PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT

Transkripsi

1 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: EFENDI DWI HARIYANTO I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2010

2 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT Disusun oleh : Efendi Dwi Hariyanto NIM. I Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Tri Istanto, ST., MT Wibawa Endra J., ST., MT NIP NIP Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari... tanggal Eko PB, ST., MT. NIP

3 2. Rendy Adhi Rachmanto, ST., MT.... NIP Zaenal Arifin, ST., MT. NIP Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST., MT. Syamsul Hadi, ST., MT. NIP NIP

4 MOTTO Allah akan memberikan jalan keluar bagi orang yang bertaqwa kepada-nya dan akan memberikan rezeki kepadanya dari arah yang ia tidak duga. ( Q.S Ath Thalaq ; 2-3 ) Manungsa kang taberi ulah kapinteran iku koyo inten sinoro wedi, during ambabar wus katon ajine. ( M. Atmo diwiryo ) Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan) kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain. Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. ( Q.S Ala Nasyrah ; 6-8 ) Manfaatkanlah masa mudamu dan gunakanlah dengan sebaikbaiknya sehingga kamu tidak merugi masa tuamu. Menghormati dan menghargai orang lain berarti pula menghormati dan menghargai dirimu sendiri. Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar. ( Khalifah Umar )

5 Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Pin Diamond Dalam Saluran Segi Empat Efendi Dwi Hariyanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia efendidwihariyanto@yahoo.co.id Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond dalam saluran udara segiempat, dimana udara mengalir di dalamnya sebagai fluida pendingin. Sirip-sirip pin ini disusun secara segaris. Dimensi plat dasar dimana sirip-sirip pin dipasang adalah 150 mm x 200 mm x 6,5 mm. Temperatur ratarata permukaan plat dasar dijaga konstan sebesar 60 o C. Sirip-sirip pin terbuat dari bahan duralumin dengan tinggi 75 mm, dengan sisi-sisinya berturut-turut 12,7 mm dan 12,7 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar S x /D = 2,95. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, dan jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (S y /D = 1,97 3,94). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds dan semakin kecil jarak S y /D akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan laju perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada S y /D = 2,36. Nilai penurunan tekanan (DP) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya S y /D. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D. Semua nilai unjuk kerja termal (h) dan nilainya bervariasi antara 0,77 dan 1,22. Ini berarti bahwa pemakaian sirip pin diamond susunan segaris untuk keseluruhan nilai Sy/D dan Re akan menghasilkan perolehan energi netto. Meningkatnya bilangan Reynolds akan

6 menurunkan unjuk kerja termal (h) untuk keseluruhan S y /D. Perolehan energi netto hingga 22% dapat dicapai untuk nilai S y /D = 2,36 pada Re = Kata kunci : sirip pin diamond, bilangan Reynolds, faktor gesekan, unjuk kerja termal. Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Inline Diamond Pin Fin Array in Rectangular Channel Efendi Dwi Hariyanto Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia efendidwihariyanto@yahoo.co.id Abstract This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of diamond pin fin array in the rectangular channel which air was passed through it as coolant fluid. The pin fins were arranged in inline manner. Dimension of base plate in which pin fins were attached was 150 mm x 200 mm x 6.5 mm. The average temperature of base plate surface was kept

7 constant at 60 o C. Pin fins were made of duralumin having the dimension of 75 mm of height, wide 12.7 and 12,7 mm respectively, and the distance inter-fin picth in the spanwise direction was kept constan at S x /D = The parameters of this research were Reynolds number 3,123 37,847 based on averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, and the distance between the inter-fin pitch in the streamwise direction (Sy/D = ). The research result shown that increasing Reynolds and decreasing the distance S y /D increased Nusselt number, that means increased heat transfer rate where it reach maximum at S y /D = 2,36. The values of pressure drop (DP) and friction factor (f) decreased with increasing S y /D. Thermal performance increased with increasing Sy/D. All of values of the thermal performances (h) and varies between 0, This means that the usage of inline diamond pin fin array for all of values Sy/D and Re produce a net energy gain. Increasing Reynolds number would decrease the thermal performance (h) for all S y /D. A net energy gain up to 22% was achieved for S y /D = 2,36 and Re = 3,123. Keywords : diamondpin fin, Reynolds number, friction factor, thermal performance.

