PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL SKRIPSI

Transkripsi

1 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : Aditya Hidayanto NIM : I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 009

2 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL Disusun oleh : Aditya Hidayanto NIM. I Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Wibawa Endra J., ST., MT Tri Istanto, ST., MT NIP NIP Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari... tanggal Rendy Adhi Rachmanto, ST.,MT NIP.. Budi Kristiawan, ST.,MT.... NIP. 3. Eko Prasetyo, P. B, ST.,MT. NIP Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST, MT Syamsul H adi, ST., MT NIP. NIP.

3 PERSEMBAHAN Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan hasil jerih payahku selama menempuh jenjang S 1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesarku sehingga aku lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah: 1. Sang Maha Pencipta alam semesta ini yang telah memberikan berjuta kenikmatan kepada penulis, Subhanalloh... Keluarga besar Slamet Rodhi (Bapak : Slamet, Ibu : Siswarni, karena beliaulah penulis terlahir didunia serta cinta dan kasih merekalah penulis merasakan kasih sayang yang paling tulus.), serta segenap keluarga yang telah memberikan dukungan, baik spiritual maupun material. 3. Kang Very and kang Wahyu serta Ivan dan Putri, terima kasih tuk semua dukungan, kritikan pedas, saran, serta bantuan yang sudah diberikan. 4. MR.3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport segala materi Tugas Akhir serta tuk kesabaran dan kerja keras yang telah mereka dedikasikan untuk para mahasiswanya. 5. Segenap keluarga besar Teknik Mesin UNS. 6. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta dukungan dalam kehidupan penulis ). 7. CB blalang tempurq yang senantiasa menemaniq disaat susah, sedih, susah banget dan juga senang. Apapun kata orang u always be my first ride.,thanks bro..!!!

4 Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Staggered Cylindrical Pin Fin Array dalam Rectangular Channel Aditya Hidayanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E mail : hiday_mech04@yahoo.com Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara selang seling dalam saluran segiempat Sirip sirip pin terbuat dari bahan duralumin dengan dimensi diameter 1,7 mm dan tinggi 75 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar Sx/D,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 menunjukkan bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds (Re), tetapi kenaikan S y /D menaikkan bilangan Nusselt hingga S y /D,36 setelah itu kenaikan S y /D menyebabkan bilangan Nusselt menurun. Nilai penurunan tekanan ( P) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya S y /D. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D hingga Sy/D,36 dan kemudian menurun dengan kenaikan Sy/D lebih lanjut. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η ) untuk keseluruhan S y /D. Perolehan energi netto hingga 47% dapat dicapai untuk nilai S y /D,36 pada Re Kata kunci : Sirip pin, bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Staggered Cylindrical Pin Fin Array in Rectangular Channel

5 Aditya Hidayanto Mechanical Engineering Departement Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E mail : hiday_mech04@yahoo.com Abstract This research was conducted to examine the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of staggered cylindrical pin fin assembly in the rectangular channel. Pin fins were made of duralumin having the dimension of 1.7 mm diameter and 75 mm height, and the distance inter fin picth in the spanwise direction was kept constan at S x /D.95. The parameters of this research were Reynolds number 3,000 37,700 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 Nusselt number increased with increasing Reynolds number, but increasing Sy/D increased Nusselt number till Sy/D.36 after which it cause Nusselt number decreased. The pressure drop ( P) and friction factor (f) decreased with increasing Sy/D. Thermal performance increased with increasing Sy/D till Sy/D.36 and then it decreased with furthermore increasing of Sy/D. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η ) for all S y /D. A net energy gain up to 47 % was achieved for S y /D.36 and Re 3,760. Keywords : pin fin, Reynolds number, Nusselt number, friction factor, termal performance

6 MOTTO Sesungguhnya jika kamu bersyukur, pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu,dan jika kamu mengingkari nikmat-ku, maka sesungguhnya azab-ku sangat pedih (Q.S. Ibrahim:7) Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan (Q.S. Al-Insyirah: 6) Allah Ta ala berfirman: Aku sesuai dengan persangkaan hamba-ku terhadap-ku dan Aku selalu bersamanya ketika dia mengingat-ku., (Kitab Sahih Muslim no. 483) Lebih baik berani mencoba kemudian gagal daripada sukses tapi hanya dalam angan-angan, namun kan lebih indah jika kita berani mencoba lalu berhasil Hidup merupakan suatu pilihan, baik dan buruk hanyalah bagian dari keputusan yang kita ambil, lakukan yang terbaik..! lalu serahkan segalanya pada kehendak Sang Pencipta Talk Less Do More (Class Mild)

