Post on 06-Feb-2018
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN
PERSEGI DENGAN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN
PERSEGI DENGAN CLASSIC TWISTED TAPE DAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
BROTO KUNCORO NIM: I0406019
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2011
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN
PERFORATED
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA
KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN CLASSIC TWISTED TAPE DAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT
Disusun oleh :
Broto Kuncoro NIM. I0406019
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 19700911 200003 1001
Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, ST., MT NIP. 19700911 200003 1001
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari 1. Zainal Arifin, ST., MT …………………………
NIP. 19730308 200005 1001 2. Ir. Augustinus Sujono., MT ………………………...
NIP. 19511001 198503 1001
3. Zainal Arifin, ST., MT ………………………... NIP. 19730308 200005 1001
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Didik Djoko Susilo, ST., MT Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT NIP. 19720313 199702 1001 NIP. 19720229 200012 1001
Dosen Pembimbing II
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
MOTTO
“Kesabaran dan totalitas merupakan kunci untuk menyelesaikan setiap persoalan”
(Penulis)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi Dengan Classic Twisted Tape Insert dan
Perforated Twisted Tape Insert
Broto Kuncoro Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
E-mail : broto.kuncoro@gmail.com
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor saluran persegi dengan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert. Seksi uji adalah sebuah penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan pipa dalam dan pipa luar terbuat dari aluminium. Dimensi pipa luar; panjang sisi luar 23,05 mm x 23,05 mm, dan panjang sisi dalam 21,75 mm x 21,75 mm, dan pipa dalam; panjang sisi luar 18,50 mm x 18,50 mm, dan panjang sisi dalam 17,20 mm x 17,20 mm. Panjang penukar kalor 1.998 mm dan jarak pengukuran beda tekanan di pipa dalam 2.018 mm. Aliran di pipa dalam dan di annulus adalah berlawanan arah. Fluida kerja yang digunakan adalah air panas di pipa dalam dimana temperatur masukannya dipertahankan pada 60 oC, dan air dingin di annulus dengan temperatur masukan pada ± 28oC. Classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert masing-masing dengan nilai twist ratio 4,0 terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal 0,76 mm, lebar 12,61 mm yang dipuntir membentuk pilinan dengan panjang pitch sebesar 50,35 mm. Perforated twisted tape insert I dan II dilubangi dengan diameter lubang berturut-turut sebesar 4 mm dan 6,5 mm, dimana jarak antar pusat lubang sebesar 4 mm. Twisted tape insert dipasang di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik.
Hasil penelitian menunjukan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I dan perforated twisted tape insert II di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar 40,83 %, 16,80% dan 31% daripada pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube). Pada daya pemompaan yang sama, angka Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut meningkat sebesar 27,21%, 12,41% dan 15,07% dibandingkan plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II menaikkan faktor gesekan rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 3,19, 1,89, dan 2,71 kali lebih tinggi daripada plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam 4,51, 1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Unjuk kerja termal rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut adalah 1,26, 1,13, dan 1,11. Kata kunci : bilangan Nusselt, bilangan Reynolds, classic twisted tape insert, faktor
gesekan, perforated twisted tape insert
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of The Rectangular Channel Concentric Tube Heat Exchanger With Classic Twisted
Tape Insert and Perforated Twisted Tape Insert
Broto Kuncoro Departement of Mechanical Engineering
Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia
E-mail : broto.kuncoro@gmail.com
Abstract
The research was conducted to examine the characteristics of heat transfer and friction factor in the rectangular channel heat exchanger with a classic twisted tape inserts and perforated twisted tape insert. Test section was the single pass concentric tube heat exchanger with inner tube and outer tube made of aluminum. The dimensions of the outer tube were 23.05 mm x 23.05 mm for the outer side and 21.75 mm x 21.75 mm for the inner side, whereas the dimensions of the inner tube were 18.50 mm x 18.50 mm for the outer side and 17.20 mm x 17.20 mm for the inner side. The length of heat exchanger was 1,998 mm and the length of pressure difference measurement in the inner tube was 2,018 mm. Flows in the inner tube and in annulus were in opposite directions. Working fluid in the inner tube was hot water which its inlet temperature was maintained at 60°C, whereas in the annulus was cold water at ± 28oC. Both of classic twisted tape insert and perforated twisted tape insert with a twist ratio of 4.0 were made of aluminum strips with a thickness of 0.76 mm and width of 12.61 mm which it was twisted so forming twist with the length of pitch was 50.35 mm. Perforated twisted tape inserts I and II were punched with hole diameter of 4 mm and 6.5 mm, respectively, where the distance between the center hole of 4 mm. Twisted tape insert installed in the inner tube of the concentric tube heat exchanger.
The results showed that at the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II in the inner tube increasing the average Nusselt numbers were 40.83 %, 16.80%, and 31% than the inner tube without a twisted tape insert (plain tube), respectively. At the same pumping power, the average Nusselt number in the inner tube with classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, and perforated twisted tape insert II increased 27.21%, 12.41%, and 15.07% than the plain tube, respectively. At the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II in the inner tube increased the average friction factor 3.19, 1.89, and 2.71 times than plain tube, respectively. At the same pumping power , the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II the average friction factor increased 4.51, 1.85, and 3.41 times than plain tube, respectively. The average thermal performance of inner tube with the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II were 1.26, 1.13, and 1.11, respectively.
Keywords : Nusselt number, Reynolds number, classic twisted tape, friction factor,
perforated twisted tape.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
Persembahan Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan,
akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis persempersempersempersembbbbahkan untuk:ahkan untuk:ahkan untuk:ahkan untuk:
Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk selama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesai
Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini yang tyang tyang tyang telah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untuk kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.
Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Mas Eko MargMas Eko MargMas Eko MargMas Eko Margonoonoonoono, Mb. , Mb. , Mb. , Mb. TiniTiniTiniTini, Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. Dwi Dwi Dwi Dwi ErwantiErwantiErwantiErwanti, , , , Mas Mas Mas Mas Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Tri AstutiTri AstutiTri AstutiTri Astuti, Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan;
Asri Kusuma Asri Kusuma Asri Kusuma Asri Kusuma
PakPakPakPak. . . . Wibawa E.J. Wibawa E.J. Wibawa E.J. Wibawa E.J. dan dan dan dan pak Tri istanto (pak Tri istanto (pak Tri istanto (pak Tri istanto (Mr. 3GMr. 3GMr. 3GMr. 3G)))), yang telah membimbing , yang telah membimbing , yang telah membimbing , yang telah membimbing dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu sertasertasertaserta pemikiranyapemikiranyapemikiranyapemikiranya
Konco Konco Konco Konco ––––konco konco konco konco skripsiskripsiskripsiskripsi “twist“twist“twist“twisterererer clubclubclubclub”””” yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, semangat dan pemberanisemangat dan pemberanisemangat dan pemberanisemangat dan pemberani
Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “limied editionlimied editionlimied editionlimied edition””””
Almamater tercintaAlmamater tercintaAlmamater tercintaAlmamater tercinta
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, segala puji hanya tercurah kehadirat Allah SWT, Tuhan
Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis
dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Pengujian Karakteristik
Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik
Saluran Persegi Dengan Classic Twisted Tape Dan Perforated Twisted Tape
Insert” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih
yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam
menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS
Surakarta.
2. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya
hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
3. Bapak Tri Istanto, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan
bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak Purwadi Joko W, ST. Mkom, selaku Pembimbing Akademis yang telah
menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di
Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir
6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Bapak, Ibu, Mas Eko, Mbak Tini, Mbak dwi, Mas Kelik, Mbak Tuti, Mas Roy
dan adik Asri, atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun
spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
8. Teman Skripsi Usman Latif, Wahyu Aris, Kurniawan Wisnu, Fatchurahman
Septian, Safi’i Muhammad, dan Pamungkas wiyoko bagus.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
9. Kerehore foundation Danu bejo, ipank kusuma, Endra William beserta
keluarga, Reza Ejayona, Rico cancel dan andri nyong.
10. Teman-teman limited edition angkatan 2006
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 judul ...................................................................................................... i
Halaman Surat Penugasan .................................................................................... ii
Halaman Pengesahan ........................................................................................... iii
Halaman Motto ..................................................................................................... iv
Halaman Abstrak .................................................................................................. v
Halaman Persembahan ......................................................................................... vii
Kata Pengantar ..................................................................................................... viii
Daftar isi ............................................................................................................... x
Daftar Tabel ......................................................................................................... xiii
Daftar Gambar ...................................................................................................... xiv
Daftar Notasi ........................................................................................................ xviii
Daftar Lampiran ................................................................................................... xxi
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah .................................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah ........................................................................... 3
1.3. Batasan Masalah ................................................................................ 3
1.4. Tujuan dan Manfaat .......................................................................... 4
1.5. Sistematika Penulisan ........................................................................ 5
BAB II LANDASAN TEORI
2.1.Tinjauan Pustaka ............................................................................... 6
2.2.Dasar Teori ........................................................................................ 10
2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ........................................................ 10
2.2.2. Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) ............... 11
2.2.2.1. Kondisi aliran ........................................................... 11
2.2.2.2. Kecepatan rata–rata (mean velocity) ......................... 13
2.2.2.3. Temperatur rata – rata ............................................... 13
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xi
2.2.2.4. Penukar Kalor ........................................................... 14
2.2.2.5. Parameter Tanpa Dimensi ........................................ 18
2.2.2.6. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada
Penukar Kalor ........................................................... 19
2.2.2.7. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) .............. 25
2.2.2.8. Karakteristik Perpindahan Panas dan
Faktor Gesekan ......................................................... 31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian ......................................................................... 47
3.2 Bahan Penelitian ........................................................................... 47
3.3 Alat Penelitian .............................................................................. 47
3.4 Prosedur Penelitian ....................................................................... 64
3.4.1. Tahap Persiapan .................................................................. 64
3.4.2. Tahap Pengujian ................................................................. 64
3.4.2.1. Pada Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert .... 64
3.4.2.2. Pada Penukar Kalor Dengan Twisted Tape Insert . 65
3.5 Metode Analisis Data ................................................................... 67
3.6 Diagram Alir Penelitian ................................................................ 68
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1. Data Hasil Pengujian .................................................................... 69
4.2. Perhitungan Data .......................................................................... 74
4.2.1. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju
aliran volume 4,5 LPM pada variasi tanpa insert ............ 75
4.2.2. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju
aliran volume 4,5 LPM dengan perforated twisted tape
insert I ............................................................................... 81
4.2.3. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju
Aliran volume 4,5 LPM dengan perforated twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xii
insert II .............................................................................. 86
4.2.4. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju
aliran volume 4,5 LPM dengan classic twisted tape
insert ................................................................................. 90
4.2.5. Pumping power ................................................................. 95
4.2.6. Menentukan hi, η, Re, Nui, f, ε, NTU pada daya
Pemompaan yang sama...................................................... 96
4.3. Analisis Data
4.3.1 Uji Validitas pipa dalam tanpa twisted tape insert ............. 106
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert
terhadap karakteristik perpindahan panas .......................... 108
4.3.3 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap
unjuk kerja termal ............................................................... 112
4.3.4 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap
rasio bilangan Nusselt ......................................................... 114
4.3.5 Pengaruh twisted tape insert terhadap Efektivenes
penukar kalor (ε) ................................................................. 115
4.3.6 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert
penurunan tekanan ............................................................. 117
4.3.7 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert
terhadap faktor gesekan (ƒ) ................................................ 118
4.3.8 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert
dengan rasio faktor gesekan (ƒ/ƒp) ................................... 120
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 122
5.2. Saran .............................................................................................. 123
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 125
LAMPIRAN ......................................................................................................... 126
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Spesifikasi pompa DAB .................................................................................. 58
Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa
dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube). ................................ 70
Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam
dengan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm) ................... 71
Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam
dengan perforated twisted tape insert II (diameter lubang 4 mm) .................... 72
Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam
dengan variasi classic twisted tape insert ....................................................... 73
Tabel 4.5. Data pengujian pumping power penukar kalor saluran persegi dengan
twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube) ........................... 95
Tabel 4.6. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert
dan tanpa twisted tape insert pada pumping power yang sama ......................... 103
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. (a) Classic twisted tape ; (b) Perforated twisted tape;
(c) Notched twisted tape ; (d) Jagged twisted tape ...................... 9
Gambar 2.2. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa. ..................................................... 12
Gambar 2.3. Profil temperatur aktual dan rata–rata pada aliran dalam pipa ..... 13
Gambar 2.4. (a) arah aliran fluida ; (b) perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor searah ..................................................................... 14
Gambar 2.5. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor berlawanan arah ..................................................... 15
Gambar 2.6 . Penukar kalor pipa konsentrik saluran perseggi ........................... 16
Gambar 2.7. Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar
kalor pipa konsentrik saluran persegi ........................................... 17
Gambar 2.8. Jenis-jenis peralatan tube insert .................................................... 22
Gambar 2.9. Jenis-jenis twisted tape; (a) full-length twisted tape,
(b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying
pitch full-length twisted tape ......................................................... 25
Gambar 2.10. Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted
tape, (b) perforated twisted tape, (c) notched twisted tape,
(d) jagged twisted tape ................................................................. 26
Gambar 2.11. Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio .......................... 26
Gambar 2.12. (a) Typical twisted tape ; (b) C-CC twisted tape dengan θ = 30o
(c) C-CC twisted tape dengan θ = 60o ; (d) C-CC twisted tape
dengan θ = 90o .............................................................................. 27
Gambar 2.13. (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs)
dan (c) twin counter twisted tapes (CTs) ...................................... 27
Gambar 2.14. Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre
wing and alternate-axis ................................................................ 28
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xv
Gambar 2.15. (a) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration
width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge (STT) at
various serration width depth ratios, d/W .................................... 29
Gambar 2.16. (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd
tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth,
(d) Detail A dari gambar ............................................................... 29
Gambar 2.17. Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted
tape with alternate axis, (a) pandangan depan,
(b) pandangan isometric ............................................................... 30
Gambar 2.18. (a) Straight delta-winglet twisted tapes (S-DWT)
(b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT) ........................ 30
Gambar 2.19. Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ......................... 31
Gambar 2.20. Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan
twisted tape insert ......................................................................... 37
Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah .... 43
Gambar 2.22. Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor
pipa konsentrik ............................................................................. 44
Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted
tape insert ..................................................................................... 48
Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan ....................... 49
Gambar 3.3. Penukar kalor tanpa twisted tape insert ........................................ 49
Gambar 3.4. Penukar kalor dengan classic twisted tape insert ......................... 49
Gambar 3.5. Penukar kalor dengan perforated twisted tape insert ................... 50
Gambar 3.6. (a) Classic twisted tape insert, (b) Perforated twisted tape insert
dengan lubang 4 mm, (c) Perforated twisted tape insert dengan
lubang 6,5 mm .............................................................................. 50
Gambar 3.7. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses
Pembubutan .................................................................................. 51
Gambar 3.8. Instalasi alat penelitian tampak depan .......................................... 52
Gambar 3.9. Instalasi alat penelitian tampak belakang ..................................... 52
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xvi
Gambar 3.10. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan ...................... 54
Gambar 3.11. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang ................. 55
Gambar 3.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping .................. 56
Gambar 3.13. (a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel
tipe-K ............................................................................................ 56
Gambar 3.14. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air
masuk dan keluar di inner tube dan outer tube ............................ 57
Gambar 3.15. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur
dinding luar pipa dalam ................................................................ 57
Gambar 3.16. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik
pemasangan .................................................................................. 57
Gambar 3.17 Thermocouple reader ................................................................... 58
Gambar 3.18. Pompa sentrifugal (a) pompa air panas ; (b) pompa air dingin .... 58
Gambar 3.19. (a) Tangki air dingin ; (b) tangki air panas ................................... 59
Gambar 3.20 Flowmeter ..................................................................................... 60
Gambar 3.21. Penjebak air .................................................................................. 60
Gambar 3.22. Manometer .................................................................................... 61
Gambar 3.23. Stop kran ....................................................................................... 61
Gambar 3.24. Ball valve ...................................................................................... 62
Gambar 3.25. Temperature controller ................................................................ 62
Gambar 3.26. Pemanas air elektrik ..................................................................... 63
Gambar 3.27. Stopwatch ..................................................................................... 63
Gambar 3.28. Timbangan digital ......................................................................... 63
Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik
saluran persegi .............................................................................. 74
Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi
rata-rata di pipa dalam dengan pumping power ........................... 96
Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam
dengan pumping power ................................................................. 98
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xvii
Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
dengan pumping power ................................................................. 99
Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan
pumping power ............................................................................. 100
Gambar 4.6. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan
pumping power ................................................................................. 101
Gambar 4.7. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan pumping power .............. 102
Gambar 4.8. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube ........................ 106
Gambar 4.9. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk
plain tube ...................................................................................... 108
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara Nui dengan Re ....................................... 109
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan
yang sama ..................................................................................... 111
Gambar 4.12. Grafik hubungan η dengan Re pada daya pemompaan
yang sama ..................................................................................... 113
Gambar 4.13 Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan
yang sama ..................................................................................... 115
Gambar 4.14 Grafik hubungan ε penukar kalor dengan NTU ........................... 115
Gambar 4.15. Grafik hubungan ∆P dengan Re pada daya pemompaan
yang sama ..................................................................................... 117
Gambar 4.16. Grafik hubungan f dengan Re ....................................................... 119
Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan
yang sama ..................................................................................... 120
Gambar 4.18 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan sama .... 120
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xviii
DAFTAR NOTASI
2a = Panjang sisi dalam pipa dalam (m)
2b = Panjang sisi luar pipa dalam (m)
2c = Panjang sisi dalam pipa luar (m)
2d = Panjang sisi luar pipa luar (m)
Ac = Luas penampang melintang aliran (m2)
A i = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)
As = Luas perpindahan panas (m2)
Cp,o = Panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Cp,h = Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
di = Diameter dalam pipa dalam (m)
Dh,i = Diameter hidrolik pipa dalam (m)
Dh,o = Diameter hidrolik annulus (m)
D = diameter dalam pipa dalam (m)
di = Diameter dalam pipa (m)
Dh = Diameter hidrolik (m)
f = Faktor gesekan
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
H = Panjang pitch twisted tape insert (m)
hi = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)
ho = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
hp = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape
insert (W/m2.oC)
hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert (W/m2.oC)
ki = Konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
ko = Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
L = Panjang pipa (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xix
Lt = Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)
�� �,� = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
�� � = Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Nui = Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
p = Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
p = Keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)
pp = Daya pemompaan konstan
Pr = Bilangan Prandtl
Q = Laju perpindahan panas (W)
Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)
Qh = Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Re = Bilangan Reynolds
Red = Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
t = Tebal twisted tape insert (m)
Tc,in = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,out = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Th,in = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,out = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Tb,i = Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam (oC)
Tb,o = Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC)
��, = Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)
��,� = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
uc = Kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)
um = Kecepatan rata–rata fluida (m/s)
usw = Kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)
s = Swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)
Sw = Swirl number
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user xx
Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa
dalam (W/m2.oC)
ν = Viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)
V = Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
� = Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)
y = Twist ratio
Greek symbol
α = Sudut heliks (o)
∆h = Beda ketinggian fluida manometer (m)
∆P = Penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)
∆T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet kalor (oC).
