1 Teknik Mesin.

9. Kepada Bapak Tumiran, Ibu Suparwiji dan mbak Kartini Sarwendah,

saya mengucapkan terima kasih atas do’a, motivasi, dan dukungan

material maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini.


commit to user

vi

10. Kepada bapak Herry Prasetya, mbak Diah Ika Harimurti, dek Zelig Eka

Prasetya dan dek Abimanyu Putra Prasetya, terima kasih atas motivasi

serta dukungannya dan bantuannya selama kuliah sehingga membuat

penulis bersemangat dalam menyelesaikan skripsi ini.

11. Kepada semua personil tim “Sirip Pin” terima kasih untuk semua

dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam

mengerjakan penelitian ini.

12. Kepada semua teman – teman mahasiswa teknik mesin UNS khususnya

mahasiswa Non Reguler angkatan 2006 dan 2007 yakinlah kalian pasti

bisa menyelesaikannya.

13. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir 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, ......... 2014

Penulis


commit to user

x

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... .. ii

HALAMAN SURAT PENUGASAN ........................................................ ... iii

MOTTO.............................................................................................................. iv

PERSEMBAHAN ......................................................................................... v

INTISARI ...................................................................................................... vi

ABSTRACT....................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ...................................................................................... viii

DAFTAR ISI .................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ........................................................................................... xvi

DAFTAR NOTASI ........................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN

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

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

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

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian .................................................. 4

1.5. Sistematika Penulisan ................................................................. 5

BAB II DASAR TEORI

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

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

2.2.1. Sirip ....................................................................................... 8

2.2.2. Sirip Pin................................................................................. 12

2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip Pin ........................................ 14

2.2.3.1. Silinder .......................................................................... 14

2.2.3.2. Ellips ............................................................................. 15

2.2.3.3. Kubus ............................................................................ 16


commit to user

xi

2.2.3.4. Oblong .......................................................................... 16

2.2.4. Aplikasi Sirip Pin ................................................................. 17

2.2.5. Perpindahan Panas................................................................ 18

2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi .................................................... 19

2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan

pada Pin Fin Assembly ........................................................ 20

2.2.7.1. Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)...... 20

2.2.7.2. Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) ......... 26

2.2.7.3. Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly . 26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian ....................................................................... 28

3.2. Alat Penelitian .............................................................................. 28

3.3. Spesimen ..................................................................................... 33

3.4. Pelaksanaan Penelitian ................................................................ 37

3.4.1. Tahap Persiapan .................................................................. 38

3.4.2. Tahap Pengujian ................................................................. 38

3.5. Metode Analisis Data .................................................................. 40

3.6. Diagram Alir Penelitian ............................................................. 42

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................... 43

4.2 Perhitungan Data ......................................................................... 44

4.3 Analisis Data ............................................................................... 59

4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat

Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik

Perpindahan Panas .............................................................. 59


Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik

Penurunan Tekanan ............................................................. 65


commit to user

xii


Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja

Termal .................................................................................. 69

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan ................................................................................. 73

5.2. Saran ............................................................................................ 74

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN


commit to user

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface ................................... 9

Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak ...... 10

Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ............ 11

Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin persegi berlubang segaris ................ 13

Gambar 2.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggere ................................... 14

Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder

berfillet ......................................................................................... 14

Gambar 2.7. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin ......................... 15

Gambar 2.8. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin

kubus dan sirip pin diamond ....................................................... 16

Gambar 2.9. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin

oblong.......................................................................................... 16

Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam

(internal cooling) ...................................................................... 17

Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan

clearence nol ............................................................................ 23

Gambar 3.1. Skema alat penelitian.................................................................. 28

Gambar 3.2. Saluran udara segiempat ................................................................ 28

Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (air flow straightener) .................................... 29

Gambar 3.4. Fan hisap....................................................................................... 29

Gambar 3.5. Rheostat ....................................................................................... 29

Gambar 3.6. Anemometer................................................................................ 30

Gambar 3.7. Pemanas listrik (electric heater) .................................................... 30

Gambar 3.8. Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater ................. 31

Gambar 3.9. Voltmeter ...................................................................................... 31

Gambar 3.10. Amperemeter ............................................................................. 31

Gambar 3.11. Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan ................. 32

Gambar 3.12. Termokopel tipe T ........................................................................ 32

Gambar 3.13. Display termokopel.................................................................... 33


commit to user

xiv

Gambar 3.14. Dimensi dan tata nama spesimen sirip pin silinder ................. 34