7 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 Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Staggered Cylindrical Pin Fin Arrays Dalam Rectangular Channel ini dengan baik. 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 pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 4. Bapak Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 5. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 6. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 7.Bapak Eko Surojo, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas Maret ini. 8. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 9. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S Ayah, Ibu, mas Very dan mas Wahyu, Ivan, Putri, dan segenap keluarga atas do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 11. Rekan Skripsi : Nidum Yess dan Mbah Apras serta semua personil tim Sirip Pin tuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan penelitian ini. 1. Dody, Rosyid, Eko, Syafiq, Ryan, Susi, Wisnu, Gama dan semua penghuni malam lab konversi energi yang sudah menemani waktu mengambil data. 13. Semua temen temen penghuni teknik mesin UNS khususnya angkatan All Cahaya Cipta crew dan personil kost Trida Rock n Roll tuk semua dukungannya

8 selama ini. 15. 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,16 Juli 009 Penulis

9 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Pengesahan... ii Halaman Motto... iii Halaman Abstrak... iv Halaman Persembahan... vi Kata Pengantar... vii Daftar Isi... ix Daftar Tabel... xi Daftar Gambar... xii Daftar Notasi... xiv Daftar Lampiran... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI.1.Tinjauan Pustaka Dasar Teori Sirip Sirip Pin Macam Macam Bentuk Sirip Pin h. Kubus...13 i. Silinder j. Ellips...14 k. Oblong Aplikasi Sirip Pin Perpindahan Panas... 17

10 ..6. Parameter Tanpa Dimensi Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin Assembly Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer) Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly... 5 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian Spesimen Penelitian Alat Penelitian 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 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran...63

11 Daftar Pustaka Lampiran DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian... 8 Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D,95 ; Sy/D 1,97).. 40 Tabel 4.. Data hasil pengujian spesimen (Sx/D,95 ; Sy/D 1,97).. 41 Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D,95 ; Sy/D 1,97).. 4 Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D,95 ; Sy/D 1,97).. 43 Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (Sx/D,95 ; Sy/D 1,97).. 44 Tabel 4.6. Perhitungan spesimen Tabel 4.7. Perhitungan spesimen 1 (Lanjutan) Tabel 4.8. Perhitungan spesimen Tabel 4.9. Perhitungan spesimen (Lanjutan) Tabel Perhitungan spesimen Tabel Perhitungan spesimen 3 (Lanjutan) Tabel 4.1. Perhitungan spesimen Tabel Perhitungan spesimen 4 (Lanjutan) Tabel Perhitungan spesimen Tabel Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan)... 6 Halaman

12 DAFTAR GAMBAR Gambar.1. Beberapa contoh jenis extended surface... 8 Gambar.. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak... 9 Halaman Gambar.3. Perbedaan perbedaan gradien temperatur dalam sirip Gambar.4. Sebuah susunan sirip pin... 1 Gambar.5. Susunan sirip pin Gambar.6. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubusdan sirip pin diamond Gambar.7. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet Gambar.8. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin Gambar.9. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong 15 Gambar.10. Potongan melintan sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling) 16 Gambar.11. Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol Gambar 3.1. Sketsa Spesimen Penelitian (a) Pin yang menancap pada base plate... 7 (b) Base plate... 7 (c) Sketsa spesimen keseluruhan... 8 Gambar 3.. Spesimen... 9 Gambar 3.3. Spesimen Gambar 3.4. Spesimen Gambar 3.5. Spesimen Gambar 3.6. Alat penelitian Gambar 3.7. Skema alat penelitian Gambar 3.8. Pelurus aliran udara (flow straightener) Gambar 3.9. Fan hisap Gambar Heater Gambar Manometer tipe U... 3 Gambar 3.1. Termokopel tipe T... 3

13 Gambar Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur inlet... 3 Gambar 3.14 Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur outlet 3 Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate Gambar 3.16 Display termokopel Gambar 3.17 Anemometer Gambar 3.18 Slide regulator Gambar 3.19.Voltmeter Gambar 3.0.Amperemeter Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran Gambar 4.. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D, Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien Perpindahan panas konveksi rata rata pada Sx/D, Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sx/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D,95 54 Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D, Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D, Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D,

14 DAFTAR NOTASI L t Panjang seksi uji ( m ) H Tinggi sirip ( m ) W b Lebar specimen ( m ) L Panjang specimen ( m ) d base base diameter sirip ( m ) A front Luas frontal dari sirip sirip ( m ) A s Luas total permukaan perpindahan panas ( m ) A t Luas penampang melintang saluran udara ( m ) D h Diameter hidrolik ( m ) T Temperatur rata rata udara masuk saluran udara ( o K ) in 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 Kecepatan rata rata dalam saluran udara (m/s) V maks Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) ρ massa jenis udara (kg/m 3 ) ν viskositas kinematik udara (m /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 ) Q conv Laju perpindahan panas konveksi (W) Q loss Heat losses yang terjadi pada seksi uji Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata dengan sirip (W/m.K) h a h s Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata tanpa sirip (W/m.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 ) P Penurunan tekanan f Faktor gesek η 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 ϕ Faktor daya listrik phase P fan Daya listrik fan ( pumping power ) ( W ) g Kecepatan gravitasi ( kg m /s )