8 PERSEMBAHAN Penulisan ini saya persembahkan kepada : 1. Ayah dan Ibu yang menyayangiku, terima kasih atas cinta dan kasih. 2. Kakak dan Adik yang selalu memberikan dorongan dan motivasi. 3. My future wife. 4. Dan semua teman-teman seperjuangan, terima kasih.

9 2.1. KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Sirip-sirip pin diamond susunan segarisdalam saluran segi empat dengan baik dan lancar. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 4. Bapak Heru Sukanto, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 6. Bu Elisa, Pak Endras, Pak Agus dan Mas Har yang banyak membantu dalam hal administarsi. 7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

10 8. Ayah, Ibu, kakakku ( Eko ) dan adikku ( Bagus ) dan segenap keluarga Bekasi atas do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini. 9. Rekan Skripsi : Semua personil tim Sirip Pin tuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan penelitian ini. 10. Semua teman-teman mahasiswa teknik mesin UNS khususnya angkatan Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin. Surakarta, juni 2010 Penulis

11 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... Halaman Surat Penugasan... Halaman Pengesahan... Halaman Motto... Halaman Abstrak... Halaman Persembahan... Kata Pengantar... Daftar Isi... Daftar Tabel... Daftar Gambar... Daftar Notasi... Daftar Lampiran... i ii iii iv v vii viii x xii xiii xv xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Dasar Teori Sirip Sirip Pin Macam-Macam Bentuk Sirip Pin Silinder... 13

12 Kubus Oblong Ellips Aplikasi Sirip Pin Perpindahan Panas Parameter Tanpa Dimensi Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin Array Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer) Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Array BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian Alat Penelitian Spesimen Pelaksanaan Penelitian Tahap Persiapan Tahap Pengujian Metode Analisis Data Diagram Alir Penelitian BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1 Data Hasil Pengujian Perhitungan Data Analisis Data Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal... 59

13 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran DAFTAR TABEL

14 Halaman Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97) Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 2,36) Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 2,95) Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 3,94) Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) Tabel Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)... Tabel Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)... Tabel Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)... Tabel Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)... Tabel 4.6. Perhitungan spesimen Perhitungan spesimen 1 (Lanjutan) Tabel 4.7. Perhitungan spesimen Perhitungan spesimen 2 (Lanjutan) Tabel 4.8. Perhitungan spesimen Perhitungan spesimen 3 (Lanjutan) Tabel 4.9. Perhitungan spesimen Perhitungan spesimen 4 (Lanjutan) Tabel Perhitungan spesimen Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan)... 63

15 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface... 8 Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak... 9 Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin diamond segaris Gambar 2.5. Susunan sirip pin... 13

16 Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet 13 Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin Gambar Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling) Gambar Pin fin array dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol 17 Gambar 3.1. Alat penelitian... (a) Pin yang menancap pada base plate (b) Base plate (c) Sketsa spesimen keseluruhan Gambar 3.2. Saluran Udara Segiempat (Rectanguler Channel) Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (flow straightener) Gambar 3.4. Fan Hisap Gambar 3.5. Rheostat Gambar 3.6. Anemometer Gambar 3.7. Pemanas Listrik (heater) Gambar 3.8. Slide regulator Gambar 3.9. Voltmeter Gambar Amperemeter Gambar Manometer U Gambar Thermocoupel tipe T Gambar Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji... 34

17 Gambar Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate Gambar 3.16 Thermocouple Reader Gambar 3.17 Dimensi dan tata nama spesimen Gambar 3.18 Model spesimen Gambar 3.19 Spesimen Gambar 3.20 Spesimen Gambar 3.21 Spesimen Gambar 3.22.Spesimen 4... Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2, Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2, Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sx/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2, Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2, Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2, Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,

18

19 DAFTAR NOTASI L t = Panjang seksi uji ( m ) H = Tinggi sirip ( m ) W b = Lebar specimen ( m ) L = Panjang specimen ( m ) S = Sisi-sisi sirip diamond ( m) A front = Luas frontal dari sirip sirip ( m 2 ) A s = Luas total permukaan perpindahan panas ( m 2 ) A t = Luas penampang melintang saluran udara ( m 2 ) D h = Diameter hidrolik ( m ) T in = Temperatur rata rata udara masuk saluran udara ( o K ) T out = Temperatur rata rata udara keluar saluran udara ( o K ) T b = Temperatur udara rata rata base plate ( o K ) T f = Temperatur film ( o K ) V V maks = Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s) = Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) ν = viskositas kinematik udara (m 2 /s) µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s) C P = Panas jenis udara (kj/kg. o C) Q elect = Laju aliran panas dari heater (W) m& = Laju aliran masa udara ( kg/s )

