TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN MODEL KONDENSOR TIPE CONCENTRIC TUBE COUNTER CURRENT GANDA DENGAN PENAMBAHAN SIRIP

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN MODEL KONDENSOR TIPE CONCENTRIC TUBE COUNTER CURRENT GANDA DENGAN PENAMBAHAN SIRIP Diajukan Untuk Memenuhi Tugas dan Syarat-Syarat Guna Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun Oleh: DENI YUNI ARIFIANTO NIM : D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2009 i

2 HALAMAN PERSETUJUAN Tugas Akhir ini berjudul: Rancang Bangun dan Pengujian Model Kondensor Tipe Concentric Tube Counter Current Ganda Dipasang Secara Horizontal Dengan Penambahan Sirip. Disusun Oleh : Nama : DENI YUNI ARIFIANTO NIM : D Telah disetujui oleh Pembimbing Tugas Akhir untuk dipertahankan di depan Dewan Penguji sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada : Hari :... Tanggal :... Surakarta, Maret 2009 Pembimbing Utama Pembimbing Pendamping (Ir. Subroto, MT) (Ir. Sartono Putro, MT) ii

3 HALAMAN PENGESAHAN Tugas akhir ini telah disyahkan oleh dewan penguji sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana S-I Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada : Nama : DENI YUNI ARIFIANTO NIM : D Judul : Rancang Bangun Dan Pengujian Model Kondensor Tipe Concentric Tube Counter Current Ganda Dipasang Secara Horizontal Dengan Penambahan Sirip Hari :... Tanggal :... Dewan Penguji: 1. Ir. Subroto, MT ( ) 2. Ir. Sartono Putro, MT ( ) 3. Ir. Sunardi Wiyono, MT ( ) Mengetahui, Dekan Ketua Jurusan (Ir. H. Sri Widodo, MT) (Marwan Effendy, ST, MT) iii

4 MOTTO Berusahalah dengan sungguh-sungguh, jangan panik. Orang panik mudah putus asa tapi bila terpaksa kamu putus asa tetaplah berusaha dalam keterputusasaan. Mantapkan hati, luruskan niat dan berjalanlah walau hanya satu langkah untuk pijakan langkah selanjutnya dikemudian hari Berpikir tapi tidak berusaha dan berusaha tapi tidak berpikir adalah penyebab gagalnya dalam mewujudkan mimpi-mimpi. Tiada daya dan kekuatan melainkan pertolongan dari ALLAH swt iv

5 PERSANTUNAN Karya ini merupakan suatu wujud akhirku dalam mencapai gelar sarjana sebagai tanggung jawab kepada: : 1. Ayahanda dan Ibunda serta kakakku tercinta atas do a jerih payah dan kasih sayangnya 2. Inspirasiku Yanni yang selalu menemani dan memberikan support 3. Teman-temanku semua yang menyayangiku 4. Almamater yang kubanggakan 5. Dan juga buat kehidupanku v

6 KATA PENGANTAR Puji syukur alhamdulillah, penulis sampaikan kehadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-nya sehingga penulisan laporan tugas akhir ini yang berjudul : Rancang Bangun dan Pengujian model kondensor Tipe Concentric Tube Counter Current ganda Dipasang Secara Horizontal Dengan Penambahan Sirip dapat terselesaikan dengan baik, guna melengkapi tugas dan memenuhi syarat-syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Berbagai hambatan dan kesulitan menyertai dalam penulisan ini, namun demikian dengan bantuan dan doa dari berbagai pihak segala kesulitan tersebut dapat teratasi. Untuk itu dengan segala kerendahan hati, penulis sampaikan ucapan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada: 1. Ir. Sri Widodo, MT; selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Marwan Effendy, ST, MT; selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 3. Ir. Subroto, MT; selaku Dosen Pembimbing Utama Tugas Akhir yang telah banyak memberikan bimbingan, pengarahan dan masukan dengan sabar. vi

7 4. Ir. Sartono Putro, MT; selaku Dosen Pembimbing Kedua Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan dan bimbingan dengan sabar. 5. Marwan Effendy,ST, MT; selaku Pembimbing Akademik. 6. Ayah dan Ibunda, serta Kakakku tercinta, atas perhatian, kasih sayang, pengorbanan, dorongan, dan doa-doanya. 7. Kristanto, Agus Purwanta, Tamami, Mifta, Adi setyawan selaku teman seperjuangan dalam menyelesaikan penelitian. 8. Eko Prihartono, Setyanto, Abdul Rahman, Hari 97, Eeng 97. Dan teman-teman angkatan 2002, terima kasih atas dukungannya. 9. Boretz Comp dan teman-teman kos Arjuna, terima kasih atas kebersamaannya. 10. Pihak-pihak yang secara langsung maupun tidak langsung terlibat dalam mensukseskan penyusunan Tugas Akhir ini. Besar harapan penulis semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak yang memerlukan walaupun penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Amien. Surakarta, Maret 2009 Penulis vii

8 viii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... HALAMAN PERSETUJUAN... HALAMAN PENGESAHAN... HALAMAN MOTTO... HALAMAN PERSANTUNAN... KATA PENGANTAR... HALAMAN SOAL... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR SIMBOL... ABSTRAKSI... i ii iii iv v vi viii ix xii xv xvi xviii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Sistematika Penulisan Metode Pelaksanaan Manfaat Penelitian... 6 ix

10 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 7 BAB III DASAR TEORI Alat Penukar Kalor Shell and Tube Klasifikasi Penukar Kalor Mekanisme Fisik Perindahan Panas Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konveksi Sirip Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Bilangan Reynolds Kesetimbangan Kalor Daya Pompa BAB IV METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Bahan Yang Digunakan Dalam Penelitian Alat-alat Yang Digunakan Dalam Penelitian Tempat Pengujian dan Pengambilan Data Tahapan Penelitian BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Data Dimensi Alat Penukar Kalor Data Hasil Pengujian Analisa Perhitungan x

11 5.4 Pembahasan Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap kapasitas aliran fluida panas Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap pelepasan kalor ke lingkungan Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap daya pompa Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap kapasitas aliran fluida panas pada bilangan Reynolds fluida dingin 2.760, 4.755, 6.833, dan Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap daya pompa pada bilangan Reynolds 2.760, 4.755, 6.833, dan Pengaruh daya pompa terhadap kapasitas aliran fluida panas Pengaruh bilangan Reynolds terhadap kapasitas aliran fluida panas dan daya pompa BAB VI PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Pola Aliran Searah (Paralel Flow) Gambar 2. Pola Aliran Berlawanan (Counter Flow) Gambar 3. Klasifikasi penukar kalor berdasarkan aliran fluidanya Gambar 4. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Datar Gambar 5. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Silindris Gambar 6. Perpindahan Kalor secara Konveksi Gambar 7. Lapis Batas Thermal Gambar 8. Kombinasi Lapis Batas Temperatur Hidrodinamik pada Fluks Kalor Konstan dan Temperatur Dinding Konstan Gambar 9. Berbagai jenis Muka Sirip Gambar 10. Kombinasi dimensi analisis Sirip Tranversal dengan Alur Helic Gambar 11. Pendekatan Sirip Tranversal Penampang Segi-empat Gambar 12. Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang Segi-empat Gambar 13. Perpindahan Panas Menyeluruh pada Permukaan Datar Gambar 14. Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang Gambar 15. Kesetimbangan Kalor antara Dua Fluida Kerja dan Distribusi Temperatur dalam Kondensor Lintas Tunggal Gambar 16. Diagram Alir Penelitian xii

