PENGARUH PANJANG DAN DIAMETER PADA HEAT LOSS ALIRAN FLUIDA PANAS DALAM PIPA

Transkripsi

1 PENGARUH PANJANG DAN DIAMETER PADA HEAT LOSS ALIRAN FLUIDA PANAS DALAM PIPA Sutrisno 1, Taufiq Hidayat 2 1)2) TeknikMesin Universitas Nahdlatul Ulama Surakarta 1) trisnowech_79@yahoo.co.id ABSTRACT In the industrialized world, especially in the plant-plant equipment is widely available that serves to support the process that takes place at the plant. To generate a production, then the performance of the equipment should be mutually supportive. If the equipment is damaged, the production process will be hampered. Among the existing equipment that generates very high heat and heat is supplied to the apparatus, where the heat is used for a process. Heat transfer is the science which predicts the energy transfer occurs due to temperature differences between objects or materials. As for the heat loss that occurs in the pipeline is damage or loss of heat energy in the flow of fluid flowing in the pipe due to the heat transfer fluid in the pipe darisuatu air to the outside. The purpose of this study was to determine the heat loss on a non-insulated pipe between the pipes insulated with some variation in the length of pipe and pipe diameter. It is also looking for a coefficient of friction of measurements and compared with the friction coefficient of the reference price. In the data collection required an equipment and supporting components to circulate fluid. From the processing of data and graphs, obtained In and L / D are the same, the heat loss will increase with the increase in the price of the fluid viscosity. Keywords: Heat loss, Heat Transfer, PENDAHULUAN Di dalam dunia industri, terutama dipabrik-pabrik banyak terdapat peralatan yang berfungsi untuk menunjang proses yang berlangsung di pabrik tersebut. Untuk menghasilkan suatu produksi, maka kinerja dari peralatan tersebut harus saling mendukung. Jika satu peralatan mengalami kerusakan maka proses produksi akan terhambat. Diantara peralatan ada yang menghasilkan kalor yang sangat tinggi dan kalor tersebut dialirkan ke suatu peralatan, dimana kalor tersebut digunakan untuk suatu proses. Untuk mengalirkan kalor, maka digunakanlah pipa yang diisolasi oleh suatu lapisan isolasi agar kalor yang mengalir tidak mengalami penurunan suhu atau pengurangan kalor. Dalam penerapannya untuk sistem yang diisolasi menyatakan Pengaruh panjang dan diameter 20

2 bahwa energi dari sistem yang diisolasi adalah konstan. Tetapi tidak menutup kemungkinan adanya kehilangan energi panas atau heat loss akibat adanya kerusakan atau kebocoran yang terjadi pada isolator tersebut. Dengan adanya peristiwa tersebut di atas maka penulis mencoba menganalisa kehilangan energi panas (heat loss) yang terjadi pada pipa non isolasi diantara pipa yang berisolasi dengan variasi panjang dan diameter tertentu serta pengaruh luar dan dalam yang ditimbulkan TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI Tri Istanto dan Wibawa Edra Juwana (2010) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas penurunan tekanan dari susunan siripsirip pin silinder tirus dalam saluran udara segiempat. Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa pada kedua susunan sirip pin, peningkatan bilangan Reynolds dan semakin kecil jarak Sy/D akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan laju perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36. Nilai penurunan tekanan dan faktor gesekan menurun dengan meningkatnya Sy/D. Sutanto (2007) juga melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas dan perubahan tekanan pada heat exchanger dengan variasi perubahan profil sirip pendingin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kalor yang diserap oleh udara dapat meningkat sebesar 13,4% dibanding radiator standard serta diikuti pula daya untuk blower hisap sebesar 15%. Pengaruh laju aliran pada perpindahan kalor pendidihan di vertical rectangular narrow gap diteliti oleh Kusuma dkk (2012). Hasil dari penelitian Dari penelitian ini menunjukkan bahwa pendinginan pelat bersuhu 600 0C dengan debit aliran air pendingin 0,1 liter/detik, 0,2 liter/detik, dan 0,3 liter/detik menghasilkan nilai fluks kalor kritis sebesar 213,27 kw/m2, 479,56 kw/m2, dan 547,50 kw/m2. Serta nilai koefisien perpindahan kalornya sebesar 1,0422 kw/(m2. 0C), 2,1059 kw/(m2. 0C), dan 2,2177 kw/(m2. 0C). Semakin besar debit aliran yang dialirkan ke permukaan pelat yang memiliki suhu sama pada vertical rectangular narrow gap, maka akan menghasilkan kenaikan nilai fluks kalor kritis dan koefisien perpindahan panasnya. Fenomena counter current flow yang terjadi selama pendinginan menghambat proses pendinginan pelat panas dan mengakibatkan kecilnya nilai fluks kalor a. Heat Loss Hukum ke-nol termodinamika menyatakan bila ada dua buah benda yang masing-masing berada dalam keseimbangan panas dengan benda ketiga, maka ketiga-tiganya berada dalam keseimbangan panas yang satu dengan yang lainnya, sehingga ketiga benda itu berada pada suhu yang sama. Pengaruh panjang dan diameter 21