20 Q conv Q loss = Laju perpindahan panas konveksi (W) = Heat losses yang terjadi pada seksi uji h a = Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata dengan sirip (W/m 2.K) h s = Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata tanpa sirip (W/m 2.K) Nu = Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number ) Nu D = Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number ) Re = Bilangan Reynold saluran udara ( Duct Reynold number ) Re D = Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number ) D P f η = Penurunan tekanan = Faktor gesek = Unjuk kerja termal V h = Tegangan listrik heater ( V ) I h = Arus listrik heater ( A ) V f = Tegangan listrik fan ( V ) I f = Arus listrik fan ( A ) cos j = Faktor daya listrik 2 phase P fan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W ) g = Kecepatan gravitasi ( kg m 2 /s ) DAFTAR LAMPIRAN

21 Halaman Lampiran 1. Data spesimen 1 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 2. Data spesimen 1 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s Lampiran 3. Data spesimen 1 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 4. Data spesimen 1 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Lampiran 5. Data spesimen 2 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 6. Data spesimen 2 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s Lampiran 7. Data spesimen 2 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 8. Data spesimen 2 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Lampiran 9. Data spesimen 3 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 10. Data spesimen 3 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s Lampiran 11. Data spesimen 3 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 12. Data spesimen 3 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Lampiran 13. Data spesimen 4 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 14. Data spesimen 4 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s Lampiran 15. Data spesimen 4 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 16. Data spesimen 4 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Lampiran 17. Data spesimen 5 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 18. Data spesimen 5 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s Lampiran 19. Data spesimen 5 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 20. Data spesimen 5 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Lampiran 21. Thermophysical Property untuk udara... 87

22 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Sirip banyak digunakan dalam alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan panas. Sirip-sirip biasa digunakan dalam pengkondisian udara dan juga peralatan elektronik, motor listrik dan motor bakar, dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut, fluida digunakan sebagai media perpindahan panas. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk yang sederhana sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda, dan digunakan pada jarak yang telah diatur dalam susunan selang-seling (staggered) atau segaris (inline). Tipe sirip yang digunakan tergantung dari ruang yang tersedia dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses pendinginan. Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Siripsirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat meningkatkan luas permukaan disipasi panas dan menyebabkan percampuran aliran yang turbulen, sehingga meningkatkan unjuk kerja disipasi panas yang berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliabilty) dan umur peralatan. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan perbandingan tinggi diameter > 4 digolongkan kedalam sirip pin panjang (long pin fin). Perbandingan tinggidiameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip pin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri, khususnya dalam alat

23 penukar panas kompak (compact heat exchanger), trailing edge sudu turbin gas, beberapa sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang. Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar (base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran udara, jarak antar titik pusat sirip (inter-fin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan. Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut. Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting dalam berbagai aplikasi keteknikan. Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel) Perumusan Masalah Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris (in line) dalam saluran segiempat (rectangular channel) Batasan Masalah

24 Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut: 1. Material sirip pin dan plat dasar (base plate) yang digunakan adalah duralumin. 2. Dimensi base plate yang digunakan adalah : panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm 3. Dimensi sirip pin yang digunakan adalah : tinggi 75 mm, dan sisi-sisi 12,7 mm x 12,7 mm, atau H/D = 5,9 4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroud clearence) adalah nol. 5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari: a. Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm b. Fan hisap c. Pemanas listrik tipe plat (plate electric heater) d. Pelurus aliran udara (flow straightener) e. Manometer U 6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang halus, sehingga faktor gesekan diabaikan. 7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi dengan glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi. 8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate sebesar 60 o C, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm. 9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan udara masuk yaitu sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. 10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dilakukan pada kondisi tunak (steady state). 11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada

25 temperatur kamar Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 3. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas, sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian. BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

