KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA … fileperpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id...
Transcript of KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA … fileperpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id...
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
STUDI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN KARAKTERISTIK
PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR
KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA WING
TAPE INSERT DAN DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
FIRDAUS WISNU ADI SAPUTRO
NIM. I 0407036
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2015
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Alloh SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala
limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan Skripsi “Studi Eksperimental Perbandingan Karakteristik
Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik
dengan Double-Sided Delta Wing Tape Insert dan Double-Sided Delta Winglet
Tape Insert” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi salah satu syarat guna memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang
sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan
Skripsi ini, terutama kepada:
1. Alloh SWT, atas segala limpahan nikmat dan kemudahan yang telah diberikan.
2. Bapak Wibawa Endra Juwana, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I yang
senantiasa memberikan arahan, bimbingan, motivasi dan nasehat hingga
selesainya penulisan skripsi.
3. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing II yang telah
memberikan bimbingan dan nasehat hingga selesainya penulisan skripsi.
4. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta.
5. Bapak Purwadi Joko Widodo, S.T., M.Kom, selaku pembimbing akademis yang
selalu memberikan motivasi dan semangat sampai memperoleh kelulusan.
6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS yang telah turut
mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
7. Bapak Untung, Ibu Wuryani, Didit Kurniawan, Indah Purnamawati, Leny
Dianasari, Aryoto Agung Ramadhani, Ratu Kana Syahidah, Kirana Aninda
Zahra, Affan Sodiq Sabda Prayoga dan semua keluargaku yang selalu
memberikan motivasi, dukungan dan semangat material maupun spiritual
selama penyelesaian Tugas Akhir.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
8. Rekan-rekan KMTM (Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin), TMNT (Teknik
Mesin Nol Tujuh) last man standing dan seluruh kakak dan adik angkatan
teknik mesin UNS atas dorongan semangat dan motivasinya. Salam “ M
Solidarity FOREVER “.
9. Semua pihak yang telah memberikan bantuan moral dan spiritual hingga
terselesainya penulisan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari
sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua
Amin.
Surakarta, 1 Juli 2015
Penulis.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul .................................................................................................. i
Surat Tugas ........................................................................................................ ii
Lembar Pengesahan ......................................................................................... iii
Motto dan Persembahan .................................................................................... iv
Abstrak ............................................................................................................. v
Kata Pengantar .................................................................................................. vii
Daftar Isi ........................................................................................................... ix
Daftar Tabel ..................................................................................................... xi
Daftar Gambar .................................................................................................. xii
Daftar Notasi ...................................................................................................... xiv
Daftar Lampiran ................................................................................................. xvi
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah .................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah ......................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah .............................................................................. 3
1.4 Tujuan dan Manfaat .......................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan ...................................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka ............................................................................. 5
2.2 Dasar Teori ...................................................................................... 8
2.2.1 Dasar perpindahan panas ............................................................. 8
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa ............................................................ 9
2.2.3 Lapis Batas (Boundary Layer) ..................................................... 10
2.2.3.1 Lapis Batas Kecepatan (Velocity Boundary Layer) ...... ........ 10
2.2.3.2 Lapis Batas Termal (Thermal Boundary Layer) ........... ........ 12
2.2.4 Penukar Kalor ............................................................................... 15
2.2.5 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar
Kalor ........................................................................................ 20
2.2.5.1 Vortex Generator ................................................................... 22
2.2.5.2 Longitudinal Tape Insert ...................................................... 25
2.2.6 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan ............ 26
2.2.6.1 Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah
Aliran Laminar dan Turbulen Melalui Sebuah Pipa Bulat
Halus ................................................................................. 26
2.2.6.2 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik ................................ 28
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian .............................................................................. 36
3.2 Skema Alat Penelitian........................................................................ 36
3.3 Alat dan Instrumentasi Penelitian ...................................................... 38
3.4 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 50
3.5 Prosedur Penelitian ............................................................................ 51
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
3.5.1 Tahap Persiapan ........................................................................... 51
3.5.2 Pengujian Penukar Kalor Tanpa Tape Insert ............................... 51
3.5.3 Pengujian Penukar Kalor Dengan Tape Insert ............................. 52
3.6 Metode Analisis Data ............................................................... ........ 53
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1 Data Hasil Pengujian .................................................................... 55
4.2 Perhitungan Data .......................................................................... 55
4.3. Analisa Data.................................................................................. 56
4.3.1 Validasi Perpindahan Panas Plain Tube. ................................. 56
4.3.2 Validasi Karakteristik Faktor Gesekan Plain Tube. ................ 57
4.3.3 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas Penukar Kalor ........................................... 57
4.3.4 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik Faktor
Gesekan Penukar Kalor ........................................................... 60
4.3.5 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik
Evektivenes Penukar Kalor ...................................................... 62
4.3.6 Pengaruh T-Wing dan T-Winglet Terhadap Karakteristik Unjuk
Kerja Termal Penukar Kalor .................................................... 64
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .................................................................................... 66
5.2 Saran .............................................................................................. 66
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 68
LAMPIRAN ................................................................................................. 70
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1 Hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan plain tube ........................................................................... 104
Tabel 2 Hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan pipa dalam dengan penambahan L-T, T-Wing dan T-
Winglet .......................................................................................... 105
Tabel 3 Rekapitulasi hasil perhitungan nilai unjuk kerja termal untuk L-T, T-
Wing dan T-Winglet . ...................................................................... 109
Tabel Konduktivitas Termal Material. ................................................... 110
Tabel Properties Air . .............................................................................. 111
70
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas................................... 8
Gambar 2.2 Lapis batas kecepatan dan profil kecepatan laminar,
transisi dan turbulen aliran fluida melewati plat datar ........... 10
Gambar 2.3 Ketebalan lapis batas kecepatan........................................ ..... 11
Gambar 2.4 Lapis batas termal di atas plat datar (permukaan plat lebih
panas daripada fluida) ............................................................ 13
Gambar 2.5 Lapis batas termal di atas plat datar (fluida lebih panas
daripada permukaan plat datar) .............................................. 13
Gambar 2.6 Fluk panas pada permukaan plat datar ................................... 14
Gambar 2.7 Lapis batas termal fluida dingin melalui plat panas ............... 15
Gambar 2.8 Arah aliran fluida dan perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor aliran searah .................................................... 16
Gambar 2.9 Arah aliran fluida dan perubahan temperatur fluida pada
penukar kalor aliran berlawanan arah .................................... 16
Gambar 2.10 Penukar kalor pipa konsentrik ................................................ 18
Gambar 2.11 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor
pipa konsentrik ....................................................................... 19
Gambar 2.12 Streamwise vortices ................................................................ 22
Gambar 2.13 Pembangkitan vorteks longitudinal menggunakan
rectangular winglet ................................................................ 23
Gambar 2.14 Vortex generators berupa wing dan winglet ........................... 24
Gambar 2.15 Penyisipan longitudinal tape insert dalam sebuah pipa bulat 25
Gambar 2.16 Pola aliran berupa sel-sel vorteks yang simetris yang
dihasilkan oleh longitudinal tape insert pada Re = 100 ......... 26
Gambar 3.1 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan
T-Wing dan T-Winglet .......................................................... 36
Gambar 3.2 Gambar alat penelitian ........................................................... 37
Gambar 3.3 Skema pengukuran temperatur di penukar kalor ................... 38
Gambar 3.4 Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan
double sided delta wing tape insert ....................................... 40
Gambar 3.5 Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan ............................ 40
Gambar 3.6 Perbedaan delta wing dan delta winglet ................................. 41
Gambar 3.7 Nomenklatur double sided delta wing tape insert (T-Wing) . 42
Gambar 3.8 Nomenklatur double sided delta winglet tape insert
(T-Winglet) ............................................................................ 43
Gambar 3.9 Longitudinal tape insert (L-T). ............................................... . 43
Gambar 3.10 Double sided delta wing tape insert (T-Wing) dengan
b = 4 mm, c = 8 mm, P = 15 mm dan = 30o....................... 43
Gambar 3.11 Double sided delta winglet tape insert (T-Winglet) dengan
b = 4 mm, c = 8 mm, P = 15 mm dan = 30o....................... 44
Gambar 3.12 Gambar detail flange .............................................................. 44
Gambar 3.13 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur
air masuk dan keluar di inner tube dan di annulus ................ 45
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiii
Gambar 3.14 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur
dinding luar pipa dalam .......................................................... 45
Gambar 3.15 Thermocouple reader ............................................................. 46
Gambar 3.16 Temperature controler............................................................ 46
Gambar 3.17 Pemanas air elektrik ............................................................... 47
Gambar 3.18 Rotameter ............................................................................... 47
Gambar 3.19 Penjebak air ............................................................................ 48
Gambar 4.1 Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube ................. 56
Gambar 4.1 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube ...................... 57
Gambar 4.3 Grafik hubungan Nui dengan Re ............................................ 58
Gambar 4.4 Grafik hubungan P dengan Re ............................................. 60
Gambar 4.5 Grafik hubungan f dengan Re ................................................. 62
Gambar 4.6 Grafik hubungan dengan Re ................................................ 63
Gambar 4.7 Grafik hubungan dengan Re ................................................ 64
Gambar 1 Skema pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa
konsentrik ............................................................................... 93
Gambar 2 Grafik hubungan Re dengan Wpump ........................................... 106
Gambar 3 Grafik hubungan hi dengan Wpump ............................................ 107
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiv
DAFTAR NOTASI
Ac = luas penampang melintang aliran (m2)
Ai = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)
As = Luas perpindahan panas (m2)
At,i = Luas penampang pipa dalam tanpa sisipan (m)
At,s = Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (m)
Cc = Laju kapasitas panas fluida dingin (J/soC)
Ch = Laju kapasitas panas fluida panas (J/soC)
cp,c = Panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
cp,h = Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Dh = Diameter hidrolik annulus (m)
di = Diameter dalam pipa dalam (m)
do = Diameter luar pipa dalam (m)
f = Faktor gesekan
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
hi = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
ho = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
H = Panjang pitch (m)
km = Konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
ki = Konduktivitas termal rata-rata fluida panas di pipa dalam (W/m.oC).
ko = Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
L = Panjang pipa (m)
Lt = Panjang jarak titik pengukuran tekanan di pipa dalam (m)
LT = Longitudinal Tape Insert
cm = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
hm = Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Nui = Bilangan Nusselt di sisi pipa dalam
Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
Pr = Bilangan Prandtl
pp = Daya pemompaan konstan (Watt)
Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)
Qh = Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Re = Bilangan Reynolds
Tb,i = Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam (oC)
Tb,o = Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC)
Tc,i = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,o = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Th,i = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,o = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Tw = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
t = Tebal tape insert (m)
T-Wing = Double-sided Delta Wing
T-Winglet = Double-sided Delta Winglet
U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xv
Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
Uo = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan luar
pipa dalam (W/m2.oC)
V = Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
= Viskositas kinematik fluida di pipa dalam (m2/s)
h = Beda ketinggian fluida manometer (m)
P = Penurunan tekanan (Pa)
TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
T1 , T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet dan outlet
penukar kalor (oC).
α = Sudut serang (o)
= Efektivenes penukar kalor
= Unjuk kerja termal penukar kalor.
= Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
m = Densitas fluida manometer (kg/m3)
= Viskositas dinamik (kg/m.s)
w = Viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Data Hasil Pengujian ............................................................. 71
Lampiran 2 Contoh Perhitungan Data dan Rekapitulasi Perhitungan
Data ........................................................................................ 93
Lampiran 3 Tabel Kondukivitas termal material ....................................... 110
Lampiran 4 Properties Air ......................................................................... 111
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
STUDI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN KARAKTERISTIK
PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR
KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN DOUBLE-SIDED DELTA WING TAPE
INSERT DAN DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT
Firdaus Wisnu Adi Saputro
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk membandingkan karakteristik perpindahan panas dan
faktor gesekan dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan double-sided
delta wing tape insert (T-Wing) dan double-sided delta winglet tape insert (T-
Winglet). T-Wing dan T-Winglet adalah modifikasi dari longitudinal tape insert (L-
T) dengan penambahan delta wings atau delta winglets di kedua sisi sisi tape secara
selang-seling sebagai vortex generators untuk meningkatkan koefisien perpindahan
panas konveksi. Pada penelitian ini, luasan dan sudut serang dari delta wings dan
delta winglets dijaga konstan. Sebagai perbandingan, pada penelitian ini juga diuji
penukar kalor tanpa sisipan (plain tube) dan dengan penambahan sisipan L-T. Fluida
kerja di pipa dalam adalah air panas dan di annulus adalah air dingin, dengan arah
aliran berlawanan arah. Pengujian dilakukan pada bilangan Reynolds (Re) 5300-
14.300. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunakan sisipan T-Winglet
menghasilkan peningkatan perpindahan panas (bilangan Nusselt) yang lebih tinggi,
faktor gesekan yang lebih rendah dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi
dibandingkan dengan menggunakan T-Wing. Bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam
dengan penambahan T-Winglet meningkat dalam kisaran 8%-13% dibandingkan
dengan penambahan T-Wing. Faktor gesekan (f) rata-rata pipa dalam dengan
penambahan T-Wing 1,1 kali lebih besar dibandingkan faktor gesekan pipa dalam
dengan penambahan T-Winglet. Unjuk kerja termal penukar kalor dengan
penambahan sisipan T-Wing dan T-Winglet berturut-turut dalam kisaran 0,77-0,93
dan 0,78-0,95. Unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan T-Winglet
2,2% lebih besar dibandingkan dengan penambahan T-Wing.
Kata kunci : bilangan Nusselt, delta wings, delta winglets, faktor gesekan, vortex
generators.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
EXPERIMENTAL STUDIES ON COMPARISON OF HEAT TRANSFER AND
FRICTION FACTOR CHARACTERISTICS IN A CONCENTRIC TUBE HEAT
EXCHANGER FITTED WITH DOUBLE-SIDED DELTA WING TAPE INSERT
AND DOUBLE-SIDED DELTA WINGLET TAPE INSERT
Firdaus Wisnu Adi Saputro
Mechanical Engineering Departement
Engineering Faculty Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia
E-mail: [email protected]
Abstract
This study was conducted to compare the characteristics of heat transfer and friction
factor of the concentric tube heat exchanger fitted with the double-sided delta wing
tape insert (T-Wing) and double-sided delta winglet tape insert (T-Winglet). T-
Wing and T-Winglet were a modification of the longitudinal tape inserts (L-T) with
the addition of delta wings or delta winglets on both sides of the tape alternately as
vortex generators to enhance the convection heat transfer coefficient. In this study,
the area and the angle of attack of the delta wings and delta winglets were kept
constant. For comparison, heat exchanger without insert (plain tube) and with the
addition of the L-T also were tested in this study. The working fluid in the inner
tube was hot water and in the annulus was cold water, with the flows direction were
counter flow. Tests were conducted at a Reynolds number (Re) 5300-14,300. The
results showed that the use of T-Winglet insert generate higher heat transfer
(Nusselt number), lower friction factor and higher thermal performance compared
to T-Wing. Average Nusselt number in the inner tube with the addition of T-
Winglet increase in the range of 8% - 13% was compared to the addition of the T-
Wing. Average friction factor (f) in the inner tube with the addition of the T-Wing
was 1.1 times larger than the friction factor with the addition of T-Winglet. Heat
exchanger thermal performance with the addition of insert T-Wing and T-Winglet
in the range of 0.77 to 0.93 and 0.78 to 0.95, respectively. Heat exchanger thermal
performance with the addition of T-Winglet was 2.2% greater than the addition of
the T-Wing.
Keywords: delta wings, delta winglets, friction factor, Nusselt number, vortex
generators.