15 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data spesimen 1 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran. Data spesimen 1 kecepatan 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 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s Lampiran 6. Data spesimen kecepatan m/s dan 3 m/s Lampiran 7. Data spesimen kecepatan 4 m/s dan 5 m/s... 7 Lampiran 8. Data spesimen 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 m/s dan 3 m/s Lampiran 11. Data spesimen 3 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 1. 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 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... 8 Lampiran 18. Data spesimen 5 kecepatan m/s dan 3 m/s Lampiran 19. Data spesimen 5 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s Lampiran 0. Data spesimen 5 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s Halaman

16 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Sirip digunakan dalam banyak alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan panas. Sirip sering digunakan dalam sistem pendingin ruangan, peralatan elektronik, motor pembakaran dalam, trailing edge sudu turbin gas, alat penukar kalor kompak (compact heat exchanger) dan sebagainya, dengan udara merupakan media perpindahan panasnya. Berbagai tipe sirip alat penukar kalor, mulai dari bentuk yang relatif sederhana seperti sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus (tapered) atau pin, sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda telah digunakan. Bentuk sirip yang cukup sering digunakan dalam alat penukar kalor adalah sirip pin.. Sirip pin merupakan elemen silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir secara bersilangan (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip pin dapat disusun dalam susunan segaris (inline) maupun selang seling (staggered) terhadap arah aliran. Susunan segaris maupun selang seling dari suatu sirip pin silinder yang pendek dengan bentuk penampang (cross section) melingkar adalah salah satu yang sering digunakan dalam alat pendinginan pada sudu turbin. Sirip pin yang menonjol keluar dari permukaan pemanasan dapat meningkatkan luasan permukaan dissipasi dan mengakibatkan percampuran aliran yang turbulen sehingga meningkatkan performa dissipasi panas dan meningkatkan ketahanan (reliability) serta umur pemakaian dari suatu alat. Karakteristik dari suatu sirip pin berdasarkan beberapa parameter, seperti bentuk, tinggi, diameter, dan perbandingan tinggi terhadap diameter (H/D), dan lain sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi terhadap 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 terhadap diameter > 4. 16

17 Terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan, yaitu : 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 Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara selang seling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel). 1. Perumusan Masalah Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara berselang seling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel). 1.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut: 1. Material pin fin dan base plate yang digunakan adalah duralumin.. Dimensi base plate yang digunakan adalah : panjang 00 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm 3. Dimensi pin fin yang digunakan adalah ; tinggi 75 mm, dan diameter 1,7 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:

18 Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm Pemanas listrik (electric heater) Fan hisap Pelurus aliran udara (flow straightener) Manometer tipe 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 diabaikan. 8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan, base plate, 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, m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) yaitu sebesar 5 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. 10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dilakukan pada kondisi tunak (steady state). 11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada temperatur kamar. 1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip staggered dalam rectangular channel. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip staggered dalam rectangular channel. 3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip staggered dalam rectangular channel Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:

19 1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas dan unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip staggered dalam rectangular channel.. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu sudu turbin gas, sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang. 1.5 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 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.

20 BAB IV DATA DAN ANALISIS Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara selang seling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel). Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) yaitu sebesar 5 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan aliran udara masuk, temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan sampai didapatkan temperatur pada kondisi steady pada tiap variasi pengujian. Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi steady. 4.1 Data Hasil Pengujian Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

21 (a) (b) (c) Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk seksi uji (b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar seksi uji Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap saat pengujian pada kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 1 4 (d) Spesimen 1 Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (S x /D,95; S y /D 1,97) Kecepatan aliran udara (m/s) 0, ,5 6 Tegangan heater (V) Arus heater (A),,9 3, ,5 4,7 4,8 4,9 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,3 1,5 1,7 1,8 1,9,1 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,75 1,3,3 3, 4 5 5,75 6,5 T in,1 ( o C) 5,8 5,9 6,1 6, 6 6,1 6 6 T in, ( o C) 5,8 5,9 5,9 6,1 5,9 6,1 5,9 6

22 54 T in,3 ( o C) 5,7 5,8 5,8 6,1 5,8 6 5,9 5,9 T in,rata rata ( o C) 5,77 5,87 5,93 6,13 5,9 6,07 5,93 5,97 T base,1 ( o C) 60,6 6,3 63,4 6,9 63,4 63,9 64,5 61,6 T base, ( o C) 59,4 60,3 60,5 59, ,9 59,9 57,9 T base,3 ( o C) 59,1 58,9 59,3 58,6 58, ,4 58,3 T base,4 ( o C) 59, 58,8 60,5 60,3 61,9 6, 63,1 58,5 T base,5 ( o C) 58 59,7 59,3 58,8 58,9 58,3 58,5 57,7 T base,6 ( o C) 59,3 59,7 60, 57,8 59,8 60,6 60,3 60 T base,7 ( o C) 61,3 61, , ,4 61,8 6 T base,8 ( o C) 59 59,6 58,6 59,4 58,7 57,6 57,5 58,1 T base,9 ( o C) 61,7 61,9 61,3 6, 6,7 61,1 60, 63,9 T base, rata rata ( o C) 59,73 60,34 60,34 60,37 60,39 60, 60,36 59,78 T out,1 ( o C) 36,1 34,7 3,6 3 30,9 30,7 30, 30 T out, ( o C) 35,9 34,1 3,3 31,8 30,8 30,4 9,9 9,7 T out,3 ( o C) 36,5 34,9 3,9 31,9 31,1 30,8 30,3 30,`1 T out,4 ( o C) 37,7 36,3 34,4 33,9 33,3 33,1 3,8 3,5 T out,5 ( o C) 36,8 35,1 33,4 3,1 31,3 31,1 30,4 30, T out, rata rata ( o C) 36,6 35,0 33,1 3,34 31,44 31,0 30,7 30,5