26 pengujian susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari susunan sirip pin dalam saluran segiempat. BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan pengambilan data. BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan. BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

27 BAB II DASAR TEORI 2.2. Tinjauan Pustaka Chyu et al (1998) meneliti peningkatan perpindahan panas dari susunan sirip pin kubus (cubic pin fin). Dalam penelitian ini, sirip kubus diorientasikan sebagai persegi dan diamond terhadap arah aliran. Semua susunan dalam penelitian ini mempunyai geometri S/d = X/d = 2,5 dan H/d = 1. Kedua susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered) diteliti. Dari penelitian ini diperoleh bahwa sirip pin kubus orientasi persegi menghasilkan perpindahan panas yang lebih besar secara signifikan daripada diamond atau sirip pin silinder lurus. Untuk susunan selang-seling, peningkatan perpindahan panas sirip pin kubus orientasi persegi adalah 20-40% lebih besar daripada susunan diamond dan 30-80% lebih tinggi daripada susunan sirip pin silinder. Untuk susunan segaris, perbedaan lebih kecil tetapi tetap signifikan, dimana susunan sirip pin kubus orientasi persegi adalah 10-20% lebih besar daripada susunan diamond dan 10-40% lebih besar daripada susunan sirip pin silinder. Tanda, G., (2000) melakukan penelitian tentang peningkatan perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin diamond di dalam suatu saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 0,28 m x 0,1 m x 0,5 mm yang diberi sirip pin berbentuk diamond dengan panjang sisi-sisi 0,5 cm x 0,5 cm dan tinggi sirip 2 cm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar sirip, S L /W = 4-8 dan S T /W = 4 8,5. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat yang berdimensi 3,28 m x 0,1 m x 0,02 m dengan clearance ratio sebesar 4 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin berpenampang diamond dapat meningkatkan perpindahan panas. Efisiensi meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar sirip

28 pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol parameterparameter tersebut. Jeng, M.T., (2006) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan menganalisis unjuk kerja termal pada suatu permukaan bersirip didalam saluran udara segiempat. Dimana pada penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar yang diberi sirip pin berbentuk diamond dengan sisi 9,6 mm x 9,6 mm dan tinggi 76,5 mm yang terbuat dari aluminium paduan yang disusun secara inline dengan jarak antar sirip, X T = 1,060, 1,414, 1,979 dan X L = 1,060, 1,414, 1,979. Spesimen diletakkan dalam saluran udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 300 mm x 81,5 mm x 76,5 mm. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan meningkatnya bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan Reynolds, peningkatan perpindahan panas dan unjuk kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada variasi X T = 1,414 dan X L = 1,060, dibatasi oleh panas yang terbuang yang terbesar dalam daya pemompaan (pumping power) yang sama. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas dan turbulensi tetapi mengorbankan penurunan tekanan yang lebih besar dalam saluran Dasar Teori Sirip Perluasan permukaan perpindahan panas (extended surface heat transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil, dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti pesawat

29 ruang angkasa (air-land-space vehicles) dan sumber dayanya dalam prosesproses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika, dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir. Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan panas, bentuk-bentuk sederhana seperti; silinder, batang dan plat biasa diterapkan pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat source and heat sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas (extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs. Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal (memanjang) dengan profil segiempat (b)pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapezioda (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapezoida (g)cylindrical spine (h)truncated conical spine (i) truncated parabolic spine Kebutuhan untuk perlengkapan pesawat terbang, pesawat ruang

30 angkasa, turbin gas, pengkondisian udara, dan kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya ditunjukkan dalam gambar 2.2 Keringkasan (compactness) mengacu pada perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar panas. Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245 m 2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah tersedia lebih dari 4100 m 2 per meter kubik dibandingkan dengan m 2 per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 1 in. Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama. Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari permukaan yang diperluas (extended surface).