13 Gambar 17. Model Heat Exchanger Concentric Tube dengan Sirip Gambar 18. Skema Instalasi Percobaan Gambar 19. Bejana Gambar 20. Tabung bahan bakar Apollo kapasitas 8 L Gambar 21. Multimeter digital dan selektor tipe Omega 405 A Gambar 22. Electric Pump model D 9126 Merk Shimizu Gambar 23. Pipa PVC Gambar 24. Flowmeter air Gambar 25. Termokopel tipe K seri 66 K Gambar 26. Kompor Gambar 27. Skema Penelitian Gambar 28. Skema penempatan termokopel Gambar 29. Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap kapasitas aliran fluida panas Gambar 30. Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap pelepasan kalor ke lingkungan Gambar 31. Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh Gambar 32. Pengaruh bilangan Reynolds fluida dingin terhadap daya pompa Gambar 33. Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap kapasitas aliran fluida panas pada bilangan Reynolds fluida dingin 2.760, 4.755, 6.833, dan xiii

14 Gambar 34. Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap daya pompa pada bilangan Reynolds fluida dingin 2.760, 4.755, 6.833, dan Gambar 35. Pengaruh daya pompa terhadap kapasitas aliran fluida panas. 67 Gambar 36. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap kapasitas aliran fluida panas dan daya pompa xiv

15 DAFTAR TABEL Tabel 1. Angka Nusselt Untuk Aliran Laminar Pada Pipa Annulus Dengan Satu Permukaan Dengan Temperatur Konstan Tabel 2. Data Hasil Pengujian Kapasitas Aliran Dan Temperatur Aliran xv

16 DAFTAR SIMBOL Simbol A = Luas penampang (m 2 ) C p = Kalor jenis (kj/kg o C) D = Diameter (m) h = Koefisien perpindahan kalor (W/m 2 0 C) h f,g = Entalpi penguapan (kj/kg) k = Konduktivitas thermal (W/m o C) L = Panjang (m) m Nu p Pr q Re = Massa aliran (kg/s) = Bilangan Nusselt = Tekanan (N/m 2 ), (Pa) = Bilangan Prandtl = Laju perpindahan kalor (W) = Bilangan Reynolds T = Temperatur ( o C) U v = Kecepatan (m/s) = Volume spesifik (m 3 /kg) ρ = Densitas (kg/m 3 ) µ = Viskositas dinamik (kg m/s) xvi

17 Subskrip c f g h i m o t eksp = Cool = Steam = Gas = Hot = Inlet = mean = Outlet = Teoritis = Eksperimen xvii

18 Rancang Bangun dan Pengujian Model Kondensor Tipe Concentric Tube Counter Current Ganda Dipasang secara Horizontal dengan Penambahan Sirip Deni yuni Arifianto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Kotak Pos 1 Pabelan Surakarta denniu@yahoo.co.id ABSTRAKSI Kondensor yang dipakai pada industri kecil umumnya sederhana, yang mana hanya terkontruksi dari dua buah pipa yang konsentrik saja., maka dalam penelitian ini dibuat suatu design kondensor yang dapat meningkatkan kapasitas. Sehingga dapat diketahui berapa besarnya kapasitas kondensat; daya pompa; nilai koefisien perpindahan menyeluruh pada variasi bilangan Reynolds 2.760, 4.755, 6.833, dan ; serta keefektifan dari sirip. Dalam penelitian ini digunakan model kondensor tipe concentric tube counter current ganda yang dililiti spiral pada pipa annulusnya. Untuk bahan shell digunakan baja karbon dengan diameter dalam 49,7 mm, diameter luar 50,6 mm, dan panjang mm. Untuk bahan tube dipakai tembaga dengan diameter dalam 23,6 mm, diameter luar 25,7 mm, dan panjang mm. Sedangkan untuk sirip dipakai kawat dari besi cor yang berdiameter 5 mm dengan jarak antar lilitan (pitch) sebesar 60 mm. Pemasangannya secara horisontal, dimana fluida panas mengalir didalam tube dan fluida dingin mengalir di luar tube dengan arah aliran berlawanan. Eksperimen dilakukan dengan 5 variasi bilangan Reynolds yaitu 2.760, 4.755, 6.833, 9.018, dan Pengambilan data dilakukan secara serentak dengan interval waktu 5 menit dalam satu kali pengambilan data selama 30 menit. Data-data yang diambil adalah temperatur fluida kerja, hasil kapasitas kondensat, perbedaan tekanan masuk dan keluar fluida dingin, serta tegangan dan arus listrik yang masuk ke pompa. Berdasarkan hasil eksperimen dan hasil analisis perhitungan didapatkan bahwa dengan perubahan variasi bilangan Reynolds yang semakin besar maka kapasitas kondensat, daya pompa, dan koefisien perpindahan menyeluruhnya juga cenderung meningkat sedangkan untuk efektifitas sirip tetap konstan yaitu sebesar 2,305. Untuk bilangan Reynolds 2.760, 4.755, 6.833, 9.018, dan diperoleh kapasitas kondensat sebesar 0,0024; 0, ; 0,002449; 0,002468; 0, kg/menit, daya pompa sebesar 2,8488; 2,76176; 2,8405; 2,8904; 2,9362 W, dan koefisien perpindahan menyeluruh sebesar 29,788; 28,859; 30,831; 35,811; 37,393 W/m 2 K masing-masing untuk setiap variasi bilangan Reynolds Kata kunci : Bilangan Reynolds, Aliran Berlawanan, Horizontal, Sirip xviii

19 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Minyak atsiri banyak digunakan dalam industri obat obatan, flavor, fragrance dan parfum. Di Indonesia tercatat 14 jenis minyak atsiri yang sudah di ekspor. Hal ini memberi peluang lebih besar bagi petani untuk berperan dalam agro industri minyak atsiri. Selain mengekspor, Indonesia juga mengimpor beberapa jenis minyak atsiri dalam jumlah cukup besar. Pada tahun 1998, nilai ekspor 20 negara penghasil minyak atsiri mencapai US$ 758 juta dolar, di Indonesia sendiri baru dapat berkontribusi sekitar 4,4% sedangkan RRC 18,6%. Selain mengekspor Indonesia juga mengimpor beberapa jenis minyak atsiri yang tidak tumbuh di Indonesia, pada tahun 2000 impor minyak atsiri di Indonesia mencapai 1,625 ton dengan nilai US$ 7,3 juta. Data ini menunjukkan bahwa peluang untuk mengembangkan agro industri minyak atsiri cukup besar karena penggunaan turunan minyak atsiri pada berbagai industri di dalam negeri juga besar (Laksamanahardja, 2003). Beberapa faktor penghambat perkembangan produksi minyak atsiri di Indonesia adalah lemahnya modal dan penguasaan teknologi. Minimnya pengetahuan para perajin minyak atsiri seperti persyaratan ketentuan teknis dalam melakukan proses penyulingan minyak atsiri juga menjadi faktor penghambat (Laksamanahardja, 2003). 1