23 55 (e) Spesimen Tabel 4.. Data hasil pengujian spesimen (S x /D,95; S y /D,36) Kecepatan aliran udara (m/s) 0, ,5 6 Tegangan heater (V) Arus heater (A),,8 3,4 3,9 4,3 4,6 4,7 4,8 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,3 1,5 1,65 1,8 1,9,1 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,5 1,7 3,5 4 4,75 5,5 T in,1 ( o C) 6, 6 6,1 6,3 6,1 6,1 6,1 6 T in, ( o C) , 6 6,1 6 6 T in,3 ( o C) 6 5,9 6 6, 5,9 6 5,9 5,9 T in,rata rata ( o C) 6,07 5, , 3 6 6,07 6 5,97 T base,1 ( o C) 60, 58,9 57,8 59, 59,7 60, 59,8 59 T base, ( o C) 60,4 60,1 58, 59,7 59,8 60,5 59,7 59,4 T base,3 ( o C) 57,1 57,8 57,4 58,7 58,7 56,7 58,9 57, T base,4 ( o C) 58,7 59,1 58,7 56,9 56,6 57,3 56,8 56,6 T base,5 ( o C) 59,1 59,1 57,5 58,6 58,4 58,5 59, 59, T base,6 ( o C) 59,9 59,1 64, ,6 63,5 56,5 57 T base,7 ( o C) 61,3 6,7 6,5 64,1 64,1 61, 64,3 64,7 T base,8 ( o C) 61 60,7 61 6,3 61,9 61,7 64,1 64, T base,9 ( o C) 61,3 60,6 61,3 6,7 6,3 63,7 63,6 63,3 T base, rata rata ( o C) 59,8 9 59,7 9 59,8 9 60,3 6 60,34 60,37 60,3 60,07

24 56 T out,1 ( o C) 36 33,8 3,3 31,8 31, 30,9 30,7 30,5 T out, ( o C) 35,8 33, 31,6 31, 30,4 9,7 9,5 9,4 T out,3 ( o C) 36,4 34,5 3,4 31,6 30,8 30,4 30 9,8 T out,4 ( o C) 38 36,8 34,8 33,6 3,9 3,5 3 31,8 T out,5 ( o C) 37,4 34,6 3,5 31,9 30,9 30,5 30,4 30,1 T out, rata rata ( o C) 36,7 34,58 3,7 3,0 31,4 30,8 30,5 30,3

25 57 (f) Spesimen 3 Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (S x /D,95; S y /D,95) Kecepatan aliran udara (m/s) 0, ,5 6 Tegangan heater (V) Arus heater (A),5 3 3,55 3,9 4,15 4,3 4,4 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,3 1,5 1,7 1,8 1,9,1 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,5 0,9 1,7,5,75 3,5 4 4,5 T in,1 ( o C) 5,9 6, 6,1 6,1 6, 6, 6,3 6, T in, ( o C) 5,9 6,1 6,1 6,1 6,1 6, 6, 6, T in,3 ( o C) 5,8 5,8 6 5,9 6,1 6,1 6,1 6,1 T in,rata rata ( o C) 5,87 6,0 3 6,07 6,0 3 6,13 6,17 6, 6,17 T base,1 ( o C) 60, 59,8 60,3 60,5 61,4 60,6 59, 59,1 T base, ( o C) 60,5 60, ,8 60, 59,9 60,1 60 T base,3 ( o C) 59,1 60, 59,9 60, ,6 59,3 59,4 T base,4 ( o C) 61, ,3 60, 61,5 60,8 58,4 58,3 T base,5 ( o C) 58,6 58,5 58,6 59,1 58,7 58,5 59, 59,5 T base,6 ( o C) 60,9 6 61,8 6, , 64,9 65,5 T base,7 ( o C) 61,7 6,1 60,7 6,1 63,6 63,6 60,6 60,5 T base,8 ( o C) 58,4 58,8 57,9 57,4 57,3 57,6 58,5 59 T base,9 ( o C) 60,4 61, 59,9 60,6 60,7 6, 63,3 64,3 T base, rata rata ( o C) 60,13 60,3 59,9 3 60,3 6 60,4 9 60,4 4 60,3 9 60,6