3 Berdasarkan pernyataan di atas, maka energi panas bergerak dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Panas yang mengalir di dalam suatu pipa ke udara lingkungan seringkali disebut heat loss. Berdasarkan pengertian diatas maka penulis dapat menyimpulkan bahwa heat loss adalah kerugian atau kehilangan energi panas pada aliran fluida yang mengalir di dalam pipa akibat adanya perpindahan panas dari suatu fluida di dalam pipa ke udara luar. Perpindahan Panas Perpindahan panas konduksi Perpindahan panas konduksi dapat didefinisikan sebagai perpindahan energi dari partikel yang mempunyai energi yang lebih besar ke partikel yang mempunyai energi yang lebih rendah dari suatu zat dengan interaksi antar partikel. Perpindahan panas konduksi dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu konduksi stedi dan tak stedi. Disebut konduksi stedi jika beda suhu pada benda tidak sebagai fungsi waktu (beda suhu tetap sepanjang waktu). Sebaliknya jika beda suhu pada benda bergantung terhadap waktu maka disebut tak stedi. Persamaan konduksi satu dimensi, dinyatakan dengan Hukum Fourier: Gambar 1 Perpindahan panas konduksi Perpindahan panas konveksi Perpindahan panas konveksi dapat diartikan sebagai perpindahan energi karena gerakan acak dari molekul dari suatu zat. Di dalam perpindahan konveksi ada 2 mekanisme yang terjadi yaitu adveksi dan konveksi. Adveksi adalah gerakan difusi molekul karena beda temperatur, sedangkan konveksi merupakan gerakan agregat dari molekul karena beda temparatur. Persamaan konveksi antara benda padat dan fluida: T w U U T Q ka x Q h. A T w T Gambar 2 Perpindahan panas konveksi dari suatu plat q Pengaruh panjang dan diameter 22