31 Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e)offset plate fin (f) crossed rod matrix Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama. Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada penampang melintang segiempat pada gambar 2.3. Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T 1, sedangkan permukaan plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T s. Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate T p, dan panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, T p T s. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T T s. Panas memasuki sirip melalui dasarnya (base), dimana itu berhubungan dengan plate dan bergerak berpindah secara kontinyu melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus,

32 temperatur dasar sirip akan sangat mendekati sama dengan T p. Panas yang diserap oleh sirip melalui dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur dalam sirip, yakni T p lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T T s akan lebih kecil daripada T p T s, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama. Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip Rugi mutlak dari unjuk kerja satu satuan permukaan sirip dibandingkan terhadap satu satuan permukaan utama dinamakan inefisiensi sirip. Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk, dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya berkenaan dengan lingkungannya. Referensi telah dibuat untuk permukaan yang diperluas berisikan beberapa tipe permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar 2.1. yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines. Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas (source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat

33 banyak hal mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu: 1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap waktu. 2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala arah, dan tetap konstan. 3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan seragam di keseluruhan permukaan sirip. 4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan. 5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan. 6. Temperatur dasar sirip adalah seragam. 7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan permukaan utama. 8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri. 9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya. 10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan temperatur antara sirip dan medium sekitar Sirip Pin Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan

34 sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin diamond susunan segaris Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 5 siripsirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). S y adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (stream-wise direction), sedangkan S x adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah aliran (span-wise direction).

35 Gambar 2.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered Macam-Macam Bentuk Sirip pin Silinder Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam gambar 2.6. Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet Kubus Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan

36 segiempat yang diputar 45 o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan. Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond Oblong Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ, berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan dalam sirip pin oblong. Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong Ellips Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu

37 arah garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis) segaris dengan arah aliran. Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin. Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Standard Elliptical Fin (SEF). Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah 1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin. b. N fin Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama dengan circular fin. Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas dapat dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran (flow separation) dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip pin dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik, misalnya pada sirip pin kubus. Karena kuatnya gaya inersia dari aliran fluida di sekitar sirip pin, aliran tidak dapat melekat pada permukaan sirip bagian belakang (downstream) dari sudut yang tajam. Selain itu, perubahan lintasan aliran secara tiba-tiba di sekeliling sirip pin

38 kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen (turbulent vortex shedding), yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip pin tersebut Aplikasi Sirip pin Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output. Gambar Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooled) Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10 trailing edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium. Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan

39 penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu : Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi adalah : Q = k ADT x (2.1) dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) k = konduktivitas panas (W/m. o C) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m 2 ) T = beda temperatur ( o C) x = ketebalan bahan (m) Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi adalah : ( T - ) Q= h. A. T (2.2) w dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 o C) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m 2 ) T w = temperatur permukaan benda ( o C) T = temperatur fluida ( o C)

40 Perpindahan panas radiasi atau thermal radiation adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara atau radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu di pantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi). Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu menggunakan rumus : Q= e AT dimana: 4 s (2.3) Q = panas yang dipancarkan (Watt) ε = emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1) A = luas perpindahan panas (m 2 ) T = temperatur permukaan benda (K) σ = konstanta Stefan Boltzmann (W/m 2.K 4 ) Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar nilai σ = 5, W/m 2.K Parameter Tanpa Dimensi Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah: a. Bilangan Reynolds ( Reynolds Number ) Bilangan Reynolds dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam kecepatan lapis batas. Untuk kontrol volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume. Gaya inersia dalam bentuk [(r u ) u] / x didekati dengan persamaan :

41 rv =. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk L F I 2 [ ( u / y) ] y t / dan dapat didekati dengan persamaan : F s mv yx / y = m Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis : 2 = / L. FI F s 2 rv / L = 2 mv / L rvl = m = Re L (2.4) Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih berpengaruh dari gaya inersia. b. Nusselt ( Nusselt Number ) Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan : hd Nu= (2.5) k f dimana : Nu = bilangan Nusselt h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2. o C) D = diameter (m) k f = konduktivitas termal fluida (W/m. o C) Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re. Apabila fungsi bilangan Re diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin- Fin Assembly Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)

42 Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut : Q elect = Q conv + Q loss (2.6) dimana : Q elect = laju aliran panas dari listrik (W) Q conv = laju perpindahan panas konveksi (W) Q loss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W) Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem bisa karena; (i) radiasi dari permukaan dan (ii) konduksi melalui dinding-dinding saluran ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.6) dapat ditulis menjadi : Q elect = Q conv + Q rad + Q cond (2.7) dimana : Q rad = laju perpindahan panas radiasi (W) Q cond = laju perpindahan panas konduksi (W) Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995) melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan. Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diminimalisir.