26 58 T out,1 ( o C) 34 33,1 31,1 30,3 9,8 9,4 9, 9,1 T out, ( o C) 33,6 3,4 30,9 30 9,5 9, 9,1 9 T out,3 ( o C) 34,4 3,6 31,4 30,4 30,1 9,8 9,6 9,4 T out,4 ( o C) 35,4 34, 3,5 3,1 31, ,9 30,7 T out,5 ( o C) 35,1 33,7 31, ,7 30,4 30, 30,1 T out, rata rata ( o C) 34,5 33, 31,56 30,76 30,3 8 9, 6 9,8 9,66

27 59 (g) Spesimen 4 Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (S x /D,95; S y /D 3,94) Kecepatan aliran udara (m/s) 0, ,5 6 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 1,85,5,85 3,1 3,55 3,75 3,85 4 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1,18 1,3 1,5 1,65 1,75 1,85 1,9 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,4 0,7 1,75,5 3 3,5 T in,1 ( o C) 6, 6,3 6 6,3 6, 6,3 6, 6 T in, ( o C) 6,1 6, 5,9 6, 6, 6,3 6,1 5,9 T in,3 ( o C) 6,1 6 5,9 6, 6,1 6, 6 5,9 T in,rata rata ( o C) 6,13 6,17 5,9 3 6, 3 6,13 6,7 6,1 5,93 T base,1 ( o C) 60,7 59, 60,4 59, 58,6 58,8 58,7 58,5 T base, ( o C) 55,6 56,8 55, ,4 57,9 56,8 57,3 T base,3 ( o C) 61 59,6 60, 58,6 61, 6,5 6,3 6,1 T base,4 ( o C) 61,5 60,5 6,8 61,9 61, 61,6 6,5 6, T base,5 ( o C) 58, , 56,7 57, 57,1 56,9 57,9 T base,6 ( o C) 59,1 57,3 57,1 56,8 57,3 57,4 57,5 58,1 T base,7 ( o C) 61, 61,8 6,6 6,1 6,6 63,1 6,1 6, T base,8 ( o C) 63,9 6,9 6,5 61,5 61,3 61,4 61, 61 T base,9 ( o C) 63,3 63,3 63,7 6,4 63,7 63,5 63,4 63,1 T base, rata rata ( o C) 60,4 9 59,71 60,11 59,5 8 59,94 60,37 60,16 60,7

28 60 T out,1 ( o C) 3,5 31,7 30 9,5 9,3 8,9 8,8 8,6 T out, ( o C) 3,3 31 9,7 9, 9 8,8 8,5 8, T out,3 ( o C) 33,5 3 30,3 9,8 9,4 9,3 8,9 8,7 T out,4 ( o C) 34,8 33, 3, 31,4 30,8 30,5 30 9,8 T out,5 ( o C) 33,1 31,6 30, 30 9,5 9,4 9,1 8,8 T out, rata rata ( o C) 33, 4 31,9 30,4 8 9,9 8 9,6 4 9,3 8 9,0 6 8,8

29 61 (h) Spesimen 5 Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s) 0, ,5 6 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 1,5 1,5 1,85,1,3,5,6,65 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,3 1,6 1,65 1,8 1,9,1 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0, 0,5 0,3 0,5 0,75 1 1, 1,4 T in,1 ( o C) 6, 6, 6,1 6, ,9 5,9 T in, ( o C) 6,1 6 6, ,9 5,9 5,8 T in,3 ( o C) 6 5,9 6 5,9 5,9 5,9 5,8 5,7 T in,rata rata ( o C) 6,1 6,0 3 6,07 6 5,97 5,9 3 5,87 5,8 T base,1 ( o C) 60,4 59,8 60,5 60,7 60, ,1 57 T base, ( o C) 58,4 57,9 58,4 57,8 57,4 56,8 56,7 57, T base,3 ( o C) 58, ,4 57,7 57,3 57,7 57,7 56,4 T base,4 ( o C) 59,9 59, 58,7 58,6 60, ,3 6 T base,5 ( o C) 59,4 59,1 58,7 59,5 59,5 57,8 58,5 59, T base,6 ( o C) 60,7 59,5 57,7 57,3 57, , 56,3 T base,7 ( o C) 63 6,6 63, 64,6 64,4 63,3 63,5 64,9 T base,8 ( o C) 60, 59,9 59,8 61,1 61,1 6,5 63,3 63,9 T base,9 ( o C) 6,9 6,3 61,6 60,8 61, 63,6 63,7 63,4 T base, rata rata ( o C) 60,3 8 59,81 59,67 59,74 59,8 8 60,41 60,3 3 60,03

30 6 T out,1 ( o C) 6,9 6,8 6,8 6,8 6,7 6,6 6,5 6,4 T out, ( o C) 6, ,9 5,8 5,8 5,7 T out,3 ( o C) 7 6,8 6,8 6,7 6,5 6,3 6,3 6, T out,4 ( o C) 3, 31,8 31, 30,7 30,5 30,5 30,3 30, T out,5 ( o C) 7 7 6,9 6,9 6,8 6,7 6,6 6,5 T out, rata rata ( o 8,8 C) 4 8,16 7,78 7,7 7,66 7,64 7,6 7,5