4 POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 Perpindahan panas radiasi Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan energi oleh rambatan foton yang tak terorganisir. Setiap benda yang terus menerus memancarkan foton-foton secara serampangan dalam arah dan waktu. Energi-energi tersebut diperhitungkan sebagai kalor. Untuk persamaan radiasi antara dua benda adalah: Q = Fe Fg A (T1 4 T2 4 ) Perpindahan Kalor Konduksi Sistem Radial-Silinder Gambar 3 merupakan suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam r i, jari jari luar r o, dan panjang L. Silinder ini mengalami beda suhu T i T o. Untuk silinder yang panjangnya sangat panjang dibanding dengan diameternya, dapat kita andaikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga koordinat ruang yang kita perlukan untuk menentukan sistem itu hanyalah jari-jari. Gb. 3 Aliran panas satu-dimensi Gambar 3. melalui silinder berlubang dan analogi listriknya Sehingga perpindahan panas yang terjadi adalah : q r September 2015 dt qr kar dr karena A r = 2rL, maka: q r 2krl dt dr q r 2. k. l dt dr. dengan kondisi batas : T = T i pada r = r i T = T o pada r = r o Maka penyelesaian persamaan adalah: q. ln r] 2. k. l. T] r ro ri i To Ti 2 kl( Ti To ) qr r ln( o ) r r ln o r i Rth 2. kl Konsep tahanan termal dapat juga digunakan untuk dinding lapis-rangkap berbentuk silinder, seperti halnya dengan dinding datar. Dengan mengabaikan resistansi kontak termal, maka untuk sistem tiga-lapis seperti pada 2. L( Ti To ) r r r ln 2 r ln 3 r ln 4 r k k k A Tahanan termalnya adalah: R th r r r ln 2 ln 3 ln 4 r r r 1i k L 2.. k L 2.. k L A B B C C Pengaruh panjang dan diameter 23

5 Gb. 4. Aliran panas satu-dimensi Gambar 4. melalui penampang silinder dan analogi listriknya Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Aliran Kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan : q UAT METODE PENELITIAN Variabel Penelitian Variable dari penelitian ini adalah temperature fluida, temperatur pipa, panjang dan juga diameter pipa yang digunakan. Komponen. 1) Termokopel Termokopel merupakan suatu metode listrik yang paling umum digunakan untuk pengukuran suhu. Jenis termokopel ada 3 yaitu : termokopel jenis J, termokopel jenis K, dan termokopel jenis T. Termokopel yang digunakan disini merupakan termokopel jenis T yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut ini : - Material kawat terdiri dari tembaga dan konstantan. - Suhu yang dapat dicapai antara 184,4 o C sampai 371,1 o C 2) Pipa Galvanish Pipa galvanish merupakan pipa besi yang menggunakan Aluminium sebagai lapisan luar untuk mencegah terjadinya karat. Pipa galvanish tersebut mempunyai angka kekasaran 0,0005 ft atau 0,15 mm. 4. Display Termokopel Display termokopel berfungsi sebagai sarana pembaca suhu yang terhubung dengan termokopel. Display termokopel yang digunakan mempunyai kemampuan membaca angka digital sebanyak 3 angka. 5. Heater Heater yang penulis gunakan disini mempunyai daya 1500 watt. Fungsi utama heater untuk memanaskan air di dalam penampung sesuai dengan suhu yang diinginkan. 6. Pompa air Fungsi utama pompa disini untuk mensirkulasikan aliran air dari penampung dan akan kembali ke penampung lagi melalui pipa. 7. Termokontrol Termokontrol merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mengatur suhu air didalam bak penampung sesuai dengan yang kita inginkan. Termokontrol tersebut dihubungkan dengan heater. Apabila suhu yang dinginkan pada penampung air Pengaruh panjang dan diameter 24

