pengujian karakteristik perpindahan panas dan … · 7. seluruh dosen serta staf di jurusan teknik...
TRANSCRIPT
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN SEGIEMPAT SUSUNAN SELANG - SELING DALAM SALURAN SEGIEMPAT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
WISNU PANDOYO
I1405032
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2011
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN
PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN
SEGIEMPAT SUSUNAN SELANG SELING DALAM
SALURAN SEGIEMPAT
Disusun oleh :
Wisnu Pandoyo NIM. I1405032
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Tri Istanto, ST., MT Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 19730820200121001 NIP. 197009112000031001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ....... tanggal ...... 2011 1. Eko Prasetyo B, ST., MT. …………………………
NIP. 197109261999031002 2. Wahyu Purwo Raharjo, ST..MT. ………………………...
NIP. 197202292000121001
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST., MT. Wahyu Purwo Raharjo, ST..MT. NIP. 19730804 199903 1 003 NIP. 197202292000121001
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user iv
MOTTO
Allah akan memberikan jalan keluar bagi orang yang bertaqwa kepada-Nya dan akan memberikan rezeki kepadanya dari arah yang ia
tidak duga. ( Q.S Ath Thalaq ; 2-3 )
‘’Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman dintara kamu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat dan Allah Maha
Teliti yang kamu kerjakan’’ (QS. Al Mujadalah :11)
‘’Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar
(manusia) dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak diketahuinya’’
(QS. Al. Alaq: 3-5)
Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan) kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain. Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. ( Q.S Ala Nasyrah ; 6-8 )
Hadapi dan segera selesaikan semua tantangan didepan dengan tetap berharap berhasil menggapai impian dimasa depan (wisnu).
Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar. ( Khalifah ‘Umar )
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
PERSEMBAHAN
Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya persembahkan
hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang S-1 ini yaitu
sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya sehingga
saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka
adalah:
1. Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulNya.
2. Ayah, Ibu(Bp. Jumino & Ibu.Sri Hidayah, S.pdi) karena beliaulah penulis
dapat lahir ke dunia ini dengan membawa semangat untuk menggapai cita-cita,
3. Adikku(Aang & Nanda) atas do’a restu, motivasi,dalam menyelesaian Tugas
Akhir ini. (semoga kita dapat membahagiakan orang tua kita di dunia dan
akhirat .... amin...).
4. Evi Sari Wardani terima kasih atas semua semangatmu dan doamu serta
cintamu (Aku Akan Terus Menyonsong Matahari Untuk Menggapai Mimpi).
5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah
bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan saya).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Pin Segiempat Susunan Selang-Seling Dalam Saluran Segiempat
Wisnu Pandoyo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat dalam saluran udara segiempat, dimana udara mengalir di dalamnya sebagai fluida pendingin. Sirip-sirip pin ini disusun secara selang-seling. 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 bahan duralumin dengan tinggi 75 mm, dengan sisi-sisinya 12,7 mm x 12,7 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar Sx/D = 2,95. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (Re) 3.131 – 37.460 berdasarkan kecepatan aliran udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik saluran udara segiempat, dan jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94).
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds dan semakin kecil jarak Sy/D akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan laju perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,95. Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya Sy/D. Nilai unjuk kerja termal (η) bervariasi antara 1,16 dan 1,39. Ini berarti bahwa pemakaian sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling akan menyebabkan perolehan energi untuk keseluruhan Sy/D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η) untuk keseluruhan Sy/D. Perolehan energi netto hingga 39% dapat dicapai untuk nilai Sy/D = 2,95 pada Re = 3.095 Kata kunci : Sirip pin segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan, unjuk kerja
termal.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Staggered Square Pin Fin Array in Rectangular Channel
Wisnu Pandoyo Mechanical Engineering Departement
Engineering Faculty, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstract
This research is conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of square pin fin array in the rectangular channel which air pass through it as coolant fluid. The pin fins are arranged in staggered manner. Dimension of base plate in which pin fins attached is 150 mm x 200 mm x 6.5 mm. The average temperature of base plate surface is kept constant at 60oC. Pin fins is made of duralumin having the dimension of 75 mm of height, its sides 12.7 x 12.7 mm respectively, and the distance inter-fin picth in the spanwise direction is kept constant at Sx/D = 2.95. The parameters of this research is Reynolds number (Re) 3,131 – 37,460 based on averaged inlet air flow velocity and hydraulic diameter of rectangular air channel, and the distance between the inter-fin pitch in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94).
The research result shown that increasing Reynolds and decreasing the distance Sy/D increased Nusselt number, that means increased heat transfer rate where it reach maximum at Sy/D = 2.95. The values of pressure drop (∆P) and friction factor (f) decreased with increasing Sy/D. The value of the thermal performances (η) varied between 1.16 – 1.39. It means that the use of staggered square pin fin will cause an energy gain for all of Sy/D. Increasing Reynolds number would decrease the thermal performance (η) for all Sy/D. A net energy gain up to 39% was achieved for Sy/D = 2.95 and Re = 3.095.
Keywords : square pin fin, Reynolds number, friction factor, thermal
performance.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
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 Segiempat Susunan Selang
Seling Dalam Saluran Segi Empat” 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 Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I 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 Heru Sukanto, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah
memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas
Maret ini.
5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir
6. Bu Elisa, Pak Endras, dan Mas Haryanto yang banyak membantu dalam
hal administarsi.
7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Ayah, Ibu (Bp. Jumino&Ib.Sri Hidayah, S.pdi) dan adikku ( Aang &
Nanda) atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun
spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini.
9. Rekan Skripsi : Semua personil tim “Sirip Pin” tuk semua dukungan,
sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan
penelitian ini.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
10. Semua teman-teman mahasiswa teknik mesin UNS khususnya angkatan
2005.
11. 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, juni 2011
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul .............................................................................................. i
Halaman Pengesahan ................................................................................... ii
Halaman Surat Penugasan ............................................................................ iii
Halaman Motto ............................................................................................ iv
Halaman Abstrak ......................................................................................... v
Halaman Persembahan ................................................................................. vii
Kata Pengantar ............................................................................................. viii
Daftar Isi ..................................................................................................... x
Daftar Tabel ................................................................................................ xiii
Daftar Gambar ............................................................................................. xiv
Daftar Notasi ................................................................................................. xvi
Daftar Lampiran ........................................................................................... xviii
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 .............................................................................. 7
2.2.1. Sirip ................................................................................... 7
2.2.2. Sirip Pin ............................................................................. 12
2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip Pin ...................................... 13
2.2.3.1. Silinder ...................................................................... 13
2.2.3.2. Kubus ........................................................................ 13
2.2.3.3. Oblong ....................................................................... 14
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xi
2.2.3.4. Ellips ......................................................................... 14
2.2.4. Aplikasi Sirip Pin .............................................................. 16
2.2.5. Perpindahan Panas ............................................................ 17
2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi ................................................. 18
2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
pada Pin Fin Array ........................................................... 19
2.2.7.1. Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)...... 19
2.2.7.2. Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) ........ 25
2.2.7.3. Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Array ...... 26
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian ................................................................... 28
3.2. Alat Penelitian .......................................................................... 28
3.3. Spesimen ................................................................................. 33
3.4. Pelaksanaan Penelitian ............................................................ 35
3.4.1. Tahap Persiapan .............................................................. 35
3.4.2. Tahap Pengujian .............................................................. 36
3.5. Metode Analisis Data .............................................................. 36
3.6. Diagram Alir Penelitian .......................................................... 38
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................ 39
4.2 Perhitungan Data ...................................................................... 48
4.3 Analisis Data ........................................................................... 55
4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas ........................................................... 55
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik
Penurunan Tekanan ......................................................... 58
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja
Termal .............................................................................. 60
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ............................................................................. 62
5.2. Saran ........................................................................................ 62
Daftar Pustaka ............................................................................................. 64
Lampiran ..................................................................................................... 66
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian ............................................... 34
Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97) . 40
Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 2,36) . 41
Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 2,95) . 42
Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 3,94) . 43
Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)
Tabel 4.5.1. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ......................... 44
Tabel 4.5.2. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ......................... 45
Tabel 4.5.3. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ......................... 46
Tabel 4.5.4. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ......................... 47
Tabel 4.6. Perhitungan spesimen 1............................................................. 66
Tabel 4.7. Perhitungan spesimen 2............................................................. 67
Tabel 4.8. Perhitungan spesimen 3............................................................. 68
Tabel 4.9. Perhitungan spesimen 4............................................................. 69
Tabel 4.10. Perhitungan spesimen 5............................................................. 70
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface ................................. 8
Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak ..... 9
Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ........... 10
Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin diamond segaris .............................. 12
Gambar 2.5. Susunan sirip pin ..................................................................... 13
Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder
berfillet ..................................................................................... 13
Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin
kubus dan sirip pin diamond .................................................... 14
Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin
oblong ...................................................................................... 14
Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin ....................... 15
Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam
(internal cooling) ................................................................... 16
Gambar 2.11. Pin fin array dalam suatu saluran udara segiempat dengan
clearance nol ........................................................................ 22
Gambar 3.1. Skema alat penelitian .............................................................. 28
Gambar 3.2. Saluran Udara Segiempat (Rectanguler Channel) ................. 28
Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (flow straightener) .................................. 29
Gambar 3.4. Fan Hisap ............................................................................... 29
Gambar 3.5. Rheostat .................................................................................. 29
Gambar 3.6. Anemometer ............................................................................ 30
Gambar 3.7. Pemanas Listrik (heater) ......................................................... 30
Gambar 3.8. Slide regulator ......................................................................... 30