20 2 Sentral industri minyak atsiri daun cengkeh di daerah Musuk, Boyolali, menggunakan jenis kondensor yang konvensional. Hal ini dapat di lihat dari kontruksi kondensor yang digunakan berupa bak persegi panjang dengan ukuran (9 3 2,5) m, di dalam bak di isi air sampai penuh dan di dalam bak ditempatkan pipa dengan panjang total 72 m diameter 2 inci dipasang zig - zag. Proses perubahan uap menjadi cair atau kondensasi berlangsung di dalam bak, dimana fluida uap mengalir di dalam pipa dan fluida dingin berada di luar pipa atau berada di dalam bak, aliran fluida dingin yang mengalir ke dalam bak dipengaruhi oleh gaya gravitasi yang mengalir secara alami dari mata air. Sirkulasi fluida dingin yang digunakan untuk pendinginan langsung dibuang ke sungai, sehingga fluida dingin membutuhkan jumlah yang banyak. Jadi apabila proses penyulingan dilakukan di daerah yang kekurangan air, maka proses penyulingan tidak dapat dilakukan..

21 3 1.2 Perumusan Masalah Sesuatu yang menjadi permasalahan dalam perancangan dan pembuatan alat ini adalah bagaimanakah desain kondensor yang kompak dan sederhana untuk industri kecil penyulingan minyak atsiri yang mampu meningkatkan efisiensi rendemen. 1.3 Batasan Masalah Untuk mendesain kondensor pada penyulingan minyak atsiri, diperlukan adanya batasan-batasan untuk menyederhanakan masalah. Batasan itu adalah sebagai berikut: a. Fluida panas adalah air yang diuapkan. b. Kapasitas fluida panas dari bejana penguap dianggap konstan. c. Kapasitas panas dari bejana dianggap konstan. d. Penelitian dilakukan dengan model alat penukar panas jenis kondensor dengan tipe concentric tube counter current tunggal yang disisipi lilitan kawat spiral (Sirip) kemudian dipasang secara horizontal. e. Penelitian yang dilakukan hanya dengan aliran berlawanan arah (counter flow) saja. Dan analisa perhitungan hanya didasarkan pada kesetimbangan panas. f. Analisa perpindahan panas tentang pengembunan tidak dibahas. g. Variabel bebas panelitian adalah kapasitas fluida dingin. h. Analisa perpindahan panas radiasi tidak dibahas. i. Pengotoran uap dianggap tidak ada dan aliran air didalam pipa dianggap berkembang penuh.

22 4 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dilakukannya penelitian ini antara lain : a. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan bilangan Reynolds fluida dingin. b. Mendapatkan hubungan koefisien perpindahan kalor dengan bilangan Reynolds fluida dingin. c. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan daya pompa. d. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan temperatur masukan fluida dingin. e. Mendapatkan hubungan daya pompa dengan temperatur masukan fluida dingin. f. Dapat mengetahui seberapa besar keefektifan sirip kondensor concentric tube ganda dipasang secara horizontal. 1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir ini disusun dalam enam bab dengan sistematika penulisan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN bab ini berisi tentang latar belakang, perumasan masalah, batasan masalah, tujuan perancangan, sistematika penulisan, metode pelaksanaan dan manfaat penelitian. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisi tentang penelitian-penelitian.

23 5 BAB III DASAR TEORI Bab ini berisi tentang alat penukar kalor, jenis-jenis dari alat penukar kalor, klasifikasi alat penukar kalor, kondensasi uap tunggal, faktor pengotoran, mekanisme fisik perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor menyeluruh, bilangan Reynolds kesetimbangan energi dan daya pompa. BAB IV METODE PENELITIAN Bab ini berisi tentang diagram alir penelitian, bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian, alat-alat yang digunakan dalam penelitian dan tahap-tahap penelitian. BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi tentang data hasil penelitian, analisa perhitungan perpindahan panas berdasarkan konsep kesetimbangan panas dan pembahasan. BAB VI PENUTUP Bab ini berisi berisi kesimpulan dan saran. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN 1.6 Metode Penelitian Dalam melakukan perancangan dan pembuatan alat pada Tugas Akhir ini menggunakan metode pelaksanaan sebagai berikut:

24 6 a. Metode Studi Pustaka Yakni dengan cara mencari referensi buku-buku penunjang yang berkaitan dengan perancangan alat tersebut, untuk melengkapi dasar teori dan data-data yang diperlukan dalam penyusunan Tugas Akhir ini. b. Metode Survei Lapangan Dengan cara mencari, mengamati dan memahami prinsip kerja alat-alat yang berhubungan dan diperlukan dalam perancangan alat tersebut serta mencatat spesifikasi alat-alat yang diamati untuk bahan pembanding. c. Metode Perancangan dan Perakitan Melakukan pembuatan sketsa gambar, perencanaan komponen, pembuatan komponen yang dibutuhkan, dilanjutkan perakitan serta finishing. 1.7 Manfaat Penelitian Atas penelitian yang dilakukan diharapkan memiliki manfaat sebagai berikut: a. Dapat mengetahui sejauh mana kinerja dari alat penukar kalor dengan model pipa konsentrik b. Dapat membantu industri kecil dalam pembuatan alat penyuling minyak yang sesuai dengan teori yang ada.

25 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Yunianto dan Muhammad (2004), memaparkan bahwasanya untuk meningkatkan laju perpindahan panas dengan tetap mempertahankan luas permukaan pemindah panas pada kondensor pipa ganda diperlukan adanya peningkatan koefisien kondensasi. Ada beberapa cara untuk meningkatkan koefisien kondensasi pada kondensor, salah satunya dengan menambahkan elemen sisipan yaitu berupa kawat lilitan dalam pipa kondensor. Kawat yang digunakan berdiameter 1,8 mm. Kawat dipasang dalam pipa annulus pada kondensor dengan memvariasikan jarak antar lilitan (pitch), yaitu 2 mm, 25 mm, dan 500 mm. Dari hasil pengujian didapatkan peningkatan efektifitas kondensor pada pemakaian kawat lilitan dengan pitch longgar (25 mm dan 50 mm), sedangkan pada pitch (2 mm) justru terjadi penurunan efektifitas. Hasil ini terjadi baik pipa kondensor dipasang secara vertikal maupun horizontal Sukirno (2004), dalam penelitian yang telah dilakukan dengan variasi panjang terhadap performa alat penukar kalor pipa konsentrik aliran searah dan berlawanan, yaitu 1m, 2m, 3m, untuk fluida panas menggunakan minyak oli SAE 20W-50 yang berada di luar tube dan fluida dingin menggunakan air yang berada di dalam tube. Dalam penelitiannya menyatakan bahwa semakin panjang alat penukar kalor akan mengakibatkan rugi panas yang terjadi akan semakin besar, rugi panas yang terjadi dengan panjang 1m untuk aliran searah rugi panasnya lebih besar dibanding dengan aliran yang berlawanan, hal ini karena aliran 7

26 8 berlawanan diperoleh hasil dimensi alat penukar kalor lebih pendek dibanding dengan alat penukar kalor aliran searah, disamping itu semakin panjang alat penukar kalor maka efektivitas penukar kalor akan semakin meningkat, hal ini dikarenakan semakin bertambah panjang alat penukar kalor maka beda suhu yang dihasilkan akan semakin besar, hal tersebut menyebabkan laju pendinginan akan semakin besar. Rochani, dkk (2005), dalam penelitiannya mengatakan bahwa untuk meningkatkan kapasitas perpindahan panas dapat dilakukan dengan cara mengurangi tebal lapisan batas pada aliran, agar nantinya terjadi peningkatan percampuran fluida yang lebih acak. Pengurangan tebal lapisan batas dapat meningkatkan kecepatan aliran partikel dan turbulensi. Penelitian dilakukan dengan cara membuat bentuk alur spiral pada bagian dalam pipa. Tujuannya untuk mengetahui peningkatan kapasitas perpindahan panas dan penurunan tekanan yang terjadi pada pipa dengan diameter dalam 11 mm, beralur spiral dengan pitch 9 mm, 12 mm, 15 mm dan 18 mm yang dialiri air dengan bilangan Reynolds antara Sepanjang pipa uji dipanaskan dengan rubber heater dan data yang diamati adalah temperatur fluida masuk dan keluar, temperatur dinding pipa, penurunan tekanan dan debit aliran. Hasil penelitian kemudian diverifikasi dengan penelitian sebelumnya (Sara Rainieri, et al., 1998) dan menunjukkan adanya peningkatan kapasitas perpindahan panas pada pipa dengan alur spiral dan penurunan tekanan menjadi lebih besar dengan mengecilnya ukuran pitch alur. Pipa beralur dengan pitch 9 mm mengalami peningkatan perpindahan panas mencapai 4,47 kali dibanding dengan pipa halus pada bilangan Reynolds 1814,12.

27 9 Tanti dan Gandidi (2007), dalam penelitiannya menjelaskan bahwa penukar kalor pipa konsetrik ini dikonstruksi dari dua buah pipa yang sesumbu dengan diameter 1 inchi untuk pipa bagian luar dan 1/2 inchi untuk pipa bagian dalam. Data-data yang didapat dengan memvariasikan aliran dalam pipa dan aliran dalam annulus. Plat sirip bergelombang dengan puncak yang tajam (sharp ridge) meningkatkan laju perpindahan panas yang mencapai 20.56% dan 7.57 % dari sirip plat datar dan sirip gelombang dengan puncak yang halus. Koefisien perpindahan panas dan efektivitas penukar kalor sirip plat gelombang tajam mengalami kenaikan sebesar 18.38% dan 7.89% dari sirip plat datar dan gelombang dengan puncak yang halus. Efisiensi sirip gelombang tajam naik 24.60% dan 10.63% dari sirip datar dan gelombang halus. Koefisien perpindahan panas dan efisiensi plat sirip bergelombang dengan puncak yang halus masingmasing 12.10%, 9.75% dan 7.89% dari yang bersirip plat datar. plat sirip bergelombang tajam dan halus juga terjadi kenaikan pressure drop yang disebabkan oleh hambatan bentuk yang besar dari geometri sirip. Kenaikan ini mencapai 24.60% dan 10.75% masing-masing untuk plat sirip bergelombang tajam dan halus dari sirip plat datar. Terakhir, hasil yang telah didapat menunjukan plat sirip bergelombang dapat digunakan untuk meningkatkan unjuk kerja termal penukar kalor pipa konsentrik dan sejenisnya seperti shell and tube heat exchanger dan lain-lain. Sementara itu penelitian terhadap pelat yang dipilin sebagai pemacu perpindahan kalor aliran fluida dalam pipa juga pernah dilakukan oleh Fernadez dan Poulter (1987)

28 BAB III DASAR TEORI 3.1 Alat Penukar Kalor Shell and Tube Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah alat penukar kalor yang paling banyak digunakan dalam berbagai macam industri dan paling sederhana dibanding dengan alat penukar kalor lainnya, hal ini karena: a. Hanya terdiri dari sebuah tube dan shell, dimana tube terletak secara konsentrik yang berada di dalam shell. b. Kemampuannya untuk bekerja dalam tekanan dan temperatur yang tinggi. c. Kemampuannya untuk digunakan pada satu aliran volume yang besar. d. Kemampunnya untuk bekerja dengan fluida kerja yang mempunyai perbedaan satu aliran volume yang besar. e. Tersedia dalam berbagai bahan atau material. f. Kontruksi yang kokoh dan aman. g. Secara mekanis dapat beroperasi dengan baik dan handal (reliability tinggi). Pada jenis alat penukar kalor ini, fluida panas mengalir di dalam tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau di dalam shell. Karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar kalor satu lintas (single-pass). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama, maka penukar kalor ini bertipe 10

29 11 aliran searah (parallel flow) gambar 1. Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang berlawanan, maka penukar kalor ini bertipe aliran lawan (counter flow) gambar 2 (Kreith, 1997). Fluida masuk Fluida masuk Fluida keluar Fluida keluar Gambar 1. Pola Aliran Searah (paralel flow) Fluida keluar Fluida masuk Fluida keluar Fluida masuk Gambar 2. Pola Aliran Berlawanan (counter flow) 3.2 Klasifikasi Penukar Kalor a. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida Yang Mengalir. 1) Dua jenis fluida. 2) Tiga jenis fluida. 3) N-Jenis fluida (N lebih dari tiga). b. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi 1) Konstruksi Tubular (shell and tube). a) Sekat plat. b) Sekat batang.

30 12 c) Kontruksi tube spiral. 2) Konstruksi Dengan Luas Permukaan Diperluas. a) Sirip plat. b) Sirip tube. c. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran. 1) Aliran berlawanan. 2) Aliran searah. 3) Aliran melintang. 4) Aliran yang dibagi. Hot Fluid In Cold Fluid In Cold Fluid Out Cold Fluid In Cold Fluid Out Hot Fluid In Hot Fluid Out Hot Fluid Out ( a ) Parallel Flow ( b ) Singgle-Pass Cross Flow Cold Fluid In Cold Fluid Out Cold Fluid In Cold Fluid Out Hot Fluid In Hot Fluid Out Hot Fluid In Hot Fluid Out ( c ) Counter Flow ( d ) Multi Cross Flow Gambar 3. Klasifikasi Penukar Kalor Berdasarkan Aliran Fluidanya

31 Mekanisme Fisik Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah ilmu untuk memprediksi perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Perpindahan panas tidak hanya mencoba 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 (Holman, 1993). Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang diakibatkan oleh perbedaan temperatur (Incropera, 1996). Transfer energi sebagai panas merupakan suatu sistem yang memiliki temperatur lebih tinggi berpindah ke sistem yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Perpindahan temperatur ini akan berhenti apabila kedua sistem telah memiliki temperatur yang sama. Perpindahan panas ini terjadi melalui tiga cara yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi. 1 Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan panas konduksi atau hantaran adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1997). Perpindahan panas konduksi dapat juga didefinisikan sebagai pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan panas secara konduksi atau hantaran merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan material. Arah

32 14 aliran energi panas, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah (Masyithah dan Haryanto, 2006). Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi yang diusulkan oleh Fourier, menyatakan bahwa laju perpidahan panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan itu sama dengan hasil kali dari konduksi termal bahan, luas penampang yang mana panas mengalir dengan cara konduksi dan gradien suhu pada penampang. Sehingga dapat dituliskan persamaan untuk perpindahan panas dengan cara konduksi adalah sebagai berikut: (Kreith, 1997). Dimana: dt q k = ka... (1) dx q k = Laju aliran panas dengan cara konduksi (Watt). k = Konduktivitas termal bahan (W/m K). A = Luas penampang (m 2 ). dt = Gradien suhu pada penampang ( o K). dx Tanda minus menunjukan konsekuensi dari kenyataan bahwa panas mengalir ke arah suhu yang rendah. Proses perpindahan panas konduksi untuk plat datar yang terdiri dari lebih dari bahan dapat di lihat dari gambar 4 (Holman, 1993).

33 15 q q T w,i T w,o T w,i T w,o q x k. A Gambar 4. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Datar. Jika gradien suhu pada ketiga bahan adalah seperti terlihat pada gambar 4, maka perpindahan panas dapat dituliskan sebagai berikut: (Holman, 1993) k A = ( T w T )... (2) x q, i w, o Proses perpindahan kalor konduksi pada tube silindris yang dilalui oleh fluida panas, maka kalor yang dikandung fluida akan dipindahkan keluar menurut arah radial sepanjang pipa, hal ini dapat dilihat dari gambar 5 (Holman, 1993). T w,i q q T w,i T w, o T w, o q ( r / r ) ln o 2πkL i Gambar 5. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Silindris. Maka perpindahan kalor konduksi pada tube silindris dapat ditulis sebagai berikut: (Holman, 1993).

34 16 ( T ) 2πkL Ti q = r o ln ri o... (3) 2 Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas konveksi atau aliran adalah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan panas secara konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan, jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting (Masyithah dan Haryanto, 2006). Arah aliran T U Arus bebas y U X T W q Gambar 6. Perpindahan Kalor Secara Konveksi. Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan persamaan sebagai barikut: (Kreith, 1996). q Dimana: c = h A T... (4) c q c = Laju perpindahan panas (Watt). h c = Koefisien perpidahan panas konveksi (W/m 2 K). A = Luas penampang (m 2 ). T = Beda antara suhu permukaan dengan suhu fluida (K).

35 17 Untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi agak sedikit rumit, karena harga koefisien perpindahan panas konveksi dalam sebuah sistem tergantung pada geometri permukaan dan sifat-sifat termal fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik, densitas). Sehingga koefisien perpindahan panas konveksi dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: (Kreith, 1997). Nu k hc =... (5) D i Dimana: h c = Koefisian perpindahan panas konveksi di dalam tabung (W/m 2 o K). Nu = Bilangan Nusselt. k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m o K). D i = Diameter tube (m). Pada perpindahan panas konveksi paksa di dalam tube banyak dijumpai dalam aplikasi alat penukar kalor, dari hasil analisa menekankan hubungan empirik untuk menentukan harga koefisien perpindahan panas konveksi: (Kreith, 1997). Aliran di dalam tube Nu k hi =... (6) D i Aliran pada tube annulus Nu k ho =... (7) D h

36 18 Dimana: h i = Koefisian perpindahan panas konveksi di dalam tabung (W/m 2 o K). h o = Koefisien perpindahan panas konveksi pipa annulus (W/m 2 o K). Nu = Bilangan Nusselt. k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m o K). D i = Diameter tube (m). D h = Diameter unulus (m). Bilangan Nusselt adalah bilangan yang tidak berdimensi yang berbanding lurus dengan diameter tube dan koefisien panas konveksi dan berbanding terbalik dengan konduktivitas thermal zat yang mengalir, dirumuskan: (Holman, 1993). h D Nu =... (8) k c Dalam prakteknya, bilangan Nusselt merupakan ukuran untuk menentukan koefisien perpindahan panas konveksi dapat lebih mudah, karena jika bilangan Nusselt diketahui maka koefisien perpindahan panas konveksi dapat dengan mudah dihitung setelah mendapatkan hasil dari bilangan Reynolds, maka bilangan Nusselt dapat dihitung dengan type aliran sebagai berikut: 1) Aliran Turbulen, oleh Dittus dan Boelter (Holman, 1993).

37 19 Nud n ( Re ) 4 / 5 Pr = 0, (9) D Dimana : Nu d = Bilangan Nusselt. Re d = Bilangan Reynolds. Pr = Bilangan Prandt. n = 0,3 untuk pendinginan. n = 0,4 untuk pemanasan. 2) Aliran Laminer didalam Tube, oleh Spang (2004). 1/ 3 3 3,66 ( Re Pr) 1/ d d Nud =... 10) L Persamaan di atas berlaku apabila: Dimana: Re d Pr d L 33,3 Nu d = Bilangan Nusselt. Re d = Bilangan Reynolds. Pr d L = Bilangan Prandtl. = Diameter tube (m). = Panjang tube (m). 3) Aliran Laminer Pada Tube Annulus. Bilangan Nusselt dapat ditentukan dengan menggunakan tabel 1

38 20 yaitu dengan cara mengetahui dahulu harga D i /D o. Apabila harga D i /D o tidak terdapat dalam tabel, maka bilangan Nusselt di cari dengan cara iterasi dari hasil D i /D o (Incropera, 1996). Tabel 1. Angka Nusselt untuk Aliran Laminar pada Pipa Annulus dengan Satu Permukaan dengan Temperatur Konstan. Di/Do Nu i Nu o 0 0,05 0,10 0,25 0,50 1, ,46 11,56 7,37 5,74 4,86 3,66 4,06 4,11 4,23 4,43 4,86 Sumber: Kays and Perkins, in Roshsenow and Hartnett, Persamaan 9 dan 10 diasumsikan bahwa aliran yang terjadi baik di dalam tube dan di tube annulus sudah berkembang penuh. Meskipun ada teori yang menjelaskan bahwa selalu ada dua bentuk lapis batas yaitu pada fluks kalor konstan dan pada temperatur dinding konstan. Masing-masing daerah masuk dibagi dalam dua kategori: (Hewit, 1994). a) Daerah Pembentukan Lapis Batas Thermal Daerah pembentukan lapis batas thermal adalah daerah dari awal pembentukan lapis batas thermal sampai ke titik pertemuan lapis batas thermal dengan sumbu pipa. Lapis batas thermal mulai terbentuk ketika aliran fluida yang temperaturnya uniform mulai menyentuh

39 21 permukaan dalam tube yang temperaturnya berbeda dengan temperatur aliran fluida, gambar 7. q, constan t, constan a x b Gambar 7. Lapis Batas Thermal b) Kombinasi Antara Daerah Pembentukan Lapis Batas Thermal Dengan Daerah Pembentukan Lapis Batas Hidrodinamik. Daerah pembentukan lapis batas hidrodinamik adalah daerah dari sisi tube sampai ke titik pertemuan lapis batas hidrodinamik. Panjang daerah masuk hidrodinamik adalah daerah yang dihitung mulai dari daerah sisi masuk tube sampai daerah aliran yang sudah berkembang penuh secara hidrodinamik, gambar 8. q, constan t, constan x a b Gambar 8. Kombinasi Lapis Batas Temperatur Hidrodinamik pada Flukskalor Konstan dan Temperatur Dinding Konstan.

40 Sirip (fin) Gambar 9. Berbagai Jenis Muka Sirip. Untuk memudahkan dalam perhitugan sirip, maka dperlukan asumsiasumsi yang diberikan oleh Murray dan Gardner (Kern, 1988), yaitu: 1. Aliran panas dan distribusi temperatur yang melalui sirip tidak tergantung waktu (steady state). 2. Material dari sirip homogen dan isotropic. 3. Tidak ada sumber panas dari sirip. 4. Konduktifitas panas dari sirip konstan. 5. Koefisien perpindahan panas sama pada sisi masuk sirip. 6. Panas yang dipindahkan lewat sudut luar dari sirip diabaikan dibandingkan dengan yang melewati sirip. 7. Sambungan antar sirip dan pipa diasumsikan tidak ada tahanan.

41 23 Gambar 10. Kombinasi Dimensi Analisis Sirip Tranversal dengan Alur Helic. Dalam hal ini, untuk jenis sirip yang berpenampang lingkaran tidak diketemukan analisis teorinya. Oleh sebab itu dalam menganalisis sirip yang berpenampang lingkaran dilakukan dengan cara pendekatan terhadap penampangnya, yaitu dengan pendekatan penampang segi empat. Gambar 11. Pendekatan sirip tranfersal penampang segi empat Untuk mencari efisiensi pada sirip, dicari dulu perpindahan kalor yang terjadi apabila tanpa sirip. Perpindahan kalor yang terjadi apabila tanpa sirip dapat didefinisikan sebagai berikut: q no. f = U. A no. f. T... (12) A no. f = π. d o. L... (13)

42 24 Dimana : U = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 K) A no. f = Luasan kontak tanpa sirip (m 2 ) T d o = Beda temperatur (K) = Panjang penukar kalor (m) Untuk mencari perpindahan kalor dengan sirip dan luasan pada sirip dapat dirumuskan sebagai berikut : r r 2 2 A fin = 2π ( ) q + 2π 2 1 r 2 t... (14) q f = η atau η U T... (15) f max f Af ε = r f, o 1 + t 2 atau r f, i L 1 + t 2 h k t... (16) Dimana : A fin = Luasan pada sirip (m 2 ) r f,o r f,i t L = Jari-jari luar sirip (m) = Jari-jari dasar sirip (m) = Tebal sirip (m) = Kedalaman sirip (m) q f = Perpindahan kalor dengan sirip (W/m 2 ) η f = Efisiensi sirip (Didapat dari table figure 3-43)

43 25 Gambar 12. Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang Segi-empat Tidak semua bagian annulus diselimuti oleh sirip, maka perumusannya juga lain. Untuk pipa yang tidak diselimuti oleh sirip dapat dirumuskan sebagai berikut : A un d π s... (17), f = f, i q un, f Dimana : A = U un, f T... (18) A un,j d f s = Luasan yang tidak diselimuti oleh sirip (m) = Diameter dasar sirip (m) = Jarak antar sirip (m)

44 26 Perpindahan kalor total pada sirip didefinisikan sebagai berikut: q Dimana : tot, f ( ) q = n + un, f q f... (19) n = Banyaknya siripyang terpasang pada penukar kalor Peningkatan atau keefektifan dari sirip dapat dihitung dengan rumus: q q q =... (20) increase tot, f no, f Jadi efektifitas dari sirip dapat dirumuskan sebagai berikut: q q tot, f ε =... (21) f, overall tot, no. f Efektifitas sirip diharapkan sebesar mungkin. Sirip dikatakan efektif bilamanaσ 2 (Incropera Hal. 120, 1996). f 3.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah penjumlahan dari seluruh koefisien perpindahan panas yang meliputi koefisien perpindahan panas konduksi, koefisien perpindahan panas konveksi dan koefisien perpindahan panas radiasi, tetapi karena perpindahan panas radiasi tidak begitu berpengaruh, maka koefisien perpindahan panas radiasi tidak dibahas. Untuk plat datar jika diambil salah satu bagian kecil dari daerah pertukaran panas yang terkena lingkungan konveksi maka analogi lisriknya dapat dilihat dari gambar 13, (Holman, 1993).

45 27 T,i T w,i T w,o T i T w,i T w,o T,o 1 h i A i x ka 1 h o A o Gambar 13. Perpindahan Panas Menyeluruh pada Permukaan Data Dari gambar 13. Terlihat fluida panas A mengalir pada sisi kiri dari plat sedangkan fluida dingin B mengalir pada sisi kanan plat, perpindahan panas dinyatakan oleh persamaan berikut: (Holman, 1993). q ka ` h A ( T T ) = ( T T ) = h A ( T TB )... (22) x = i A Proses perpindahan panas dapat digambarkan dengan jaringan tahanan listrik seperti pada gambar 13. Perpindahan panas menyeluruh dapat dihitung dengan jalan membagi beda temperatur menyeluruh dengan jumlah tahanan thermal, maka perpindahan panas dihitung dengan persamaan berikut: (Holman, 1993). TA TB q =... (23) 1 x h A ka h A ha digunakan untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran panas menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh, U: (Holman, 1993).

46 28 q = U A... (24) T menyeluruh Dengan menggunakan persamaan 24, maka koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah sebagai berikut: (Holman, 1993). U = 1 1 x 1... (25) + + h k h 1 2 Dimana: U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K). h = Koefisien perpidahan panas konveksi (W/m 2 K). A = Luas penampang (m 2 ). T = Temperatur ( o K). k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m K). x = Tebal dinding (m). Perhatikan bahwa dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua fluida, maka luas bidang tergantung dari diameter dalam tabung dan tebal dinding. Maka perpindahan panas menyeluruh dapat dinyatakan sebagai berikut: (Holman, 1993). q = 1 h A i i TA T ln o i + 2πkL B ( r / r ) 1 + h A o o... (26) Dimana: r o = Jari-jari shell (m) r i = Jari-jari tube (m)

47 29 Sebagaimana dalam pengujian ini menggunakan sirip untuk proses penukaran kalor maka dari persamaan 26, dengan adanya modifikasi penambahan sirip (fin). Adapun rumus perhitungan untuk luasan sirip sebagai berikut: (Kern, 1988). r r 2 2 A fin = 2π ( ) + 2π 2 1 r 2 t... (27) Sehingga perpindahan panas secara menyeluruh dengan penambahan sirip dapat dinyatakan sebagai berikut: (Kern, 1988) q = 1 h A i i T ln + 2πkL + 2π A T B ( r / r ) o i ( ) + 2π t ho Ao r 2 r 1 r (28) Sesuai dengan jaringan tahanan thermal seperti pada gambar 14, besarnya A o dan A i adalah luas permukaan bagian luar dan bagian dalam. besi baja q T 2 uap panas T 1 T A air dingin T B r o r i h i tembaga h o T A T 1 T 2 T B 1 ln ( ro / ri ) 2πkL h i. A i 1 h. A o o Gambar 14. Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang

48 30 Maka koefisien perpindahan panas menyeluruh untuk bagian dalam tube ( U ) dan bagian luar tube ( U ) adalah: (Incropera, 1996). I o 1 Ui =... (29) 1 r i r o r i ri 1 R f. i ln R f, o hi k ri ro r o ho U o 1 =... (30) 1 r r r r 1 + R + ln + R + h h o o o o o f, o f i k r, i r i r i Dimana: R f,o : faktor kotoran di luar tube ( m 2 K / M ). R f,i : faktor kotoran di dalam tube. ( m 2 K / M ). Permukaan bagian dalam pipa dianggap licin tanpa ada faktor kotoran diluar dan didalam Tube. 3.6 Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds adalah parameter tidak berdimensi untuk menentukan apakah aliran yang terjadi laminer atau turbulen yang tergantung dari besarnya bilangan tersebut. Sebuah aliran dikatakan laminer jika fluida bergerak secara lapisan-lapisan secara teratur atau nilai bilangan Reynoldsnya kurang dari 2000, (Kreith, 1997). Dan daerah bilangan Reynolds antara 2100 sampai 4000 terjadi peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen aliran ini disebut aliran peralihan (transisi). Sedangkan aliran dikatakan turbulen jika fluida bergerak dengan tidak menentu ditandai dengan timbulnya ulakan-ulakan pada aliran atau nilai bilangan Reynoldsnya lebih dari 4000, (Kreith, 1997). Untuk mengetahui i

49 31 sifat dari aliran tersebut laminer atau turbulen ditunjukkan dengan bilangan Reynolds (Re) yang dituliskan dalam persamaan sebagai berikut: (Kreith, 1997). Dimana: ρ v D Re =... (31) µ Re = Bilangan Reynolds. ρ = Massa jenis (kg/m 3 ). v = Kecepatan (m/s). µ = Viskositas dinamis fluida (kg/m s). D = Diameter (m). Untuk memperlukan kecepatan rata-rata maka diperoleh dengan persamaan: 1997). Dimana: Q v =... (32) A v = Kecepatan (m/s). Q = Debit aliran fluida (m 3 /s). A = Luas penampang (m 2 ). Untuk diameter pada annulus diperoleh dengan persamaan: (Kreith, D h ( π / 4) (D = 4 π o i ( D + D ) i 2 o 2 Di ) = D o D... (33) Dimana:

50 Kesetimbangan Kalor D = Diameter annulus (m). h D = Diameter shell (m). o D = Diameter tube (m). i Sesuai dengan hukum kesetimbangan kalor, bahwa kalor yang masuk ke dalam suatu sistem sama dengan kalor yang keluar dari sistem, hal ini dapat dilihat pada gambar 15.a. maka persamaan dapat ditulis sebagai berikut: (Incropera, 1996). Dimana: q c = q h ( T T ) = m c ( T T ) m c cp, c c, o c, i h p, h h, i h, o... (34) q c q h. m c = kalor yang masuk ke sistem (Watt) = kalor yang keluar ke sistem (Watt) = kapasitas aliran fluida dingin (kg/s) c p,c = panas spesifik fluida dingin (J/kg K) T c,i = temperatur fluida dingin yang masuk kondensor ( o C) T c,o = temperatur fluida dingin yang keluar kondensor ( o C). m h = kapasitas aliran fluida panas (kg/s) c p,h = panas spesifik fluida panas (J/kg K) T h,i = temperatur fluida panas yang masuk kondensor ( o C) T h,o = temperatur fluida panas yang keluar kondensor ( o C)

51 33. m h T h,i q h T h,o T c,o q c. m T c,i c a T h,i T h,o T 1 T T 2 T c,o T c,i b Gambar 15. Kesetimbangan Kalor antara Dua Fluida Kerja dan Distribusi Temperatur dalam Kondensor Lintas Tunggal. Gambar 15.a, menunjukan distribusi perubahan temperatur yang terjadi pada kedua fluida dalam penukar kalor shell and tube pipa konsentrik, karena temperatur dari fluida kerja yang berada di dalam penukar kalor pada umumnya tidak konstan tetapi temperaturnya selalu berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu kalor mengalir dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin. Tetapi perlu diperhatikan bahwa pada gambar 15.b, terlihat bahwa distribusi temperatur aliran fluida panas yang mengalir disepanjang lintasan tidak mengalami perubahan temperatur tetapi mengalami perubahan fasa yaitu perubahan dari fasa uap

52 34 menjadi fasa cair. Sehingga persamaan untuk kesetimbangan kalor dapat ditulis sebagai berikut: Dimana: 3.8 Daya Pompa q c = q h ( T T ) = m c ( T T ) m c cp, c c, o c, i h p, h h, i h, o ( Tc, o Tc, i ) = mh h f g m c c p, c,... (35) h f,g = kalor penguapan (kj/kg) Dalam hal ini daya pompa dikategorikan menjadi dua bagian, yaitu daya masuk dan daya keluar pompa. Besarnya daya masuk pompa dipengaruhi oleh besarnya tegangan listrik dan kuat arus yang terjadi, sehingga daya pompa dapat ditentukan dengan persamaan, sedangkan daya keluar pompa dipengaruhi oleh tinggi heat dan tekanan massa dalam hal ini adalah fluida air. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut: Dengan: P in = V. I... (36) P out = v f. P. m c... (37) P in = daya masuk pompa (Watt) P out = daya keluar pompa (Watt) V v f I m c = tegangan (Volt) = volume spesifik (m 3 /kg) = kuat arus (Ampere) = kapasitas pendingin (kg/s)

53 BAB IV METODOLOGI PENELITIAN 4.1 Diagram Alir Penelitian MULAI Perencanaan dan pembuatan model heat exchanger Pengujian Variabel bilangan Reynolds fluida dingin 2000, 4000, 6000, 8000, Pengaruh variasi bilangan Reynolds terhadap: 1. Kapasitas kondensat 2. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh 3. Daya pompa Pengolahan data dan penarikan kesimpulan Pembuatan laporan SELESAI Gambar 16. Diagram Alir Penelitian 35

54 Bahan Yang Digunakan Dalam Penelitian Dalam penelitian bahan yang digunakan adalah fluida air baik untuk fluida panas maupun fluida dingin. Spesifikasi dari fluida yang digunakan adalah: 1 Fluida dingin yang mengalir dalam kondensor adalah air yang diambil langsung dari sumber air. 2 Fluida panas yang digunakan adalah uap dari hasil pemanasan air yang berada didalam bejana. 4.3 Alat-Alat Yang Digunakan Dalam Penelitian 1 Unit Model Heat Exchanger Concentric Tube Dengan Posisi Horizontal Gambar 17. Model Heat Exchanger Concentric Tube Keterangan gambar 17 : a Pipa tembaga dengan panjang 3200 mm, diameter luar 25,7 mm dan diameter dalam 23,5 mm, yang digunakan sebagai tube. b Pipa baja karbon dengan panjang 0 mm, diameter luar 50,6 mm dan diameter dalam 49,7 mm, yang digunakan sebagai shell.

55 37 c Kawat yang digunakan sebagai spiral pengarah aliran dengan diameter 5 mm, pitch 60 mm. 2 Unit Instalasi Eksperimen Gambar 18. Skema Instalasi Percobaan Keterangan gambar 18 : A. Bejana B. Bak hasil kondensat C. Flowmeter D. Selang Radiator E. Kondensor F. Pompa Air G. Bak air H. Bak air bekas kondensasi

56 38 3 Bejana Bejana Gambar 19. Bejana 4 Tabung Bahan Bakar Apollo Kapasitas 8 L Gambar 20. Tabung Bahan Bakar 5 Kompresor Tangan Merk Vitech

57 39 6 Multimeter Digital Dan Selektor Tipe Omega 405 A Multimeter digital Selektor Gambar 21. MultMeter Digital dan Selektor 7 Electric Pump Model D 9126 BIT Merk Shimizu Gambar 22. Pompa Air

58 40 8 Pipa PVC Pipa PVC Gambar 23. Pipa PVC 9 Flowmeter Merk Water Flow Gambar 24. Flowmeter Air

59 41 Pengukuran debit aliran fluida dingin menggunakan alat ukur flow meter, yang ditempatkan pada bagian masuk kondensor yang dihubungkan dengan pipa PVC. 10 Termokopel tipe K, seri 66 K 24 Gambar 25. Termokopel 11 Kompor Dua Buah Kompor Gambar 26. Kompor

60 42 12 Skema Penelitian Gambar 27. Skema Penelitian a Aliran Fluida Panas Untuk fluida panas, uap hasil pemanasan dari bejana langsung mengalir ke kondensor yang dapat ditunjukan dengan anak panah yang berwarna merah. b Aliran Fluida Dingin. Untuk fluida dingin, pipa yang digunakan untuk meneruskan aliran fluida dingin dari bak air ke kondensor menggunakan pipa PVC dengan diameter 25,9 mm. Untuk aliran fluida dingin yang berada di kondensor menggunakan pipa baja karbon dengan diameter luar 50,6 mm. Sistem perpipaan fluida dingin ini di desain agar dapat digunakan

61 43 untuk pengujian aliran berlawanan (counter flow) saja, dan arah aliran dapat ditunjukan dengan anak panah yang berwarna biru. Pada sistem perpipaan fluida dingin ini terdapat dua buah katup yang digunakan untuk mengatur aliran fluida dingin, katup K 1 merupakan katup masuk yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya debit fluida dingin yang akan memasuki kondensor, katup K 2 merupakan katup keluar yang digunakan untuk menjaga keseimbangan antara debit aliran fluida dingin dengan kemampuan motor pada pompa, sehingga motor pada pompa tidak akan mengalami beban yang berlebih. c Avometer Alat ini digunakan untuk megetahui besarnya tegangan listrik dan kuat arus yang akan digunakan untuk menghitung besarnya daya pompa ketika pompa bekerja. d Flowmeter Pengukuran debit aliran fluida dingin menggunakan alat ukur flowmeter, yang ditempatkan pada bagian masuk kondensor yang dihubungan dengan pipa PVC. e Termokopel Pengukuran temperatur aliran dari fluida kerja menggunakan termokopel tipe K, dimana untuk mengetahui temperatur itu dilengkapi dengan satu set multimeter digital sebagai termokopel reader sebagai dispay data yang diperoleh. Pengukuran ini dilakukan pada enam titik seperti dapat dilihat pada gambar 28.

62 44 Gambar 28. Skema Penempatan Termokopel 4.4 Tempat Pengujian dan Pengambilan Data Pengujian dilakukan di laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Pengujian dilakukan untuk aliran berlawanan dengan 5 macam variabel bilangan Reynolds yaitu 2000, 4000, 6000, 8000 dan Dan pengambilan data dilakukan secara serentak dengan interval waktu 5 menit dalam satu kali pengambilan data selama 25 menit. Data-data yang diambil adalah temperatur masuk fluida panas (T h,i ), temperatur masuk fluida dingin (T c,i ), temperatur keluar fluida panas (T h,o ), temperatur keluar fluida dingin (T c,o ), temperatur luar pipa tembaga (T w,luar ), temperatur dalam pipa tembaga (T w,dalan ), hasil kondensat (V kond ), dan tekanan air.

63 Tahapan Penelitian Untuk memperoleh hasil yang maksimal dalam melakukan penelitian dan untuk mengetahui performa dari suatu alat penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow), maka dilakukan beberapa tahapan penelitian, yaitu sebagai berikut: 1 Pastikan sudah tidak ada kebocoran pada instalasi percobaan. 2 Nyalakan kompor untuk proses pemanasan air dalam bejana hingga temperatur air dalam bejana mencapai 100 o C. 3 Hidupkan pompa. 4 Atur aliran air menggunakan katup masuk dan katup keluar sesuai dengan variabel aliran dengan mengamati skala flowmeter. 5 Pengujian dapat dimulai setelah proses pemanasan air sudah mendidih sempurna atau temperatur air dalam bejana sudah mencapai 100 o C. 6 Amati temperatur dinding, temperatur fluida dingin dan temperatur fluida panas dengan menekan tombol-tombol selektor masing-masing temperatur dan beda tekanan pada manometer air kemudian dicatat.