6 tercapai maka kerja heater di dalam penampung akan berhenti secara otomatis dan apabila suhu air yang diinginkan mulai turun maka heater akan bekerja kembali secara otomatis. 8. Asbes Asbes merupakan salah satu jenis isolator yang berfungsi untuk mengurangi laju perpindahan panas fluida di dalam pipa ke udara luar. Asbes tersebut diletakkan sebelum dan sesudah pipa uji agar suhu dari penampung ke pipa uji tidak banyak berkurang. b.prosedur Pengujian. Adapun prosedur dari pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Mengisi air pada penampung sebanyak 40 L. 2. Heater/pemanas dimasukkan ke dalam penampung yang berisi air sedalam kurang lebih ¾ dari logam heater tersebut. 3. Mengatur skala pada termokontrol sesuai suhu yang dibutuhkan : 4. Setelah air pada penampung mencapai suhu sesuai dengan termokontrol maka rangkaian termokontrol akan menghentikan kerja heater dan jika air pada penampung di bawah suhu pada termokontrol maka rangkaian termokontrol akan menghidupkan heater. 5. Pompa air dihidupkan untuk mensirkulasikan air. Setelah suhu yang diinginkan terpenuhi dan aliran air menjadi konstan ( stedi ), kemudian air tersebut melalui orifice yang dihubungkan dengan manometer tertutup yang berfungsi untuk mengetahui berapa debit air tiap detiknya. 6. Setelah air melewati orifice maka, air mengalir melalui pipa non isolasi pada sesi 1. Di sesi tersebut akan dibaca : - Manometer tertutup : - untuk mengukur besarnya tekanan pada sesi 1 dengan melihat ketinggian air pada papan manometer. - Termokopel 1 : diletakkan di dalam pipa yang berfungsi sebagai pembaca suhu air dalam pipa pada sesi 1. - Termokopel 2 : ditempelkan di dinding luar pipa yang berfungsi untuk membaca suhu dinding pipa pada sesi Kemudian setelah air melewati sesi 2 maka air mengalir melewati pipa non isolasi pada sesi 2, di sesi tersebut akan dibaca : - Manometer tertutup: untuk mengukur besarnya tekanan pada sesi 2 dengan melihat ketinggian air pada papan manometer. - Termokopel 3: diletakkan di dalam pipa yang berfungsi sebagai pembaca suhu air dalam pipa pada sesi 2. - Termokopel 4: ditempelkan di dinding luar pipa yang berfungsi untuk membaca suhu dinding pipa pada sesi 2. Pengaruh panjang dan diameter 25

7 8. Kecepatan yang melewati pipa divariasikan menggunakan katup Gambar skema alat pengambilan data seperti gambar 5 Gambar 5 skema alat uji penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Data hasil pengujian untuk diameter 1 inchi, dengan panjang = 150 cm Tabel 1 data hasil pengujian Nilai rata-rata Tdd 1 ( 0 C) Tdl 1 ( 0 C) Tdd 1 ( 0 C) Tdl 2 ( 0 C) TwB ( 0 C) Ket : Tdd1 = suhu pipa di area 1 Tdd2 = suhu pipa di area 2 Pengaruh panjang dan diameter 26

8 Tdd 1 = suhu fluida masuk di area 1 Tdl 2 = suhu fluida keluar area 2 TwB = suhu udara luar (suhu kamar) Penghitungan heat loss Untuk menghitung heat loss kita harus terlebih dahulu mengetahui harga - harga laju aliran massa ( m ) dan harga spesifik panas (c p ) dari suhu air. Dari tabel karaketristik fluida, dengan interpolasi didapat harga untuk air dengan suhu 72,6 0 C adalah : = 976,4 kg/m, k = 0,666 W/m. o C = 3, kg/m, Pr = 2,477 C p = 4,187 kj/kg. 0 C. Konduktivitas termal untuk pipa W 0 galvanish adalah C. m Untuk diameter pipa 1 inch adalah : - Diameter dalam adalah : 2,93 cm - Diameter luar adalah : 3,26 cm Untuk harga kecepatan fluida didapat dari hasil perhitungan sebesar : V = m/s Maka harga dari laju aliran massa adalah : πd m = ρ v 4 = 2 2 3,14(0,0293) 976,4 0, = 0,2387 kg/suntuk menghitung kalor yang hilang ( heat loss ) dengan rumus : q = m C Tf Tf ) p ( 2 1 = 0,2387 kg/s x 4,187 kj/kg. 0 C x ( 68,4 0 C 72,6 0 C ) = -4,15 kj/s = W Tanda negatif (-) disini, bahwa kalor terbuang dari fluida keudara luar. Dari hasil perhitungan seperti diatas kemudian data hasil perhitungan dibuat grafik seperti gambar 6 dan gambar 7. Dimana untuk T/To adalah perbandingan antara suhu fluida dengan suhu udara terbuka (suhu ruangan). Dan L/D adalah perbandingan panjang pipa dengan diameter pipa. Pengaruh panjang dan diameter 27