Gambar 3.15. Dimensi dan tata nama spesimen sirip pin silinder berlubang 34

Gambar 3.16. Gambar 3D spesimen sirip pin silinder dan sirip pin silinder

berlubang…………………………………………………… 35

Gambar 3.17. Foto spesimen sirip pin silinder……………………………. 36

Gambar 3.18. Foto spesimen sirip pin silinder berlubang .............................. 37

Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara.................................. 43

Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien

perpindahan panas konveksi rata-rata pada sirip pin silinder

dengan nilai Sx/D = 2,95 ............................................................. 59



berlubang dengan nilai Sx/D = 2,95 ........................................... 60



dan sirip pin silinder berlubang susunan segaris dengan nilai

Sx/D = 2,95................................................................................... 60

Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan

Nusselt pada sirip pin silinder dengan nilai Sx/D = 2,95 .......... 62


Nusselt pada sirip pin silinder berlubang dengan nilai Sx/D =

2,95 ............................................................................................... 62


Nusselt pada sirip pin silinder dan sirip pin silinder berlubang

susunan segarisdengan nilai Sx/D = 2,95 ................................... 63

Gambar 4.8. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan

tekanan pada sirip pin silinder dengan nilai Sx/D = 2,95 ...... 65


tekanan pada sirip pin silinder berlubang dengan nilai Sx/D

= 2,95 ......................................................................................... 66


commit to user

xv


tekanan pada sirip pin silinder dan sirip pin silinder

berlubang susunan segaris dengan nilai Sx/D = 2,95 .............. 66

Gambar 4.11. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan

Pada sirip pin silinder susunan segaris dengan nilai Sx/D =

2,95 ............................................................................................ 67


Pada sirip pin silinder berlubang susunan segaris dengan

nilai Sx/D = 2,95 ........................................................................ 67


Pada sirip pin silinder dan sirip pin silinder berlubang

berlubang susunan segaris dengan nilai Sx/D =

2,95…………………………………………………………. 68

Gambar 4.14. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja

termal pada sirip–sirip pin silinder susunan segaris dengan

nilai Sx/D = 2,95....................................................................... 70


termal pada sirip–sirip pin silinder berlubang susunan

segaris dengan nilai Sx/D = 2,95 ............................................. 70


termal pada sirip–sirip pin silinder dan sirip-sirip pin

silinder berlubang susunan segaris dengan nilai Sx/D =

2,95. ........................................................................................... 71


commit to user

xvi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian ............................................ 36

Perhitungan spesimen 1 (Pin Silinder) ..................................................... lampiran




Perhitungan spesimen 1 (Pin Silinder Berlubang)................................... lampiran




DAFTAR NOTASI

Lt = Panjang seksi uji ( m )

H = Tinggi sirip ( m )

Wb = Lebar spesimen ( m )

L = Panjang spesimen ( m )

S = Sisi-sisi sirip ( m)

Afront = Luas frontal dari sirip – sirip ( m2 )


commit to user

xvii

As = Luas total permukaan perpindahan panas ( m2 )

At = Luas penampang melintang saluran udara ( m2 )

Dh = Diameter hidrolik ( m )

inT = Temperatur rata – rata udara masuk saluran udara ( oK )

outT = Temperatur rata – rata udara keluar saluran udara ( oK )

bT = Temperatur udara rata – rata base plate ( oK )

Tf = Temperatur film ( oK )

V = Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s)

Vmaks = Kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin (m/s)

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

ν = viskositas kinematik udara (m2/s)

µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)

CP = Panas jenis udara (kJ/kg.oC)

Qelect = Laju aliran panas dari heater (W)

m& = Laju aliran masa udara ( kg/s )

Qconv = Laju perpindahan panas konveksi (W)

Qloss = Heat losses yang terjadi pada seksi uji

ha = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata dengan sirip (W/m2.K)

hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata tanpa sirip (W/m2.K)

Nu = Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number )

NuD = Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number )

Re = Bilangan Reynolds saluran udara ( Duct Reynolds number )

ReD = Bilangan Reynolds pada pin ( Pin Reynolds number )

PD = Penurunan tekanan

f = Faktor gesek

η = Unjuk kerja termal

Vh = Tegangan listrik heater ( V )

Ih = Arus listrik heater ( A )

Vf = Tegangan listrik fan ( V )

If = Arus listrik fan ( A )

jcos = Faktor daya listrik 2 phase


commit to user

xviii

Pfan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W )

g = Percepatan gravitasi ( m/s2 )

pengujian karakteristik perpindahan panas dan … · 1. allah swt dan nabi muhammad saw. 2. bapak...

Documents