31 63 4. Perhitungan Data Data spesimen dan seksi uji: Panjang seksi uji (L t ) 50 mm 0,5 m Tinggi sirip (H) 75 mm 0,075 m Diameter sirip (d) Panjang spesimen (L) Lebar spesimen (W b ) 1,7 mm 0,017 m 00 mm 0, m 150 mm 0,15 m Contoh perhitungan : 1. Spesimen 1 (S x /D,95; S y /D 1,97) pada kecepatan aliran udara 0,5 m/s Data hasil pengujian: Tegangan heater V h 43 V T in, rata rata T in 5,8 o C 98,8 K Arus heater I h, A T out,, rata rata T out 36,6 o C 309,6 K Tegangan fan V f 90 V T base, rata rata T b 59,7 o C 33,7 K Arus fan I f 1, A Beda ketinggian fluida manometer h 0,5 mm a. Pumping power Pfan V f. I f. cosϕ

32 64 90 V x 1, A x 0,8 86,4 W b. Temperatur film T f ( T + T ) in out ( 98, ,6) 304, K K c. Properti udara pada temperatur film ρ 1,1475 kg 3 m (tabel Incropera) C ( T T ) ] 10 4 p [ 9, ,7 x10 x in + out x 4 [ 9, ,7 x10 x 304,] x ,7 J kg.k k 3 ( T + T ) ] 10 [3, ,495 x10 x in out x [3, ,495 x10 x 304,] x ,065 W m.k µ 6 ( T + T ) ] 10 [4, ,483 x10 x in out x

33 65 [4, ,483 x10 x 304,] x , kg m.s d. Luas penampang melintang saluran udara A H. W b 0,075m.0,15m 0,0115 m e. Luas frontal dari sirip sirip A front 7 d. H 7 x 0,017 m x 0,075 m 0,0067 m f. Luas total permukaan perpindahan panas A s W b. L + π. d. N f. H d 4 0,15m x 0, m + 3,14 x 0,017 m x 5 x 0,017 m 0,075 m 4 0,10m

34 66 g. Diameter hidrolik saluran udara 4 A D h P 4. H. W b ( H + W ) 4 x 0,075m x x 0,1 m b 0,15m ( 0,075 m + 0,15m) h. Laju aliran panas dari heater Q elect V h.i h. cosϕ 43V x, A x 0,8 75,7 W i. Laju aliran massa udara m ρ. A. V 1,1475 kg m 3 x 0,0115 m x 0,5m s 0,006 kg s

35 67 j. Laju perpindahan panas konveksi Q conv m. C. p ( T T ) out in ( 309,6 98,8) K 0,006kg s x 1005,7J kg.k x 70,3 W k. Heat losses yang terjadi pada seksi uji Q loss Q elect Q Q conv conv x100% 75,7W 70,3 W 70,3W 7,7 % x100% l. Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata h a A s.. C p.( Tout Tin ) [ T (( T + T ) ) ] m b 0,006 kg s 0,10 m out in J kg.k ( 309,6 98,8 ) [ 33,7 K (( 309,6 + 98,8) K ) ] x 1005,7 x K 4, W m.k

36 68 m. Bilangan Nusselt ρ Duct Nusselt number Nu h. D k h 4, W m.k 0,065 W x 0,1m m.k 91,3 ρ Pin Nusselt number h. d Nu D k 4, W m.k x 0,017 m 0,065W m.k 11,6 n. Bilangan Reynolds ρ Duct Reynolds number

37 69 ρ. V. D Re µ h 3 1,1475 kg m x 0,5m s x 0,1m 0, kg m.s 3079,7 ρ Pin Reynolds number Re D ρ. Vmaks. d µ A ρ. A A µ front. V. d 3 0,0115 m 1,1475kg m x x 0,0115 m 0,0067 m 0, kg m.s 0,5m s x 0,017 m 960, o. Penurunan tekanan P ρ. g. h

38 70 800kg m 3 x 9,81 m s x 0,00075 m 5,886 Pa p. Faktor gesekan f L D t h ΔP V ρ 5,886 Pa 0,5 m 1,1475 kg 0,1 m m 3 x ( 0,5 m s) 16,414. Spesimen tanpa sirip pada pumping power 86,4 W Data hasil pengujian: Tegangan heater V h 0 V T in, rata rata T in 6,1 o C 99,1 K Arus heater I h 1, A T out,, rata rata T out 7,8 o C 300,8 K Tegangan fan V f 90 V T base, rata rata T b 60,4 o C 333,4 K Arus fan I f 1, A