9 GRAFIK Q LOSS Pd T/To = 2, L/D = 89 L/D = 70 L/D = 67 L/D = 51 L/D = 40 L/D = 35.5 L/D = 31 L/D = 18 L/D = Re Gambar 6. grafik heat loss pada T/To = 2,4 GRAFIK Q LOSS Pd T/To = 2, L/D = 54 L/D = 41 L/D = 27 L/D = 20 L/D = Re Gambar 7. grafik heat loss pada T/To = 2,5 Pengaruh panjang dan diameter 28

10 Dari gambar 6 dan gambar 7, dapat diketahui bahwa : Pada,V, D dan L/D yang sama, heat loss akan meningkat dengan bertambahnya harga viskositas fluida dan begitu juga sebaliknya. Pada,V, D yang sama, bilangan Reynolds akan mengalami penurunan dengan bertambahnya harga viskositas fluida. Sehingga heat loss akan meningkat untuk perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D) yang sama. Begitu juga sebaliknya, bilangan Reynolds akan meningkat pada harga viskositas fluida yang semakin kecil. Sehingga heat loss akan mengalami penurunan pada L/D yang sama. Pada,V, D dan yang sama, heat loss akan meningkat dengan bertambahnya perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D). Begitu juga untuk perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D) yang semakin kecil nilai heat loss akan mengalami penurunan. KESIMPULAN - Pada,V, D dan L/D yang sama, heat loss akan meningkat dengan bertambahnya harga viskositas fluida dan begitu juga sebaliknya. - Pada,V, D dan yang sama, heat loss akan meningkat dengan bertambahnya perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D). Begitu juga untuk perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D) yang semakin kecil nilai heat loss akan mengalai penurunan. DAFTAR PUSTAKA Bambang Y, 1998, Perpindahan Panas (Konduksi stedi dan tak stedi serta Radiasi Termal), teknik Mesin fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang. Holman J.P, 1984, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Diterjemahkan oleh Ir. E. Jasjfi MSc, Penerbit Erlangga Istanto. T, Edra. W. J, Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Siripsirip Pin Silinder Tirus Susunan Segaris dan Selang-seling dalam Saluran Segi Empat, Jurnal Teknik Mesin Vol 12 no 1 April. Kern D. Q, 1986, Process Heat Transfer, International Student Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Kusuma.H.M, Juarsa.M, Riza. A. A, Pengaruh Laju Aliran pada Perpindahan Kalor Pendidihan di Vertical Rectangular Narrow Gap, Seminar Nasional VIII SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta, 31 Oktober 2012 ISSN Reynolds C William, Perkins Henry C, 1993, Termodinamika Teknik, Diterjemahkan oleh Ir. Pengaruh panjang dan diameter 29

11 Kusnul Hadi, Penerbit Erlangga, Jakarta. Robert l. Daughterty, A. B, M. E. Joseph B. Franzini, Ph. D., E John Finnemore, Ph. D., 1985, Fluid Mechanics With Engineering Applications, Eight Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Robert W. Fox, AlanT. McDonald, 1975, Introduction to Fluid Mechanics, Third Edition, John Wiley and, sons, New Tork Chichester Brisbanr Toronto Singapore. Sutanto. R, 2007, Karakteristik Perpindahan Panas dan Perubahan Tekanan Pada Heat Exchanger dengan Variasi Perubahan Profil Sirip Pendingin, Warner F. Cecil, 1985, Dasar-Dasar Thermodinamika untuk Insinyur, Alih Bahasa Ir. Moedjijarto Pratomo, Msc, Penerbit PN Balai Pustaka. William C. Reynold,. Henry C Perkine, 1991, Termodinamika Teknik, Alih Bahasa: Dr Ir. Filino Harahap, M. Sc, Penerbit Erlangga, Jakarta Pengaruh panjang dan diameter 30