∆T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor (oC)
∆TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature
different) (oC)
µ = Viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
µ i = Viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)
µw = Viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)
η = Efisiensi peningkatan perpindahan panas
ρ = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
ρi = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
ρm = Densitas fluida manometer (kg/m3)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xxi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran A. Data hasil pengujian ............................................................... 128
Lampiran B. Hasil perhitungan penukar kalor tanpa dan dengan twisted
tape insert ............................................................................... 132
Lampiran C. Hasil perhitungan penukar kalor dengan dan tanpa twisted
tape insert pada pumping power sama .................................. 145
Lampiran D. Tabel Kondukivitas thermal material ...................................... 148
Lampiran E. Properties air .......................................................................... 149
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi untuk meningkatkan
perpindahan panas (heat transfer enhancement technology) pada penukar kalor
banyak dikembangkan dan dipergunakan pada beberapa aplikasi penukar kalor
antara lain pada sistem pendingin, otomotif, proses industri, dan pemanas air
tenaga surya. Tujuan utama dari peningkatan perpindahan panas adalah untuk
mengakomodasi fluks panas atau koefisien perpindahan panas yang tinggi.
Sampai saat ini, telah banyak percobaan untuk mengurangi ukuran dan biaya dari
sebuah penukar kalor. Variabel-variabel yang paling signifikan dalam
pengurangan ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor pada dasarnya adalah
koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan (pressure drop). Penurunan
tekanan ini sangat berpengaruh terhadap besarnya energi dari pompa yang
digunakan untuk mengalirkan fluida tersebut atau yang biasa disebut dengan daya
pemompaan (pumping power).
Peningkatan perpindahan panas dalam penukar kalor dapat dicapai dengan
banyak teknik, dan teknik-teknik ini dapat diklasifikasikan dalam 3 kelompok
yaitu; teknik pasif, teknik aktif dan teknik campuran. Dalam teknik aktif,
peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan memberikan tambahan energi
aliran ke fluida. Dalam teknik pasif, peningkatan perpindahan panas diperoleh
tanpa menyediakan tambahan energi aliran. Dalam teknik campuran, dua atau
lebih dari teknik aktif dan pasif digunakan secara simultan untuk menghasilkan
peningkatan perpindahan panas, dimana peningkatan perpindahan panas lebih
tinggi daripada jika teknik-teknik peningkatan perpindahan panas dioperasikan
secara terpisah. Penggunaan twisted tape insert dalam sebuah pipa ini merupakan
teknik peningkatan perpindahan panas dengan metode pasif yang paling sering
digunakan dalam penukar kalor karena harganya murah, ringkas dan
perawatannya mudah.
Lapis batas termal (thermal boundary layer) adalah hal yang penting
sekali dalam perpindahan panas antara fluida dan dinding pipa. Lapis batas termal
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
berkaitan dengan jenis aliran fluida, dan ketebalan lapis batas termal lebih besar
dalam aliran laminar. Sehingga, perpindahan panas dalam aliran turbulen terjadi
lebih cepat daripada yang terjadi dalam aliran laminar, karena lebih tipis ketebalan
lapis batas termal, dan pusaran-pusaran mengangkut energi termal sangat cepat
dari satu tempat ke tempat dalam inti turbulen dari aliran. Teknologi penyisipan
twisted tape insert banyak digunakan pada berbagai industri yang menggunakan
penukar kalor. Penambahan twisted tape insert pada pipa penukar kalor
merupakan teknologi peningkatan perpindahan panas konveksi yang sederhana
dengan menghasilkan aliran yang turbulen. Penambahan twisted tape insert
membuat lapis batas termal pada permukaan pipa penukar kalor menjadi tidak
beraturan, karena perubahan fluks panas yang terus menerus pada permukaan.
Aliran turbulen dan berputar (swirl flow) pada pipa penukar kalor menyebabkan
lapis batas termal menjadi lebih tipis dan akibatnya menghasilkan koefisien
perpindahan panas konveksi yang tinggi.
Penurunan tekanan fluida mempunyai hubungan langsung dengan
perpindahan kalor dalam penukar kalor, operasi, ukuran, dan faktor–faktor lain,
termasuk pertimbangan ekonomi. Semakin besar penurunan tekanan maka
semakin besar pula daya pemompaan yang diperlukan, dimana hal ini
berhubungan dengan adanya gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi
penurunan tekanan lain sepanjang lintasan aliran fluida. Adanya penurunan
tekanan berarti terdapat kehilangan energi karena adanya gesekan antara fluida
dengan permukaan saluran. Oleh sebab itu, peningkatan koefisien perpindahan
kalor konveksi dengan meningkatkan turbulensi aliran dalam pipa harus dikaitkan
dengan nilai penurunan tekanan yang dihasilkan akibat peningkatan turbulensi
aliran fluida tersebut. Efektivitas optimum dari modifikasi ini adalah
perbandingan koefisien perpindahan kalor konveksi yang baik diikuti dengan
penurunan tekanan yang kecil.
Teknik peningkatan perpindahan panas sebagian besar dirancang untuk
alat penukar kalor yang ringkas. Hampir semua penukar kalor ringkas dengan
penyisipan twisted tape insert yang diteliti mempunyai penampang lingkaran, dan
belum banyak penelitian mengenai penukar kalor dengan penampang persegi
(rectangular), walaupun banyak ditemukan penukar kalor dengan penampang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
persegi dalam aplikasi industri, misalnya pada plate fin heat exchangers. Jika
dibandingkan dengan penukar kalor penampang lingkaran, penukar kalor dengan
penampang persegi memberikan perbandingan luas permukaan terhadap volume
yang lebih tinggi. Meskipun pada sudutnya merupakan tempat yang kurang efektif
untuk perpindahan panas. Karena twisted tape insert menimbulkan pusaran aliran
sekunder (dengan efek mengaduk), maka akan lebih baik mempelajari unjuk kerja
dari twisted tape insert yang disebabkan oleh pusaran aliran yang melalui saluran
persegi. (Ray, S., 2003).
Oleh karena itu, penelitian mengenai peningkatan perpindahan panas pada
sebuah penukar kalor dengan twisted tape insert penting untuk dikembangkan.
Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa
dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan
perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa
dalam dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan perforated
twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran
persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :
1. Alat penukar kalor berupa pipa konsentrik (concentric tube heat
exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa adalah persegi
dengan lebar celah antar pipa konstan sebesar 1,625 mm, diameter hidrolik
pipa dalam 17,2 mm, diameter hidrolik annulus 3,25 mm dengan panjang
penukar kalor 1,998 mm dan jarak antar pressure tap sebesar 2,018 mm.
2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium dimana friction factor
diperhatikan. Pada pipa luar (outer tube); panjang sisi luar 23,05 mm x
23,05 mm, dan panjang sisi dalam 21,75 mm x 21,75 mm, dan pipa dalam
(inner tube); panjang sisi luar 18,50 mm x 18,50 mm, dan panjang sisi
dalam 17,20 mm x 17,20 mm.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
3. Classic twisted tape insert berupa aluminium strip yang dipasang pada
pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai twist ratio 4,
sedangkan perforated twisted tape insert berupa aluminium strip yang
dipasang pada pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai
twist ratio 4 dengan diameter lubang divariasi 4 mm dan 6,5 mm.
4. Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah
(counter flow).
5. Pipa luar diisolasi dengan glasswool isolator sebanyak 5 lapisan sehingga
perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi.
6. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar (horizontal).
7. Fluida yang digunakan dalam pengujian ini adalah air panas dan air dingin.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu debit aliran air dingin di annulus dan
temperatur air panas masuk ke pipa dalam sebesar 60oC.
9. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam dan pada temperatur kamar.
10. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.
11. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini
adalah 14 titik yaitu: 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air
panas masuk seksi uji, dan 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin
dan air panas keluar dari seksi uji sedangkan 10 titik lagi dipasang di
sepanjang dinding luar pipa dalam secara selang-seling.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan
penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas
dan faktor gesekannya.
2. Mengetahui pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan
perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas
dan faktor gesekannya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan
panas secara pasif dengan menggunakan twisted tape insert.
2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan
perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat
penelitian, serta sistematika penulisan.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan
pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori
tentang metode peningkatan perpindahan panas pada penukar
kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada
penukar kalor.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan
dan pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,
perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari
perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Ray S. dan Date, A.W (2003) melakukan penelitian mengenai karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada pipa saluran persegi dengan
twisted tape insert. Pipa persegi mempunyai panjang sisi 9,5 mm, tebal 5 mm dan
panjang 3.000 mm. Pada 1.000 mm pertama dari saluran tersebut merupakan
daerah masuk (entrance region) dan diharapkan aliran kembang penuh akan
terjadi pada panjang 2.000 mm berikutnya. Pipa persegi ditutup dengan plat
acrylic dengan tebal 5 mm dan dibalut serapat mungkin untuk memperkecil
kehilangan energi panas ke lingkungan. Penelitian dilakukan pada pipa saluran
persegi sepanjang 2.000 mm setelah entrance region. Tekanan diukur dengan
menggunakan manometer yang terpasang pada bagian atas dari pipa saluran
persegi dan dihubungkan ke pressure taps. Air dengan temperatur yang dijaga
konstan digunakan sebagai fluida kerja dalam penelitian ini. Suhu air diukur untuk
menghitung sifat fluida. Pada bilangan Reynolds, 100 < Re < 3.000, fluida
dialirkan dari tangki atas, dimana ketinggian dijaga konstan Sedangkan untuk laju
kecepatan aliran yang tinggi, air dipompakan secara langsung dari pompa
sentrifugal tanpa adanya hambatan ke seksi uji. Kecepatan aliran dihitung dengan
mengumpulkan air dalam wadah yang dikalibrasi secara volumetrik untuk waktu
sekitar 5-10 menit, tergantung pada kecepatan aliran. Penelitian dilakukan pada
pipa persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert. Twisted tape
insert dibuat dengan memvariasikan rasio twisted tape menjadi 3 jenis yaitu
10,28, 5,64 dan 3,14. Pada penelitian ini twisted tape insert dibuat dari metalic
strips dengan ketebalan 0,3 mm. Penelitian dilakukan pada daerah laminar (100 <
Re < 3.000), transisi (1.500 < Re < 3.000) dan turbulen (8.000 < Re < 87.000).
Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt dan faktor gesekan
(friction factor) tertinggi adalah penelitian dengan menambahkan twisted tape
insert dengan twist ratio 3,14.
Noothong W., Eiamsa-ard S. dan Promvonge P. (2006) meneliti tentang
pengaruh twisted tape insert pada pipa penukar kalor. Penukar kalor berupa pipa
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
konsentrik lurus yang terbuat dari plexiglas yang disambung secara teratur dengan
flange pada jarak 1,0 m. Penukar kalor mempunyai diameter dalam pipa luar
(outer tube) 50 mm dan lintasan aliran di annulus 20 mm dalam arah radial dari
pusat pipa dalam. Udara panas dialirkan dari blower 7,5 kW secara langsung ke
sisi pipa dalam dan air dingin dipompakan ke sisi annulus. Aliran yang diamati
mempunyai rentang bilangan Reynolds antara 2.000-12.000. Sisipan pita terpilin
(twisted tape insert) mempunyai rasio putiran 5,0 dan 7,0. Twisted tape insert
terbuat dari aluminium dengan ketebalan 1 mm dan lebar 19,5 mm yang dipuntir
dibawah tekanan tariknya dalam pipa lurus dengan posisi mendatar saat salah satu
ujungnya dijepit. Penurunan tekanan sepanjang pipa diukur dengan manometer
pipa U, yang diisi cairan manometer dengan nilai SG = 0,826. Flowmeter udara
dan flowmeter air digunakan untuk mengukur laju aliran udara panas dan laju
aliran air dingin. Temperatur udara panas dan dingin diukur dengan termokopel
tipe-K. Hasil penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt pada pipa dalam
meningkat 188% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 dan
meningkat sebesar 159% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0
dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Sedangkan faktor
gesekan untuk untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 meningkat 3,37
kali dan untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0 meningkat 2,94 kali
dibandingkan penukar kalor tanpa twisted tape insert.
Ahamed, J.U dkk. (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan
panas pada aliran turbulen pada sebuah pipa dengan menyisipkan perforated
twisted tape inserts. Pipa yang digunakan mempunyai diameter 70 mm dan
panjang 1.500 mm. Pipa diisolasi untuk meminimalkan hilangnya energi panas ke
lingkungan. Fluida yang digunakan berupa udara yang temperaturnya dijaga pada
temperatur tertentu dan mempunyai bilangan Reynolds berkisar 1,3 x 104 sampai
dengan 5,2 x 104. Twisted tape inserts terbuat dari mild steel mempunyai panjang
1.500 mm dan mempunyai lebar 55 mm. Penelitian menggunakan 7 variasi
perforated twisted tape insert yang mempunyai twist ratio (y) yang sama sebesar
4,55, akan tetapi diameter lubang divariasi antara 3 mm sampai 9 mm dengan
jarak antar lubang pada arah aksial sebesar 15 mm dan jarak lubang pada arah
melintang sebesar 20 mm. Pengukuran dilakukan terhadap kecepatan udara,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
temperatur udara, temperatur dinding pipa dan penurunan tekanan pada pipa baik
yang menggunakan twisted tape insert maupun tanpa menggunakan twisted tape
insert. Penelitian bertujuan untuk menghitung koefisien perpindahan panas,
bilangan Nusselt, dan daya pemompaan (pumping power). Hasil dari percobaan
menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama koefisien perpindahan
panas pada pipa dengan perforated twisted tape inserts meningkat sampai dengan
5,5 kali dibandingkan plain tube dan daya pemompaan juga meningkat sampai 1,8
kali dan efektifitas dari penukar kalor meningkat sampai 4,0 kali dengan adanya
perforated twisted tape inserts.
Chiu, Y.W dan Jang J.Y. (2009) mempelajari tentang karakteristik aliran
udara pada pipa dalam penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube heat
exchanger) dengan longitudinal strip inserts dan twisted tape inserts. Penelitian
menggunakan 2 buah longitudinal strip inserts (dengan lubang dan tanpa lubang)
dan 3 plat tipis yang dipilin (tanpa dilubangi) dengan perbedaan sudut puntir
(15,3o, 24,4o dan 34,3o), laju aliran udara pada pipa-pipa (tubes) sebesar 3-18 m/s
yang disuplai oleh fan sentrifugal 0,75 kW. Fluida kerja pada cangkang (shell)
menggunakan Downterm (tipe SR-1) yang mempunyai massa jenis, panas jenis,
konduktivitas termal dan viskositas absolut pada temperatur 150oC berturut-turut
adalah, 984,53 kg/m3, 3,9 kJ/kg.K, 0,5044 W/m.K, dan 0,3846 CP. Temperatur
fluida Downterm pada sisi masuk dijaga pada 150oC dengan termostat. Penurunan
tekanan diukur dengan sensor transducer tekanan, sedangkan pembacaan
temperatur menggunakan RTDs (Resistance Temperature Detector, Pt-100) Hasil
percobaan tersebut menunjukkan bahwa pipa dengan twisted tape insert
menghasilkan koefisien perpindahan panas 13-61% lebih besar daripada pipa
tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 150-
370% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube). Pipa dengan
longitudinal strip tanpa lubang menghasilkan koefisien perpindahan panas 7-16%
lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan
penurunan tekanan 100-170% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert
(plain tube). Pipa dengan longitudinal strip dengan lubang menghasilkan
koefisien perpindahan panas 13-28% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 140-220% lebih besar
daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube).
Rahimi dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas
dan faktor gesekan pada penukar kalor yang dilengkapi dengan modifikasi twisted
tape insert. Modifikasi twisted tape insert tersebut adalah classic, perforated,
notched dan jagged twisted tape.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2.1 a.) Classic twisted tape; b.) Perforated twisted tape; c.) Notched twisted tape; d.) Jagged twisted tape
Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga sepanjang 6,5 meter yang
dibengkokan dengan diameter dalam 17 mm dan ketebalan 1 mm. Pipa tembaga
tersebut dialiri air panas dengan suhu 42oC pada sisi masuk dan dengan laju aliran
massa dari 0,0275 sampai 0,1111 kg/s dan bilangan Reynolds dari 2.950 sampai
11.800. Pipa tersebut dimasukkan ke dalam bak berukuran 30 cm × 60 cm × 60
cm yang dialiri air dingin dengan suhu 16oC pada sisi masuk dan laju aliran massa
dibuat konstan 0,333 kg/s. Twisted tape insert terbuat dari stainless steel dengan
lebar 15 mm, panjang pitch 5 mm, twist ratio 2,94 dan ketebalan 1 mm. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert angka
Nusselt lebih tinggi dibandingkan tanpa twisted tape insert. Dari keempat
modifikasi twisted tape insert tersebut didapatkan angka Nusselt yang terbesar
adalah jagged twisted tape insert, sedangkan yang paling rendah adalah
perforated twisted tape insert. Dengan penambahan twisted tape insert faktor
gesekannya meningkat, faktor gesekan yang tertinggi pada jagged twisted tape
insert. Dengan semakin tinggi bilangan Reynolds maka angka Nusselt juga
semakin tinggi, sedangkan untuk faktor gesekannya semakin menurun. Untuk
penambahan unjuk kerja dari twisted tape yang paling tinggi adalah jagged
twisted tape dengan penambahan sebesar 22% sedangkan penambahan angka
Nusselt sebesar 31%.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan
perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan
material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu
dinamakan kalor/panas (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya
menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain,
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-
kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung
pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan
termodinamika, hanya dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem
kesetimbangan baja dan air itu. Namun termodinamika tidak akan dapat
menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan
itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas dapat membantu meramalkan suhu
batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu.
Ada tiga macam cara perpindahan panas bila dilihat dari cara
perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi
(pancaran).
1. Perpindahan panas secara konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat
padat.
2. Perpindahan panas secara konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan
molekul dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya
lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.
3. Perpindahan panas secara radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya
dan tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat
merambat pada ruang hampa.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)
2.2.2.1 Kondisi aliran
Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah
masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat
dengan jari–jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam.
Ketika fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap
menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip) dan lapisan batas
(boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan
batas dimana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa
sedemikian rupa sehingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang
pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana
setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang
disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah
masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ”hydrodynamic entry
length”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk
parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih
datar karena aliran berputar pada arah pipa.
Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting
adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia
dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:
Re = ρ . um . Dh
µ (2.1)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
um = kecepatan rata–rata fluida (m/s)
Dh = diameter hidrolik pipa dalam (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran masuk aliran pipa (White, 2001)
Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung
berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :
Dh = 4Ac
P (2.2)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
Ac = luas penampang melintang aliran (m2)
p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)
Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar
atau aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah
aliran laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah
aliran transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai
bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran
pipa, kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada
umumnya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen
adalah sebagai berikut :
Re < 2.300 aliran laminar (2.3)
2.300 ≤ Re ≤ 10.000 aliran transisi (2.4)
Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan
tanpa getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan
Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds
untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re ≈ 2.300.
2.2.2.2 Kecepatan rata–rata (mean velocity)
Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka
digunakan kecepatan rata–rata um untuk menyelesaikan permasalahan mengenai
aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata–rata um dikalikan dengan massa jenis air
ρ dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran massa air (m& ) yang
melalui pipa. Laju aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa
air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah:
�� = ρ um A (2.6)
2.2.2.3 Temperatur rata – rata
Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan,
temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan
dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.
Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan
temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak
seperti kecepatan fluida, temperatur rata–rata (Tm) akan berubah sewaktu–waktu
ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.
(a) Aktual (b) Rata – rata
Gambar 2.3 Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam pipa (Cengel, 2003)
Temperatur rata–rata ini dengan densitas (ρ) dan panas spesifik (Cp) konstan yang
mengalir pada pipa dengan jari–jari R adalah:
( ) ( )∫∫ ∂=∂==cA cpm pmpfluida A T V ρ Cm T CT CmE
&
&&&
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
(∫ ∂=
p
mm Cm
mCp TT
&
&
Temperatur rata
pendinginan, sehingga
temperatur bulk rata–
rata dari temperatur rata
(Tm,o), yaitu :
Tb =
2.2.2.4 Penukar Kalor
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur
fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui
suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan
panas dalam penukar kalor berlangsung
konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan
berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah
alirannya dan keringkasannya (
aliran, yaitu penukar kalor aliran
berlawanan arah (counter
keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (
exchanger).
a. Penukar kalor aliran searah.
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas)
yang mendinginkan (fluida dingin).
Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
) ( )
( ) ∫∫
==R
mpm
R
p
x) rdrT(r,x)V(r,RVCRρV
drρV T Cm
022
0 2r 2π
π
&
Temperatur rata–rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau
pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dih
–rata fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata
rata–rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata
Kalor
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur
fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui
suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan
panas dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan
konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan
berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah
keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah
aliran, yaitu penukar kalor aliran searah (paralel flow heat exchanger
counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan
keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat
kalor aliran searah.
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah
yang mendinginkan (fluida dingin).
(a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor searah
(a) (b)
14
(2.7)
) fluida berubah selama pemanasan atau
fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada
), yang merupakan rata–
) dan temperatur rata–rata sisi keluar
(2.8)
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur
fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui
suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan
secara konduksi (pada dinding pipa) dan
konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan
berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah
berdasarkan arah
paralel flow heat exchanger) dan
), sedangkan berdasarkan
concentric tube heat
mengalir searah dengan fluida
(a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
b. Penukar kalor aliran berlawanan arah
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah
dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).
(a)
(b)
Gambar 2.5 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah
Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan
panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin.
Sehingga, Qh = Qc
Qc= m� c.Cp,c.(Tc,out-Tc,in) (2.9)
Qh = m� h.Cp,h.(Th,in-Th,out) (2.10)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
�� �,� = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,o = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
�� � = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Dalam analisis sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean
temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam
metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari :
Q = U.As. ∆TLMTD (2.11)
TLMTD = T1 - T2
ln�T1 T2
(2.12)
dimana :
Q = laju perpindahan panas (W)
U = koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
As = luas perpindahan panas (m2)
∆TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
∆T1 , ∆T2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet dan
outlet penukar kalor (oC).
Nilai-nilai ∆T1 dan ∆T2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah
berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.4(b) dan 2.5(b).
c. Penukar kalor pipa konsentrik.
Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner
tube) dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida
panas, sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus)
yang dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.
Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
Perpindahan panas yang terjadi berawal secara konveksi dari fluida panas
ke dinding dalam pipa dalam. Dari dinding dalam diteruskan secara konduksi ke
dinding luar pipa dalam. Perpindahan panas akan dilanjutkan secara konveksi dari
dinding luar pipa dalam ke fluida dingin yang ada pada annulus. Proses
perpindahan panas pada penukar kalor ini dapat dianalogikan dengan jaringan
tahanan listrik seperti gambar 2.7 di bawah. Perpindahan panas menyeluruh
dihitung dengan membagi beda temperatur total dengan jumlah total tahanan
termal.
Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi
Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7
menjadi :
R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = 1
hi.Ai+
ln� �⁄ �8kL
+1
ho.Ao (2.13)
dimana :
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus
(W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8.a. L
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = 8.b. L
2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)
2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)
k = konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
L = panjang pipa (m)
Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua
tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu
tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida
sebagai berikut :
Q = ∆T
R = U.A.∆T = Ui.Ai.∆TLMTD = Uo.Ao. ∆TLMTD (2.14)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan W/m2.oC,
dan ∆TLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different) (oC). Diperoleh nilai :
1
Ui.Ai=
1
Uo.Ao = R =
1
hi.Ai+
ln� �⁄ �8kL
+1
ho.Ao (2.15)
2.2.2.5 Parameter Tanpa Dimensi
Pada penukar kalor metode perpindahan panas yang terjadi utamanya
adalah konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan
dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi
(dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan
panas konveksi adalah :
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya
inersia dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol
volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan
sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol
volume. Gaya inersia dalam bentuk ∂[(ρu)u]/∂x dapat didekati dengan
persamaan: F1 = ρ ��/L. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
bentuk ( )[ ] ,yyuyyx ∂∂∂∂=∂∂ µτ dapat didekati dengan persamaan:
2LVµFs = . Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
F1
Fs =
ρV2/L
�V/L2 = ρVL
µ = ReL (2.16)
Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada
gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih
berpengaruh dari gaya inersia.
b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)
Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas
momentum, ν (m2/s) , dengan diffusifitas termal, α (m2/s). Bilangan Prandtl
menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan
transfer energi dengan cara difusi di dalam kecepatan dan temperatur lapis
batas. Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer
energi dan momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 1992).
Nilai Pr sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif kecepatan dan
temperatur lapis batas.
Pr = ν
α (2.17)
c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas koveksi (h) terhadap
konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan
tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan
Nusselt dirumuskan:
Nu = h d
k (2.18)
Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr.
Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai
Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.
2.2.2.6 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor
Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri
dan bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
diperlukan analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan
penurunan tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek
ekonomis dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor
adalah membuat penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas
tinggi menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik
untuk meningkatkan perpindahan panas berhubungan dengan beberapa aplikasi
keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang
tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien.
Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan
panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak
(scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor
yang digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri-industri kimia. Dalam
beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluida-
fluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan
instalasi desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju
perpindahan panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam
aliran fluida (memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses tersebut
daya pemompaan dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya
pemompaan menjadi tinggi. Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas
yang diinginkan dalam sebuah penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang
ekonomis, beberapa teknik telah ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini.
Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah
dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi,
otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah
mendorong atau mengakomodasi fluk-fluk kalor yang tinggi. Ini menghasilkan
pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya
yang lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor
beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien
perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa
pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih
kecil bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan
perpindahan panas menarik dalam aplikasi penukar kalor.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar
kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori :
a. Metode aktif (active method)
Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power
input) untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak
potensi yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak
mudah untuk disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif
adalah pulsasi yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers,
penggunaan medan magnet untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan
dalam sebuah aliran yang sedang mengalir.
b. Metode pasif (passive method)
Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang
diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang
tersedia dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan
fluida. Industri penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak
termal (meningkatkan koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya
pemompaan untuk memperbaiki efisiensi termohidrolik dari penukar kalor.
Desain sebuah penukar kalor yang baik seharusnya mempunyai unjuk kerja
termodinamika yang efisien, yaitu pembangkitan entropi yang minimum atau
destruksi kerja tersedia (exergy) yang minimum dalam sebuah sistem penukar
kalor. Hampir tak mungkin untuk menghentikan kehilangan exergy secara
sempurna, tetapi hal tersebut dapat diminimalisasi melalui sebuah desain yang
efisien.
c. Metode gabungan (compound method)
Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik
metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang
kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.
Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi
metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-
industri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya
termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan
ruang angkasa, automobiles dan lain-lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
digunakan dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas,
menguntungkan dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur
insert sederhana dan teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar
kalor. Dalam desain alat penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam
meningkatkan perpindahan panas memainkan peranan yang penting jika
konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat dipilih berdasarkan kondisi kerja
penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan panas).
Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat
untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering
digunakan. Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal
sebagai alat peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert
sesuai untuk daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran
turbulen. Kelakuan termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari
kondisi aliran (laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert.
Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube),
teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang
paling umum, terutama sekali pada kondisi retrofit. Dengan teknologi tube insert,
penambahan luasan perpindahan panas dapat diabaikan, sehingga penghematan
biaya secara signifikan menjadi mungkin. Peralatan tube insert meliputi twisted
tape insert, wire coil insert, extended surface insert, mesh insert dan lain-lain,
seperti terlihat pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Jenis-jenis peralatan tube insert
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang
pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik
dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical
coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (non-
integral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang
dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan
kontak termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter
hidrolik dan bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari
sebuah matrik dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu
keseluruhan medan temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya
adalah dua faktor utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan
teknik-teknik pasif peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape
insert dan wire coil insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-
tahun belakangan ini dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena
teknik-teknik seperti extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena
menghasilkan masalah penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran.
Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran
untuk menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik
saluran aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh
insert seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan
aliran (flow blockage) membagi aliran dan aliran sekunder (secondary flow).
Halangan aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek viskos
karena luas aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan kecepatan
aliran dan dalam beberapa situasi memicu aliran sekunder secara signifikan.
Aliran sekunder selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih baik antara
permukaan dan fluida, karena aliran sekunder menciptakan pusaran (swirl) dan
menghasilkan percampuran fluida memperbaiki gradien temperatur dimana pada
akhirnya memicu koefisien perpindahan panas yang tinggi.
Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor.
Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh
lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih
efektif dalam aliran turbulen dibandingkan dengan twisted tape, karena wire coil
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup
efektif, sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di
lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh
dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen.
Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat
mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan
twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam
aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis
fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan
bilangan Prantl yang berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang
berbeda. Sehingga, pemilihan yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja
termal dan hidrolik.
Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert
dan wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix
angle). Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan
perpindahan panas meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut
pilin. Akan tetapi, untuk sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape
insert menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire
coil insert. Ini mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu
keseluruhan medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu
aliran di dekat dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh
terhadap peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih
tinggi untuk fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik,
mungkin karena fakta bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi
mempunyai tebal lapis batas yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida
yang mempunyai bilangan Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan
oleh tube insert lebih efisien untuk meningkatkan perpindahan panas.
Bagaimanapun, kenaikan perpindahan panas sering dihubungkan dengan kerugian
penurunan tekanan. Dapat disimpulkan bahwa wire coil insert menghasilkan
penurunan tekanan yang lebih rendah dibandingkan twisted tape insert.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
2.2.2.7 Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)
Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar
2.9 menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted tape dengan 180o twisted pitch.
Geometri twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai
modifikasi untuk mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas, seperti terlihat
pada gambar 2.10 sampai dengan gambar 2.18.
Gambar 2.9 Jenis-jenis twisted tape (a) full-length twisted tape, (b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying pitch full-length twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
Gambar 2.10 Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted tape, (b) perforated twisted tape, (c) notched twisted tape, (d) jagged twisted tape
Gambar 2.11 Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
Gambar 2.12 (a) Typical twisted tape, (b) C-CC twisted tape dengan θ = 30o, (c) C-CC twisted tape dengan θ = 60o, (d) C-CC twisted tape dengan θ = 90o
Gambar 2.13 (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs) dan (c) twin counter twisted tapes (CTs)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
Gambar 2.14 Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre wing and alternate-axis
(a)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
(b)
Gambar 2.15 (a) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration width depth ratios,
d/W
Gambar 2.16 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
(a) (b)
Gambar 2.17 Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted tape with alternate axis, (a) pandangan depan, (b) pandangan isometrik
(a)
(b)
Gambar 2.18 (a) Straight delta-winglet twisted tapes (S-DWT), (b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
Parameter-parameter pada twisted tape insert :
a. Twist pitch
Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang
sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape.
b. Twist ratio
Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan twist pitch terhadap
diameter dalam pipa.
y = ��� (2.19)
dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah
diameter dalam pipa.
Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan
sebagai :
tan α = π.di
2H=
π
2y (2.20)
Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ditunjukkan pada gambar 2.19.
Pada gambar 2.19, H adalah twist pitch, d adalah diameter dalam pipa atau lebar
tape (tape width), dan δ adalah ketebalan tape.
Gambar 2.19 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert
2.2.2.8 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
2.2.2.8.1. Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah
Aliran Laminar dan Turbulen Melalui Sebuah Pipa Bulat Halus
Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed), dalam sebuah
pipa bulat halus tanpa insert, bilangan Nusselt (Nu) mempunyai nilai yang
konstan dibawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall
temperature) sebagai berikut :
Nu = 3,657 (2.21)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan
dengan persamaan :
f = 64/Re (2.22)
Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds
(Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran.
Untuk pipa halus, faktor gesekan dalam aliran turbulen dapat ditentukan
dari persamaan Petukhov pertama (first Petukhov equation) :
f = (0,790 ln Re – 1,64)-2 (2.23)
Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt
dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter :
Nu = 0,023.Re0,8.Prn (2.24)
Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 ≤ Pr ≤ 160, Re ≥ 10.000,
dan L/D ≥ 10. Untuk proses pemanasan, n = 0,4 sedangkan proses pendinginan,
n = 0,3. Sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk (bulk
mean fluid temperature), Tb = (Ti + Te)/2. Ketika perbedaan temperatur antara
fluida dan dinding pipa sangat besar, perlu menggunakan sebuah faktor koreksi
untuk menghitung perbedaan viskositas di dekat dinding pipa dan di pusat pipa.
Korelasi Dittus-Boelter sederhana, tetapi memberikan kesalahan hingga
25%. Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10% dengan
menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti menggunakan
persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai berikut :
Nu = f/8����Re . Pr
1,07 + 12,7(f/8)0,5����Pr2/3-1���� (2.25)
Persamaan Petukhov kedua berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ≤ Pr ≤ 2.000, dan 104 <
Re < 5 x 106. Akurasi persamaan ini pada bilangan Reynolds yang rendah
diperbaiki dengan modifikasi oleh Gnielinski :
Nu = f/8��Re - 1000�.Pr
1+ 12,7f/8�0,5�Pr2/3- 1� (2.26)
Persamaan Gnielinski berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ≤ Pr ≤ 2.000, dan 3 x 103 < Re
< 5 x 106, dimana faktor gesekan, f , dapat ditentukan dari hubungan yang sesuai
seperti persamaan Petukhov pertama (persamaan 2.23). Persamaan Gnielinski
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.25) dan (2.26) sifat-sifat
fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk.
Tidak seperti aliran laminar, faktor gesekan dan koefisien konveksi dalam
aliran turbulen adalah fungsi dari kekasaran permukaan. Faktor gesekan dalam
aliran turbulen berkembang penuh tergantung pada bilangan Reynolds dan
kekasaran relatif, ε/D (relative roughness, ε/D). Colebrook mengkombinasikan
semua data faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa-pipa
halus dan kasar ke dalam sebuah persamaan implisit yang dikenal sebagai
persamaan Colebrook, sebagai berikut :
1
�f = - 2,0 . log �ε Dh⁄
3,7+
2,51
Re.�f (2.27)
Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam
ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re
dan ε/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu
metode iterasi. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis,
perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996) menyarankan bahwa iterasi
tunggal akan memberikan hasil dalam 1% jika perkiraan awal dihitung dari:
f0 = 0,25 �log �ε Dh ⁄
3,7+ 5,74
Re0,9 !�
(2.28)
Moody menggambarkan persamaan Colebrook dalam sebuah diagram yang
dikenal dengan Diagram Moody, dimana meskipun diagram ini dibentuk untuk
pipa bulat, tetapi dapat juga digunakan untuk pipa tidak bulat dengan mengganti
diameter pipa dengan diameter hidrolik. Untuk aliran turbulen dalam pipa-pipa
halus juga dapat dihitung dengan persamaan Blasius :
f = 0,3164.Re-0,25 4.103 < Re < 3.104 (2.29)
2.2.2.8.2 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan
Twisted Tape Insert di Daerah Aliran Laminar
Korelasi berikut digunakan untuk memperkirakan koefisien perpindahan
panas dan faktor gesekan di daerah laminar untuk twisted tape insert. Manglik dan
Berges (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding
konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar
sebagai berikut :
Nu = 4,162 . "6,413 x 10-9
(sw Pr3,385�#0,2
$ ��%&0,14
(2.30)
dimana :
Nu = bilangan Nusselt
Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl)
dalam pipa.
Sw = Re �y⁄
y = twist ratio
Pr = bilangan Prandtl
µ = viskositas dinamik (kg/m.s)
µw = viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)
Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah
dikembangkan :
( f . Red )SW = 15,767 $π + 2 - 2t/di
π - 4t/di&2
$1+10-6
Sw2,55&1 6⁄
(2.31)
dimana :
f = faktor gesekan
Red = bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
t = tebal twisted tape insert (m)
di = diameter dalam pipa (m)
Faktor gesekan dan bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan pusaran (swirl
velocity)
usw = uc (1 + tan2α)1/2 (2.32)
dimana :
usw = kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)
uc = kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)
α = sudut heliks (o)
Kondisi-kondisi eksperimental untuk mengembangkan korelasi-korelasi di
atas adalah sebagai berikut : air (3 ≤ Pr ≤ 6,5) dan ethylene glycol (68 ≤ Pr ≤ 100)
adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
dan 6,0) yang diuji, bilangan Reynolds dari 300 sampai 30.000, dimana meliputi
daerah laminar, transisi dan turbulen. Rata-rata ketakpastian (uncertainties) Nu
dan f berturut-turut adalah ± 4,1% dan ± 4,5%. Korelasi ini aktualnya meliputi
data untuk ethylene glycol dan polybutene (1.000 ≤ Pr ≤ 7.000) dari Marner dan
Bergles.
2.2.2.8.3 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan
Twisted Tape Insert di Daerah Turbulen
Berdasarkan eksperimen yang sama, Manglik dan Bergles (1993) juga
mengembangkan korelasi untuk twisted tape insert dalam daerah turbulen.
Cakupan eksperimen sama seperti keadaan di daerah laminar. Korelasi
berdasarkan metode asymtotic, dan valid untuk temperatur dinding konstan dan
fluks kalor konstan. Korelasi perpindahan panas sebagai berikut :
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2D
H ] Ø2 (2.33)
dengan Ø2 = $ π
π - 4t/di&0,8 $π + 2 - 2t/d
i
π - 4t/di
&.
0,2
dimana :
t = ketebalan twisted tape insert (m)
D = diameter dalam pipa dalam (m)
H = panjang pitch twisted tape insert (m)
Korelasi untuk memperkirakan faktor gesekan dalam daerah turbulen :
f = 0,079
Re0,25 $ π
π - 4t/di&1,75 $π + 2- 2t/di
π - 4t/di&1,25
(1+ 2,752
y1,29 ) (2.34)
2.2.2.8.4 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twisted Tape Insert
Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik,
seperti terlihat pada gambar 2.20, laju perpindahan panas dari fluida panas di
dalam pipa dalam (inner tube) dapat dinyatakan sebagai :
Qh = �� �.Cp,h .(Th,in – Th,out) = hi. Ai. (Tb,i - -./,0) (2.35)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
�� � = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8.a. L
2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
Tb,i = temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam (oC)
-./,0 = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)
Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :
Qc = �� �.Cp,c .(Tc,out – Tc,in) = ho. Ao. (-./,1 – Tb,o) (2.36)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
�� � = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,c = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus
(W/m2.oC)
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = 8.b. L
2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
-./,1 = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
Tb,o = temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
Gambar 2.20 Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
Nilai -./,1 dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :
T3w,o = ∑ Tw,o
n (2.37)
Tb,o = (Tc,out + Tc,in)/2 (2.38)
dimana ∑ -/,1 adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan
n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.
Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.35) dan (2.36)
menunjukkan ketidakseimbangan panas konveksi (heat balance error).
heat balance error = 6Qh- Q
c6 (2.39)
dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase
kehilangan panas konveksi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :
% heat balance error = 7Qh-Q
c
Qc
7 . 100% (2.40)
Koefisien perpindahan panas rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan dari
persamaan (2.36) :
ho = m� c.Cp .(Tc,out– Tc,in)
Ao.(T.w,o – Tb,o) (2.41)
Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan
persamaan :
Nuo = ho.Dh,o
ko (2.42)
dimana :
Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus
(W/m2.oC)
Dh,o = diameter hidrolik annulus (m)
Dh,o = 2c – 2b
ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
Persamaan (2.35) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien
perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam :
Qh = Ui.Ai. ∆TLMTD (2.43)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
A i = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8. a. L
∆TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different) (oC)
Untuk penukar kalor pipa konsentrik dengan arah aliran kedua fluida berlawanan
arah (counter-flow), nilai beda temperatur rata-rata logaritmik dinyatakan sebagai
berikut :
∆TLMTD = �Th,in - Tc,out�-�Th,out - Tc,in�
ln $�Th,in - Tc,out�/�Th,out - Tc,in�& (2.44)
Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor
konsentrik ini dinyatakan dengan :
1
Ui.Ai =
1
hi.Ai+
ln� �⁄ �8kL
+1
ho.Ao
Ui = 1
Ai� 1
hi.Ai +
ln(b a)⁄8kL
+ 1
ho.Ao
Ui = 1
8aL� 1
hi.8aL +
ln(b a)⁄8kL
+ 1
ho.8 bL
Ui = 1
� 1
hi +
a.ln(b a)⁄k
+ a
b.ho (2.45)
Dari persamaan (2.35), (2.43) dan (2.44), maka nilai Ui dapat dihitung :
Ui = m� h.Cp .(Th,in – Th,out)
Ai.TLMTD (2.46)
Ui = m� h.Cp .(Th,in – Th,out)
8.a.L.�Th,in– Tc,out�-�Th,out – Tc,in�
ln$�Th,in – Tc,out�/�Th,out – Tc,in�& (2.47)
Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.41) dan Ui dari persamaan (2.47),
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan (2.45).
Ui = 1
� 1
hi + a.ln(b a)⁄
ki + a
b.ho
hi = 1
� 1
Ui –
a.lnb a⁄ �ki
– a
b.ho (2.48)
dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.
Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan
persamaan berikut :
Nui = hi. Dh,i
ki (2.49)
dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari
sifat fluida pada temperatur bulk rata-rata.
Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan :
Re = V.Dh ,i
ν (2.50)
Re = ρ.V.Dh ,i
µ (2.51)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
Dh,i = diameter hidrolik pipa dalam (m)
Dh,i = 2a
ν = viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)
ρ = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
µ = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)
Dalam analisis penukar kalor, sering menggabungkan perkalian laju aliran
massa dengan panas jenis fluida ke dalam besaran yang disebut laju kapasitas
panas (heat capacity rate), C, dan didefinisikan untuk aliran fluida panas dan
dingin berturut-turut sebagai berikut :
Ch = �� �. :�,� (2.52)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
Cc = m� c.Cp,c (2.53)
Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas
yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1oC ketika
mengalir melalui penukar kalor. Dalam sebuah penukar kalor, fluida dengan laju
kapasitas panas besar akan mengalami perubahan temperatur yang kecil, dan
fluida dengan laju kapasitas panas yang kecil akan mengalami perubahan
temperatur yang besar. Dengan definisi laju kapasitas panas di atas, maka
persamaan (2.35) dan (2.36) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan :
Qh = Ch .(Th,in – Th,out) (2.54)
Qc = Cc .(Tc,out – Tc,in) (2.55)
Metode LMTD mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika
temperatur-temperatur masuk dan keluar dari fluida panas dan dingin diketahui
atau dapat ditentukan dari kesetimbangan energi. Jika ∆TLMTD , laju aliran massa,
dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan
perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.
∆TLMTD. Jenis masalah kedua yang dihadapi dalam analisis penukar kalor adalah
menentukan laju aliran panas dan temperatur keluaran dari fluida panas dan fluida
dingin untuk laju aliran massa dan temperatur-temperatur masukan telah
ditentukan ketika jenis dan ukuran dari penukar panas ditentukan. Metode LMTD
masih dapat digunakan untuk masalah ini, tetapi prosedur penyelesaian
memerlukan iterasi dan tidak praktis. Untuk menghindari iterasi penyelesaian
masalah ini dapat menggunakan metode ε-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan
menyederhanakan analisis penukar kalor.
Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut
efektivenes penukar kalor, ε, didefinisikan sebagai :
ε = Q
Qmak
=laju perpindahan panas aktual
laju perpindahan panas maksimum yang mungkin (2.56)
Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah penukar kalor dapat ditentukan dari
kesetimbangan energi pada fluida panas dan fluida dingin dan dapat dinyatakan
sebagai berikut :
Q = Cc.(Tc,out – Tc,in) = Ch.(Th,in – Th,out) (2.57)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
Dimana Cc dan Ch berturut-turut adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan
fluida panas. Untuk menentukan laju perpindahan panas yang mungkin dalam
sebuah penukar kalor, maka perbedaan temperatur harus maksimum antara
temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin dalam penukar kalor. Sehingga :
∆Tmak = Th,in – Tc,in (2.58)
Perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor akan mencapai nilai maksimum
ketika (1) fluida dingin dipanaskan ke temperatur masukan fluida panas, atau (2)
fluida panas didinginkan ke temperatur masukan dari fluida dingin. Fluida dengan
laju kapasitas panas yang lebih kecil akan mengalami perubahan temperatur yang
besar. Sehingga, laju perpindahan panas maksimum dalam sebuah penukar kalor
adalah :
Qmak = Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.59)
dimana Cmin adalah nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil, jika :
Cc > Ch , maka Ch = Cmin (2.60)
Cc < Ch , maka Cc = Cmin (2.61)
Menentukan Qmak memerlukan ketersediaan data temperatur masuk fluida panas
dan dingin dan laju aliran kedua fluida tersebut, dimana biasanya sudah
ditentukan. Sehingga jika efektivenes dari penukar kalor telah diketahui, laju
perpindahan panas aktual Q dapat ditentukan dari persamaan :
Q = ε.Qmak = ε.Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.62)
Sehingga efektivenes penukar kalor dapat digunakan untuk menentukan
laju perpindahan panas tanpa mengetahui temperatur keluaran fluida-fluida.
Efektivenes dari sebuah penukar kalor tergantung pada geometri penukar kalor
dan juga susunan aliran. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan
arah (counter flow) korelasi untuk ε dinyatakan sebagai berikut :
ε =
1– exp�– U.As
Cmin�1– Cmin
Cmak
1– CminCmak
exp�– U.As
Cmin�1– Cmin
Cmak (2.63)
Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa
dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of tranfer units (NTU) dan
dinyatakan sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
NTU = U.As
Cmin=
U.As
�m.� Cp�min
(2.64)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas
permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As.
Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas
permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar
penukar kalor.
Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi
lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut :
c = Cmin
Cmak (2.65)
Dapat dilihat bahwa efektivenes dari sebuah penukar kalor adalah fungsi dari
NTU dan rasio kapasitas, c. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran
berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk ε dapat ditulis ulang dengan
menggabungkan persamaan (2.63), (2.64) dan (2.65) sebagai berikut :
ε = 1-exp;-NTU�1 - c�<1- c.exp;-NTU�1- c�< (2.66)
Jika besaran c = Cmin/Cmak dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes ε
dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor
tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,out dan
Tc,out dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.
Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
44
Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode ε-NTU dengan pertama kali
mengevaluasi efektivenes ε dari persamaan (2.56), dan kemudian NTU dapat ditentukan
dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk NTU sebagai berikut :
NTU = 1
c-1 ln $ ε-1
ε.c-1& (2.67)
Dalam prakteknya, untuk menyatakan penurunan tekanan untuk semua
jenis internal flow ( aliran laminar atau turbulen, pipa bulat atau tidak bulat,
permukaan halus atau kasar) dengan persamaan :
P = f. Lt.ρ.V 22.di
(2.68)
dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction
factor). Penurunan tekanan (∆P) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan
dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana ∆P dinyatakan
dengan persamaan :
∆P = ρm.g. ∆h (2.69)
dimana :
∆P = penurunan tekanan (Pa)
ρm = densitas fluida manometer (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
∆h = beda ketinggian fluida manometer (m)
Gambar 2.22 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor pipa konsentrik
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai
berikut :
f = ∆P
�Lt
di>ρ
V 22
? (2.70)
dimana :
f = faktor gesekan
∆P = penurunan tekanan (Pa)
Lt = panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)
di = diameter dalam pipa dalam (m)
ρ = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
Jika penurunan tekanan (∆P) telah diketahui, maka daya pemompaan (pumping
power), @��AB� , dapat ditentukan dari :
W�pump=V.� ∆P (2.71)
dimana �� adalah laju aliran volumetrik aliran fluida (m3/s).
Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah efisiensi
peningkatan perpindahan panas (η). Efisiensi peningkatan perpindahan panas (η)
dianalisa dibawah kondisi daya pemompaan (pumping power) yang konstan,
antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa dengan twisted tape
insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan, berlaku :
�V� .∆P�p= �V� .∆P�
s (2.72)
dimana :
�� = laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)
∆P = penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)
p = plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
s = swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)
Dimana hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat
dinyatakan sebagai berikut :
� f. Re3�p= � f. Re3�
s (2.73)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
Efisiensi peningkatan perpindahan panas (η) didefinisikan sebagai
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa
dengan twisted tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata
dari pipa tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang konstan.
η = �hs
hp
pp
(2.74)
dimana :
η = efisiensi peningkatan perpindahan panas
hs = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert (W/m2.oC)
hp = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape
insert (W/m2.oC)
pp = daya pemompaan konstan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan
Panas Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta.
3.2 Bahan Penelitian
• Air.
3.3 Alat Penelitian
Spesifikasi alat penelitian :
a) Alat penukar kalor saluran persegi bercelah sempit
• Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric
tube heat exchanger)
• Bahan pipa (tube) :
- Pipa dalam (inner tube) dan pipa luar (outer tube) : Aluminium
• Dimensi
- inner tube : sisi luar 18,50 x 18,50 mm
sisi dalam 17,20 x 17,20 mm
- outer tube : sisi luar 23,05 x 23,05 mm
sisi dalam 21,75 x 21,75 mm
- panjang inner tube : 2.702 mm
- panjang outer tube : 1.938 mm
- ukuran celah annulus : 2,42 mm dengan diameter hidrolik: 4,55 mm.
• Jarak antar pressure tap : 2.018 mm.
• Arah aliran : counter flow (aliran berlawanan arah)
- inner tube : air panas dengan arah aliran horisontal
- outer tube/annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah dengan
aliran air panas.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
48
Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert.
17,20
18,05
21,75
23,05
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
49
Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.
Gambar 3.3. Penukar kalor tanpa twisted tape insert.
Gambar 3.4. Penukar kalor dengan classic twisted tape insert.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
50
Gambar 3.5. Penukar kalor dengan perforated twisted tape insert.
b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert)
Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal
0,76 mm dan lebar 12,61 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk
sebuah pilinan yang mempunyai panjang pitch 50,35 mm sehingga twist ratio-nya
sebesar 4,0. Sedangkan perforated twisted tape insert terbuat dari bahan dan
ukuran yang sama dengan classic twisted tape insert, dengan panjang pitch 50,35
mm dan twist ratio 4,0 di mana dilubangi dengan diameter lubang divariasi
sebesar 4,0 mm dan 6,5 mm.
Gambar 3.6.(a) Classic twisted tape insert, (b) Perforated twisted tape insert dengan lubang 4 mm, (c) Perforated twisted tape insert dengan lubang 6,5 mm.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
51
c). Flange
Flange ini terbuat dari bahan nylon yang berfungsi untuk menyangga pipa
dalam dan pipa luar agar tetap konsentrik (sehingga lebar celah annulus seragam).
Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan dari nylon yang
berbentuk silinder. Pembubutan luar dilakukan untuk meratakan dan
menghaluskan permukaan nylon. Nylon kemudian dibor pada bagian tengahnya
hingga mencapai diameter tertentu. Setelah itu, nylon dibor dalam hingga
mencapai diameter yang diinginkan, seperti ditunjukan pada gambar 3.7 di bawah:
90°
60,00
17,2
0
23,0
5
21,7
5
9,33
9,33
6,00
30,0010,00
30,0
0
(a)
(b)
Gambar 3.7. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Gambar
Gambar
2
8
Gambar 3.8. Instalasi alat penelitian tampak depan.
Gambar 3.9. Instalasi alat penelitian tampak belakang
5
6
7
4
10
1
9
52
belakang.
3
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
53
Keterangan gambar 3.8 dan 3.9 :
1. Penukar kalor
2. Bak air panas
3. Bak air dingin (bawah)
4. Rotameter
5. Manometer
6. Temperature controller
7. MCB pompa air dingin dan air panas
8. Penjebak air
9. Pemanas air
10. Bak air dingin (atas).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
54
Gambar 3.10. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
55
Gambar 3.11. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Gambar 3.12
d). Termokopel
Untuk mengukur
[Chromel (Ni-Cr alloy)/
hingga 1.200°C. Termokopel ini dipasang pada
temperatur air panas
tube berjumlah 10 buah
tube), dan pada sisi
termokopel dilem menggunakan lem
(hardener) warna merah dan resin (warna putih).
(a)Gambar 3.13. (a) Lem
.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping
mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe
Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)] tersedia untuk rentang
. Termokopel ini dipasang pada sisi inner tube (untuk mengukur
temperatur air panas masuk dan keluar dari inner tube), pada dinding
berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding
sisi keluar dan masuk air dingin di annulus
termokopel dilem menggunakan lem araldite yang terdiri dari pengeras
) warna merah dan resin (warna putih).
(a) (b)
(a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel
56
samping.
termokopel tipe-K. Tipe-K
rentang suhu −200 °C
(untuk mengukur
dinding luar inner
dinding luar inner
annulus. Pemasangan
yang terdiri dari pengeras
termokopel tipe-K.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
57
Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar
penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas dan mengukur
tamperatur dinding luar pipa dalam dapat dilihat pada gambar 3.14 dan gambar
3.15 berikut ini :
Gambar 3.14. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk
dan keluar di inner tube dan outer tube.
Gambar 3.15. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding luar pipa dalam.
Gambar 3.16. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik
pemasangan.
e). Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh
termokopel.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
58
Gambar 3.17 Thermocouple reader.
f). Pompa sentrifugal
Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air dari tangki air masuk ke
dalam alat penukar kalor melalui pipa–pipa. Pompa yang digunakan sebanyak dua
buah yaitu untuk memompa air panas dan air dingin.
Tabel 3.1 Spesifikasi pompa DAB
Model AQUA 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis )
Kapasitas Max : 37 ltr/min Size : 1”x1”
Daya hisap : 9 meter OUTPUT : 125 Watt
Daya dorong : 15 meter V/HZ/PH : 220/50/1
Total Head : 24 meter RPM : 2850
(a) (b)
Gambar 3.18. Pompa sentrifugal.(a) pompa air panas (b) pompa air dingin
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
g). Tandon Air
Tandon digunakan
sebelum masuk penukar
(a)
Gambar
h). Flowmeter
Flowmeter digunakan
masuk ke pipa dalam dari
saluran by pass dengan pipa sebelum masuk
Spesifikasi flowmeter
− Acrylic cover
− Glass : Borosilite
− Measuring span
− Suitable for on line Instalation
− Centre to Centre Dist
− Range between
− Various Materials of Construct
− Connections
− Accuracy
− Powder coated finish
− Linear Scale
digunakan untuk menampung air panas dan air dingin
penukar kalor.
(b)
Gambar 3.19. (a) Tangki air dingin (b) tangki air panas
digunakan untuk mengukur debit aliran air
pipa dalam dari dalam penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara
dengan pipa sebelum masuk pipa dalam penukar kalor.
flowmeter :
Acrylic cover
Borosilite
Measuring span : 1:10
Suitable for on line Instalation
to Centre Distance : 100 mm to 300 mm
Range between – 26 – 260 to 185 – 1850 NLPH of Water
Various Materials of Constructions : MS / SS304 / SS316 / Brass.
Connections :- 1/4 BSP / NPT (F) Back - Back / Bottom
Accuracy : ± 2% of full scale.
oated finish
Linear Scale
59
dan air dingin sementara
(a) Tangki air dingin (b) tangki air panas
mengukur debit aliran air panas sebelum
diletakkan di antara
kalor.
1850 NLPH of Water
MS / SS304 / SS316 / Brass.
Back / Bottom – Top
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
60
Gambar 3.20 Flowmeter
i). Penjebak Air
Penjebak air digunakan agar air dari inner tube tidak masuk ke
manometer.
Gambar 3.21. Penjebak air
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
j). Manometer
Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk
mengukur perbedaan tekanan
yang digunakan adalah
k). Rangka dan pipa–
Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur
dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk
meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa
PVC berdiameter ¾ inchi dan digu
kedalam alat penukar kalor.
l). Stop kran
Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit
aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur
debit yang akan diinginkan.
pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk
mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi inner tube. Fluida manometer
yang digunakan adalah air.
Gambar 3.22. Manometer.
–pipa saluran air
Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur
dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk
meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa–pipa saluran air ini berasal dari bahan
berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air masuk
kedalam alat penukar kalor.
Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit
Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur
debit yang akan diinginkan.
Gambar 3.23. Stop kran.
61
pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk
. Fluida manometer
Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur
dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk
pipa saluran air ini berasal dari bahan
nakan untuk mempermudah aliran air masuk
Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit
Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
m). Ball valve
Ball valve ini digunak
yang keluar dari annulus
n). Temperature controller
Temperature
yang akan masuk ke
dengan temperature controller
arus listrik yang diatur oleh
o.) Pemanas air elektrik
Pemanas ini
Pemanas yang digunakan berjumlah
adalah 5.000 Watt.
ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin
annulus sebelum dibuang.
Gambar 3.24. Ball valve.
controller dan contactor atau relay
Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas
yang akan masuk ke inner tube agar konstan. Contactor atau relay
emperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung
arus listrik yang diatur oleh temperature controller.
Gambar 3.25. Temperature controller
elektrik (electric water heater)
ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas
Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai
62
akan mengukur laju aliran massa air dingin
digunakan untuk menjaga temperatur air panas
relay dihubungkan
dan digunakan untuk memutus dan menyambung
tangki air panas.
buah dengan total daya yang dipakai
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
p). Stopwatch
Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan
untuk menampung air yang keluar dari
dengan menggunakan
q). Timbangan digital (
Digunakan untuk menimbang massa air
ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air
annulus.
Gambar 3.26. Pemanas air elektrik.
digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan
untuk menampung air yang keluar dari annulus sempit dalam jumlah tertentu
dengan menggunakan ember.
Gambar 3.27. Stopwatch.
igital (digital scale)
Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam
selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air
Gambar 3.28. Timbangan digital.
63
digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan
dalam jumlah tertentu
yang tertampung sementara dalam
selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
64
3.4. Prosedur Penelitian
Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem
lintasan pipa dalam (inner tube), dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan pipa
dalam adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas yang berada dalam tangki air
panas digerakkan oleh pompa air, panas, mengalir melewati seksi uji (pipa dalam)
dan kembali ke tangki air panas. Pemanas air elektrik dikontrol dengan
thermocontroller untuk mempertahankan temperatur konstan dalam tangki air
panas. Lintasan aliran pada annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air dingin di
annulus menggunakan metode gravitasi, di mana aliran air dingin berasal dari
tandon air dingin yang dipasang di atas. Air dingin yang keluar dari seksi uji
langsung dibuang.
3.4.1 Tahap Persiapan
1 Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam
pengujian, seperti: pompa sentrifugal, penukar kalor, thermocontroller,
pemanas air elektrik, manometer, tangki air dingin, tangki air panas dan
alat pendukung lainnya
2 Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat penelitian baik itu
pada pipa–pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian
yang lain
3 Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan
semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader
4 Memastikan bahwa ketinggian permukaan air pada manometer adalah
sama.
3.4.2 Tahap Pengujian
Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan
variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) adalah sebagai
berikut :
3.4.2.1 Pada penukar kalor tanpa twisted tape insert.
1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
65
2. Menyalakan pompa air panas
3. Mengatur debit aliran air panas di inner tube, debit aliran air panas di inner
tube terbaca pada flowmeter
4. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas
5. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari
tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus.
Debit di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar
annulus dalam selang waktu tertentu
6. Setelah temperatur air yang masuk ke inner tube telah mencapai 60oC
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan
keluar inner tube, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar inner tube, dan beda ketinggian air di
manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,
temperatur air yang masuk ke inner tube dijaga konstan 60oC
7. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala
untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula
8. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
inner tube dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperatur masuk dan keluar inner tube dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperatur lingkungan
9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk
pengambilan data variasi debit aliran air panas di inner tube berikutnya
10.Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di
inner tube berikutnya hingga diperoleh ±25 variasi debit aliran air panas
di inner tube
11.Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.
3.4.2.2 Pada penukar kalor dengan twisted tape insert.
1. Menyisipkan classic twisted tape insert ke dalam inner tube
2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC
3. Menyalakan pompa air bagian inner tube
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
66
4. Mengatur debit aliran air panas di inner tube sama seperti pengujian
penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di inner tube
terbaca pada flowmeter
5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas
6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin ke annulus,
sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus. Debit di annulus
diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar annulus dalam selang
waktu tertentu
7. Setelah temperatur air yang masuk ke inner tube telah mencapai 60oC,
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan
keluar inner tube, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar inner tube, dan beda ketinggian air di
manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,
temperatur air yang masuk ke inner tube dijaga konstan 60oC
8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala
untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula
9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
inner tube dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperature masuk dan keluar inner tube dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperature lingkungan
10.Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk
pengambilan data variasi debit aliran air panas di inner tube berikutnya
11.Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di
inner tube berikutnya hingga diperoleh ± 25 variasi debit aliran air panas
di inner tube. Debit aliran air panas yang divariasi sama dengan debit
aliran air panas saat pengujian dengan penukar kalor tanpa twisted tape
insert
12.Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk perforated twisted tape insert
13. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
67
3.5. Metode Analisis Data
Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan
keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam,
beda ketinggian air di manometer dan debit aliran air di annulus (konstan) dan
debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu
dengan:
a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (�� )
c. Menghitung laju perpindahan panas (Q�) dan (Q�)
d. Menghitung persentase kehilangan panas dari penukar kalor (Q����
e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus
(h�)
f. Menghitung angka Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu�)
g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall (U�)
h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(h�)
i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu�)
j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re)
k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε)
l. Menghitung Number of Tranfer Units (NTU)
m. Menghitung penurunan tekanan (∆P)
n. Menghitung faktor gesekan ( f )
o. Menghitung unjuk kerja termal (η).
Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik–grafik hubungan Nu,i - Re,
Nu/Nup - Re, ∆P - Re, f vs Re, f/fp – Re, ε – NTU dan η - Re. Dari hasil
penelitian ini nanti juga dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
68
3.6. Diagram Alir Penelitian
Mulai
Alatpenukarkalorpipakonsentriksaluran annular
Pengambilan data: • Debit air panas dan air
dingin • Temperatur air dan
temperatur dinding luar pipa dalam
• Beda ketinggian air manometer
Analisis data: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b. Menghitung laju aliran massa air di inner tube �� c. Menghitung laju perpindahan panas (Q�) dan (Q�) d. Menghitung persentase kehilangan panas dari penukar kalor (Q���� e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus(h�) f. Menghitung bilangan nusselt rata-rata di sisi annulus(Nu�) g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall (U�) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h�) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu�) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε) l. Menghitung number of tranfer units (NTU) m.Menghitung penurunan tekanan (∆P) n. Menghitung fator gesekan ( f ) m. Menghitung unjuk kerja termal (η)
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam tanpa twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan classic twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert
Kesimpulan
Selesai
Mulai
Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
BAB IV DATA DAN ANALISIS
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh variasi bilangan Reynolds
aliran air di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan classic twisted
tape insert dan perforated twisted tape insert dengan diameter lubang 4 mm dan
6,5 mm di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.
Pengujian dilakukan dengan memvariasi bilangan Reynolds aliran air di
pipa dalam dengan variasi debit 2 - 10 LPM untuk pipa tanpa twisted tape insert
(plain tube), sedangkan untuk pipa dalam dengan twisted tape insert variasi
bilangan Reynolds pada debit 2 - 8,5 LPM. Pengujian dilakukan dengan menjaga
temperatur air panas masukan pada pipa dalam adalah konstan 60oC, sedangkan
air dingin masuk ke annulus dengan temperatur ± 28oC. Data yang diperoleh
dalam pengujian ini, yaitu temperatur air masuk dan keluar pipa dalam,
temperatur air masuk dan keluar annulus, temperatur dinding luar pipa dalam,
laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan penurunan tekanan (pressure
drop) di pipa dalam. Tiap variasi pengujian, data diambil setiap 10 menit hingga
diperoleh kondisi tunak (steady state). Data-data pada kondisi tunak ini yang
digunakan dalam perhitungan dan analisis data penelitian.
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 laju aliran massa air di annulus (�� �) dan penurunan
tekanan pada sisi pipa dalam (∆P), temperatur air panas masuk (Thi) dan keluar
(Tho) pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tci) dan keluar (Tco) annulus,
serta temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada kondisi tunak,
diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3 dan 4.4 sebagai berikut :
69
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
70
Tabel 4.1.Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube). �� Th,i Th,o Tc,i Tc,o T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,5 47,5 27,3 33,7 45,7 44,1 40,1 39,2 38,9 38,6 37,5 38,6 38,4 35,6 0,0043 2,5 60,3 49,6 28,9 35,6 49,1 48,3 44,3 43,8 42,6 42,4 40,2 41,0 41,0 37,6 0,0055
3,0 60,4 50,8 28,4 35,3 50,5 50,0 45,9 46,1 44,2 44,6 41,7 43,3 42,5 39,1 0,0075 3,5 60,3 51,4 28,2 35,7 51,1 51,5 47,2 48,3 45,6 45,9 43,1 44,6 43,4 40,2 0,0095
4,0 60,4 52,3 27,8 35,6 52,8 52,4 48,9 49,4 47,6 48,2 44,6 47,0 44,2 41,1 0,0100
4,5 60,2 52,6 28,1 36,3 53,0 52,5 48,8 49,9 47,5 48,4 44,9 47,5 44,7 41,8 0,0135 5,0 60,2 53,1 28,1 36,8 53,9 53,1 50,3 50,7 48,6 49,3 46,5 48,5 46,4 43,5 0,0158
5,5 60,0 53,8 28,8 37,1 54,8 54,1 51,3 51,4 51,0 50,2 49,4 49,7 48,1 44,6 0,0178 6,0 60,2 54,0 28,6 37,6 54,9 54,3 51,7 51,5 50,3 50,3 49,0 49,8 48,3 45,0 0,0193
6,5 60,0 54,4 28,8 37,7 55,3 55,1 52,2 52,4 51,5 51,3 50,2 51,2 49,3 46,0 0,0240 7,0 60,1 54,8 28,8 37,9 55,6 55,4 52,8 52,9 51,9 51,6 50,7 51,6 49,8 46,7 0,0255
7,5 60,3 55,2 28,8 38,0 55,7 55,5 53,1 53,2 52,2 52,1 51,1 52,2 50,3 47,3 0,0288
8,0 60,5 55,6 28,7 38,1 56,2 55,8 53,3 53,5 53,2 52,3 51,9 52,8 50,9 47,7 0,0323 8,5 60,5 55,7 28,8 38,6 56,1 55,4 53,3 53,1 53,1 52,4 51,6 51,8 50,7 47,9 0,0345
9,0 60,3 55,8 28,5 38,6 56,7 56,3 54,4 54,1 54,0 52,9 52,9 53,5 51,6 47,7 0,0400 9,5 60,2 55,8 28,3 38,7 57,1 56,5 54,4 54,2 54,1 53,5 53,2 53,9 51,9 49,2 0,0460
10,0 60,5 56,1 27,7 38,8 57,3 56,8 55,1 54,6 54,8 53,9 53,8 54,3 52,4 49,7 0,0530
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
71
Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm)
�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,2 45,0 28,2 35,2 46,9 46,3 41,8 41,6 41,0 39,6 36,9 37,7 37,3 34,4 0,012
2,5 60,1 47,2 28,6 36,0 48,9 48,5 44,7 44,3 44,5 41,2 38,9 40,9 39,6 36,7 0,013 3,0 60,2 48,3 28,6 36,8 50,6 49,8 46,1 46,3 45,4 43,0 41,2 43,1 41,6 38,6 0,015
3,5 60,3 49,7 28,6 37,1 50,7 50,1 46,4 46,6 45,8 43,6 41,6 43,9 42,0 39,2 0,020
4,0 60,4 50,8 28,7 37,5 51,8 51,2 47,7 48,0 47,2 45,2 43,3 45,3 43,4 40,7 0,022 4,5 60,3 51,5 28,7 37,8 52,4 51,6 48,6 48,6 47,9 46,0 44,2 46,2 44,2 41,5 0,023
5,0 60,2 51,9 28,7 38,0 52,9 52,2 49,6 49,4 48,7 47,3 45,7 46,5 44,7 42,2 0,026 5,5 60,0 52,3 28,7 38,3 53,4 52,6 50,0 50,0 49,2 47,7 46,0 47,7 45,6 43,2 0,028
6,0 60,2 53,1 28,8 38,5 53,7 53,3 50,9 50,7 50,0 48,7 47,2 48,7 46,4 44,4 0,032
6,5 60,3 53,5 28,8 38,7 54,4 53,9 51,5 51,1 50,6 49,5 48,0 49,5 47,4 45,3 0,034 7,0 60,5 54,1 28,8 38,8 55,0 54,3 52,1 51,9 51,2 50,5 48,9 50,3 48,0 46,5 0,035
7,5 60,3 54,2 28,6 39,0 55,6 54,9 53,0 52,5 51,9 51,0 49,9 50,6 48,8 47,0 0,040 8,0 60,1 54,5 28,7 39,0 55,9 55,5 53,6 53,1 52,6 51,9 50,8 51,6 49,4 47,8 0,044
8,5 60,2 54,8 28,7 39,2 56,2 55,7 54,0 53,6 53,0 52,3 51,3 52,3 50,0 48,7 0,045
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
72
Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert II (diameter lubang 4 mm)
�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m
2,0 60,4 46,1 27,8 34,0 50,5 47,5 45,0 42,7 42,8 39,8 40,5 41,2 37,7 35,5 0,018 2,5 60,3 47,6 27,9 35,6 51,4 48,7 46,8 44,2 44,6 41,6 42,3 43,0 39,2 37,1 0,020
3,0 60,4 49,0 28,8 36,0 52,8 50,4 48,2 46,1 46,1 43,0 43,7 44,6 40,9 38,5 0,023 3,5 60,4 50,6 28,7 36,2 54,5 52,2 50,8 49,1 49,0 46,2 47,3 47,3 44,1 40,3 0,025
4,0 60,4 51,2 28,7 36,5 54,5 52,4 52,2 49,0 48,8 46,0 46,3 47,3 43,7 39,9 0,030
4,5 60,5 51,8 28,1 36,7 54,7 52,9 51,1 49,5 49,2 46,9 47,0 47,7 44,3 40,9 0,034 5,0 60,3 52,4 28,4 37,0 54,9 53,5 51,9 50,5 49,9 48,2 48,0 49,3 45,3 42,1 0,039
5,5 60,2 52,7 28,3 37,4 55,3 53,8 52,5 50,9 50,7 49,2 48,7 49,3 46,0 42,8 0,035 6,0 60,0 53,1 28,7 38,0 55,6 54,4 54,0 51,9 51,1 50,1 49,6 50,1 47,0 44,2 0,042
6,5 60,2 53,5 28,7 38,7 56,2 55,2 54,9 52,6 51,9 51,1 50,6 51,1 48,1 45,3 0,047
7,0 60,1 53,7 28,7 39,5 56,7 55,5 56,0 53,3 53,3 52,4 51,5 52,3 49,2 46,6 0,052 7,5 60,3 53,9 28,8 40,2 56,9 55,8 55,0 53,9 53,3 52,4 51,5 52,3 49,2 46,6 0,056
8,0 60,3 54,0 28,8 40,8 56,6 55,8 55,1 53,8 52,9 52,4 51,8 52,4 49,6 47,3 0,060 8,5 60,3 54,3 28,8 41,2 57,1 56,3 56,1 54,3 53,6 52,8 52,4 52,8 50,3 47,9 0,064
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
73
Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan variasi classic twisted tape insert
�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,4 43,50 27,9 35,3 47,6 47,6 42,9 41,5 40,3 38,6 37,4 35,7 35,6 32,3 0,021 2,5 60,3 45,80 28,2 36,2 54,5 50,0 44,8 43,5 45,7 42,2 43,5 43,3 41,2 37,0 0,025 3,0 60,2 46,70 28,5 37,8 53,3 51,7 46,5 46,1 47,5 44,4 45,0 45,2 43,0 39,3 0,027 3,5 60,5 48,20 28,3 38,0 54,2 52,3 47,5 47,1 48,3 45,3 45,6 45,4 43,8 40,3 0,034 4,0 60,5 49,30 28,6 38,8 54,6 53,2 48,4 48,4 49,2 46,4 46,4 46,6 44,9 41,5 0,035 4,5 60,5 49,60 28,6 39,8 54,8 53,3 49,2 49,1 50,1 47,5 47,3 47,4 45,7 42,3 0,039 5,0 60,4 50,50 28,8 40,6 55,4 54,1 50,2 50,2 50,9 48,7 48,5 48,7 46,9 43,8 0,042 5,5 60,2 50,90 28,6 40,9 56,0 54,2 50,5 50,5 51,2 49,4 49,1 49,1 47,4 44,4 0,045 6,0 60,5 51,60 28,6 41,4 56,2 54,5 51,2 51,1 51,7 50,0 49,7 50,0 48,2 45,4 0,049 6,5 60,3 52,00 28,6 41,8 56,5 55,3 51,9 51,9 52,4 50,6 50,4 50,9 49,0 46,5 0,050 7,0 60,3 52,40 28,5 42,1 56,7 55,7 52,6 52,3 52,7 51,5 50,8 51,2 49,5 46,9 0,054 7,5 60,3 52,70 28,6 42,8 56,7 55,7 52,7 52,6 52,8 51,7 51,2 51,7 49,8 47,3 0,060 8,0 60,5 53,10 28,6 43,2 56,7 55,7 53,1 52,9 53,2 51,9 51,7 52,0 50,3 48,0 0,067 8,5 60,5 53,50 28,6 43,6 56,8 55,9 53,6 53,3 53,6 53,5 52,1 52,5 50,8 48,8 0,075
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
74
4.2 Perhitungan Data
Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi :
� Massa jenis fluida manometer (ρm) : 995,75 kg/m2
� Panjang pipa dalam : 2,702 m
� Panjang antar pressure tap (Lt) : 2,002 m
� Panjang sisi dalam pipa dalam (2a) : 1,72.10-2 m
� Panjang sisi luar pipa dalam (2b) : 1,85.10-2 m
� Panjang sisi dalam pipa luar (2c) : 21,75.10-2 m
� Panjang sisi luar pipa luar (2d) : 23,05.10-2 m
Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi
� Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) :
Ai = 4.2a. L = 4 . 1,72.10-2 m . 1,998 m = 1,37.10-1 m2
� Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)
Ao = 4.2b L = 4 . 1,85.10-2 m . 1,998 m = 1,48.10-1 m2
� Luas penampang dalam pipa dalam (At,i)
At,i = 2a. 2a = 1,72.10-2 m . 1,72.10-2 m = 2,96.10-4 m2
� Diameter hidrolik annulus (Dha)
Dha = 4 At
P =
4.((2c)2-(2b)2)
4 (2c + 2b) = 2c - 2b = (21,75-18,50) .10-2 m
= 3,25.10-3 m
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
75
� Diameter hidrolik pipa dalam (Dhi)
Dhi = 4 At,i
P =
4 .17,20 mm. 17,20 mm
4.17,20 mm
= 1,72.10-2 m
4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volumetrik 4,5
LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube)
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,2 oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 52,6 oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 28,1 oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 36,3 oC
- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 13,5.10-3 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (�� �) : 7.10-2 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
• Temperatur bulk air di pipa dalam :
Tb,i = Thi+ Tho
2 =
(60,2 + 52,6)°C
2 = 56,4 oC = 329,4 K
• Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρh = 985,42 kg/m3
Cp,h = 4.183,2 J/kg oC
ki = 0,648 W/m oC
µi = 5,05.10-4 kg/m s
Pr = 3,26
• Temperatur bulk air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 =
(28,1 + 36,3)°C
2 = 32,2 oC = 305,2 K
• Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρc = 994,511 kg/m3
Cp,c = 4.178 J/kg oC
ko = 0,622 W/m oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
76
µ = 7,5.10-4 kg/m s
b. Laju aliran massa air di pipa dalam, �� �:
�� �= ρh . �� = 985,42 kg/m3 . � 4,5 LPM
60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s
c. Laju perpindahan panas :
Qh = �� �. Cp,h .(Th,i – Th,o)
= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,2 J/kg oC . (60,2 – 52,6) oC
= 2.349,45 W
Qc = �� �. Cp ,c. (Tc,out – Tc,in)
= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg oC . (36,3 – 28,1) oC
= 2.398,17 W
d. Persentase kehilangan panas dari penukar kalor, Qloss :
heat balance error = �Qh- Qc� = �2.349,45 W – 2.398,17 W� = 48,72 W
% heat balance error = �Qloss
Qh�.100%
= 48,72
2.349,45 .100% = 2,07 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
Twall = 53,0 + 52,5 + 48,8 + 49,9 + 47,5 + 48,4 + 44,9 + 47,5 + 44,7 + 41,8
10
= 47,9 oC
ho = Qc
Ao . ( T�w,o- Tb,o) =
2.398,17 W
1,48.10-1 m2. (47,9 – 32,2)°C
= 1.032,1 W/m2 oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :
Nuo = ho.Dha
ko =
1032,1 W/m2 oC . 3,25.10-3
0,622 W/m. oC = 5,39
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam, Ui :
Qh = �� � .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.∆TLMTD
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
77
Ui = m� h C
p,h . �Th,i- Th,o�
Ai . ∆TLMTD =
Qh
Ai . ∆TLMTD
Ui = Qh
Ai . � �Th,i- Tc,o-�Th,o- Tc,iln ��Th,i- Tc,o/�Th,o- Tc,i��
Ui = 2.349,45 W
1,37.10-1 m2 . � �60,2- 36,3 �°C – �52,6-28,1�°C
ln ��60,2- 36,3 �°C/�52,6-28,1�°C�
= 708,68 W/m2 oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1� 1
Ui - a.ln(b a)⁄
km - a
b.ho�
hi = 1
1708,68 W/m2 oC
–
17,2 . 10-3m. 2 ln � 18,5 .10-3 m
17,2 . 10-3 m�
237 W/m2 oC -
0,0172/2 m0,0185/2 m.1033,1 W/m2 oC
hi = 1.941,54 W/m2 oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
1
Uo.Ao =
1
hi.Ai+
ln� !⁄ "8kL
+1
ho.Ao
Uo = 1
ba hi
+ b . ln�2b
2akm
+ 1
ho
Uo = 1
1,85.10-2
1,72.10-2 1.941,54 +
1,85.10-2 2 . ln �1,85.10-2
1,72.10-2 �
237 +
11.032,1
Uo = 655,43 W/m2 oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
78
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi . dhi
ki =
1.941,54 W/m2 oC . 1,72.10-2 m
0,648 W/m. oC = 51,52
k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #:
# = $�
At,i =
4,5 LPM . 1 menit
60s
1 m3
1000L
2,96. 10-4 m2
= 0,253 m/s
Re = ρh % dhi
µ
= 985,42 kg/m3 0,253 m/s. 1,72.10-2m
5,05. 10-4 kg/m.s
= 8.491,38 l. Validasi Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) :
• Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):
Faktor gesekan menurut Petukhov :
ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2
= (0,79. ln 8.491,38 - 1,64)-2
= 3,3.10-2
Nui,Gnelienski = �ƒ
8 �Re-1000".Pr
1+12,7�ƒ81/2
(Pr2/3-1)
=
�3,3.10-2
8� �8491,38 - 1000". 3,26
1+12,7�3,3.10-2
8�1/2
(3,262/3-1)
= 50,84
% error = Nui Plain tube- Nu Gnelienski
Nu Gnelienski .100%
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
79
% error = �51,52 - 50,8450,84 � .100%
= 1,33 %
• Menggunakan persamaan Petukhov
Nui,Petukhov = �ƒ
8 Re .Pr
1,07 +12,7�ƒ81/2
(Pr2/3-1)
=
�3,3.10-2
8� 8491,38 . 3,26
1,07 + 12,7 �3,3.10-2
8�1/2
(3,262/3-1)
= 55,76
% error = Nui Plain tube- Nu Petukhov
NuPetukhov .100%
= 51,52 - 55,76
55,76 .100%
= 7,60%
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (∆P):
∆P = ρm.g. ∆h
= 995,75 (kg/m3) .9,81 (m/s2).13,5.10-3 m.� 1 N
Kg.m/s2 � 1 Pa
1N/m2
= 131,86 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ = ∆P
Ltdhi
ρh '�(.
2
= 131,86 Pa
2,002 m
1,72.10-2
985,418 kg/m3 �0,253 m/s"2
2
= 3,6.10-2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
80
o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Petukhov, Blassius dan
Colebrook
• Menggunakan persamaan Petukhov:
Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 3,3.10-2
%error = �ƒPlain tube- ƒPetukhov
ƒPetukhov� .100%
= �3,6.10-2 - 3,3.10-2
3,3.10-2�.100%
= 9,09 %
• Persamaan Blasius:
ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. 8491,38-0,25 = 3,29.10-2
%error = �ƒPlain tube- ƒBlasius
ƒBlasius �.100%
= )3,6.10-2 - 3,29.10-2
3,29.10-2) .100%
= 9,42 %
• Persamaan Colebrook:
Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:
*+ = 0,25 ,log �ε D ⁄3,7
+5,74
Re0,9 --2
Kekasaran relatif pipa dalam, e/Dh = 0, dengan metode iterasi didapat data :
fColebrook = 3,26 . 10-2
%error = �ƒPlain tube- ƒColebrook
ƒColebrook�.100%
= �3,6.10-2 - 3,26.10-2
3,26.10-2� .100%
= 10,43 %
p. Efektivenes penukar kalor
Ch = �� �. Cp,h = 7,39 10-2 kg/s . 4.183,2 J/kgoC = 309,14 J/s oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
81
Cc = �� � . Cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch= 309,14 J/s oC
c = Cmin
Cmaks =
292,46
309,14 = 0,95
ε = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin . (Th,i- Tc,i) =
2.349,45 W
292,46 J/s°C (60,2 - 28,1)°C = 0,25
NTU = Uo. Ao
Cmin =
655,43 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2
292,46 J/sC = 0,33
NTU = 1
c-1 ln �ε - 1
ε.c-1 =
1 0,95-1 ln � 0,25-1
.0,25.0,946-1 = 0,36
4.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5
LPM dengan variasi perforated twisted tape insert I.
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,3 oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 51,5 oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 28,7 oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 37,8 oC
- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 23.10-3 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (�� �) : 7. 10-2 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
• Temperatur bulk air di pipa dalam :
Tb,i = Thi+ Tho
2 =
60,3 + 51,5
2 = 55,9 oC = 328,9 K
• Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρh = 985,38 kg/m3
Cp,h = 4.183,22 J/kg.oC
ki = 0,648 W/m. oC
µ = 5,04. 10-4 kg/m.s
Pr = 3,25
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
82
• Temperatur bulk air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 =
28,7 + 37,8
2 = 33,3oC = 306,3 K
• Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρc = 994,23 kg/m3
Cp,c = 4.178 J/kg. oC
ko = 0,623 W/m. oC
µ = 7,39.10-4 kg/m.s
b. Laju aliran massa air di pipa dalam, �� �:
�� � = ρh �� = 985,38 kg/m3 . � 4,5 LPM
60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s
c. Laju perpindahan panas :
Qh = �� � .Cp,h .(Th,in – Th,out)
= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,22 J/kg. oC . (60,3 – 51,5) oC
= 2.720,43 W
Qc = �� � .Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)
= 0,07 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (37,8 – 28,7) oC
= 2.661,39 W
d. Persentase kehilangan panas dari penukar kalor, Qloss :
heat balance error = �Qh- Q
c� = �2720,43 W – 2.661,39 W� = 59,04 W
% heat balance error = �Qloss
Qh�.100% = 59,04
2720,43 .100% = 2,17 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
T�wall = 52,4 + 51,6 + 48,6 + 48,6 + 47,9 + 46,0 + 44,2 + 46,2 + 44,2 + 41,5
10
= 47,1 oC
ho = Qc
Ao . (Ťw,o- Tb,o) =
2.661,39 W
1,48.10-1 .m2. (47,1 – 33,3)°C = 1.303,1W/m2 oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :
Nuo = ho.Dha
ko
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
83
Nuo = 1.303,1W/m2 oC . 3,25.10-3
0,623 W/m. oC = 6,79
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam, berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam ,Ui:
Qh = �� �. Cp,h .(Th,in – Th,out) = Ui.Ai.∆TLMTD
Ui = m� h.Cp,h . �Th,i- Th,o�
Ai . ∆TLMTD =
Qh
Ai . ∆TLMTD
Ui = Qh
Ai . � �Th,i- Tc,o-�Th,o- Tc,iln ��Th,i- Tc,o/�Th,o- Tc,i��
Ui = 2720,43 W
1,37.10-1 m2 . � �60,3 – 37,8 �-�51,5—28,7�ln ��60,3 – 37,8 �/�51,5—28,7��
= 876,71 W/m2 oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1� 1
Ui - a.ln(b a)⁄
km - a
b.ho�
hi = 1
1876,71 W/m2 oC
–
17,2 .10-3m2 ln � 18,5 .10-3 m
17,2 . 10-3 m�
237 W/m2 oC –
1,72 10-2/2 m
1,85.10-2/2 m.1.303,1W/m2 oC
hi = 2.355,78 W/m2 oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
1
Uo.Ao =
1
hi.Ai+
ln� !⁄ "8kL
+1
ho.Ao
Uo = 1
2b2a hi
+ b . ln�2b
2akm
+ 1
ho
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
84
Uo = 1
1,85.10-2 m
1,72.10-2 m 2.355,78 W/m2 oC +
1,85.10-2
2 m. ln �1,85.10-2 1,72.10-2
�237 W/m2 oC
+ 1
1.303,1W/m2 oC
Uo = 815,12 W/m2 oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi . dhi
ki =
2.355,78 W/m2.oC . 1,72 10-2 m
0,648 W/m. oC = 62,53
k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi
dengan korelasi Manglik –Berges. Ø2 = , π
π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di
π - 4t/di- .
0,2
= / π
π- 4.7,6. 10-4
1,261 . 10-2
00,80
/π + 2- 2.7,6.10-4
1,261 .10-2
π - 4.7,6.10-4
1,261 . 10-2
00,20
= 1,19
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2D
H ] Ø2
= 0,023. 8507,960,8. 3,250,4 [1+0,769. 2. 1,72.10-2
5,035.10-2 ]. 1,19
= 93,14
% error = 1Nui Perforated 1- Nui Manglik-Berges
Nui Manglik-Berges1 .100%
= 62,92 – 93,14
93,14 100%
= 32,45%
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
85
l. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re : Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, # :
# = $�
Ati =
4,5 LPM . 1 menit
60 s
1 m3
1000 L
2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s
Re = ρh %2 dhi
µ =
985,38 kg/m3 0,253 m/s. 0,0172
5,04.10-4 kg/m.s = 8.507,96
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (∆P):
∆P = ρm.g. ∆h
= 995,75 kg/m3.9,81 m/s2.0,023 m � 1 N
kg.m/s2 � 1 Pa
1N/m2
= 224,67 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ = ∆P
Ltdhi
ρh '�(.
2
= 224,67 Pa
2,002m0,0172 m
985,38 kg/m3 �0,253 m/s"2
2
2
= 0,06
o. Efektivenes penukar kalor
Ch = �� � . Cp,h =7,39.10-2 kg/s . 4.182,22 J/kgoC = 309,06 J/soC
Cc = �� � . Cp,c =7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/soC
Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch= 309,06 J/s oC
c = Cmin/Cmaks= 0,946
ɛ = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin . (Th,i- Tc,i) =
2.719,78 W
292,46 J/s°C (60,3 - 28,7)°C = 0,29
NTU = Uo Ao
Cmin =
815,12 W/m2 oC . 1,48.10-1 m2
292,46 J/sC = 0,41
NTU = 1
c-1 ln � ε-1
ε c-1 =
1
0,946-1 ln � 0,29 -1
0,29 .0,946 -1 = 0,40
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
86
4.2.3 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5
LPM dengan perforated twisted tape insert II.
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,5 oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,out) : 51,8 oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,in) : 28,1 oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,out) : 36,7 oC
- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 34.10-3 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (�� �) : 0,07 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
• Temperatur bulk air di pipa dalam :
Tb,i = Thi+ Tho
2 =
60,5 + 51,8
2 = 56,2 oC = 329,2 K
• Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρh = 984,75 kg/m3
Cp,h = 4.183,66 J/kg.oC
ki = 0,649 W/m. oC
µ = 4,96.10-4 kg/m.s
Pr = 3,196
• Temperatur bulk air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 =
28,1 + 36,7
2 = 32,4 oC = 305,4 K
• Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρc = 994,87 kg/m3
Cp,c = 4.178 J/kg. oC
ko = 0,621 W/m. oC
µ = 7,63.10-4 kg/m.s
b. Laju aliran massa air di pipa dalam, �� �:
�� � = ρh. �4 = 984,75 kg/m3 . � 4,5 LPM
60 s.1000m3 = 7,38.10-2 kg/s
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
87
c. Laju perpindahan panas :
Qh = �� � C p,h .(Th,in – Th,out)
= 7,38.10-2 kg/s .4.183,66 J/kg. oC . (60,5 – 51,8) oC
= 2.686,16 W
Qc = �� � .Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)
= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (36,7 – 28,1) oC
= 2.515,16 W
d. Persentase kehilangan panas dari penukar kalor, Qloss :
heat balance error = �Qh- Q
c� = �2686,16 W – 2515,16 W� = 171,00 W
% heat balance error = �Qloss
Qh�.100%
= 171,00
2686,16 .100% = 6,36 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
T�wall = 54,7 + 52,9 + 51,1 + 49,5 + 49,2 + 46,9 + 47,0 + 47,7 + 44,3 + 40,9
10
= 48,4 oC
ho = Qc
Ao . (T�w,o- Tb,o) =
2515,16 W
1,48.10-1 m2. (48,4 – 32,4)oC
= 1.062,14 W/m2 oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :
Nuo = ho.Dha
ko =
1.062,14 W/m2 oC . 3,25.10-3
0,621 W/m. oC = 5,56
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam, berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam , Ui:
Qh = �� � . Cp,h .(Th,in – Th,out) = Ui.Ai.∆TLMTD
Ui = 6� 7.Cp,h . �Th,i- Th,o�
Ai . ∆TLMTD =
Qh
Ai . ∆TLMTD
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
88
Ui = Qh
Ai . � �Th,i- Tc,o-�Th,o- Tc,iln ��Th,i- Tc,o/�Th,o- Tc,i��
Ui = 2686,16 W
1,37.10-1 m2 . � �60,5- 36,7 �-�51,8-28,1�ln ��60,5- 36,7 �/�51,8-28,1��
= 825,56 W/m2 oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1� 1
Ui - a.ln(b a)⁄
km - a
b.ho�
hi =1
1825,56 W/m2 oC
–
17,2.10-3m.2 ln � 18,5.10-3m
17,2 .10-3m�
237 W/m2 oC –
1,72.10-2/2 m
1,85.10-2/2 m 1.062,14 W/m2 oC
hi = 3.000,18 W/m2 oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
1
Uo.Ao =
1
hi.Ai+
ln� !⁄ "8kL
+1
ho.Ao
Uo = 1
2b2a hi
+ b . ln�2b
2akm
+ 1
ho
Uo = 1
1,85.10-2 m
1,72.10-2 m 3.000,18W/m2 oC +
1,85.10-2 2 m. ln �1,85.10-2
1,72.10-2 �
237 W/m2 oC +
1 1.062,14 W/m2 oC
Uo = 767,55 W/m2 oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi .dhi
ki =
3000,18 W/m2.oC. 0,0172
0,649 W/m. oC = 79,51
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
89
k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi
dengan korelasi Manglik–Berges Ø2 = , π
π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di
π - 4t/di- .
0,2
= / π
π- 4.7,6. 10-4
1,261 . 10-2
00,80
/π + 2- 2.7,6.10-4
1,261 .10-2
π - 4.7,6.10-4
1,261 . 10-2
00,20
= 1,19
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2D
H ] Ø2
= 0,023. 8639,590,8. 3,190,4 [1+0,769. 2. 0,0172
0,0503]. 1,19
= 93,65
% error = 1Nui Perforated II- Nui Manglik-Berges
Nui Manglik-Berges1 .100%
= 79,39 – 93,65
93,65 100%
= 15,22 %
l. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #
# = V�
At,i =
4,5 LPM . 1 menit
60s1 m3
1000L
2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s
Re = ρh %2 dhi
µ =
984,75 kg/m3 0,253 m/s. 1,72.10-2
4,96.10-4 kg/m.s = 8.639,59
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (∆P):
∆P = ρm.g. ∆h
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
90
∆P = 995,75 kg/m3. 9,81 m/s2. 0,034 m � 1 N
Kg.m/s2 � 1 Pa
1N/m2= 332,12 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ = ∆P
Ltdhi
ρh '�(.
2
= 332,12 Pa
2,002 m1,72 . 10-2
m
984,75 kg/m3 �0,253 m/s"2
2
= 0,09
o. Efektivenes penukar kalor
Ch = �� � . Cp,h =7,38 10-2 kg/s . 4.183,66 J/kgoC = 308,75 J/s oC
Cc = �� � . Cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch= 308,75 J/s oC
c = Cmin/Cmaks= 0,948
ε = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin .(Th,i- Tc,i) =
2.686,16 W
292,46 J/s°C (60,5 - 28,1)°C = 0,28
NTU = Uo AoCmin
= 767,55 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2
292,46 J/sC = 0,38
NTU = 1
c-1 ln � ε-1
ε.c-1 =
1
0,947-1 ln � 0,28 -1
0,475.0,470-1 = 0,36
4.2.4 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5
LPM dengan classic twisted tape insert.
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,5 oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 49,6 oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 28,6 oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 39,8 oC
- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 39.10-3 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (�� �) : 0,07 kg/s
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
91
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
• Temperatur bulk air di pipa dalam :
Tb,i = Thi+ Tho
2 =
60,5 + 49,6
2 = 55,1 oC = 328,1 K
• Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρh = 985,39 kg/m3
Cp,h = 4.183,22 J/kg.oC
ki = 0,648 W/m. oC
µ = 5,04 10-4 kg/m.s
Pr = 3,255
• Temperatur bulk air di annulus :
Tb,o = Tci+ Tco
2 =
28,6 + 39,8
2 = 34,2 oC = 307,2 K
• Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :
ρc = 994,15 kg/m3
Cp,c = 4.178 J/kg. oC
ko = 0,623 W/m. oC
µ = 7,36. 10-4 kg/m.s
b. Laju aliran massa air di pipa dalam, �� � :
�� � = ρh. �� = 985,39 kg/m3 . � 4,5 LPM
60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s
c. Laju perpindahan panas :
Qh = �� � Cp,h .(Th,in – Th,out)
= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,22 J/kg. oC . (60,5 - 49,6) oC
= 3.369,62 W
Qc = �� �.Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)
= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (39,8 – 28,6) oC
= 3.275,55 W
d. Persentase kehilangan panas dari penukar kalor, Qloss :
heat balance error = �Qh- Q
c� = �3.369,62 W – 3.275,55 W� = 94,07 W
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
92
% heat balance error = �Qloss
Qh�.100% = 94,07
3.369,62 .100% = 2,79 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
Twall = 54,8 + 53,3 + 49,2 + 49,1 + 50,1 + 47,5 + 47,3 + 47,4 + 45,7 + 42,3
10
= 48,7 oC
ho = Qc
Ao . (Ťw,o- Tb,o) =
3.275,55 W
1,48.10-1 m2. (48,7 – 34,2) = 1526,35 W/m2 oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :
Nuo = ho.Dha
ko =
1526,35 W/m2 oC . 3,25.10-3
0,623 W/m. oC = 7,96
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam , Ui:
Qh = �� � . Cp,h .(Th,in – Th,out) = Ui.Ai.∆TLMTD
Ui = m� h . Cp,h . �Th,i- Th,o�
Ai . ∆TLMTD =
Qh
Ai . ∆TLMTD
Ui = Qh
Ai . � �Th,i- Tc,o-�Th,o- Tc,iln ��Th,i- Tc,o/�Th,o- Tc,i��
Ui = 3369,62 W
1,37.10-1m2.� �60,5- 39,8 �-�49,6-28,6�ln ��60,5- 39,8 �/�49,6-28,6�� = 1.179,74 W/m2 oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = 1� 1
Ui - a.ln(b a)⁄
km - a
b.ho�
hi = 1
11179,74W/m2 oC
–
17,2 . 10-3m2 ln � 18,5.10-3m
17,2 .10-3m�
237 W/m2 oC –
1,72.10-2/2 m
1,85.10-2/2 m 1526,35 W/m2 oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
93
hi = 4.239,83 W/m2 oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
1
Uo.Ao =
1
hi.Ai+
ln� !⁄ "8kL
+1
ho.Ao
Uo = 1
2b2a hi
+ b . ln�2b
2akm
+ 1
ho
Uo = 1
1,85.10-2 m
1,72.10-2 m 4239,43 W/m2 oC +
1,85.10-2 2 m.ln �1,85.10-2
1,72.10-2 �
237 W/m2 oC +
1
1526,35 W/m2 oC
Uo = 1096,84 W/m2 oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = hi . dhi
ki =
4239,83 W/m2.oC . 1,72.10-2
0,648 W/m. oC = 112,53
k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam penukar kalor saluran persegi
dengan persamaan Manglik-Berges.
Ø2 = , π
π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di
π - 4t/di- .
0,2
= / π
π- 4.7,6. 10-4
1,261 . 10-2
00,80
/π + 2- 2.7,6.10-4
1,261 .10-2
π - 4.7,6.10-4
1,261 . 10-2
00,20
= 1,19
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2D
H ] Ø2
= 0,023. 8507,980,8. 3,250,4. [1+ 0,769. 2. 1,72 . 10-2m
5,03. 10-2 m ]. 1,19
= 93,20
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
94
% error = 1Nui Classic- Nui Manglik-Berges
Nui Manglik-Berges1 .100%
= 112,53 – 93,2093,20 100%
= 20,73 %
l. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #:
#:= ;�
At,i =
4,5 LPM . 1 menit
60 s 1 m3
1000L
2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s
Re = ρh %2 dhi
µ =
985,39 kg/m3 0,253 m/s.1,72 . 10-2m
5,04. 10-4 kg/m.s = 8507,98
m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (∆P):
∆P = ρm.g. ∆h
= 995,75 kg/m3. 9,81 m/s2. 39.10-3 m � 1 N
kg.m/s2 � 1 Pa
1N/m2
= 380,96 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ = ∆P
Ltdhi
ρh '�(.
2
= 380,96 Pa
2,002 m0,0172 m
985,39 kg/m3 �0,253 m/s"2
2
= 0,10
o. Efektivenes penukar kalor
Ch = �� � . cp,h =7,39 10-2 kg/s . 4.183,22 J/kgoC = 309,14 J/s oC
Cc = �� � . cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch = 309,14 J/s oC
c = Cmin/Cmaks= 0,946
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
95
ε = Qh
Qmaks =
Qh
Cmin .(Th,i- Tc,i) =
3.369,62 W
292,46 J/s°C (60,5-28,6)°C = 0,361
NTU = Uo Ao
Cmin =
1096,84 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2
292,46 J/sC = 0,56
NTU = 1
c-1 ln � ε-1
ε.c-1 =
1
0,946-1 ln � 0,361-1
0,361.0,946-1 = 0,56
4.2.5. Daya pemompaan (Pumping power)
Pumping power dapat ditentukan dengan persamaan = �� . ∆P
Contoh perhitungan pumping power variasi classic twisted tape insert 4,5 LPM:
Pumping power = � 4,5 LPM
60 s.1000 m3. 380,96 Pa
= 7,5. 10-5 m3/s . 380,96 Pa
= 2,86.10-2 Pa.m3/s = 2,86.10-2 W
Tabel 4.5. Data pengujian pumping power penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube)
LPM Pumping Power (W)
classic perforated 1 perforated 2 plain tube
2,0 0,00683 0,00390 0,00586 0,00195
2,5 0,01016 0,00529 0,00813 0,00325
3,0 0,01317 0,00732 0,01122 0,00488
3,5 0,01935 0,01138 0,01423 0,00683
4,0 0,02277 0,01431 0,01952 0,00813
4,5 0,02854 0,01683 0,02488 0,01025
5,0 0,03415 0,02114 0,03171 0,01301
5,5 0,04025 0,02505 0,03131 0,01610
6,0 0,04782 0,03123 0,04099 0,01854
6,5 0,05286 0,03594 0,04969 0,02114
7,0 0,06148 0,03985 0,05920 0,02846
7,5 0,07319 0,04879 0,06831 0,03537
8,0 0,08717 0,05725 0,07807 0,04164
8,5 0,10368 0,06221 0,08848 0,04839
9,0 - - - 0,05123
9,5 - - - 0,04944
10,0 - - - 0,05530
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
96
Perbandingan angka Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal,
efektivenes dan NTU dari penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert
dan tanpa twisted tape insert ditentukan pada daya pemompaan yang sama : �V� . ∆P�p = �V� . ∆P�
s
Nilai daya pemompaan dari masing-masing variasi percobaan dapat dilihat pada
tabel 4.5. Unjuk kerja termal dari penukar kalor dapat ditentukan dengan:
η = �hi, s
hi, p�p
4.2.6. Menentukan hi , η, Re, Nui, f, ε, NTU pada daya pemompaan yang sama
a. Menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa
dalam, hi pada daya pemompaan yang sama
Hubungan hi dengan daya pemompaan (pumping power) untuk penukar
kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat
dapat dilihat pada gambar 4.2
Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata
di pipa dalam dengan pumping power
hi= 13708. P0,4286
R² = 0,9851
hi = 19453. P0,4958
R² = 0,9716
hi = 21200. P0,5136
R² = 0,9744
hi = 20538 P0,476
R² = 0,952
0
2000
4000
6000
8000
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
hi(W
/m² °C
)
Pumping Power, P (W)
Plain tube
Perforated I
Perforated II
Classic
Power (Plain tube)
Power (Perforated I)
Power (Perforated II)
Power (Classic)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
97
Nilai hi pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan
persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert
maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan hi pada pumping power = 2,86.10-2 W
• hi, plain tube = 13708 . (2,86.10-2)0,4286 = 2987,94 W/m2 °C
• hi, Perforated I = 19453. (2,86.10-2)0,4958 = 3339,28 W/m2 °C
• hi, Perforated II = 21200. (2,86.10-2)0,5136 = 3416,06 W/m2 °C
• hi, Classic = 20538. (2,86.10-2)0,476 = 3778,55 W/m2 °C
b. Menentukan unjuk kerja termal penukar kalor (η)
Contoh perhitungan η pada pumping power = 2,86.10-2 W
� Perforated twisted tape 1 :
η = �hi, perforated 1
hi, plain tube � = � 3339,28 W/m2 °C
2987,94 W/m2 °C = 1,12
� Perforated twisted tape 2 :
η = �hi, perforated 2
hi, plain tube � = � 3416,06 W/m2 °C
2987,94 W/m2 °C = 1,14
� Classic twisted tape :
η = �hi,classic twisted tape
hi, plain tube � = �3778,55 W/m2 °C
2987,94 W/m2 °C = 1,26
c. Menentukan bilangan Reynolds di pipa dalam pada pumping power yang sama:
Hubungan Re dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dapat dilihat
pada gambar 4.3.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
98
Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam dengan pumping power
Bilangan Reynolds (Re) pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan Re pada pumping power = 2,86.10-2 W
• Re, plain tube = 74135. (2,86.10-2)0,4732 = 13.790,36
• Re, Perforated I = 73582. (2,86.10-2)0,5332 = 11.058,75
• Re, Perforated II = 64098. (2,86.10-2)0,5428 = 9.310,22
• Re, Classic = 64800. (2,86.10-2)0,5728 = 8.460,21
d. Menentukan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada pumping power yang sama:
Hubungan Nui dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.4.
Re= 74135. P0,4732
R² = 0,9877Re = 73582. P0,5332
R² = 0,9969
Re = 64098. P0,5428
R² = 0,994
Re = 64800. P0,5728
R² = 0,9961
0
5000
10000
15000
20000
25000
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Re
Pumping Power, P(W)
Plain tubePerforated IPerforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated I)Power (Perforated II)Power (Classic)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
99
Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
dengan pumping power
Bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada daya pemompaan yang sama dapat
dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar
kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Contoh perhitungan Nui pada pumping power = 2,86.10-2 W
• Nui, plain tube = 358,87. (2,86.10-2)0,4258 = 79,00
• Nui, Perforated I = 511,05. (2,86.10-2)0,4932 = 88,54
• Nui, Perforated II = 557,48. (2,86.10-2)0,5114 = 90,53
• Nui, Classic = 539,77. (2,86.10-2)0,4735 = 100,30
e. Menentukan nilai (Nui)s/(Nui)p, pada pumping power yang sama:
� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p, pada perforated twisted tape insert I:
Nui, Perforated I
Nui, Plain tube = 88,54
79,00 = 1,12
Nu= 358,87. P0,4258
R² = 0,9849
Nu= 511,05 P0,4932
R² = 0,9714Nu = 557,48 P0,5114
R² = 0,9744
Nu = 539,77P0,4735
R² = 0,9518
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Nui
Pumping Power, P (W)
Plain tubePerforated IPerforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated I)Power (Perforated II)Power (Classic)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
100
� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada perforated twisted tape insert II:
Nui, Perforated II
Nui, Plain tube = 90,53
79,00 = 1,15
� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada classic twisted tape insert:
Nui, Classic
Nui, Plain tube = 100,30
79,00 = 1,27
f. Menentukan nilai faktor gesekan ( f ), pada pumping power yang sama:
Hubungan f dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.5. Nilai f pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan pumping power
Contoh perhitungan faktor gesekan ( f ) pada pumping power = 2,86.10-2 W
• f, plain tube = 0,013 .(2,86.10-2)-0,20 = 0,026
• f, Perforated I = 0,007. (2,86.10-2)-0,52 = 0,044
• f, Perforated II = 0,011. (2,86.10-2)-0,56 = 0,080
• f, Classic = 0,011. (2,86.10-2)-0,63 = 0,103
ƒ = 0,013.P-0,20
R² = 0,934
ƒ= 0,007.P-0,52
R² = 0,975
ƒ= 0,011.P-0,56
R² = 0,960
ƒ = 0,011.P-0,63
R² = 0,974
0,0
0,1
0,2
0,3
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
ƒ
Plain tubePerforated IPerforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated I)Power (Perforated II)Power (Classic)
Pumping Power, P (W)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
101
g. Menentukan nilai ( f )s/( f )p, pada pumping power yang sama:
Untuk pumping power = 2,86.10-2 W
� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada perforated twisted tape insert I:
f , Perforated I
f, Plain tube = 0,044
0,026 = 1,69
� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada perforated twisted tape insert II:
f , Perforated II f, Plain tube =
0,080
0,026 = 3,08
� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada classic twisted tape insert:
f
, Classic
f, Plain tube
= 0,103
0,026 = 3,96
h. Menentukan efektivenes penukar kalor (ε) pada pumping power yang sama:
Hubungan ε dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.6. Nilai ε pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.6. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan pumping power
ε = 0.0793 P-0.247
R² = 0.9576
ε = 0.0765 P-0.325
R² = 0.9863
ε = 0.0707 P-0.356
R² = 0.9773
ε = 0.1102 P-0.311
R² = 0.9909
ε = 0.4332P0.1202
R² = 0.9312
ε = 0.4589 P0.1036
R² = 0.923
ε = 0.6718 P0.2372
R² = 0.9675
ε = 0.6398 P0.1613
R² = 0.9893
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
εPlain tubePerforated 1Perforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated 1)Power (Perforated II)Power (Classic)
Pumping Power, P (W)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
102
Contoh perhitungan efektivenes penukar kalor (ε) pada pumping power 2,86.10-2
W
• ε, plain tube = 0,4332.( 2,86.10-2)0,1202 = 0,28
• ε, Perforated I = 0,4589. (2,86.10-2)0,1036 = 0,32
• ε, Perforated II = 0,6178. (2,86.10-2)0,2372 = 0,27
• ε, Classic = 0,6398. (2,86.10-2)0,1613 = 0,36
i. Menentukan NTU penukar kalor pada pumping power yang sama:
Hubungan NTU dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan
penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.7. Nilai NTU pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan
menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan
twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube).
Gambar 4.7. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan pumping power
Contoh perhitungan NTU pada pumping power 2,86.10-2 W
• NTU, plain tube = 0,550.( 2,86.10-2)0,112 = 0,37
• NTU, Perforated I = 0,564. (2,86.10-2)0,072 = 0,44
• NTU, Perforated II = 1,048. (2,86.10-2)0,299 = 0,36
• NTU, Classic = 1,007.( 2,86.10-2)0,171 = 0,55
NTU = 0,086 P-0,28
R² = 0,961
NTU = 0,080 P-0,39
R² = 0,981
NTU = 0,072 P-0,42
R² = 0,974
NTU = 0,132 P-0,36
R² = 0,985
NTU = 0,550 P0,112
R² = 0,872
NTU = 0,564 P0,072
R² = 0,843
NTU = 1,048 P0,278
R² = 0,954
NTU = 1,007 P0,171
R² = 0,988
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
NT
U
Pumping Power, P(W)
Plain Tube
Perforated I
Perforated II
Classic
Power (Plain Tube)
Power (Perforated I)
Power (Perforated II)
Power (Classic)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
103
Tabel 4.6. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada pumping power yang sama
Pumping Power
.10-3 (W)
hi (W/m2 °C) ηηηη Re
Classic Perforated II Perforated I Plain Classic Perforated I Perforated II Classic Perforated II Perforated I Plain
6,83 1913,23 1637,28 1641,80 1617,45 1,18 1,02 1,01 3740,20 4296,65 5158,77 7024,32
10,16 2308,57 2008,10 1999,44 1917,87 1,21 1,04 1,05 4695,04 5329,61 6376,15 8473,96
13,17 2612,02 2294,14 2273,73 2143,29 1,22 1,06 1,07 5445,64 6133,77 7321,11 9577,14
19,35 3137,24 2795,26 2751,49 2527,46 1,25 1,09 1,11 6785,92 7555,70 8987,13 11483,89
22,77 3389,73 3038,59 2982,38 2709,79 1,26 1,10 1,12 7446,99 8251,44 9800,33 12399,47
28,54 3778,55 3412,57 3339,28 2987,84 1,26 1,12 1,14 8460,21 9310,22 11058,75 13790,36
34,15 4111,85 3742,08 3646,43 3224,10 1,29 1,13 1,16 9390,86 10279,49 12164,59 15014,76
40,25 4446,56 4071,56 3955,91 3459,33 1,30 1,14 1,18 10316,22 11236,89 13277,92 16225,51
47,82 4826,57 4447,99 4308,43 3724,25 1,31 1,16 1,19 11383,88 12335,95 14554,05 17599,11
52,86 5062,61 4683,00 4527,97 3887,75 1,32 1,16 1,20 12055,72 13024,75 15352,83 18451,84
55,30 5172,59 4792,79 4630,41 3963,67 1,32 1,17 1,21 12370,91 13347,20 15726,53 18849,03
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
104
Lanjutan tabel 4.6. Pumping
Power .10-3 (W)
Nui Nu/Nup f
plain perforated II perforated I classic perforated II perforated I classic plain perforated II perforated I classic
6,83 42,94 43,53 43,69 50,91 1,01 1,01 1,18 0,035 0,180 0,094 0,254 10,16 50,86 53,34 53,16 61,46 1,05 1,04 1,21 0,033 0,144 0,076 0,198 13,17 56,79 60,90 60,41 69,49 1,07 1,06 1,23 0,031 0,124 0,067 0,168 19,35 66,90 74,15 73,03 83,37 1,11 1,09 1,25 0,029 0,100 0,054 0,132 22,77 71,70 80,57 79,12 90,04 1,13 1,11 1,27 0,028 0,091 0,050 0,119 28,54 79,00 90,53 88,54 100,30 1,15 1,12 1,27 0,026 0,080 0,044 0,103 34,15 85,21 99,14 96,64 109,09 1,17 1,14 1,29 0,026 0,073 0,041 0,092 40,25 91,38 107,83 104,80 117,92 1,19 1,15 1,31 0,025 0,066 0,037 0,083 47,82 98,33 117,75 114,08 127,93 1,21 1,17 1,32 0,024 0,060 0,034 0,075 52,86 102,62 123,94 119,87 134,15 1,22 1,18 1,33 0,023 0,057 0,032 0,070 55,30 104,61 126,84 122,56 137,05 1,23 1,18 1,33 0,023 0,056 0,032 0,068
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
105
Lanjutan tabel 4.6. Pumping
Power .10-3 (W)
f / fp ε NTU
perforated II
perforated I classic Plain perforated I perforated II classic Plain perforated I perforated II classic
6,83 5,09 2,66 7,22 0,27 0,39 0,42 0,52 0,35 0,56 0,58 0,79
10,16 4,41 2,34 6,09 0,25 0,34 0,36 0,46 0,33 0,48 0,49 0,69
13,17 4,02 2,15 5,44 0,26 0,31 0,33 0,42 0,34 0,43 0,44 0,63
19,35 3,50 1,90 4,61 0,27 0,28 0,29 0,38 0,35 0,42 0,38 0,55
22,77 3,30 1,81 4,30 0,27 0,31 0,27 0,36 0,36 0,43 0,35 0,52
28,54 3,08 1,69 3,96 0,28 0,32 0,27 0,36 0,37 0,44 0,36 0,55
34,15 2,85 1,59 3,61 0,29 0,32 0,30 0,37 0,38 0,44 0,39 0,57
40,25 2,69 1,51 3,37 0,29 0,33 0,31 0,38 0,38 0,45 0,41 0,58
47,82 2,53 1,42 3,13 0,30 0,33 0,33 0,39 0,39 0,45 0,43 0,60
52,86 2,44 1,38 3,00 0,30 0,34 0,33 0,40 0,40 0,46 0,45 0,61
55,30 2,40 1,36 2,94 0,31 0,34 0,34 0,40 0,40 0,46 0,46 0,61
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
106
4.3. Analisis Data
4.3.1 Uji Validitas Pipa Dalam Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube).
Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan menggunakan
twisted tape insert, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan panas (Nu) dan
faktor gesekan (f) dari pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan
korelasi-korelasi empirik untuk perpindahan panas dan faktor gesekan yang ada.
Dari uji validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan nilai perpindahan
panas dan faktor gesekan aktual dari plain tube dibandingkan dengan korelasi-
korelasi empirik yang ada. Hasil perpindahan panas dari plain tube dibandingkan
dengan persamaan Gnelienski dan persamaan Petukhov, sedangkan untuk nilai
faktor gesekan dibandingkan dengan persamaan Blasius, Petukhov dan
Colebrook.
Perbandingan antara data penelitian dari plain tube dengan korelasi-korelasi
empirik dapat dilihat pada gambar 4.8. dan 4.9. Pada gambar 4.8, membandingkan
nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Dittus-Boelter, Gnelienski dan
Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.9, membandingkan nilai faktor gesekan dari
plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.
Gambar 4.8. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube.
0
20
40
60
80
100
120
0 5000 10000 15000 20000 25000
Nu,
i
Re
Plain Tube
Gnelienski
Petukhov
Dittus Boelter
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
107
Persamaan Dittus–Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 ≤ Pr ≤ 160, Re≥
10.000, dan L/D ≥ 10, Persamaan Petukhov berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ≤ Pr ≤
2.000, dan 104 < Re < 5 x 106 sedangkan persamaan Gnelienski mempunyai
batasan 0,5 < Pr < 2.000 dan 3 x 103 < Re < 5.106. Dari gambar 4.8,
penyimpangan rata-rata nilai aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Dittus-
Boelter sebesar 20,54%, Gnelienski sebesar 3,56%, sedangkan dengan korelasi
Petukhov sebesar 6,25%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan
korelasi Gnelienski dan Petukhov cukup kecil sehingga data nilai Nu di pipa
dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube)
adalah valid. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan korelasi
Dittus–Boelter cukup besar akan tetapi korelasi Dittus–Boelter mempunyai error
yang besar yaitu ± 25% dari nilai aktual (Incropera, 2007), sehingga data nilai Nu
di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain
tube) adalah valid.
Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-
pipa halus di daerah turbulen ( Re > 4.000). Dari gambar 4.9, nilai faktor gesekan
dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 9,44% dari persamaan Blasius,
8,54% dari persamaan Petukhov dan 5,28% dari persamaan Colebrook. Nilai
penyimpangan faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup besar
(14,79%), hal ini terjadi karena pada kisaran bilangan Reynolds tersebut aliran
dalam daerah transisi, dan tidak ada persamaan yang berlaku secara umum pada
daerah transisi. Sedangkan pada daerah Re > 10.000 terjadi penyimpangan rata-
rata cukup kecil (4,16%), sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari penukar
kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
108
Gambar 4.9. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube.
4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap
Karakteristik Perpindahan Panas.
Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan
Reynolds aliran air di pipa dalam, dan memvariasikan dengan menambahkan
twisted tape insert di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated
twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm) dan perforated twisted tape insert
II (diameter lubang 4 mm). Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa
dalam dan pengaruh penambahan twisted tape insert dengan classic twisted tape
insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi dapat dilihat pada gambar 4.10. Karakteristik
perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari
hubungan antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re).
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0 5000 10000 15000 20000 25000
f
Re
Plain Tube
Blasius
Petukhov
Colebrook
Transisi
Zone
Turbulen
Zone
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
109
Gambar 4.10. Grafik hubungan antara Nui dengan Re
Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape
insert di pipa bundar dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding
konstan dan fluks kalor konstan. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata
Nui di pipa dalam dengan geometri persegi dengan persamaan Manglik-Bergles
adalah sebesar 13,01% untuk classic twisted tape insert, 22,47% untuk perforated
twisted tape insert I dan 7,27% untuk perforated twisted tape insert II. Perbedaan
nilai Nu dengan korelasi Manglik-Berges cukup signifikan terutama untuk
perforated twisted tape insert I, dimana diameter lubang paling besar. Hal ini
karena korelasi Manglik-Berges berlaku untuk twisted tape insert tanpa lubang
(classic twisted tape insert) di pipa bundar. Perbedaan ini semakin berkurang
dengan nilai Nu untuk perforated twisted tape insert II karena diameter lubang
semakin kecil. Nilai penyimpangan perforated twisted tape insert I cukup besar,
yang mengakibatkan berkurangnya aliran berputar yang mengalir sepanjang pipa
dalam yang akan menyebabkan penurunan kenaikan temperatur dinding pipa
dalam, sehingga nilai bilangan Nusselt-nya berkurang. Sedangkan nilai
penyimpangan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert II
terhadap persamaan Manglik-Berges cukup kecil, sehingga data nilai Nu di pipa
dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid.
Fenomena ini serupa dengan penelitian Marugesan dkk (2010) yang
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Nu,
i
Re
Plain TubePerforated IPerforated IIClassicManglik ClassicManglik Perforated IManglik Perforated II
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
110
membandingkan data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan
diperoleh penyimpangan sebesar ±10%.
Dari gambar 4.10 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan
Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata (Nu) akan semakin naik.
Kenaikan bilangan Nusselt berarti juga terjadi kenaikan perpindahan panas yang
terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Hal ini terjadi untuk ke
semua kasus, yaitu untuk plain tube, pipa dalam dengan classic twisted tape
insert, perforated twisted tape insert I dan perforated twisted tape insert II.
Dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin tinggi laju aliran massa air
dan semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa dalam, sehingga kalor yang
berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di annulus dari penukar kalor
pipa konsentrik semakin besar pula.
Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat
digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi
keluar penukar kalor. Hal ini berfungsi untuk (1) menambah waktu tinggal aliran
dalam penukar kalor, (2) mengurangi lapis batas termal, (3) menambah campuran
antara aliran inti dengan aliran dekat dinding. Pada bilangan Reynolds yang sama,
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan classic twisted tape insert,
bilangan Nusselt meningkat hingga 40,83% dibandingkan dengan pipa dalam
tanpa insert (plain tube). Pengaruh dari perforated twisted tape insert
menyebabkan aliran pada bagian tengah twisted tape insert tidak berputar, dimana
hal ini mengurangi perpindahan panas pada aliran downstream. Dari hasil
pengujian pipa dalam dengan perforated twisted tape insert I, bilangan Nusselt
yang dihasilkan 28,88% lebih rendah daripada pipa dalam dengan classic twisted
tape insert, akan tetapi lebih tinggi rata-rata 16,80% dari plain tube. Pengujian
dengan perforated twisted tape insert II, bilangan Nusselt yang dihasilkan 14,24%
lebih rendah daripada pipa dalam dengan classic twisted tape insert, akan tetapi
lebih tinggi rata-rata 31,00% dari plain tube. Fenomena ini serupa dengan
penelitian Rahimi dkk (2009) yang meneliti pengaruh berbagai modifikasi twisted
tape insert, dimana diperoleh hasil bahwa dengan penambahan classic twisted
tape insert menaikkan perpindahan panas hingga 64,70% sedangkan dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
111
penambahan perforated twisted tape insert menaikkan perpindahan panas hingga
39,07%.
Peningkatan laju perpindahan panas ini karena adanya fenomena lapisan
batas. Pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert
mempunyai aliran streamline, karena kondisi slip, air yang kontak langsung
dengan permukaan dalam pipa dalam mempunyai kecepatan yang sangat rendah
daripada inti dari aliran. Karena hal tersebut lapisan batas yang terbentuk sangat
tinggi sehingga perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape
insert di pipa dalam akan mengurangi tebal lapis batas sebagai sebuah turbulator
untuk sepanjang daerah perpindahan panas. Turbulator ini menggangu aliran
sehingga lapisan batas termal tidak terbentuk.
Akan tetapi dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari
penukar kalor pipa konsentrik, maka memerlukan daya pemompaan yang lebih
besar karena adanya penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis
pengaruh penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh
penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
terhadap karakteristik perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama
dapat dilihat pada gambar 4.11.
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5000 10000 15000 20000
Nu,
i
Re
Plain Tube
Perforated I
Perforated II
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
112
Dari gambar 4.11., dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama,
menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dengan pipa
dalam yang diberi twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan
Nusselt untuk pipa dalam dengan classic twisted tape insert naik rata-rata 27,21%
dibandingkan plain tube, dengan perforated twisted tape insert I bilangan Nusselt
naik rata-rata 12,41% dibandingkan plain tube, dan dengan perforated twisted
tape insert II bilangan Nusselt naik rata-rata 15,07% dibandingkan plain tube.
Pada daya pemompaan yang sama �V� .∆P�p = �V� .∆P�s penambahan classic
twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan
dengan penambahan perforated twisted tape insert, karena dapat meningkatkan
perpindahan panas lebih besar. Penambahan perforated twisted tape insert di pipa
dalam memberikan penurunan tekanan (∆P) yang lebih kecil di pipa dalam
dibandingkan dengan classic twisted tape insert, namun tidak menghasilkan
kenaikan perpindahan panas yang besar. Semakin besar lubang pada perforated
twisted tape akan menyebabkan penurunan tekanan yang lebih kecil, tetapi
menghasilkan kenaikan perpindahan panas yang semakin kecil juga. Hal ini
menjadi sebab mengapa classic twisted tape insert lebih baik dari perforated
twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama.
4.3.3. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja Termal
Unjuk kerja termal (η) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien
perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan twisted tape insert
dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam tanpa
twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama. Pada penelitian ini
dianalisis nilai η dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted insert dan
perforated twisted tape insert. Karakteristik unjuk kerja termal (η) untuk pipa
dalam dengan penambahan twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.12.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
113
Gambar 4.12. Grafik hubungan η dengan Re pada daya pemompaan yang sama.
Dari gambar 4.12. dapat dilihat bahwa penambahan classic twisted tape
insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menyebabkan unjuk
kerja termal yang lebih baik. Nilai η rata-rata pipa dalam dengan penambahan
classic twisted tape insert adalah 1,26. Sedangkan penambahan perforated twisted
tape insert I dan II di pipa dalam dapat meningkatkan η rata-rata sebesar 1,13 dan
1,11. Hal ini berarti bahwa pada daya pemompaan yang sama dengan plain tube,
nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan
penambahan twisted tape insert lebih besar dari nilai koefisien perpindahan panas
konveksi rata-rata dari plain tube.
Penambahan perforated twisted tape insert akan meningkatkan unjuk kerja
termal dari penukar kalor, semakin besar diameter lubang pada perforated twisted
tape insert akan menyebabkan semakin kecil peningkatan laju perpindahan panas
dan semakin kecil pula faktor gesekan yang terjadi. Unjuk kerja termal penukar
kalor menunjukkan perbandingan kenaikan perpindahan panas dengan
penambahan perforated twisted tape insert terhadap laju perpindahan panas plain
tube, dibandingkan kenaikan faktor gesekan dengan penambahan perforated
twisted tape insert terhadap faktor gesekan plain tube. Hasil penelitian
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 5000 10000 15000 20000 25000
η
Re
Perforated IPerforated IIClassicpp = Pumping power
pp 1 pp 2
pp 3pp 4
pp 1 = 6,83. 10 -³ Wpp 2 = 13,17. 10 -³ Wpp 3 = 22,77. 10 -³ Wpp 4 = 34,15. 10 -³ W
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
114
menunjukkan bahwa unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan
perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm) di pipa dalam sedikit
lebih besar dari penambahan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 4,0
mm).
Penambahan classic twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan unjuk
kerja termal penukar kalor terbesar. Hal ini disebabkan perbandingan antara laju
perpindahan panas dengan faktor gesekan pada penukar kalor yang diperoleh
dengan classic twisted tape insert menunjukan nilai yang lebih baik daripada yang
diperoleh dengan penambahan perforated twisted tape insert. Fenomena ini
serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009) yang meneliti berbagai twisted tape
insert yang dimodifikasi (jagged twisted tape insert, classic twisted tape insert,
notch twisted tape insert dan perforated twisted tape insert), pada perforated
twisted tape insert mempunyai unjuk kerja terendah. Hal ini menunjukkan bahwa
classic twisted tape insert lebih baik sebagai turbulator untuk pipa dalam dari
penukar kalor pipa konsentrik dalam peningkatan perpindahan panas pada daya
pemompaan yang sama.
4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan
Nusselt.
Rasio bilangan Nusselt adalah rasio bilangan Nusselt rata-rata di pipa
dalam dengan twisted tape insert dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert
(plain tube). Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya
pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert
dapat dilihat pada gambar 4.13. Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape insert,
perforated twisted tape insert II, dan perforated twisted tape insert I mempunyai
nilai rasio bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut 1,26, 1,13 dan 1,11. Ini
menunjukkan bahwa pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert
menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang paling tinggi dibandingkan
dengan pipa dalam dengan perforated twisted tape insert pada daya pemompaan
yang sama.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
115
Gambar 4.13. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama
4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes Penukar
Kalor (ε).
Efektivenes sebuah penukar kalor adalah perbandingan laju perpindahan
panas aktual yang terjadi dengan laju perpindahan panas maksimum yang
mungkin. Nilai efektivenes penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan
classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert I dan II di pipa dalam
dapat dilihat pada gambar 4.14.
Gambar 4.14. Grafik hubungan ε penukar kalor dengan NTU.
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 5000 10000 15000 20000 25000
│(N
u, i)
s ⁄
(Nu
, i)p│
pp
Re
Perforated IPerforated IIClassicpp = Pumping power
pp 1 pp 2
pp 3pp 4
pp 1 = 6,83. 10 -³ Wpp 2 = 13,17. 10 -³ Wpp 3 = 22,77. 10 -³ Wpp 4 = 34,15. 10 -³ W
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
ε
NTU
Plain Tube
Perforated 1
Perforated 2
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
116
Gambar 4.14. merupakan grafik hubungan pengaruh twisted tape insert
terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar NTU maka
akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Sedangkan twisted
tape insert mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan plain
tube, secara berturut turut adalah 0,404; 0,330; 0,334, dan 0,297 untuk classic
twisted tape insert, perforated twisted tape insert II , perforated twisted tape insert
I dan plain tube
Dari gambar 4.14. dapat dilihat bahwa semakin besar NTU maka semakin
besar pula efektivenes penukar kalor tersebut, dimana berlaku untuk plain tube
maupun pipa dalam dengan twisted tape insert. Dengan penambahan twisted tape
insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dapat meningkatkan
efektivenes penukar kalor dibandingkan dengan pipa dalam tanpa twisted tape
insert (plain tube). Efektivenes rata-rata tertinggi diperoleh untuk pipa dalam
dengan penambahan classic twisted tape insert. Kenaikan NTU penukar kalor
dengan penambahan classic twisted tape insert sebesar 1,36 kali dibandingkan
dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert, kenaikan NTU penukar kalor
dengan penambahan perforated twisted tape insert I sebesar 1,12 kali
dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert dan kenaikan NTU
penukar kalor dengan penambahan perforated twisted tape insert II sebesar 1,11
kali dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor
dengan classic twisted tape insert mempunyai nilai NTU lebih besar dari penukar
kalor dengan perforated twisted tape insert maupun plain tube, hal ini terjadi
karena classic twisted tape lebih banyak memberikan waktu tinggal yang lama di
penukar kalor sehingga akan menghasilkan koefisien perpindahan panas overall
yang pada akhirnya akan menghasilkan NTU lebih besar, begitu juga dengan
perforated twisted tape insert, dimana perforated twisted tape insert akan
memberikan waktu tinggal fluida lebih lama dari plain tube. Sehingga nilai NTU
penukar kalor dengan perforated twisted tape insert lebih besar dari plain tube.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
117
4.3.6. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap
Penurunan Tekanan (∆P).
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik memberikan tambahan tahanan aliran dari air yang mengalir. Hal ini
akan menimbulkan penurunan tekanan yang lebih besar jika dibandingkan dengan
pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik pengaruh
bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan
tekanan dari penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat pada gambar 4.16.
Dari gambar 4.16 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan
Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada penukar
kalor. Fenomena ini terjadi pada penukar kalor dengan twisted tape insert maupun
pada penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor pipa konsentrik
dengan penambahan twisted tape insert (classic dan perforated twisted tape
insert) di pipa dalam mempunyai nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi
dibandingkan dengan penukar kalor pipa konsentrik tanpa penambahan twisted
tape insert di pipa dalamnya. Kenaikan penurunan tekanan dari penukar kalor
pipa konsentrik dengan twisted tape insert merupakan hal yang merugikan, karena
akan meningkatkan daya pemompaan untuk mempertahankan aliran dengan laju
aliran volumetrik yang sama. Penambahan classic twisted tape insert di pipa
dalam menghasilkan penurunan tekanan paling besar dibandingkan dengan
penambahan perforated twisted tape insert I dan II serta plain tube. Hal ini terjadi
karena kecepatan radial pada classic twisted tape insert akan lebih besar dari
perforated twisted tape insert, lubang pada perforated twisted tape insert akan
memberikan jalan lurus (aksial) sehingga kecepatan radialnya akan berkurang.
Besarnya kecepatan yang terjadi pada pipa dalam penukar kalor adalah
penjumlahan vektor antara kecepatan radial dan aksial. Dengan semakin besar
lubang pada perforated twisted tape insert, maka semakin kecil penambahan
kecepatan yang berakibat semakin kecilnya penurunan tekanan. Nilai penurunan
tekanan dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 1,43 kali lebih
tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
118
insert I dan II nilai penurunan tekanan adalah berturut-turut 1,11 dan 1,32 kali
lebih tinggi daripada plain tube.
Gambar 4.16. Grafik hubungan ∆P dengan Re pada daya pemompaan yang sama
4.3.7. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Faktor
Gesekan (ƒ).
Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan penambahan
classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert dapat dilihat pada
gambar 4.17. Dari gambar 4.17. dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan
Reynolds, nilai faktor gesekan pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
semakin berkurang. Hal ini terjadi untuk plain tube maupun pipa dalam dengan
penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert. Hal ini
disebabkan dengan semakin tinggi bilangan Reynolds, maka kecepatan aliran air
di pipa dalam akan semakin tinggi, dimana nilai faktor gesekan berbanding
terbalik dengan nilai kuadrat dari kecepatan aliran air di pipa dalam.
Dari gambar 4.17. dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa
dalam dengan penambahan twisted tape insert mempunyai nilai yang lebih besar
dibandingkan pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube). Dengan
0
100
200
300
400
500
600
0 5000 10000 15000 20000
∆P
Re
Plain Tube
Perforated I
Perforated II
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
119
penambahan classic twisted tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa
dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 3,19 kali lebih tinggi daripada faktor
gesekan plain tube. Sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape insert
I dan II, faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik berturut-turut 1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan
plain tube.
Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re.
Pengaruh penambahan twisted tape insert juga dianalisis pada daya
pemompaan yang sama, seperti terlihat pada gambar 4.18. Karakteristik faktor
gesekan dengan penambahan twisted tape insert pada daya pemompaan yang
sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan pada bilangan Reynolds yang
sama. Dengan penambahan twisted tape insert pada pipa dalam, menjadikan nilai
faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan plain tube. Pada daya
pemompaan yang sama, dengan penambahan classic twisted tape insert,
menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
4,51 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan plain tube. Sedangkan dengan
penambahan perforated twisted tape insert I dan II, faktor gesekan rata-rata dari
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi dari
pada faktor gesekan plain tube. Hal ini sesuai dengan hasil penurunan tekanan
(∆P) akibat penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape
0,0
0,1
0,2
0,3
0 5000 10000 15000 20000
f
Re
Plain Tube
Perforated I
Perforated II
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
120
insert pada daya pemompaan yang sama (gambar 4.16), dimana nilai faktor
gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai penurunan tekanan (∆P).
Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama
4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Dengan Rasio
Faktor Gesekan (ƒ/ƒp)
Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert dengan nilai faktor gesekan pipa dalam
tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik hubungan rasio faktor
gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.19.
Gambar 4.19 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama
0,0
0,1
0,2
0,3
0 5000 10000 15000 20000
f
Re
Plain Tube
Perforated I
Perforated II
Classic
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5000 10000 15000 20000
f / f
p
Re
Perforated I
Perforated II
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
121
Dari gambar 4.19, terlihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds,
maka nilai rasio faktor gesekan semakin berkurang. Hal ini sesuai dengan
hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds, dimana semakin besar
bilangan Reynolds, maka nilai faktor gesekan semakin turun. Dari gambar 4.19,
dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert akan
menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari 1. Hal ini
menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan meningkatkan
nilai faktor gesekan dari pipa dalam. Penambahan classic twisted tape insert pada
pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi dibandingkan
dengan penambahan perforated twisted tape insert. Nilai rasio faktor gesekan
rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert adalah
6,65, sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape insert I dan II adalah
2,63 dan 4,73 kali lebih tinggi daripada tanpa twisted tape insert.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 122
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi (rectangular) dengan penambahan classic twisted tape
insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam penukar kalor saluran
persegi, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin besar pula laju
perpindahan panas yang terjadi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan
sisipan di pipa dalam dengan classic twisted tape insert dan perforated
twisted tape insert
2. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape
insert di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 40,83 %
daripada plain tube, penambahan perforated twisted tape insert I akan
menaikkan bilangan Reynolds rata-rata sebesar 16,80%, dan penambahan
perforated twisted tape insert II menaikkan bilangan Nusselt rata-rata
sebesar 31% daripada plain tube.
3. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted tape insert
di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 27,21%
daripada plain tube, perforated twisted tape insert I akan menaikkan
bilangan Nusselt rata-rata sebesar 12,41%, dan penambahan perforated
twisted tape insert II menaikkan bilangan Nusselt sebesar 15,07% daripada
plain tube.
4. Pada daya pemompaan yang sama, unjuk kerja termal (η) menggunakan
classic twisted tape insert lebih tinggi daripada menggunakan perforated
twisted tape insert. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan
classic twisted tape insert adalah 1,26, untuk perforated twisted tape
insert I nilai η rata-rata adalah 1,13, dan untuk perforated twisted tape
insert II nilai η rata-rata adalah 1,11
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
123
5. Penambahan twisted tape insert di pipa dalam mengakibatkan kenaikan
penurunan tekanan. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan
tekanan dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 1,43 kali
lebih tinggi daripada plain tube, dengan penambahan perforated twisted
tape insert I dan II, nilai penurunan tekanan adalah berturut-turut 1,11 dan
1,32 kali lebih tinggi dari pada plain tube.
6. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin kecil faktor gesekan di
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Pada bilangan Reynolds
yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted
tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut
meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik 3,19;1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan
plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted
tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape
insert II berturut-turut meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik 4,51;1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi
daripada faktor gesekan plain tube.
7. Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik dapat meningkatkan efektivenes penukar kalor
dibandingkan dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube).
Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape
insert di pipa dalam, mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 40,4%,
dengan penambahan perforated twisted tape insert I mempunyai
efektivenes rata-rata sebesar 33,4%, dan penambahan perforated twisted
tape insert II mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 33%. Penukar kalor
pipa konsentrik tanpa penambahan twisted tape insert di pipa dalam
mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 29,7%.
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
124
konsentrik saluran persegi dengan classic twisted tape insert dan perforated
twisted tape insert, menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian
dengan modifikasi twisted tape insert misalnya; broken twisted tape insert,
regularly spaced twisted tape insert, notched twisted tape insert, jagged twisted
tape insert dan sebagainya.