39 71 Beda ketinggian fluida manometer h 0, mm q. Temperatur film T f ( T + T ) in out ( 99, ,8) 99,95K K r. Properti udara pada temperatur film ρ 1,1615 kg 3 m (tabel Incropera) C ( T T ) ] 10 4 p [ 9, ,7 x10 x in + out x 4 [ 9, ,7 x10 x 99,95] x ,948 J kg.k k 3 ( T + T ) ] 10 [3, ,495 x10 x in out x [3, ,495 x10 x 99,95] x ,06 W m.k µ 6 ( T + T ) ] 10 [4, ,483 x10 x in out x

40 7 [4, ,483 x10 x 99,95] x , kg m.s s. Luas penampang melintang saluran udara A H. W b 0,075m.0,15m 0,0115 m t. Luas total permukaan perpindahan panas A L. s W b 0, m x 0,15m 0,03m u. Diameter hidrolik saluran udara 4 A D h P

41 73 4. H. W b ( H + W ) 4 x 0,075m x x b 0,15m ( 0,075 m + 0,15m) 0,1 m v. Laju aliran panas dari heater Q elect V h.i h.cosϕ 0V x 1,5A x 0,8 0 W w. Laju aliran massa udara m ρ. A. V 1,1615 kg m 3 x 0,0115 m x 0,8m s 0,01 kg s x. Perpindahan panas konveksi Q conv m. C. p ( T T ) out in ( 300,8 99,1) K 0,01kg s x 1004,948J kg.k x

42 74 18,3 W y. Heat loss yang terjadi Q loss Q elect Q Q conv conv x100% 0 W 18,3W 18,3W x100% 9,4 % z. Koefisien perpindahan panas h s. C p.( Tout Tin ) [ T (( T + T ) ) ] m As. b out in 0,01 kg s x 1004,948 0,03 m x J kg.k ( 300,8 99,1 ) [ 333,4 K (( 300,8 + 99,1) K ) ] K 18, W m.k aa. Unjuk kerja termal pada pin fin assembly η ( h a h s ) p

43 75 4, W m.k 18, W m.k 1,33 Selanjutnya data perhitungan untuk seluruh variasi pengujian dapat dilihat pada tabel 4.6 hingga tabel Analisis Data Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Sirip sirip silinder pejal dipasang secara selang seling pada permukaan base plate sehingga mempunyai nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise dengan diameter sirip, S y /D, sebesar 1,97,,36,,95, dan 3,94, sedangkan nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip dalam arah spanwise dengan diameter sirip, S x /D, konstan sebesar,95. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap

44 76 karakteristik perpindahan panas pada cylindrical fin pin assembly susunan selang seling dapat dilihat pada gambar 4.. Karakteristik perpindahan panas pada cylindrical pin fin assembly susunan selang seling dapat dilihat pada hubungan antara duct Nusselt number dan duct Reynolds number. Gambar 4. menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata rata terhadap bilangan Reynolds pada nilai nilai S y /D yang berbeda beda untuk susunan sirip selang seling Nu Re x 10 3 Gambar 4. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada S x /D,95 Dari gambar 4. dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds, hal ini terjadi pada Re x 10 3

45 77 keseluruhan nilai S y /D. Peningkatan perpindahan panas ini berasal dari kenaikan turbulensi dan penurunan tebal lapis batas dengan kenaikan laju aliran udara (Bilen, 00). Dari fenomena ini terlihat bahwa bilangan Reynolds berpengaruh kuat pada laju perpindahan panas. Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata rata terhadap S y /D pada bilangan Reynolds yang berbeda beda untuk susunan selang seling. Dari gambar 4.4 dapat dilihat bahwa bahwa nilai S y /D mempunyai pengaruh yang sedang (moderate effect) terhadap perpindahan panas (Nu). Bilangan Nusselt naik sedikit dengan kenaikan S y /D, mencapai maksimum pada S y /D,36 dan kemudian menurun dengan kenaikan S y /D. Fenomena ini serupa dengan penelitian terdahulu (Bilen, 001, 00). Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h) semakin besar. Semakin besar nilai koefisien perpindahan panas konveksi, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksi yang terjadi.

46 h ( W / m K ) Re x 10 3 Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata rata pada S x /D,95 Dari data data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk karakteristik perpindahan panas dari cylindrical pin fin assembly susunan selang seling. Dari hasil penelitian untuk plat dengan sirip sirip silinder susunan selang seling, korelasi antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (S y ) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai sebagai berikut :

47 79 0, 35 ( S ) 0,578 Nua 0,6 Rea y L ( 4.1 ) Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range bilangan Reynolds < Re < , L/D h dan 1,97 < S y /D < 3,94 Nu Sy/D Gambar 4.4 Pengaruh nilai S y /D terhadap bilangan Nusselt pada S x /D,95

48 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 penurunan tekanan (pressure drop) dan faktor gesekan dari cylindrical pin fin assembly susunan selang seling berturut turut dapat dilihat pada gambar 4.5. dan 4.6. Kelakuan penurunan tekanan ( P) terhadap bilangan Reynolds (Re) serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al (007). Dari gambar 4.5 dapat dilihat bahwa penambahan sirip sirip pin silinder pejal dengan susunan selang seling, menyebabkan penurunan tekanan yang signifikan dibandingkan dengan penurunan tekanan pada permukaan tanpa sirip sirip (smooth surface). Kelakuan faktor gesekan terhadap bilangan Reynolds pada gambar 4.6 serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kakac et al (1987). Nilai penurunan tekanan ( P) dan faktor gesekan (f), semakin menurun dengan kenaikan nilai S y /D. Hal ini disebabkan dengan semakin besar nilai S y /D, maka jumlah sirip sirip silinder pejal akan semakin berkurang, sehingga tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen, 00).