43 Analisis data akan memuaskan jika persentase total heat loss, (Q elect Q conv )/Q conv kurang dari 10% (Naphon, P., 2007). Maka persamaan (2.7) menjadi : Q elect = Q conv (2.8) Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah : é æ Tin + Tout öù Q conv = h. As. êtb -ç ú (2.9) ë è 2 øû dimana : Q conv h A s = laju perpindahan panas konveksi (W) = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m 2.K) = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly (m 2 ) T b T in T out = temperatur permukaan plat dasar (base plate) (K) = temperatur inlet dari aliran udara (K) = temperatur outlet dari aliran udara (K) Dari persamaan (2.9), Q conv dapat juga dinyatakan dengan : Q conv = (2.10) dimana : = laju aliran massa udara (kg/s) C p T in T out = panas jenis udara (J/kg.K) = temperatur inlet aliran udara (K) = temperatur outlet aliran udara (K) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung dengan menggunakan kombinasi persamaan (2.9) dan (2.10), sehingga didapatkan bahwa:

44 h= A s m&. C p.( Tout -Tin).[ T -(( T + T ) 2) ] b out in (2.11) Dari persamaan (2.11) laju aliran massa,, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : = r. A t. V (2.12) dimana : r = massa jenis (densitas) udara (kg/m 3 ) A t = luas penampang saluran udara (m 2 ) Gambar Pin fin assembly dalam saluran udara segiempat dengan clearence nol Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar 2.11, maka A t dihitung dengan rumus : A t = H. W b (2.13) V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)

45 A s adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip-sirip diamond, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : A s = W b.l + 2 (a + b).h.n f a.b.n f (2.14) dimana : W b L N f H a,b = lebar base plate untuk pin fin assembly (m) = panjang pin fin assembly (m) = jumlah total sirip pin diamond dalam pin fin assembly = tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin diamond (m) = panjang sisi-sisi sirip pin diamond (m) Dari persamaan (2.11), nilai-nilai T b, T in dan T out diukur dari percobaan yang dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara C p dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T f = (T in + T out )/2 menggunakan persamaan sebagai berikut : C p = [9, ,7 x 10-4 (T in + T out )/2] x 10 2 J/kg.K (2.15) Persamaan (2.15) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan T K in T out 400K 2 Parameter tanpa dimensi (dimensionless) yang digunakan dalam perhitungan perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut : a. Bilangan Reynolds (Re) Dua jenis bilangan bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran. Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan ratarata (V) dalam saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (D h ) dan dinyatakan dengan : Re = (2.16)

46 Re = (2.17) Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan ketebalan dari sirip-sirip pin, yaitu : Re D = (2.18) dimana V maks adalah kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan diberikan dengan persamaan : V maks = (2.19) Re D telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada sirip pin, dan Re D tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi dari sirip pin. Re diatas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan Re D disebut sebagai pin Reynolds number. b. Bilangan Nusselt (Nu) Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata dinyatakan juga dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturutturut dinyatakan dengan persamaan : Nu = (2.20) Nu = (2.21) dimana : Re Re D V = duct Reynolds number = pin Reynolds number = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s) V maks = kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin (m/s)

47 D h d = diameter hidrolik dari saluran udara (m) = diameter sirip pin (m) n = viskositas kinematik udara (m 2 /s) r = massa jenis udara (kg/m 3 ) µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s) A = luas penampang saluran (m 2 ) A front = luas frontal dari sirip-sirip (m 2 ) Nu = duct Nusselt number Nu D = pin Nusselt number h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m 2.K) k = konduktifitas termal udara (W/m.K) Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, D h, dihitung dengan persamaan : D h 4. A 4. H. W = = P 2 b ( H + W ) b (2.22) Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T f = (T in + T out )/2 menggunakan persamaan sebagai berikut : µ = [4, ,483 x 10-2 (T in + T out /2)] x 10-6 kg/m.s (2.23) k = [3, ,495 x 10-2 (T in + T out /2)] x 10-3 W/m.K (2.24) Persamaan (2.23) dan (2.24) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan T K in T out 400K Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam saluran bersirip diukur dibawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai pengukuran penurunan tekanan, DP, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan

48 f = éæ L ê ç êë è D t h ΔP öæ ç V ρ øè 2 2 öù ú øúû (2.25) dimana : f = faktor gesekan DP = perbedaan tekanan statik (N/m 2 ) L t D h = panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji (m) = diameter hidrolik (m) r = massa jenis udara (kg/m 3 ) V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s) Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan mengorbankan penurunan tekanan. Banyak aplikasi praktis hal tersebut dibolehkan, sehingga perlu untuk menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan pengaruh sirip-sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi overall dari sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal. Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya blower. Daya pemompaan blower dapat diukur dari besaran arus dan tegangan listriknya. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, adalah berguna untuk menentukan efektivitas peningkatan perpindahan kalor dari promotor perpindahan panas dibandingkan dengan permukaan halus, sedemikian sehingga : (2.26) Dimana dan berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) dan dengan halangan, sedangkan dan berturut-turut

49 adalah penurunan tekanan tanpa dan dengan halangan. Mengunakan persamaan Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya pemompaan yang sama, persamaan (2.26) dapat ditulis ulang menjadi: (2.27) Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut : h = (ha/hs)p (2.28) dimana : h a h s = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m 2.K) = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m 2.K) Jika nilai h 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika h 1, energi yang telah digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang diperoleh.

50 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3. 1 Tempat penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Alat penelitian Gambar 3.1. Skema alat penelitian Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: a. Saluran udara segiempat (rectangular channel) Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x mm. Gambar 3.2. Saluran udara segiempat (rectangular channel)

51 b. Pelurus aliran udara (flow straightener) Pelurus aliran udara terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm, panjang 200 mm yang disusun sedemikian hingga membentuk segiempat dimana dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm. Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (air flow straightener) c. Fan hisap Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga blower dapat menghisap udara. Gambar 3.4. Fan hisap d. Rheostat Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan kecepatan udara yang diinginkan.

52 Gambar 3.5. Rheostat e. Anemometer Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam saluran udara. Gambar 3.6. Anemometer f. Pemanas (heater) Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang mm, lebar 3 mm dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm. Gambar 3.7. Pemanas listrik (electric heater). g. Regulator Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke heater sehingga temperatur permukaan base plate dapat dijaga konstan pada setiap variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise.

53 Gambar 3.8. Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater h. Voltmeter Voltmeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang diinginkan. Gambar 3.9. Voltmeter i. Amperemeter Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang diinginkan. j. Manometer U Gambar Amperemeter

54 Manometer digunakan untuk mengukur penurunan tekanan udara yang terjadi antara sisi masuk dan sisi keluar seksi uji. Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida yang digunakan dalam manometer ini adalah solar. Gambar Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan k. Termokopel Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah termokopel dipasang sebelum seksi uji untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah termokopel dipasang setelah seksi uji untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah termokopel dipasang pada permukaan base plate untuk mengukur temperatur permukaan base plate. Gambar Termokopel tipe T Gambar Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji Gambar Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji

55 Gambar Pemasangan termokopel pada permukaan base plate l. Thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh sensor termokopel. Gambar Display termokopel 3. 3 Spesimen Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi plat dasar (base plate) panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, yang dipasangi oleh sejumlah sirip-sirip pin diamond yang disusun secara segaris (inline) dengan panjang sisisisi sirip 12,70 mm x 12,70 mm dan tinggi sirip 75 mm. Spesimen sirip pin diamond dibuat dengan jarak antar titik pusat sirip arah spanwise (S x ) yang tetap dan divariasi pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise (S y ), seperti terlihat pada tabel 3.1. Bahan base plate dan sirip-sirip pin diamond adalah duralumin.

56 Gambar Dimensi dan tata nama spesimen Gambar 3.18 Model spesimen Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian Spesimen S x S y Jumlah sirip (N f ) S y /D 1 37,5 mm 25 mm 28 1, ,5 mm 30 mm 24 2, ,5 mm 37,5 mm 20 2,95

57 4 37,5 mm 50 mm 16 3,94 5 Plat tanpa sirip 0 0 Gambar Spesimen 1 Gambar Spesimen 2 Gambar Spesimen 3 Gambar Spesimen Pelaksanaan Penelitian Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 o C dan temperatur permukaan base plate yang konstan sebesar 60 o C. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai steady state. Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan