PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN SEGIEMPAT SUSUNAN SELANG - SELING DALAM SALURAN SEGIEMPAT

Transkripsi

1 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN SEGIEMPAT SUSUNAN SELANG - SELING DALAM SALURAN SEGIEMPAT SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: WISNU PANDOYO I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 011

2 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN SEGIEMPAT SUSUNAN SELANG SELING DALAM SALURAN SEGIEMPAT Disusun oleh : Wisnu Pandoyo 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 Prasetyo B, ST., MT. NIP Wahyu Purwo Raharjo, ST..MT.... NIP Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, ST., MT. Wahyu Purwo Raharjo, ST..MT. NIP NIP ii

3 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 ; -3 ) Allah akan mengangkat (derajat) orang-orang yang beriman dintara kamu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat dan Allah Maha Teliti yang kamu kerjakan (QS. Al Mujadalah :11) Bacalah dan Tuhanmulah yang Maha Mulia yang mengajar (manusia) dengan pena. Dia mengajarkan manusia apa yang tidak diketahuinya (QS. Al. Alaq: 3-5) Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan) kerjakanlah dengan sungguhsungguh (urusan) yang lain. Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. ( Q.S Ala Nasyrah ; 6-8 ) Hadapi dan segera selesaikan semua tantangan didepan dengan tetap berharap berhasil menggapai impian dimasa depan (wisnu). Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar. ( Khalifah Umar ) iv

4 PERSEMBAHAN Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula saya persembahkan hasil jerih payah dan kerja keras saya selama menempuh jenjang S-1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesar dan kebanggaan saya sehingga saya lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah: 1. Segala puji bagi Allah SWT dan Muhammad SAW sebagai rosulnya.. Ayah, Ibu(Bp. Jumino & Ibu.Sri Hidayah, S.pdi) karena beliaulah penulis dapat lahir ke dunia ini dengan membawa semangat untuk menggapai cita-cita, 3. Adikku(Aang & Nanda) atas do a restu, motivasi,dalam menyelesaian Tugas Akhir ini. (semoga kita dapat membahagiakan orang tua kita di dunia dan akhirat... amin...). 4. Evi Sari Wardani terima kasih atas semua semangatmu dan doamu serta cintamu (Aku Akan Terus Menyonsong Matahari Untuk Menggapai Mimpi). 5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan saya). vii

5 Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Pin Segiempat Susunan Selang-Seling Dalam Saluran Segiempat Wisnu Pandoyo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia wisnui140503@gmail.com Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat dalam saluran udara segiempat, dimana udara mengalir di dalamnya sebagai fluida pendingin. Sirip-sirip pin ini disusun secara selang-seling. Dimensi plat dasar dimana sirip-sirip pin dipasang adalah 150 mm x 00 mm x 6,5 mm. Temperatur rata-rata permukaan plat dasar dijaga konstan sebesar 60 o C. Siripsirip pin terbuat dari bahan duralumin dengan tinggi 75 mm, dengan sisi-sisinya 1,7 mm x 1,7 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar S x /D =,95. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (Re) berdasarkan kecepatan aliran udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik saluran udara segiempat, 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 =,95. Nilai penurunan tekanan ( P) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya S y /D. Nilai unjuk kerja termal (η) bervariasi antara 1,16 dan 1,39. Ini berarti bahwa pemakaian sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling akan menyebabkan perolehan energi untuk keseluruhan S y /D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η) untuk keseluruhan S y /D. Perolehan energi netto hingga 39% dapat dicapai untuk nilai S y /D =,95 pada Re = Kata kunci : Sirip pin segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan, unjuk kerja termal. v

6 Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Staggered Square Pin Fin Array in Rectangular Channel Wisnu Pandoyo Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia wisnui140503@gmail.com Abstract This research is conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of square pin fin array in the rectangular channel which air pass through it as coolant fluid. The pin fins are arranged in staggered manner. Dimension of base plate in which pin fins attached is 150 mm x 00 mm x 6.5 mm. The average temperature of base plate surface is kept constant at 60 o C. Pin fins is made of duralumin having the dimension of 75 mm of height, its sides 1.7 x 1.7 mm respectively, and the distance inter-fin picth in the spanwise direction is kept constant at S x /D =.95. The parameters of this research is Reynolds number (Re) 3,131 37,460 based on averaged inlet air flow velocity and hydraulic diameter of rectangular air channel, and the distance between the inter-fin pitch in the streamwise direction (S y /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 =.95. The values of pressure drop ( P) and friction factor (f) decreased with increasing S y /D. The value of the thermal performances (η) varied between It means that the use of staggered square pin fin will cause an energy gain for all of S y /D. Increasing Reynolds number would decrease the thermal performance (η) for all S y /D. A net energy gain up to 39% was achieved for S y /D =.95 and Re = Keywords : square pin fin, Reynolds number, friction factor, thermal performance. vi