49 81 Δ P (Pa) Re x 10 3 Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada S x /D,95 Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai S y /D lebih berpengaruh dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f). Hal ini menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya nilai S y /D pada dasarnya karena meningkatnya luas permukaan halangan dan efek halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip sirip pin silinder pejal.

50 8 f Re x 10 3 Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada S x /D,95 Dari data data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor gesekan (f) yang dihasilkan oleh susunan selang seling sirip pin silinder pejal dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (S y ) dan panjang spesimen uji (L) sebagai berikut :

51 83 f a 1,16 a ( S L) 0, Re (4.) y Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.) berlaku valid untuk range bilangan Reynolds < Re < , L/D h dan 1,97 < S y /D < 3, Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis unjuk kerja termal menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan perolehan energi netto karena adanya penambahan sirip sirip. Gambar 4.7 menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (η ) dengan dengan bilangan Reynolds (Re) pada nilai S y /D yang berbeda beda untuk susunan sirip silinder pejal selang seling (staggered). Perlu ditekankan lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto yaitu untuk perpindahan panas yang efektif, nilai η harus lebih besar dari 1 (batas ambang perolehan energi). Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai η menurun dengan kenaikan bilangan Reynolds (Re) dan dapat dikatakan bahwa untuk keseluruhan S y /D dan Re, nilai η hampir semuanya diatas 1. Ini berarti bahwa pemakaian cylindrical pin fin assembly susunan selang seling untuk keseluruhan nilai S y /D dan Re akan menghasilkan perolehan energi. Jika nilai Sy/D semakin besar maka jumlah fin semakin sedikit karena Nf semakin kecil. Jika Sy/D semakin diperbesar maka akan mendekati kondisi tanpa sirip. Berdasarkan rumus perhitungan unjuk kerja termal (pers.30), jika Sy/D semakin besar maka koefisien perpindahan panas plat dengan sirip nilainya semakin mendekati koefisien perpindahan panas plat tanpa sirip sehingga nilai unjuk kerja termalnya semakin mendekati 1. Dari gambar 4.7 dapat dilihat pada Sy/D 3,94 nilai unjuk kerja termalnya semakin mendekati 1, kemudian unjuk kerja termalnya semakin besar jika nilai Sy/D semakin diperkecil. Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa pada S y /D,36

52 84 menghasilkan unjuk kerja termal yang paling tinggi untuk keseluruhan Re, sehingga direkomendasikan penggunaan cylindrical pin fin assembly susunan selang seling dengan nilai S y /D,36 untuk memperbaiki efisiensi suatu sistem. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 47% untuk nilai Sy/D,36 pada Re η Re x 10 3 Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada S x /D,95

53 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan analisis data dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan mengenai pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal pada staggered cylindrical pin fin array dalam saluran segiempat sebagai berikut : 1. Sirip pin silinder susunan selang seling (staggered) meningkatkan perpindahan panas dari permukaan base plate sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas dan turbulensi, tetapi dengan mengorbankan penurunan tekanan (pressure drop) yang lebih besar dalam saluran segiempat.. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas, tetapi kenaikan S y /D meningkatkan perpindahan panas hingga S y /D,36 setelah itu menyebabkan penurunan perpindahan panas. 3. Penurunan tekanan dan faktor gesekan (f) meningkat seiring dengan berkurangnya nilai S y /D. 4. Kenaikan bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η ) untuk keseluruhan nilai S y /D. 5. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D hingga Sy/D,36 dan kemudian menurun dengan kenaikan Sy/D. 6. Sirip pin silinder susunan selang seling (staggered) dapat mencapai perolehan energi netto hingga 47% untuk nilai S y /D,36 pada Re Saran Berdasarkan pengalaman yang diperoleh dari penelitian tentang pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada staggered cylindrical pin fin array dalam saluran segiempat ini, direkomendasikan beberapa saran sebagai berikut : 3. Menggunakan peralatan yang mendukung pengambilan data dengan data akusisi agar pengambilan data menjadi lebih mudah. 4. Peningkatan kualitas pendingin ruangan dan pengadaan pemanas ruangan agar temperatur ruangan yang dikehendaki untuk pengambilan data dapat tercapai dalam semua kondisi cuaca. 5. Mengadakan penelitian lebih lanjut mengenai karkteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari pin fin assembly terutama tentang pengaruh variasi geometrinya.