Gambar 3.9. Voltmeter ................................................................................ 31
Gambar 3.10. Amperemeter ........................................................................... 31
Gambar 3.11. Manometer U .......................................................................... 32
Gambar 3.12. Thermocoupel tipe T ............................................................... 32
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xv
Gambar 3.13. Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur
udara masuk seksi uji .............................................................. 32
Gambar 3.14. Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar
seksi uji .................................................................................... 32
Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate ................................ 32
Gambar 3.16 Thermocouple Reader ............................................................. 33
Gambar 3.17 Dimensi dan tata nama spesimen ........................................... 33
Gambar 3.18 Model spesimen...................................................................... 34
Gambar 3.19 Spesimen 1 .............................................................................. 34
Gambar 3.20 Spesimen 2 ............................................................................. 34
Gambar 3.21 Spesimen 3 .............................................................................. 35
Gambar 3.22.Spesimen 4 .............................................................................. 35
Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara ................................ 39
Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan
Nusselt pada Sx/D = 2,95 ........................................................ 55
Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien
perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95 ........ 56
Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sx/D terhadap bilangan Nusselt pada
Sx/D = 2,95 ............................................................................. 57
Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan
tekanan pada Sx/D = 2,95 ...................................................... 58
Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor
gesekan pada Sx/D = 2,95 ...................................................... 59
Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja
termal pada Sx/D = 2,95 ........................................................ 60
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvi
DAFTAR NOTASI
Lt = Panjang seksi uji ( m )
H = Tinggi sirip ( m )
Wb = Lebar specimen ( m )
L = Panjang specimen ( m )
S = Sisi-sisi sirip diamond ( m)
Afront = Luas frontal dari sirip – sirip ( m2 )
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 uadara 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 Reynold saluran udara ( Duct Reynold number )
ReD = Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number )
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvii
P∆ = 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 ) ϕcos = Faktor daya listrik 2 phase
Pfan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W )
g = Kecepatan gravitasi ( kg m2/s )
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Data spesimen 1 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ....................... 73
Lampiran 2. Data spesimen 1 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s .......................... 74
Lampiran 3. Data spesimen 1 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s .......................... 75
Lampiran 4. Data spesimen 1 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ....................... 76
Lampiran 5. Data spesimen 2 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ....................... 77
Lampiran 6. Data spesimen 2 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s .......................... 78
Lampiran 7. Data spesimen 2 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s .......................... 79
Lampiran 8. Data spesimen 2 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ....................... 80
Lampiran 9. Data spesimen 3 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ....................... 81
Lampiran 10. Data spesimen 3 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ......................... 82
Lampiran 11. Data spesimen 3 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ......................... 83
Lampiran 12. Data spesimen 3 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ...................... 84
Lampiran 13. Data spesimen 4 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ...................... 85
Lampiran 14. Data spesimen 4 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ......................... 80
Lampiran 15. Data spesimen 4 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ......................... 86
Lampiran 16. Data spesimen 4 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ...................... 87
Lampiran 17. Data spesimen 5 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ...................... 88
Lampiran 18. Data spesimen 5 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ......................... 89
Lampiran 19. Data spesimen 5 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ......................... 90
Lampiran 20. Data spesimen 5 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ....................... 91
Lampiran 21. Thermophysical Property untuk udara .................................... 92
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Susunan sirip-sirip digunakan untuk meningkatkan luasan perpindahan
panas dari alat penukar kalor (heat exchanger), peralatan pengkondisian udara,
peralatan elektronik, motor listrik, motor bakar dan lain-lain. Dalam semua
peralatan tersebut udara digunakan sebagai media perpindahan panas. Pada sisi
udara alat penukar kalor, sirip-sirip digunakan dalam berbagai jenis. Sirip-sirip
tersebut menonjol keluar dari sebuah permukaan dasar segiempat atau silindris.
Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk yang sederhana, seperti
sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus (tapered) atau pin, sampai
kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda, dan digunakan dengan jarak yang
telah diatur dalam susunan selang-seling (staggered) atau segaris (inline). Tipe
sirip yang digunakan tergantung dari proses permesinan dan ruang yang tersedia
dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses pendinginan.
Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip
pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang
secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin
mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip-
sirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat
meningkatkan luas permukaan disipasi panas dan menyebabkan percampuran
aliran yang turbulen, sehingga meningkatkan unjuk kerja disipasi panas yang
berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliability) dan umur peralatan.
Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas dapat
dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran (flow
separation) dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip pin
dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan
perpindahan panas yang lebih baik, misalnya pada sirip pin segiempat.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti
bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya.
Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan
sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan perbandingan tinggi diameter >
4 digolongkan ke dalam sirip pin panjang (long pin fin). Perbandingan tinggi-
diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar
panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip
pin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri, khususnya dalam alat
penukar panas ringkas (compact heat exchanger), trailing edge sudu turbin gas,
beberapa sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang.
Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke
lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar
(base plate), geometri sirip pin, jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan
atas saluran udara (shroud clearance), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran
udara, jarak antar titik pusat sirip (inter-fin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi
dari penukar panas terutama untuk laju aliran udara yang rendah. Untuk plat dasar
dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan
menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas permukaan
perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas dapat dicapai
dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah konfigurasi
geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini dibatasi oleh
penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip pin tersebut
karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan. Energi yang
hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang didapatkan dari
usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.
Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip
pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting
dalam berbagai aplikasi keteknikan. Penelitian ini bertujuan untuk menguji
karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal
dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat
(rectangular channel).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
1.2. Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat
sirip dalam arah aliran udara (streamwise) terhadap karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin
segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat.
1.3. Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:
1. Material sirip pin dan plat dasar (base plate) yang digunakan adalah
duralumin.
2. Dimensi base plate yang digunakan adalah : panjang 200 mm, lebar 150
mm dan tebal 6,5 mm
3. Dimensi sirip pin yang digunakan adalah : tinggi 75 mm, dan sisi-sisi 12,7
mm x 12,7 mm, atau H/D = 5,9
4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroud
clearence) adalah nol.
5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:
a. Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm
b. Fan hisap
c. Pemanas listrik tipe plat (plate electric heater)
d. Pelurus aliran udara (flow straightener)
e. Manometer U
6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang
halus, sehingga faktor gesekan diabaikan.
7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi dengan
glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke lingkungan
diminimalisasi.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate
sebesar 60oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam
arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.
9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu
sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s serta
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) yaitu
sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
10.Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling
dilakukan pada kondisi tunak (steady state).
11.Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada
temperatur kamar.
1.4. Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-
seling dalam saluran segiempat.
2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara
(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling
dalam saluran segiempat.
3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat
sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin
segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat.
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat
sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas,
penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat
susunan selang-seling dalam saluran segiempat.
2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas, sistem
elektronik modern dan industri pesawat terbang.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
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.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari susunan sirip pin dalam saluran segiempat.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan
penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian
dan pengambilan data. BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan
data hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Chyu et al (1998) meneliti peningkatan perpindahan panas dari susunan
sirip pin kubus (cubic pin fin). Dalam penelitian ini, sirip kubus diorientasikan
sebagai persegi dan diamond terhadap arah aliran. Semua susunan dalam
penelitian ini mempunyai geometri S/d = X/d = 2,5 dan H/d = 1. Kedua susunan
segaris (inline) dan selang-seling (staggered) diteliti. Dari penelitian ini diperoleh
bahwa sirip pin kubus orientasi persegi menghasilkan perpindahan panas yang
lebih besar secara signifikan daripada diamond atau sirip pin silinder lurus. Untuk
susunan selang-seling, peningkatan perpindahan panas sirip pin kubus orientasi
persegi adalah 20-40% lebih besar daripada susunan diamond dan 30-80% lebih
tinggi daripada susunan sirip pin silinder. Untuk susunan segaris, perbedaan lebih
kecil tetapi tetap signifikan, dimana susunan sirip pin kubus orientasi persegi
adalah 10-20% lebih besar daripada susunan diamond dan 10-40% lebih besar
daripada susunan sirip pin silinder.
Sara O.N., (2003) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan
panas, faktor gesekan dan analisa unjuk kerja perpindahan panas konveksi pada
suatu permukaan plat bersirip pin berbentuk kubus dalam saluran udara segi
empat. Saluran segiempat terbuat dari kayu dengan tebal 20 mm, dan mempunyai
penampang bagian dalam lebar 160 mm dan tinggi 80 mm serta panjang total
saluran 2.000 mm. Sirip-sirip pin disusun secara selang-seling (staggered). Pada
penelitian ini menggunakan spesimen berupa plat datar dari bahan aluminium
berdimensi panjang 320 mm, lebar 140 mm, dan tebal 2 mm yang diberi sirip pin
berbentuk kubus pejal dari bahan yang sama, dengan panjang sisi-sisinya 10 mm
x 10 mm dan panjang yang bervariasi tergantung pada variasi perbandingan
clearance (C/H) = 0,0, 0,6, dan 1,0 yang disusun secara staggered dengan jarak
antar titik pusat sirip pada arah spanwise (Sz/D) = 2,25 dan jarak antar titik pusat
sirip pada arah streamwise (Sx/D) = 1,58, 4,17, dan 9,33. Pengujian dilakukan
dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 10.000 – 34.000. Dari penelitian
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
tersebut diperoleh hasil bahwa bilangan Nusselt rata-rata akan meningkat dengan
menurunkan nilai perbandingan clearance dan jarak antar titik pusat sirip. Faktor
gesekan akan meningkat dengan menurunkan nilai perbandingan clearance dan
jarak antar titik sirip. Faktor peningkatan perpindahan panas akan meningkat
dengan menurunkan C/H dan Sz/D. Unjuk kerja saluran udara akan meningkat
dengan menurunkan bilangan Reynolds.
Jeng, M. T. dan Tzeng, C, T. (2006) melakukan penelitian tentang
penurunan tekanan dan perpindahan panas pada sirip pin berbentuk kubus yang
tersusun secara inline dan staggered dalam saluran udara segiempat dengan
menggunakan metode hembusan tunggal transient. Dalam penelitian tersebut
menggunakan plat datar berdimensi 300 mm x 81,5 mm yang diberi sirip pin
berbentuk kubus pejal dengan panjang sisi-sisinya 9,6 mm x 9,6 mm dan panjang
76,5 mm dengan jarak antar titik pusat sirip arah transversal ST/D = 1,5, 2, dan 2,8
dan dengan jarak antar titik pusat sirip arah longitudinal SL/D = 1,5, 2, dan 2,8.
Spesimen diletakkan dalam saluran udara segiempat (rectangular channel) yang
berdimensi 81,5 mm x 300 mm x 76,5 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi
bilangan Reynolds sebesar 478 – 6.044 untuk susunan staggered dan 916 – 13.091
untuk susunan inline. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penurunan
tekanan pada sirip pin kubus yang disusun secara inline memiliki nilai penurunan
tekanan yang lebih kecil dibandingkan dengan sirip pin kubus yang disusun secara
staggered. Jarak optimal antar sirip berdasarkan bilangan Nusselt paling besar
pada XT = 2 dan XL = 1,5 untuk susunan inline dan pada XT= 1,5 dan XL = 1,5
untuk susunan staggered.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Sirip
Perluasan permukaan perpindahan panas (extended surface heat transfer)
adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk kerja
tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil, dan
perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen
tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti pesawat ruang
angkasa (air-land-space vehicles) dan sumber dayanya dalam proses-proses
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika, dalam
tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada boiler,
dan dalam modul bahan bakar nuklir.
Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan
panas, bentuk-bentuk sederhana seperti; silinder, batang dan plat biasa
diterapkan pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat
source and heat sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang
panas masing-masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface).
Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam
gambar 2.1, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan
permukaan yang diperluas (extended surface). Elemen yang digunakan untuk
memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip
tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau
pegs.
Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal (memanjang) dengan profil segiempat (b)pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapezioda (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapezoida (g)cylindrical spine (h)truncated conical spine (i) truncated parabolic spine
Kebutuhan untuk perlengkapan pesawat terbang, pesawat ruang angkasa,
turbin gas, pengkondisian udara, dan kriogenika telah mendapatkan perhatian
khusus dalam hal keringkasan permukaan alat penukar panas, terutama pada
permukaan yang mengalami gradien tekanan yang kecil dalam fluida yang
bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya ditunjukkan dalam gambar 2.2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
Keringkasan (compactness) mengacu pada perbandingan luas permukaan
perpindahan panas per satuan volume alat penukar panas.
Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen
alat penukar panas ringkas adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan
245 m2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas ringkas
telah tersedia lebih dari 4100 m2 per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130
m2 per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in.
Kebanyakan elemen alat penukar panas ringkas terdiri dari plat-plat
permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines,
yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat
diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah
dari jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan
utama. Sehingga, alat penukar panas ringkas dipandang sebagai bentuk lain dari
permukaan yang diperluas (extended surface).
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip kontinyu (d) sirip plat
(plate fin) (e)offset plate fin (f) crossed rod matrix
Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan
termal yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan
utama. Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
pada penampang melintang segiempat pada gambar 2.3. Permukaan plat bagian
dalam membuang panas dari sumber panas dengan koefisien perpindahan panas
seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan plat bagian luar dan sirip
membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya yang lebih dingin dengan
koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts. Permukaan plat yang
lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan panas dari sumber panas
meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp – Ts. Dengan cara yang
sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan panas meninggalkan
sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas memasuki sirip melalui
dasarnya (base), dimana itu berhubungan dengan plate dan bergerak berpindah
secara kontinyu melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus,
temperatur dasar sirip akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang
diserap oleh sirip melalui dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya
jika ada gradien temperatur dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk
kondisi ini, karena temperatur T bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien
temperatur T – Ts akan lebih kecil daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas
permukaan sirip akan kurang efektif dibandingkan dengan satu satuan luas
permukaan plat atau permukaan utama.
Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip
Rugi mutlak dari unjuk kerja satu satuan permukaan sirip dibandingkan terhadap satu satuan permukaan utama dinamakan inefisiensi sirip. Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh permukaan sirip sama
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk, dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya berkenaan dengan lingkungannya. Referensi telah dibuat untuk permukaan yang diperluas berisikan beberapa tipe permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar 2.1. yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines. Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan
memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap
panas (source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat
banyak hal mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber
panas dan penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis
geometri sirip adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan
membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis
dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi
Murray-Gardner, yaitu:
1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap
waktu.
2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala
arah, dan tetap konstan.
3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan
dan seragam di keseluruhan permukaan sirip.
4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.
5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan
panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip
dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.
6. Temperatur dasar sirip adalah seragam.
7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan
permukaan utama.
8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.
9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.
10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan
temperatur antara sirip dan medium sekitar.
2.2.2. Sirip Pin
Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang
dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan
fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap
elemen tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin,
seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan
sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4
dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang
(long pin fin) memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-
diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar
panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.
Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin segiempat susunan selang seling
Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5 sirip-
sirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered).
SL adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (stream-wise
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
direction), sedangkan ST adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur
normal/tegak lurus terhadap arah aliran (span-wise direction).
Gambar 2.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered
2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip pin
2.2.3.1 Silinder
Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri
sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan
silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin
silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam
gambar 2.6.
Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet
2.2.3.2 Kubus
Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat
maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan
segiempat yang diputar 45o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.
sL
sT
Flow
sL
sT
Flow
(a) (b)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus
dan sirip pin diamond
2.2.3.3. Oblong
Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk
kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ,
berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan
dalam sirip pin oblong.
Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong
2.2.3.4. Ellips
Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu
arah garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin
dan dua bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama
(major axis) segaris dengan arah aliran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.
Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Standard Elliptical Fin (SEF).
Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu
minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah
1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali
luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin
karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.
b. N fin
Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang
sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5
kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar
daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama dengan
circular fin.
Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas
dapat dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran (flow
separation) dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip
pin dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan
perpindahan panas yang lebih baik, misalnya pada sirip pin kubus. Karena
kuatnya gaya inersia dari aliran fluida di sekitar sirip pin, aliran tidak dapat
melekat pada permukaan sirip bagian belakang (downstream) dari sudut yang
tajam. Selain itu, perubahan lintasan aliran secara tiba-tiba di sekeliling sirip pin
kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen (turbulent
vortex shedding), yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip
pin tersebut.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
2.2.4. Aplikasi Sirip pin
Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat
penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat
penukar panas ringkas, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal
secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin
biasanya dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat
trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal
ini memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami
kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output.
Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal
cooled)
Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10 trailing
edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang
pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.
Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping
kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin
kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan
penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran
segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
2.2.5. Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk
meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena
adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan
panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu :
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa
panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur
tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien
temperatur pada benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi
adalah :
xTAkQ ∆
= (2.1)
dimana:
Q = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas panas (W/m.oC)
A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)
∆T = beda temperatur (oC)
x = ketebalan bahan (m)
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang
terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi
adalah :
( )∞−= TTAhQ w.. (2.2)
dimana:
Q = laju perpindahan panas (Watt)
h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)
A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)
Tw = temperatur permukaan benda (oC)
T∞ = temperatur fluida (oC)
Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa
zat perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu
menggunakan rumus :
σε 4TAQ = (2.3)
dimana:
Q = panas yang dipancarkan (Watt)
ε = emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1)
A = luas perpindahan panas (m2)
T = temperatur permukaan benda (K)
σ = konstanta Stefan Boltzmann (W/m2.K4)
Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar nilai σ =
5,67.10-8 W/m2.K4
2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi
Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting
yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa
dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:
a. Bilangan Reynolds ( Reynolds Number )
Bilangan Reynolds dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya
inersia dengan gaya kekentalan, di dalam kecepatan lapis batas. 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 [ ] xuu ∂∂ /)(ρ didekati dengan persamaan :
LVFI
2ρ= . Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
( )[ ] yyuyyx ∂∂∂∂=∂∂ /// µτ dan dapat didekati dengan persamaan : 2/ LVFs µ= .
Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis :
Ls
I VLLVLV
FF
Re//
2
2
===µρ
µρ (2.4)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
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 Nusselt ( Nusselt Number )
Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas
termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan
panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan :
fk
hDNu = (2.5)
dimana :
Nu = bilangan Nusselt
h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2. oC)
D = diameter (m)
kf = konduktivitas termal fluida (W/m.oC)
Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re. Apabila fungsi
bilangan Re diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk
fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.
2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin-
Fin Assembly
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)
Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji
yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut :
Qelect = Qconv + Qloss (2.6)
dimana :
Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W)
Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang
disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem bisa karena; (i)
radiasi dari permukaan dan (ii) konduksi melalui dinding-dinding saluran ke
atmosfer. Sehingga persamaan (2.6) dapat ditulis menjadi :
Qelect = Qconv + Qrad + Qcond (2.7)
dimana :
Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)
Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou
(1995) melaporkan bahwa total kehilangan panas radiasi dari permukaan uji yang
serupa sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga kehilangan panas
karena radiasi diabaikan. Kehilangan panas karena konduksi dari sisi dinding-
dinding dapat diabaikan dibandingkan dari permukaan bawah dari seksi uji,
karena luas total sisi plat yang dipanaskan jauh lebih kecil dari luas permukaan
bawah. Pada penelitian ini, permukaan bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran,
dan disolasi dengan kombinasi lapisan isolator dan lapisan kayu, sehingga
kehilangan panas konduksi dapat diminimalisir. Analisis data akan memuaskan
jika persentase total kehilangan panas, (Qelect –Qconv)/Qconv kurang dari 10%
(Naphon, P., 2007).
Maka persamaan (2.7) menjadi :
Qelect = Qconv (2.8)
Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah :
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−=2
.. outinbsconv
TTTAhQ (2.9)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
dimana :
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin
assembly (m2)
Tb = temperatur permukaan plat dasar (base plate) (K)
Tin = temperatur inlet dari aliran udara (K)
Tout = temperatur outlet dari aliran udara (K)
Dari persamaan (2.9), Qconv dapat juga dinyatakan dengan :
)(..
inoutconv TTCpmQ −= (2.10)
dimana :
= laju aliran massa udara (kg/s)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
Tin = temperatur inlet aliran udara (K)
Tout = temperatur outlet aliran udara (K)
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung dengan
menggunakan kombinasi persamaan (2.9) dan (2.10), sehingga didapatkan bahwa:
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutp
TTTATTCm
h+−
−=
& (2.11)
Dari persamaan (2.11) laju aliran massa, , dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :
.
m = ρ. At. V (2.12)
dimana :
ρ = massa jenis (densitas) udara (kg/m3)
At = luas penampang saluran udara (m2)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam saluran udara segiempat dengan clearence nol
Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar 2.11, maka At dihitung
dengan rumus :
At = H. Wb (2.13)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly
atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip-sirip pin segiempat
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
As = Wb.L + 2 (a + b).H.Nf – a.b.Nf (2.14)
dimana :
Wb = lebar base plate untuk pin fin assembly (m)
L = panjang pin fin assembly (m)
Nf = jumlah total sirip pin segiempat dalam pin fin assembly
H = tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin segiempat (m)
a,b = panjang sisi-sisi sirip pin segiempat (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
Dari persamaan (2.11), nilai-nilai Tb, Tin dan Tout diukur dari percobaan
yang dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara
Cp dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf = (Tin + Tout)/2
menggunakan persamaan sebagai berikut :
Cp = [9,8185 + 7,7 x 10-4 (Tin + Tout)/2] x 102 J/kg.K (2.15)
Persamaan (2.15) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan
K4002
K250 ≤+
≤ outin TT
Parameter tanpa dimensi (dimensionless) yang digunakan dalam perhitungan
perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut :
a. Bilangan Reynolds (Re)
Dua jenis bilangan bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan
kondisi aliran. Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-
rata (V) dalam saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran
(Dh) dan dinyatakan dengan :
Re = vDV h.
(2.16)
Re = µ
ρ hDV .. (2.17)
Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan
ketebalan dari sirip-sirip pin, yaitu :
ReD = µ
ρ hmaks DV .. (2.18)
dimana Vmaks adalah kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan diberikan
dengan persamaan :
Vmaks = VAAA
front
.⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
− (2.19)
ReD telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada
sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
dari sirip pin. Re diatas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan ReD
disebut sebagai pin Reynolds number.
b. Bilangan Nusselt (Nu)
Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata dinyatakan
juga dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturut-
turut dinyatakan dengan persamaan :
Nu = kDh h.
(2.20)
Nu = kdh. (2.21)
dimana :
Re = duct Reynolds number
ReD = pin Reynolds number
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Vmaks = kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin (m/s)
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
d = diameter sirip pin (m)
ν = viskositas kinematik udara (m2/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
A = luas penampang saluran (m2)
Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)
Nu = duct Nusselt number
NuD = pin Nusselt number
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)
k = konduktifitas termal udara (W/m.K)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, Dh , dihitung dengan
persamaan :
( )b
bh WH
WHPAD
+==
2..4.4 (2.22)
Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf =
(Tin + Tout)/2 menggunakan persamaan sebagai berikut :
µ = [4,9934 + 4,483 x 10-2 (Tin + Tout/2)] x 10-6 kg/m.s (2.23)
k = [3,7415 + 7,495 x 10-2 (Tin + Tout/2)] x 10-3 W/m.K (2.24)
Persamaan (2.23) dan (2.24) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan
K4002
K250 ≤+
≤ outin TT
2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)
Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam
saluran bersirip diukur dibawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi
ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai
pengukuran penurunan tekanan, ∆P , sepanjang seksi uji menggunakan persamaan
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∆=
2
2VρDL
Pf
h
t
(2.25)
dimana :
f = faktor gesekan
∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
Lt = panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji (m)
Dh = diameter hidrolik (m)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly
Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan mengorbankan penurunan
tekanan. Banyak aplikasi praktis hal tersebut dibolehkan, sehingga perlu untuk
menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan
pengaruh sirip-sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi overall dari
sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.
Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan
untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini
adalah daya blower. Daya pemompaan blower dapat diukur dari besaran
arus dan tegangan listriknya. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan,
adalah berguna untuk menentukan efektivitas peningkatan perpindahan kalor dari
promotor perpindahan panas dibandingkan dengan permukaan halus, sedemikian
sehingga :
aass PVPV ∆=∆..
. (2.26)
Dimana dan berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa
halangan (blocks) dan dengan halangan, sedangkan sP∆ dan aP∆ berturut-turut
adalah penurunan tekanan tanpa dan dengan halangan. Mengunakan persamaan
Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing
geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus
untuk daya pemompaan yang sama, persamaan (2.26) dapat ditulis ulang menjadi:
33 Re.Re. aass ff = (2.27)
Efisiensi peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan
yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut :
η = (ha/hs)P (2.28)
dimana :
ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m2.K)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m2.K)
Jika nilai η ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas
adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η ≤ 1, energi yang telah
digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang
diperoleh.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
3.2. Alat penelitian
Gambar 3.1. Skema alat penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
a. Saluran udara segiempat (rectangular channel)
Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam dan
luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari saluran udara
segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.
Gambar 3.2. Saluran udara segiempat (rectangular channel) b. Pelurus aliran udara (air flow straightener)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
Pelurus aliran udara terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm, panjang 200
mm yang disusun sedemikian hingga membentuk segiempat dimana dimensi
keseluruhan dari pelurus aliran udara adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.
Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (air flow straightener)
c. Fan hisap
Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga
blower dapat menghisap udara.
Gambar 3.4. Fan hisap
d. Rheostat
Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan
kecepatan udara yang diinginkan.
Gambar 3.5. Rheostat
e. Anemometer
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang masuk
ke dalam saluran udara.
Gambar 3.6. Anemometer
f. Pemanas (heater)
Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm dan
tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan dimensi
panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.
Gambar 3.7. Pemanas listrik (electric heater).
g. Regulator
Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke heater
sehingga temperatur permukaan base plate dapat dijaga konstan pada setiap
variasi kecepatan aliran udara dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
Gambar 3.8. Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater
h. Voltmeter
Voltmeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang
dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang
diinginkan.
Gambar 3.9. Voltmeter
i. Amperemeter
Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang
dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang
diinginkan.
Gambar 3.10. Amperemeter
j. Manometer U
Manometer digunakan untuk mengukur penurunan tekanan udara yang terjadi
antara sisi masuk dan sisi keluar seksi uji. Manometer terbuat dari selang
plastik berdiameter 5 mm yang kedua ujungnya ditempatkan pada awal dan
akhir dari seksi uji, sehingga dapat mengukur besarnya beda tekanan yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
terjadi antara keduanya. Fluida yang digunakan dalam manometer ini adalah
solar.
Gambar 3.11. Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan
k. Termokopel
Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah termokopel
dipasang sebelum seksi uji untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah
termokopel dipasang setelah seksi uji untuk mengukur temperatur udara outlet
dan 9 buah termokopel dipasang pada permukaan base plate untuk mengukur
temperatur permukaan base plate.
Gambar 3.12. Termokopel tipe T
l. Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh sensor
termokopel.
Gambar 3.13. Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji
Gambar 3.14. Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
Gambar 3.15. Display termokopel
3.3. Spesimen
Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi plat dasar (base plate)
panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, yang dipasangi oleh sejumlah
sirip-sirip pin segiempat yang disusun secara selang-seling (staggered) dengan
panjang sisi-sisi sirip 12,70 mm x 12,70 mm dan tinggi sirip 75 mm. Spesimen
sirip pin segiempat dibuat dengan jarak antar titik pusat sirip arah spanwise (Sx)
yang tetap dan divariasi pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise
(Sy), seperti terlihat pada tabel 3.1. Bahan base plate dan sirip-sirip pin segiempat
adalah duralumin.
Gambar 3.16. Dimensi dan tata nama spesimen
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
Gambar 3.17. Model spesimen
Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian
Spesimen Sx (mm) Sy (mm) Sx/D Sy/D Jumlah sirip,(Nf)
1 37,5 25 2,95 1,97 25
2 37,5 30 2,95 2,36 21
3 37,5 37,5 2,95 2,95 18
4 37,5 50 2,95 3,94 14
5 Plat tanpa sirip 0 0 0
Gambar 3.18. Spesimen 1 Gambar 3.19. Spesimen 2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
Gambar 3.20. Spesimen 3 Gambar 3.21. Spesimen 4
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada
temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur permukaan
base plate yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih
dahulu seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode
pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan
hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai kondisi tunak (steady
state). Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan tunak inilah yang
akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan
diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data
temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur permukaan base plate).
3.4.1 Tahap Persiapan
Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti
fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat
pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik.
Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah
terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur
permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar.
3.4.2 Tahap Pengujian
1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.
2. Menghubungkan semua termokopel dengan thermocouple reader.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 oC.
4. Menghidupkan fan hisap.
5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan
menggunakan rheostat.
6. Mengatur temperatur permukaan base plate pada temperatur 60 oC.
7. Mencatat seluruh data temperatur dan beda tinggi fluida manometer (h)
setiap 15 menit sampai didapatkan temperatur steady.
8. Mencatat tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap.
9. Mematikan heater setelah selesai mengambil data.
10. Mematikan fan.
11. Mengulangi langkah percobaan (1) – (10) untuk variasi kecepatan udara
yang lain (1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).
12. Mengulangi langkah percobaan (1) – (11) dengan mengganti spesimen
untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise, Sy yang lain
(30 mm, 37,5 mm dan 50 mm).
13. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip dengan daya
pemompaan yang sama dengan spesimen bersirip.
14. Mematikan alat setelah selesai mengambil semua data.
3.5. Metode Analisis Data
Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara,
temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi
uji, temperatur rata-rata permukaan base plate, beda tinggi fluida manometer
(∆h), serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan blower ,
selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan melakukan perhitungan
terhadap:
a. Laju aliran panas dari heater listrik (Qelect)
b. Laju perpindahan panas konveksi (Qconv)
c. Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata (h)
d. Bilangan Nusselt (Nu)
e. Bilangan Reynolds (Re)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
f. Faktor gesekan (f)
g. Unjuk kerja termal dari susunan sirip-sirip pin segiempat susunan selang-
seling (η)
Setelah melakukan perhitungan besaran diatas untuk setiap variasi berdasar data yang didapat maka selanjutnya dapat disusun grafik hubungan antara :
a) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dengan bilangan
Reynolds (Re)
b) Bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re)
c) Pengaruh jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran udara
(streamwise direction, Sy/D) terhadap bilangan Nusselt (Nu).
d) Penurunan tekanan (∆P) dengan bilangan Reynolds (Re)
e) Faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re)
f) Unjuk kerja termal (η) dengan bilangan Reynolds (Re).
Kemudian berdasarkan dari grafik-grafik yang disusun tersebut dapat
dilakukan analisa karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal untuk setiap variasi kecepatan aliran udara (bilangan Reynolds)
dan jarak antar titik pusat sirip pin dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-
seling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
2.6. Diagram Alir Penelitian
Persiapan: Alat penelitian berupa saluran udara segiempat lengkap dengan seksi uji.
(staggered square pin fin assembly)
Variasi:
• Kecepatan udara; 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s.
• Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran udara (streamwise); 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
Analisis data:
• Laju aliran panas dari listrik (Qelect) • Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) • Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) • Bilangan Reynolds (Re) • Bilangan Nusselt (Nu) • Faktor Gesekan (f) • Unjuk kerja termal staggered square pin fin assembly (η)
Pengambilan data:
• Temperatur udara masuk, temperatur udara keluar dan temperatur permukaan plat dasar
• Beda tinggi fluida manometer (∆h) • Tegangan listrik dan arus listrik yang digunakan
pada fan dan heater
Kesimpulan
Selesai
Hasil analisa untuk tiap variasi data
Mulai
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
BAB IV
DATA DAN ANALISA
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan
jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction)
terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja
termal dari sirip pin segiempat yang disusun selang-seling (staggered) dalam
saluran segiempat.
Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5
m/s – 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara yaitu sebesar
25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang diperoleh dalam pengujian ini,
yaitu kecepatan aliran udara masuk, temperatur udara masuk seksi uji, temperatur
udara keluar seksi uji, temperatur permukaan plat dasar, penurunan tekanan serta
tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem
dijalankan sampai didapatkan temperatur pada kondisi tunak (steady state) pada
tiap variasi pengujian. Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga
tercapai kondisi tunak.
4.1 Data Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta.
Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara
keluar seksi uji, temperatur permukaan plat dasar, penurunan tekanan, kecepatan
aliran udara masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater
dan fan hisap saat pengujian pada kondisi tunak, diperoleh data seperti pada tabel
4.1 – 4.8 di bawah ini :
Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran temperatur udara
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
1. Spesimen 1
Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97)
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 31 51 65 78 88 93 96 97Arus heater (A) 2,14 2,9 4,2 4,7 5,1 5,49 5,5 5,65Tegangan fan (V) 102 114 135 152 174 192 210 240Arus fan (A) 1,2 1,25 1,47 1,7 1,8 1,88 2,08 2,2Beda tinggi fluida manometer (mm) 1,2 1,6 2,8 4 5,3 6,6 7,3 7,9
Tin,1 (oC) 26,1 26,0 26,1 26,1 26,1 26,0 26,1 26,0Tin,2 (oC) 26,2 26,0 26,1 26,0 25,9 26,0 25,9 26,1Tin,3 (oC) 26,1 26,0 26,1 26,0 26,0 26,0 26,0 26,1Tin,rata-rata (oC) 26,1 26,0 26,1 26,0 26,0 26,0 26,0 26,1
Tbase,1 (oC) 57,6 56,7 55,6 55,4 56,2 56,2 56,2 56,1Tbase,2 (oC) 56,3 55,8 55,4 55,5 57,6 57,6 57,4 57,0Tbase,3 (oC) 57,2 56,1 56,2 56,1 57,8 56,6 56,6 57,1Tbase,4 (oC) 59,1 60,4 58,2 59,7 59,2 58,2 57,4 57,3Tbase,5 (oC) 59,2 59,7 60,0 60,1 58,5 59,6 59,3 59,3Tbase,6 (oC) 59,3 58,9 57,8 59,2 58,1 58,4 58,2 58,6Tbase,7 (oC) 64,4 65,2 66,6 65,6 65,4 65,6 65,7 65,4Tbase,8 (oC) 63,4 63,8 65,6 64,8 64,7 64,8 64,5 64,3Tbase,9 (oC) 64,5 64,8 65,4 65,1 65,0 65,1 65,4 65,5Tbase, rata-rata (oC) 60,1 60,2 60,1 60,2 60,3 60,2 60,1 60,1
Tout,1 (oC) 35,9 34,7 34,7 33,6 33,5 32,5 31,8 31,6
Tout,2 (oC) 35,7 34,6 32,5 32,8 32,4 31,6 31,9 31,2Tout,3 (oC) 35,9 35,6 32,7 32,5 32,5 31,6 31,3 31,5Tout,4 (oC) 34,9 34,5 34,8 33,5 32,3 31,9 31,2 31,5Tout,5 (oC) 35,2 34,7 34,5 33,9 33,4 32,5 32,3 31,4Tout, rata-rata (oC) 35,5 34,8 33,8 33,3 32,8 32,0 32,7 31,4
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
2. Spesimen 2
Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36)
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 36 54 62 75 84 90 93 96 Arus heater (A) 2,24 2,67 4,12 4,49 5 5,2 5,3 5,4 Tegangan fan (V) 92 100 110 140 162 180 200 225 Arus fan (A) 1,1 1,2 1,4 1,6 1,75 1,86 1,95 2,15 Beda tinggi fluida manometer (mm)
0,9 1,5 2,4 3,6 4,4 5,6 6 6,6
Tin,1 (oC) 25,9 26,1 26,1 26,1 26,1 26,2 26,1 26,1 Tin,2 (oC) 25,8 26,0 26,1 26,0 26,0 26,1 26,1 26,0 Tin,3 (oC) 25,8 26,0 26,1 26,1 26,0 26,1 26,2 26,1 Tin,rata-rata (oC) 25,8 26,0 26,1 26,1 26,0 26,1 26,2 26,2
Tbase,1 (oC) 56,8 58,3 57,6 57,8 56,6 60,4 56,2 56,2 Tbase,2 (oC) 56,9 56,4 56,8 57,4 57,0 56,6 55,4 55,6 Tbase,3 (oC) 57,2 57,2 58,1 58,0 56,7 64,3 57,2 57,4 Tbase,4 (oC) 59,6 58,6 59,2 59,4 59,1 59 58,1 58,3 Tbase,5 (oC) 59,4 58,0 60,1 60,1 60,2 59,5 59,3 59,5 Tbase,6 (oC) 59,6 58,8 58,3 58,8 58,0 57,1 58,1 58,1 Tbase,7 (oC) 64,2 65,2 64,6 64,6 65,6 62,4 65,7 65,3 Tbase,8 (oC) 63,6 63,7 62,3 62,7 63,7 57,8 64,1 63,8 Tbase,9 (oC) 64,6 64,6 64,1 63,4 65,4 63,3 65,5 65,7 Tbase, rata-rata (oC) 60,2 60,1 60,1 60,2 60,3 60,0 60,0 60,0
Tout,1 (oC) 34,9 34,3 33,6 32,7 32,6 33,8 31,5 31,3 Tout,2 (oC) 33,6 34,2 33,4 32,9 31,9 30 31,2 31,2 Tout,3 (oC) 33,8 34,3 32,6 31,8 30,4 30,6 30,8 30,8 Tout,4 (oC) 36,6 34,4 33,4 33,4 32,6 32,1 31,5 31,2 Tout,5 (oC) 36,3 34,3 34,2 33,4 33,6 34 32,3 31,2 Tout, rata-rata (oC) 35,0 34,3 33,4 32,8 32,2 32,1 31,5 31,1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
3. Spesimen 3
Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,95)
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 35 53 62 72 82 84 88 90 Arus heater (A) 2,16 2,6 3,9 4,5 4,8 5,1 5,15 5,25 Tegangan fan (V) 88 92 110 120 135 155 190 220 Arus fan (A) 1,1 1,15 1,4 1,5 1,65 1,7 1,8 1,96 Beda tinggi fluida manometer (mm)
0,8 1,3 2 2,9 3,8 4,8 5,3 5,6
Tin,1 (oC) 25,9 26,2 26,2 26,2 26,3 26,3 26,3 26,3 Tin,2 (oC) 25,8 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 26,3 26,3 Tin,3 (oC) 25,8 26,2 26,3 26,2 26,3 26,3 26,3 26,3 Tin,rata-rata (oC) 25,8 26,2 26,2 26,2 26,3 26,3 26,3 26,3
Tbase,1 (oC) 59,5 59,0 58,9 58,9 58,0 57,6 57,6 57,3 Tbase,2 (oC) 56,6 58,8 57,8 57,4 57,8 57,4 57,2 57,1 Tbase,3 (oC) 59,2 59,2 58,0 58,2 57,8 57,7 56,9 57,5 Tbase,4 (oC) 59,9 59,9 60,2 59,8 59,6 58,2 58,3 57,4 Tbase,5 (oC) 60,1 59,6 60,8 60,2 60,2 58,4 58,5 58,2 Tbase,6 (oC) 59,8 59,5 60,0 59,2 59,6 57,8 56,6 57,6 Tbase,7 (oC) 61,6 61,6 61,6 62,7 62,6 64,5 65,4 65,0 Tbase,8 (oC) 62,9 62,4 62,8 63,5 63,1 65,1 65,1 65,5 Tbase,9 (oC) 61,7 61,5 62,2 62,0 62,2 64,3 65,2 65,1 Tbase, rata-rata (oC) 60,1 60,2 60,3 60,2 60,1 60,1 60,1 60,1
Tout,1 (oC) 34,1 34,1 33,5 31,8 31,6 31,8 31,7 31,2 Tout,2 (oC) 34,4 33,3 33,5 30,9 31,5 30,4 29,4 29,8 Tout,3 (oC) 34,6 34,2 33,6 31,4 30,8 30,1 30,2 29,4 Tout,4 (oC) 34,9 34,3 33,4 33,4 32,5 32,2 32,4 31,8 Tout,5 (oC) 35,4 34,2 32,5 34,7 33,2 32,6 32,3 32,6 Tout, rata-rata (oC) 34,7 34,0 33,3 32,4 31,9 31,4 31,2 31,0
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
4. Spesimen 4
Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 3,94)
Kecepatan aliran udara (m/s)
0,5 1 2 3 4 5 5,5 6Tegangan heater (V) 26 37 53 60 70 75 78 80Arus heater (A) 1,9 2,5 3,2 4,12 4,25 4,5 4,6 4,65Tegangan fan (V) 80 90 104 119 138 155 185 210Arus fan (A) 1 1,1 1,25 1,4 1,55 1,65 1,8 1,9Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,7 0,9 1,6 2,3 3,2 3,9 4,3 4,6
Tin,1 (oC) 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,1Tin,2 (oC) 26,1 26,1 26,1 26,2 26,1 26,2 26,2 26,0Tin,3 (oC) 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,1 26,1Tin,rata-rata (oC) 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,2 26,1
Tbase,1 (oC) 59,1 58,9 59,1 59,3 58,1 58,5 57,0 56,9Tbase,2 (oC) 59,6 59,3 58,5 57,4 56,7 57,0 55,8 56,6Tbase,3 (oC) 58,7 59,0 59,2 59,2 58,8 58,7 58,4 57,3Tbase,4 (oC) 59,4 59,8 58,3 57,2 56,9 57,4 56,4 58,2Tbase,5 (oC) 60,1 60,0 59,4 58,8 58,7 59,0 58,2 57,9Tbase,6 (oC) 59,5 59,4 58,9 57,4 57,9 58,0 58,1 58,6Tbase,7 (oC) 61,6 61,8 63,2 64,0 65,6 66,7 66,8 66,4Tbase,8 (oC) 60,4 60,9 61,9 63,0 63,7 62,2 65,1 64,1Tbase,9 (oC) 62,1 62,3 63,6 64,4 65,4 64,6 65,9 65,3Tbase, rata-rata (oC) 60,1 60,2 60,2 60,1 60,2 60,2 60,2 60,1
Tout,1 (oC) 31,7 31,4 30,8 30,3 29,7 29,8 29,6 29,5Tout,2 (oC) 31,6 31,6 30,2 30,9 29,1 29,2 28,4 28,6Tout,3 (oC) 31,6 31,4 31,3 29,6 29,7 29,1 28,6 28,8Tout,4 (oC) 31,8 32,2 31,5 31,9 31,4 31,2 31,2 30,3Tout,5 (oC) 32,6 31,3 32,2 32,3 32,3 31,5 31,6 30,4Tout, rata-rata (oC) 31,9 31,6 31,2 31,0 30,4 30,2 29,9 29,5
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
44
5. Spesimen 5
Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 1
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,68 1,57 2,67 3,76 4,8 5,6 6,14 6,7
Tegangan heater (V) 19 26 32 40 45 48 50 52 Arus heater (A) 0,76 1,3 1,85 2,1 2,35 2,5 2,55 2,6 Tegangan fan (V) 102 114 135 152 174 192 212 240 Arus fan (A) 1,2 1,25 1,47 1,7 1,8 1,88 2,08 2,2 Beda tingi fluida manometer (mm) 0,4 0,6 0,7 0,8 1 1,3 1,5 1,7
Tin,1 (oC) 26,0 26,1 26,0 26,0 25,9 25,9 26,0 25,9 Tin,2 (oC) 25,9 26,0 26,0 25,9 25,8 25,9 25,9 25,9 Tin,3 (oC) 25,9 26,1 26,0 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 Tin,rata-rata (oC) 25,9 26,1 26,0 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9
Tbase,1 (oC) 58,1 58,2 58,0 57,9 58,2 57,4 57,9 58,2 Tbase,2 (oC) 58,8 57,9 58,5 57,8 57,9 58,4 59,1 58,7 Tbase,3 (oC) 59,2 59,2 59,3 59,1 59,6 59,6 60,1 59,8 Tbase,4 (oC) 61,2 61,8 62,1 61,4 61,3 62,0 59,0 60,7 Tbase,5 (oC) 60,2 59,8 59,3 59,8 59,3 59,1 59,7 59,3 Tbase,6 (oC) 60,2 59,6 59,1 59,4 59,1 58,3 59,2 57,8 Tbase,7 (oC) 62,5 62,6 62,1 62,6 62,7 64,0 63,8 62,9 Tbase,8 (oC) 60,4 60,1 60,4 61,9 61,2 60,5 61,0 60,7 Tbase,9 (oC) 62,1 62,6 62,2 61,5 62,1 61,7 62,3 62,8 Tbase, rata-rata (oC) 60,3 60,2 60,1 60,2 60,2 60,1 60,2 60,1
Tout,1 (oC) 28,0 28,0 27,9 27,9 27,9 27,6 27,5 27,5 Tout,2 (oC) 26,4 26,4 26,4 26,4 26,4 26,6 26,5 26,5 Tout,3 (oC) 26,3 26,3 26,4 26,4 26,4 26,5 26,5 26,4 Tout,4 (oC) 28,4 27,8 27,5 27,4 27,1 27,2 27,4 27,3 Tout,5 (oC) 28,4 27,9 28,0 28,0 28,0 27,8 27,8 27,6 Tout, rata-rata (oC) 27,4 27,3 27,2 27,2 27,2 27,1 27,1 27,1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
6. Spesimen 5
Tabel 4.6. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 2
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,82 1,31 2,32 3,35 4,46 5,5 6,12 6,5
Tegangan heater (V) 20 26 33 39 44 48 50 52 Arus heater (A) 0,9 1,3 1,85 2,15 2,35 2,5 2,55 2,6 Tegangan fan (V) 92 100 110 140 162 180 200 225 Arus fan (A) 1,1 1,2 1,4 1,6 1,75 1,86 1,95 2,15 Beda tingi fluida manometer (mm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,9 1 1,4 1,6
Tin,1 (oC) 26,2 25,9 25,9 25,8 25,9 25,9 25,9 25,8 Tin,2 (oC) 26,1 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 Tin,3 (oC) 26,1 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 Tin,rata-rata (oC) 26,1 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8
Tbase,1 (oC) 58,6 58,4 57,1 57,0 57,2 57,2 57,3 57,4 Tbase,2 (oC) 58,0 57,9 57,8 57,1 57,8 57,9 57,8 57,7 Tbase,3 (oC) 58,8 58,8 59,4 59,4 58,9 59,1 59,0 58,9 Tbase,4 (oC) 61,9 61,9 62,1 61,5 61,5 61,7 61,8 61,7 Tbase,5 (oC) 59,8 59,7 59,9 59,6 59,4 59,4 59,2 58,9 Tbase,6 (oC) 57,8 57,6 58,1 58,2 58,2 58,1 58,3 58,4 Tbase,7 (oC) 63,1 63,6 63,6 63,7 63,4 63,6 63,9 63,9 Tbase,8 (oC) 60,6 60,3 60,3 61,9 61,6 61,8 61,7 61,5 Tbase,9 (oC) 62,6 62,7 63,1 63,4 63,2 63,2 63,1 62,9 Tbase, rata-rata (oC) 60,1 60,1 60,2 60,2 60,1 60,2 60,2 60,1
Tout,1 (oC) 27,9 28,0 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,6 Tout,2 (oC) 26,6 26,5 26,7 26,6 26,6 26,6 26,6 26,6 Tout,3 (oC) 26,5 26,5 26,6 26,6 26,6 26,5 26,5 26,5 Tout,4 (oC) 28,2 27,8 27,6 27,4 27,2 27,1 26,8 26,7 Tout,5 (oC) 27,9 28,1 28,0 28,0 27,8 27,6 27,6 27,7 Tout, rata-rata (oC) 27,4 27,4 27,3 27,3 27,2 27,1 27,1 27,0
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
7. Spesimen 5
Tabel 4.7. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 3
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,8 1,3 2,30 3,30 4,32 5,28 6,06 6,4
Tegangan heater (V) 21 26 34 38 44 48 50 51 Arus heater (A) 0,9 1,3 1,8 2,2 2,35 2,5 2,63 2,65 Tegangan fan (V) 88 92 110 120 135 155 190 220 Arus fan (A) 1,1 1,15 1,4 1,5 1,65 1,7 1,8 1,96 Beda tingi fluida manometer (mm) 0,2 0,4 0,5 0,7 1 1,1 1,2 1,4
Tin,1 (oC) 26,1 25,9 25,8 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 Tin,2 (oC) 26,0 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 Tin,3 (oC) 26,1 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,9 25,9 Tin,rata-rata (oC) 26,1 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,9 25,9
Tbase,1 (oC) 57,4 57,7 57,4 57,6 57,0 56,8 56,7 56,6 Tbase,2 (oC) 59,0 58,8 58,6 58,5 58,2 58,1 57,9 57,7 Tbase,3 (oC) 58,9 58,9 59,2 59,0 59,2 59,5 59,5 59,5 Tbase,4 (oC) 61,4 61,2 62 61,1 61,2 61,5 61,6 61,4 Tbase,5 (oC) 60,4 59,5 59,5 59,6 59,4 59,2 59,0 58,8 Tbase,6 (oC) 57,9 58,1 58,1 58,6 58,4 58,2 58,0 58,0 Tbase,7 (oC) 63,2 63,5 63,1 63,5 63,3 63,4 64,2 64,2 Tbase,8 (oC) 60,1 60,2 60,3 60,2 60,4 60,4 61,3 61,2 Tbase,9 (oC) 62,6 62,8 62,3 62,8 62,8 62,9 63,3 63,2 Tbase, rata-rata (oC) 60,1 60,1 60,1 60,1 60,0 60,0 60,2 60,1
Tout,1 (oC) 28,0 27,6 27,5 27,5 27,4 27,3 27,5 27,2 Tout,2 (oC) 26,5 26,5 26,6 26,6 26,6 26,6 26,5 26,6 Tout,3 (oC) 26,3 26,4 26,5 26,5 26,5 26,4 26,4 26,4 Tout,4 (oC) 28,0 28,2 28 27,7 27,2 27,0 26,7 26,8 Tout,5 (oC) 28,4 28,4 28,2 28,2 28,5 28,5 28,5 28,6 Tout, rata-rata (oC) 27,4 27,4 27,4 27,3 27,2 27,2 27,1 27,1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
47
8. Spesimen 5
Tabel 4.8. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 4
Kecepatan aliran udara (m/s) 0,58 1,15 2,30 3,47 4,36 5,40 5,85 6,34
Tegangan heater (V) 18 26 32 38 42 46 48 49 Arus heater (A) 0,9 1,20 1,75 2,15 2,4 2,5 2,6 2,65 Tegangan fan (V) 80 90 104 119 138 155 185 210 Arus fan (A) 1 1,1 1,25 1,4 1,55 1,65 1,8 1,9 Beda tingi fluida manometer (mm) 0,2 0,3 0,4 0,6 0,9 1,1 1,2 1,3
Tin,1 (oC) 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 Tin,2 (oC) 25,9 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 Tin,3 (oC) 25,9 25,9 25,9 25,8 25,9 25,9 25,8 25,8 Tin,rata-rata (oC) 25,9 25,9 25,9 25,8 25,8 25,9 25,8 25,8
Tbase,1 (oC) 57,9 58,6 58,4 57,7 57,3 57,3 57,2 57,1 Tbase,2 (oC) 59,0 58,9 58,4 57,9 57,8 57,6 57,4 57,2 Tbase,3 (oC) 59,5 59,1 59,2 59,3 59,4 59,4 59,4 59,3 Tbase,4 (oC) 61,5 61,9 61,8 61,1 61,4 61,5 61,5 61,5 Tbase,5 (oC) 59,8 59,9 59,2 59,4 59,5 59,2 59,1 58,9 Tbase,6 (oC) 58,2 58,0 58,1 58,8 58,6 58,3 58,1 58,0 Tbase,7 (oC) 63,1 63,1 63,2 63,2 63,4 63,8 64,2 64,2 Tbase,8 (oC) 60,2 60,5 60,2 60,3 60,4 60,4 61,5 61,4 Tbase,9 (oC) 62,6 62,6 62,9 63,0 62,6 63,4 63,4 63,3 Tbase, rata-rata (oC) 60,2 60,3 60,2 60,1 60,0 60,1 60,2 60,1
Tout,1 (oC) 28,3 28,2 27,9 27,8 27,5 27,3 27,4 27,1 Tout,2 (oC) 26,6 26,6 26,5 26,6 26,6 26,5 26,5 26,6 Tout,3 (oC) 26,5 26,5 26,5 26,5 26,5 26,5 26,4 26,4 Tout,4 (oC) 27,6 27,4 27,4 27,3 27,2 27,1 26,8 26,4 Tout,5 (oC) 28,4 28,3 28,2 28,0 28,2 28,3 28,3 28,6 Tout, rata-rata (oC) 27,5 27,4 27,3 27,2 27,2 27,1 27,1 27,0
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
48
4.2. Perhitungan Data
Berikut contoh perhitungan untuk spesimen 1 dan spesimen 5
Data spesimen dan seksi uji:
Panjang seksi uji (Lt) = 250 mm = 0,25 m
Tinggi sirip (H) = 75 mm = 0,075 m
Panjang sisi-sisi sirip segiempat = 12,7 mm x 12,7 mm
= 0,0127 m x 0,0127 m
Panjang spesimen (L) = 200 mm = 0,2 m
Lebar spesimen (Wb) = 150 mm = 0,15 m
Contoh perhitungan
1. Spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) pada kecepatan aliran udara 0,5 m/s
Data hasil pengujian:
Tegangan heater = Vh = 31 V Tin, rata-rata = inT = 26,1 oC = 299,1 K
Arus heater = Ih = 2,14 A Tout,, rata-rata = outT = 35,5 oC = 308,5 K
Tegangan fan = Vf = 102 V Tbase, rata-rata = bT = 60,1 oC = 333,1 K
Arus fan = If = 1,2 A
Beda ketinggian fluida manometer = ∆h = 1,2 mm
• Pumping power
ϕcosIVP fffan ..= = 102 V x 1,2 A x 0,8
= 97,92 W
• Temperatur film
( )
2outin
fTT
T+
=
( )2
K308,51,992 +=
K8,303=
• Properti udara
ρ@299,1K = 1,1655994 kg/m3 (tabel Incropera)
( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
49
24 10]8,303107,78185,9[ xxx −+=
kg.KJ 2426,5100=
( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin
32 10]8,30310495,77415,3[ −−+= xxx
m.KW 0,02651131=
( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ
62 10]8,30310483,49934,4[ −−+= xxx
m.skg86137540,00001=
• Luas penampang melintang saluran udara
bWHA .=
m0,15xm0,075=
2m0,01125=
• Luas total permukaan perpindahan panas
As = Wb.L + 2(a+b).H.Nf – (a.b).Nf
25m)(0,016129-25x075,0)0127,00127,0(2m0,2xm0,15 2 xxmm ++=
2m210,1=
• Diameter hidrolik saluran udara
PADh
4=
( )b
b
WHWH+
=2
..4
( )m0,15m0,075x2m0,15xm0,075x4
+=
m0,1=
• Laju aliran panas dari heater
ϕcos.I.VQ hhelect =
1xA14,2xV31=
66,34Watt=
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
50
• Laju aliran massa udara VAm ..ρ=&
sm0,5xm01125,0xmkg1655994,1 23=
skg0,00655=
• Laju perpindahan panas konveksi
( )inoutpconv TTCmQ −= ..&
( )K299,1308,5xkg.KJ4261005,2xskg0,006554 −=
W93,61=
• Heat losses yang terjadi pada seksi uji
%100xQ
QQQ
conv
convelectloss
−=
%100xW93,61
W93,6166,34W −=
%12,7=
• Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutpa TTTA
TTCmh
+−
−=
&
( )( )( )[ ]2K1,9925,083K1,333xm121,0
K1,9925,083kg.KJ2426,0051xskg 006554,02 +−
−=
.KmW468,17 2=
• Bilangan Nusselt
Duct Nusselt number
kDh
Nu ha .=
m.K W0,02651131
m0,1x.KmW468,17 22
=
89,65=
• Bilangan Reynolds
Duct Reynolds number
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
51
µρ hDVRe ..
=
m.skg 540000186127,0
m0,1xsm0,5xmkg 1655994,1 23
=
19,3131=
• Penurunan tekanan
hgP ..ρ=∆
m0012,0sm81,9mkg800 23 xx=
Pa42,9=
• Faktor gesekan
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∆=
2
2VρDL
Pf
h
t
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2sm5,0mkg1655994,1
m1,0m25,0
Pa9,422
3 x
86,25= 2. Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 97,92 W
Data hasil pengujian:
Tegangan heater = Vh = 19 V Tin, rata-rata = inT = 25,9 oC = 298,9 K
Arus heater = Ih = 0,76 A Tout,, rata-rata = outT = 27,4 oC = 300,4 K
Tegangan fan = Vf = 102 V Tbase, rata-rata = bT = 60,3 oC = 333,3 K
Arus fan = If = 1,2 A
Beda tekanan ketinggian fluida manometer = h = 0,4 mm
• Temperatur film
( )
2outin
fTT
T+
=
( )2
K4,3009,982 +=
= 299,65 K
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
52
• Properti udara
ρ@298,9K = 1,16650326 kg/m3 (tabel Incropera)
( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −
24 10]65,299107,78185,9[ xxx −+=
kg.KJ923,0041=
( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin
32 10]65,29910495,77415,3[ −−+= xxx
m.KW026200267,0=
( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ
62 10]65,29910483,49934,4[ −−+= xxx
m.skg842670,00001=
• Luas penampang melintang saluran udara
bWHA .=
m0,15.m0,075=
2m0,01125=
• Luas total permukaan perpindahan panas
bs WLA .=
m0,15xm0,2=
2m0,03=
• Diameter hidrolik saluran udara
PADh
4=
( )b
b
WHWH+
=2
..4
( )m0,15m0,075x2m0,15xm0,075x4
+=
m0,1=
• Laju aliran panas dari heater
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
53
ϕcos.I.VQ hhelect =
1xA76,0xV19=
W44,14=
• Laju aliran massa udara VAm ..ρ=&
sm68,0xm01125,0xmkg1,16650326 23=
skg0,00892375=
• Perpindahan panas konveksi
( )inoutpconv TTCmQ −= ..&
( )K298,9-300,4xkg.KJ1004,923xskg8923750,00=
W45,13=
• Heat loss yang terjadi
%100xQ
QQQ
conv
convelectloss
−=
%100x3,45W1
W45,134,44W1 −=
%36,7=
• Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutps TTTA
TTCmh
+−
−=
&
( )( )( )[ ]2K298,94,003K3,333xm0,03
K9,9824,003kg.KJ923,0041xskg0,00892 +−
−=
.KmW289,13 2=
• Bilangan Reynolds
Duct Reynolds number
µρ hDV
Re..
=
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
54
m.skg0000184267,0
m0,1xsm0,68xmkg16650326,1 23
=
744,4304=
• Bilangan Nusselt
Duct Nusselt number
kDh
Nu hs .=
m.K7W0,02620026
m0,1x.KmW3,2891 22
=
= 50,72
• Penurunan tekanan
hgP ..ρ=∆
m0004,0sm81,9mkg800 23 xx=
Pa1392,3=
• Faktor gesekan
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
∆2Vρ
DL
Pf
h
t
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2sm68,0mkg16650326,1
m1,0m25,0
3,1392Pa2
3 x
6559,4= • Unjuk kerja termal pada pin-fin array
( ) psa hh=η
.KmW289,13.KmW468,17
2
2
=
31447,1=
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
55
4.3 Analisis Data
4.3.1. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas
Sirip-sirip pin segiempat dipasang secara vertikal pada permukaan base
plate sehingga mempunyai nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin
segiempat dalam arah streamwise dengan panjang sisi sirip (Sy/D) untuk susunan
sirip selang-seling Sy/D, sebesar 1,97, 2,36, 2,95 dan 3,94, sedangkan nilai
perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin segiempat dalam arah spanwise
dengan panjang sisi, Sx/D, konstan sebesar 2,95. Pengaruh bilangan Reynolds
terhadap karakteristik perpindahan panas pada sirip-sirip pin segiempat susunan
selang-seling dapat dilihat pada gambar 4.2. Karakteristik perpindahan panas pada
sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dapat dilihat dari hubungan antara
duct Nusselt number dan duct Reynolds number.
Gambar 4.2 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt
pada Sx/D = 2,95
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
56
Dari gambar 4.2 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap
bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise (Sy/D)
yang berbeda-beda untuk sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling. Dari
gambar 4.2 dapat dilihat bahwa bilanga Nusselt rata-rata meningkat dengan
kenaikan bilangan Reynolds, hal ini terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D.
Peningkatan perpindahan panas ini berasal dari penurunan tebal lapis batas
(boundary layer) dengan kenaikan laju aliran udara (Bilen, 2002). Dari fenomena
ini terlihat bahwa bilangan Reynolds berpengaruh kuat pada laju perpindahan
panas.
Gambar 4.3 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan
panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95 Gambar 4.3 menunjukkan kelakuan koefisien perpindahan panas konveksi
rata-rata terhadap bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah
streamwise yang berbeda. Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan
bilangan Reynolds, maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h)
semakin besar. Hal ini terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D. Semakin besar nilai
koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, semakin besar laju perpindahan
panas konveksi yang terjadi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
57
Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt
pada Sx/D = 2,95
Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap Sy/D
pada bilangan Reynolds yang berbeda-beda untuk sirip pin segiempat susunan
selang-seling. Dari gambar 4.4 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D mempunyai
pengaruh yang sedang (moderate effect) terhadap perpindahan panas (Nu).
Bilangan Nusselt naik sedikit dengan kenaikan Sy/D, mencapai maksimum pada
Sy/D = 2,95 dan kemudian menurun dengan kenaikan Sy/D. Fenomena ini serupa
dengan penelitian terdahulu (Bilen,2000,2002).
Sirip-sirip pin, setelah baris pertama dari susunan sirip, adalah dalam jalur
turbulen dari aliran bagian depan sirip-sirip pin (upstream pin fins). Untuk nilai Sy
yang sedang (moderate), koefisien konveksi yang berkaitan dengan aliran di baris
sirip bagian belakang (downstream row) dipertinggi sebagai hasil aliran turbulen.
Akan tetapi, untuk nilai Sy yang kecil, baris-baris di bagian depan (upstream rows)
akan menghalangi laju aliran udara pada baris-baris di bagian belakang
(downnstream rows) dan laju perpindahan panas akan berkurang (Babus’Haq,
R.F., 1995). Sehingga, lintasan aliran yang diinginkan (prefered flowpath) dalam
jalur antara sirip-sirip pin, sangat banyak permukaan sirip-sirip pin tidak terkena
aliran utama (main flow) terutama pada baris-baris bagian belakang.
Dari data-data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk
karakteristik perpindahan panas dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
58
seling. Korelasi antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re),
jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai
sebagai berikut :
Nu = 0,232 Re 0,686 (Sy/L)-0,187 (4.1)
Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range
bilangan Reynolds 3.131 ≤ Re ≤ 37.460, L/Dh = 2 dan 1,97 ≤ Sy/D ≤ 3,94
4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan
Pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah
streamwise terhadap penurunan tekanan (pressure drop) dan faktor gesekan dari
sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling berturut-turut dapat dilihat pada
gambar 4.5 dan 4.6. Kelakuan penurunan tekanan (∆P) terhadap bilangan
Reynolds (Re) serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al
(2007). Dari gambar 4.5 dapat dilihat bahwa penambahan sirip-sirip pin segiempat
dengan susunan selang-seling, menyebabkan penurunan tekanan (pressure drop)
yang signifikan dibandingkan dengan permukaan tanpa sirip-sirip (smooth
surface). Kelakuan faktor gesekan terhadap bilangan Reynolds pada gambar 4.6
serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kakac et al (1987). Nilai
penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) akan semakin menurun dengan
kenaikan nilai Sy/D. Hal ini disebabkan dengan semakin besar nilai Sy/D, maka
jumlah sirip-sirip pin segiempat akan semakin berkurang, sehingga tahanan
terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen, 2002).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
59
Gambar 4.5 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95.
Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D lebih berpengaruh
dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f). Hal ini
menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya
nilai Sy/D pada dasarnya disebabkan karena meningkatnya luas permukaan
halangan dan efek halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip-sirip
pin segiempat.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
60
Gambar 4.6 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan
pada Sx/D = 2,95
Dari data-data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor
gesekan (f) yang dihasilkan oleh sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling
dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang
spesimen uji (L) sebagai berikut
f = 5,905E5Re-1,467 (Sy/L) -0,817 (4.2)
Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.2) berlaku valid untuk range bilangan
Reynolds 3.131 ≤ Re ≤ 37.460, L/Dh = 2 dan 1,97 ≤ Sy/D ≤ 3,94
4.3.3. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal Dari data penelitian dapat diambil kesimpulan mengenai pengaruh
bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise terhadap
unjuk kerja umum dari sistem dan dapat dievaluasi perolehan energi netto karena
penambahan sirip-sirip. Peningkatan perpindahan panas disertai oleh kenaikan
penurunan tekanan yang signifikan, dimana dapat mengeliminasi perolehan energi
karena peningkatan laju perpindahan panas. Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
61
unjuk kerja termal menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan
perolehan energi netto karena adanya penambahan sirip-sirip.
Gambar 4.7 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal
pada Sx/D = 2,95
Pada gambar 4.7 menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (η)
dengan bilangan Reynolds (Re) pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah
streamwise (Sy/D) yang berbeda-beda untuk sirip-sirip pin segiempat susunan
selang-seling. Perlu ditekankan lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto
yaitu untuk perpindahan panas yang efektif, nilai η harus lebih besar dari 1 (batas
ambang perolehan energi).
Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai η menurun dengan kenaikan
bilangan Reynolds (Re), dimana nilai η bervariasi antara 1,16 dan 1,39 untuk
keseluruhan Sy/D dan Re yang diteliti. Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa pada
Sy/D = 2.95 menghasilkan unjuk kerja termal yang paling tinggi untuk
keseluruhan Re, sehingga direkomendasikan penggunaan sirip-sirip pin segiempat
susunan selang-seling dengan nilai Sy/D = 2.95 untuk memperbaiki unjuk kerja
suatu sistem. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 39% untuk nilai Sy/D =
2,95 pada Re = 3.095.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
62
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan analisis data dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan
mengenai pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dalam
saluran segiempat sebagai berikut :
1. Sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling meningkatkan laju
perpindahan panas dari permukaan plat dasar sebagai hasil dari kenaikan
luasan permukaan perpindahan panas dan turbulensi, tetapi disertai dengan
penurunan tekanan yang lebih besar dalam saluran segiempat.
2. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas tetapi
kenaikan nilai Sy/D meningkatkan perpindahan panas dari h = 17,5 .KmW 2
pada Sy/D = 1,97 hingga h = 121,5 .KmW 2 pada Sy/D = 2,95 setelah itu
kenaikan nilai Sy/D lebih lanjut akan menyebabkan penurunan perpindahan
panas. Penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) meningkat seiring
dengan berkurangnya nilai Sy/D.
3. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) akan menurunkan unjuk kerja termal (η)
untuk keseluruhan nilai Sy/D. Sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling
dapat mencapai perolehan energi netto hingga 39% untuk nilai Sy/D = 2,95
pada Re = 3.095.
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman yang diperoleh dari penelitian tentang pengujian
karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada sirip-sirip pin
segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat ini, direkomendasikan
beberapa saran sebagai berikut :
1. Temperatur udara lingkungan perlu dijaga dengan baik agar temperatur udara
masuk saluran dapat lebih stabil, karena perbedaan temperatur udara
lingkungan yang terlalu tinggi sangat berpengaruh terhadap hasil percobaan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
63
2. Peningkatan kualitas pendingin ruangan dan pengadaan pemanas ruangan agar
temperatur ruangan yang dikehendaki untuk pengambilan data dapat tercapai
dalam semua kondisi cuaca.
3. Perlu adanya pengembangan penelitian mengenai pengaruh variasi geometri,
jarak antar titik pusat pin terhadap perpindahan panas dan penurunan tekanan
serta unjuk kerja termal dari susunan sirip-sirip pin.