PENGEMBANGAN KORELASI PERPINDAHAN KALOR ALIRAN GELEMBUNG AIR-UDARA BERLAWANAN ARAH DALAM PIPA YANG DIPANASKAN

Transkripsi

1 Sartono Putro, Penembanan KOreasi Perpindahan Kaor Airan Geembun Air-Udara Berawanan Arah PENGEMBANGAN KORELASI PERPINDAHAN KALOR ALIRAN GELEMBUNG AIR-UDARA BERLAWANAN ARAH DALAM PIPA YANG DIPANASKAN Sartono Putro Jurusan Teknik Mesin Fakutas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta J. A. Yani Kotak Pos Pabean Surakarta ABSTRAKSI Koefisien perpindahan kaor dua fase as-cair merupakan penjumahan koefisien perpindahan kaor fase as dan fase cair berdasarkan voume masin-masin fase. Tujuan peneitian ini untuk mendapatkan koreasi empiris koefisien perpindahan kaor hasi peneitian. Peneitian diakukan denan menairkan air dari atas dan udara dari bawah daam bentuk airan eembun. Seksi uji terdiri atas pipa tembaa denan D i 24 mm panjan 800 mm diiit denan eemen pemanas istrik sepanjan pipa. Ujun atas dan bawah pipa tembaa disambun denan pipa transparan untuk menetahui poa airan yan terjadi. Untuk menukur temperatur dindin dipasan termokope di dindin uar pada ima titik sepanjan pipa tembaa, sedankan temperatur fuida diukur denan memasan termokope pada sumbu pipa di tujuh titik sepanjan pipa tembaa. Koreasi impiris yan dibentuk pada peneitian ini adaah:,406 4,4502 0, α Pr ( ) + ( ) yan Nu α Nu 4,40 0 α Pr beraku pada kondisi: kuaitas as (x) 0, sampai 0,0006, dan fraksi hampa (α) 0,0462 sampai 0,02, serta fuks kaor istrik (q )627,89 W/m 2 sampai 98,62 W/m 2. Kata kunci : Perpindahan kaor, Koefisien, Dua fasa, Airan eembun, Berawanan arah. PENDAHULUAN Perpindahan kaor daam media airan as-cair banyak dijumpai daam komponen-komponen sistem konversi eneri. Peneitian-peneitian yan berhubunan denan koefisien perpindahan kaor dua fasa as-cair terus diakukan, ha ini sebaai upaya untuk memperbaiki prediksi tentan koefisien perpindahan kaor konveksi dua fasa sebaai informasi pentin daam perancanan aat penukar kaor. Informasi menenai perpindahan kaor dua fasa, dua komponen as-cair tanpa pendidihan jua sanat diperukan, fenomena ini banyak diapikasi daam banyak industri seperti pada penairan minyak dan as aam. Peneitian perpindahan kaor airan dua fasa denan pendidihan ebih banyak diakukan dari pada yan tanpa pendidihan. 65

2 JURNAL TEKNIK GELAGAR, Vo. 8, No. 0, Apri 2007 : Guna menambah informasi tentan perpindahan kaor dua fasa dua komponen as-cair tanpa pendidihan, fenomena penambahan eembun yan menair berawanan arah denan air pada kondisi di bawah temperatur saturasi air menarik untuk diteiti. Adapun perumusan masaah daam peneitian ini adaah: Baaimanakah koreasi empiris koefisien perpindahan kaor airan eembun air-udara berawanan arah? TINJAUAN PUSTAKA Sekouchi et a. (98), daam peneitiannya menenai karakteristik airan eembun vertika menyatakan bahwa, terdapat dua bentuk pererakan eembun yaitu, sidin bubbe dan corin bubbe. Pada Gambar. ditunjukkan, eembun yan berukuran kuran dari 5 mm akan bererak menuju dindin kemudian sidin (#), sedankan eembun yan ukurannya ebih besar menair di tenah airan denan erakan spira (#4). Bia kecepatan airan air dikurani, maka sidin bubbes akan berubah secara perahan menjadi hoppin bubbes (#5), periaku ini terjadi pada daerah kecepatan air di antara -0, s.d. 0, m/s. Apabia kecepatan airan air ebih dari 2 m/s, maka tidak ada eembun yan sidin di dindin, meainkan bererak pada jarak tertentu dari dindin (Gambar ). airan airan Kama (2002), meakukan peneitian tentan koefisien perpindahan kaor airan dua fasa daam pipa vertika yan dipanaskan tanpa pendidihan denan fuida uji air-udara daam bentuk airan kantun. Peraatan utama untuk meakukan percobaan adaah sebuah pipa stainess stee diameter 2,7 mm dan panjan 500 mm, ujun atas dan bawah pipa dipasan pipa transparan untuk menetahui poa airan fuida uji. Sepanjan pipa uji diberi eemen pemanas istrik yan mampu menhasikan fuks kaor 400 kw/m 2. Untuk menukur temperatur dindin dipasan 0 termokope sepanjan pipa uji, temperatur airan masuk dan keuar diukur menunakan termokope yan dipasan masuk sampai sumbu pipa. Ghajar (2004), meakukan peneitian perpindahan kaor airan dua fasa as-cair daam pipa tanpa pendidihan, hubunan koefisien perpindahan kaor dua fasa berbaai poa airan terhadap bianan ynod superfisia as menunjukkan adanya peninkatan hara koefisien perpindahan kaor pada awa penambahan udara yan kemudian menurun dan meninkat ai sesuai pertambahan kecepatan superfisia as. 2 Gambar. Gerakan Geembun Tuna pada Airan Air (Sekouchi, 98) Gambar 2. Hubunan antara Koefisien Perpindahan Kaor Dua Fasa Berbaai Poa Airan terhadap Bianan ynod Superfisia Gas (Ghajar, 2004) 66

3 Sartono Putro, Penembanan KOreasi Perpindahan Kaor Airan Geembun Air-Udara Berawanan Arah Landasan Teori Koefisien perpindahan kaor eksperimen dihitun dari koefisien perpindahan kaor oka masin-masin semen. Kaor yan diserap oeh fuida dua fasa adaah, q m Cp T T ) () ( out in denan (Cp ) kaor jenis abunan yan dirumuskan Burmeister (98), yaitu: Cp ω Cp + ω Cp (2) denan fraksi udara, ρ ω () ρ + ρ dan fraksi air, ρ ω (4) ρ + ρ Koefisien perpindahan kaor oka dihitun denan persamaan sebaai berikut. q" h Tw Tb (5) T b dan T w adaah temperatur buk dan wa fuida pada masin-masin semen. Koefisien perpindahan kaor seuruh pipa uji merupakan hasi rata-rata dari koefisien perpindahan kaor masin-masin semen. Ghajar (2004), meakukan penembankan koreasi perpindahan kaor dua fasa airan as-cair daam pipa tanpa pendidihan. Koefisien perpindahan kaor dua fasa merupakan penjumahan perpindahan kaor tiap fasa: h ( α ) h + αh α h ( α) h + (6) α h Sedankan koreasi umum perpindahan kaor dua fasa tanpa pendidihan untuk airan vertika denan Bianan ynod superfisia cairan 4000 sampai sebai berikut. h x ( α) h + 0,27 x α α,2 µ µ Pr Pr 0, 72 0,66 0,04 h diperoeh dari koreasi Sieder-Tate, Nu D,86 Pr Z µ b µ w 0,4 / (7) (8) Fraksi hampa (α) dihitun menunakan persamaan Chishom, yaitu: α (9) 0,5 ρ x ρ + ρ m x ρ ρ (0) m x + x ρ ρ Adapun Bianan ynod dihitun berdasarkan kecepatan aktua fuida sebaai berikut. ρ V D () µ ρ V D (2) µ m( x) V ρ ( α) A () 67

4 JURNAL TEKNIK GELAGAR, Vo. 8, No. 0, Apri 2007 : V m x ρ α A (4) Koefisien perpindahan kaor konveksi paksa sanat dipenaruhi oeh hubunan kompeks antara properties fuida dan dimensi serta permukaan pipa. Faktorfaktor yan berpenaruh tersebut adaah: a. konduktivitas terma (k), b. viskositas dinamis (µ), c. kaor spesifik (Cp) d. massa jenis fuida (ρ) e. dimensi sauran (D) dan f. aju airan massa ( m ). Sehina koefisien perpindahan kaor dihitun berdasarkan funsi dari faktorfaktor yan berpenaruh: h f ( k, µ, Cp, ρ, D, m) (5) Menunakan teori Phi-Buckinham, persamaan 9 ini dapat diunkapkan daam bentuk persamaan non dimensia sebaai berikut. Nu f,pr (6) ( ) METODE PENELITIAN Bahan yan diperunakan untuk peneitian ini adaah air dari bak penampun dan udara yan dihasikan dari kompresor. Adapun peraatan yan diperunakan terdiri atas sebaai berikut.. Fow meter udara N02-5 denan boa shapir. 2. Air reuator SMC tipe AR 20.. Fow meter air OMEGA tipe FL- 504A. 4. Pompa air sentrifua PANASONIC. 5. Kompresor udara WIPRO MM.ECM.JCK 6. Termometer diita OMEGA HH Mutipoint seektor OMEGA 405A. 8. Votae uator MATSUNAGA MFG.CO.LTD. 25 A. 9. Ampere meter SANWA DCM-2L 0. Vot meter SANWA CD-700C Fow meter udara uator Fow meter air Catu daya istrik Tw - Tf Tw2 - Tf2 Tw - Tf Tw4 - Tf4 Tw5 - Tf5 Tfout Indicator Temperatur Arah Airan Air Arah Airan Ud Gambar. Skema Instaasi Eksperimen Prosedur penambian data ditempuh denan cara sebaai berikut.. Pastikan isi tanki air penuh. 2. Hidupkan pompa air dan kompresor.. Atur airan air menunakan katup masuk dan katup keuar sesuai variabe Tfin 68

5 Sartono Putro, Penembanan KOreasi Perpindahan Kaor Airan Geembun Air-Udara Berawanan Arah debit airan denan menamati skaa fow meter air. 4. Atur airan udara denan menatur katup masuk dan menamati poa airan sampai terjadi poa airan eembun yan konstan. 5. Hidupkan pemanas istrik dan atur teanan yan diunakan denan menatur potensiometer votae reuator. 6. Tunu sampai pada kondisi konstan, yaitu poa airan eembun pada pipa transparan bawah dan atas seraam, dan temperatur yan ditunjukkan oeh kontro temperatur menunjukkan hara yan konstan. 7. Ukur debit air dan debit udara pada skaa fow meter, catat temperatur air masuk dan keuar, serta catat temperatur dindin dan temperatur fuida denan menubah switch mutipoint seektor masin-masin temperatur. 8. Penoahan data diawai denan menhitun kaor yan diserap fuida dua fasa menunakan persamaan (), dan menhitun koefisien perpindahan kaor dua fasa menunakan persamaan (5). Seanjutnya penoahan data diakukan daam bentuk persamaan (6) untuk mendapatkan koreasi hasi peneitian. HASIL DAN PEMBAHASAN Koefisien perpindahan kaor dua fasa diamati pada pemanasan denan fuks kaor 627,89 W/m 2 sampai 98,62 W/m 2. Pembatasan fuks kaor berdasarkan temperatur dindin dan jenis poa airan eembun yan dihasikan. Temperatur dindin pada peneitian ini hanya sampai 60 o C, ha ini diakukan karena pada temperatur dindin ebih dari 60 o C sudah terjadi poa airan transisi, airan eembun menjadi berkeompok dan akan membentuk airan kantun.. Koefisien perpindahan kaor tota dua fasa dua komponen air-udara diasumsikan sebaai penjumahan koefisien perpindahan kaor satu fasa air dan satu fasa udara berdasarkan voume masinmasin fasa. Daam bentuk Bianan Nuset, persamaan 6 dapat dikembankan menjadi: Nu ( α ) Nu + αnu α Nu ( α ) Nu + (7) α Nu h D Nu (8) k Konduktifitas terma dua fasa ( k ), dirumuskan Burmiester (98) sebaai berikut. k k y + k y 0, 72 k k y y (9) fraksi berat udara, m y (20) m + m fraksi berat air, m y (2) m + m Persamaan non dimensiona pada persamaan 6, bia disubstitusikan ke daam persamaan 7 menjadi: α Nu ( α ) Nu + α (, Pr (, ) ) daam bentuk funsi menjadi: (22) 69

6 JURNAL TEKNIK GELAGAR, Vo. 8, No. 0, Apri 2007 : Nu ( α ) Nu α Pr f (2) α Pr dibentuk ke daam persamaan eksponensia: b Nu α a Nu α ( α ) Pr (24) Pr Seanjutnya dibentuk daam persamaan oaritma: Nu o ( ) α Nu α o a + bo + α Pr c o + d o (25) Pr Persamaan 29 merupakan persamaan inier yan sama denan persamaan: Y b0 + b s + b2s2 + bs (26) denan, Nu Y o ( ) Nu α b o a b b s b s 0 b 2 2 α o α c o d d c s 2 o b d Pr s o Pr Menunakan reresi inier jamak dapat dibentuk menjadi: n s s2 s s ss s2s ss s2 ss2 s2s2 ss2 s ss ss ss b0 Y b Ys (27) b2 Ys2 b Ys Persamaan 27 diseesaikan menunakan metode eiminasi Gaus untuk mendapatkan niai b 0, b, b 2, b yan equivaen denan koefisien a, b, c, dan d. Adapun hasi koreasi empiris yan didapatkan adaah: Nu α 5 ( ) Nu [ + (4,40 0 ) 4,4502,406 α α 0, 9620 Pr Pr (28) Koreasi empiris yan dibentuk memberikan prediksi hara koefisien perpindahan kaor dua fasa airan vertika air-udara berawanan arah denan deviasi ± 5 % sebanyak 90, % dari data eksperimen, yaitu 65 titik data dari seuruh titik data 72 buah. Hubunan koefisien perpindahan kaor dua fasa hasi eksperimen dan hasi perhitunan 70

7 Sartono Putro, Penembanan KOreasi Perpindahan Kaor Airan Geembun Air-Udara Berawanan Arah menunakan koreasi empiris yan dibentuk diberikan pada Gambar 4. Gambar 5 menunjukkan bahwa niai perbandinan koefisisen perpindahan kaor daam bentuk Biannan Nusset dua fasa terhadap satu fasa cair meninkat denan meninkatnya fraksi hampa (α). Adapun niai koefisien perpindahan kaor terbesar didapatkan pada perbandinan / terendah. Fenomena ini dapat dijeaskan bahwa berdasarkan peneitian Sekouchi (98), erakan eembun yan berukuran kuran dari 5 mm akan bererak menuju dindin kemudian sidin, sedankan eembun yan ukurannya ebih besar menair di tenah airan denan erakan spira. Nueks Gambar 4. Hubunan antara Koef. Perpindahan Kaor Dua Fasa Eksperimen denan Hasi Koreasi Empiris yan Dibentuk Nukor 0 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,0 0, α +5-50% / 0,07 / 0,04 / 0,045 / 0,048 / 0,052-5% Gambar 5. Impementasi Koreasi yan didapatkan KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpuan Koreasi empiris yan dihasikan pada peneitian ini adaah: Nu α 5 ( ) Nu [ + (4,40 0 ) α α,406 4,4502 0, 9620 Pr yan beraku pada Pr kondisi: kuaitas uap (x) 0, sampai 0,0006, dan fraksi hampa (α) 0,0462 sampai 0,02, serta fuks kaor istrik (q )627,89 W/m 2 sampai 98,62 W/m 2. Saran Berdasarkan hasi peneitian, pembahasan dan kesimpuan yan diperoeh, ada beberapa ha yan dapat disarankan untuk peneitian serupa di masa datan sebaai berikut.. Keteitian pembacaan aat ukur aar ebih ditinkatkan utamanya daam penukuran temperatur. Perankat penukuran denan metode akuisisi data sanat diperukan karena mampu menukur beberapa titik daam waktu yan bersamaan. Denan metode akuisisi dimunkinkan untuk meakukan penukuran pada titik yan ebih banyak denan keteitian yan ebih baik, penukuran temperatur dindin untuk tiap semen akan ebih akurat bia diakukan pada beberapa titik secara keiin. 2. Peru diakukan peneitian anjutan menenai fenomena apis batas temperatur fuida yan menempe pada dindin. meninat air yan temperaturnya ebih tini akan cenderun menair ke atas sementara 7

8 JURNAL TEKNIK GELAGAR, Vo. 8, No. 0, Apri 2007 : ada eembun udara yan memiiki arah airan yan sama. Ha ini dasarankan meninat temperatur dindin yan dihasikan tidak meninkat searah airan air yan ke bawah. DAFTAR PUSTAKA Burmeister, L.C., 98, Convective Heat Transfer, John Wiey & Sons, New York. Ghajar, A.J., 2004, Systematic Heat Transfer Measurements For Air-Water Two-Phase Fow In A Horizonta And Sihty Upward Incined Pipe, Proccedins of the 0 th Braziion Conress of Therma Science and Enineerin-ENCIT 2004 Braz. Soc. Of Mechanica Sciences and Enineerin-ABCM, Rio de Janeiro Nov. 29-Dec. 0, Ghajar, A.J., 2004, Two-Phase Heat Transfer In Gas-Liquid Non-Boiin Pipe Fows, HEFA 2004 rd Internationa Conference on Heat Transfer, Fuid Mechanics and Thermodynamics 2-24 June 2004, Cape Town. Kama, S. 2000, Studi Eksperimenta Koefisien Perpindahan Kaor Airan Dua Fasa pada Pipa Vertika daam Bentuk Airan Kantun (Su Fow) Menunakan Airan Udara-Air, Teknosains, 6B(), UGM, Yoyakarta. Sekouchi, K., Fukui, H., and Sato, Y., 98, Fow Characteristics And Heat Transfer In Vertica Bubbe Fow, ed. Beres, A.E., and Ishiai, S., Two-Phase Fow Dynamics, Hemisphere Pubishin Corporation, New York. 72