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 ini yang berjudul Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Sirip-sirip Pin Segiempat Susunan Selang Seling Dalam 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.. 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 Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 6. Bu Elisa, Pak Endras, dan Mas Haryanto 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. 8. Ayah, Ibu (Bp. Jumino&Ib.Sri Hidayah, S.pdi) dan adikku ( Aang & Nanda) 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. viii

8 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 011 Penulis ix

9 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Pengesahan... ii Halaman Surat Penugasan... iii Halaman Motto... iv Halaman Abstrak... v Halaman Persembahan... vii Kata Pengantar... viii Daftar Isi... x Daftar Tabel... xiii Daftar Gambar... xiv Daftar Notasi... xvi Daftar Lampiran... xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI.1. Tinjauan Pustaka Dasar Teori Sirip Sirip Pin Macam-Macam Bentuk Sirip Pin Silinder Kubus Oblong x

10 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... 6 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 xi

11 4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran... 6 Daftar Pustaka Lampiran xii

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian 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 =,36). 41 Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D =,95 ; Sy/D =,95). 4 Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D =,95 ; Sy/D = 3,94). 43 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 Tabel 4.7. Perhitungan spesimen Tabel 4.8. Perhitungan spesimen Tabel 4.9. Perhitungan spesimen Tabel Perhitungan spesimen xiii

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar.1. Beberapa contoh jenis extended surface... 8 Gambar.. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak... 9 Gambar.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip Gambar.4. Sebuah susunan sirip pin diamond segaris... 1 Gambar.5. Susunan sirip pin Gambar.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet Gambar.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond Gambar.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong Gambar.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin Gambar.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling) Gambar.11. Pin fin array dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol... Gambar 3.1. Skema alat penelitian... 8 Gambar 3.. Saluran Udara Segiempat (Rectanguler Channel)... 8 Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (flow straightener)... 9 Gambar 3.4. Fan Hisap... 9 Gambar 3.5. Rheostat... 9 Gambar 3.6. Anemometer Gambar 3.7. Pemanas Listrik (heater) Gambar 3.8. Slide regulator Gambar 3.9. Voltmeter Gambar Amperemeter Gambar Manometer U... 3 Gambar 3.1. Thermocoupel tipe T... 3 xiv

14 Gambar Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji... 3 Gambar Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji... 3 Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate... 3 Gambar 3.16 Thermocouple Reader Gambar 3.17 Dimensi dan tata nama spesimen Gambar 3.18 Model spesimen Gambar 3.19 Spesimen Gambar 3.0 Spesimen Gambar 3.1 Spesimen Gambar 3..Spesimen Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara 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 =, 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 =, xv

15 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 ) A s = Luas total permukaan perpindahan panas ( m ) A t = Luas penampang melintang saluran udara ( m ) 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 /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 Q loss h a h s = Laju perpindahan panas konveksi (W) = Heat losses yang terjadi pada seksi uji = Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata dengan sirip (W/m.K) = 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 ) xvi

16 P = Penurunan tekanan f η = 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 ϕ = Faktor daya listrik phase P fan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W ) g = Kecepatan gravitasi ( kg m /s ) xvii

17 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 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 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... 8 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 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 Lampiran 1. Thermophysical Property untuk udara... 9 xviii

18 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Susunan sirip-sirip digunakan untuk meningkatkan luasan perpindahan panas dari alat penukar kalor (heat exchanger), peralatan pengkondisian udara, peralatan elektronik, motor listrik, motor bakar dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut udara digunakan sebagai media perpindahan panas. Pada sisi udara alat penukar kalor, sirip-sirip digunakan dalam berbagai jenis. Sirip-sirip tersebut menonjol keluar dari sebuah permukaan dasar segiempat atau silindris. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk yang sederhana, seperti sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus (tapered) atau pin, sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda, dan digunakan dengan jarak yang telah diatur dalam susunan selang-seling (staggered) atau segaris (inline). Tipe sirip yang digunakan tergantung dari proses permesinan dan 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 (reliability) dan umur peralatan. 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 segiempat. commit 1 to user

19 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 ke dalam 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 penukar panas ringkas (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, jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroud clearance), 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 segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat (rectangular channel).

20 3 1.. 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 segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat Batasan Masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut: 1. Material sirip pin dan plat dasar (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 sirip pin yang digunakan adalah : tinggi 75 mm, dan sisi-sisi 1,7 mm x 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: 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 aliran 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 serta

21 4 jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) 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 sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dilakukan pada kondisi tunak (steady state). 11.Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada 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 segiempat susunan selangseling dalam saluran segiempat.. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat. 3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling 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 segiempat susunan selang-seling dalam saluran segiempat.. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas, sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang.

22 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.

23 BAB II DASAR TEORI.1 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 =,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 0-40% 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 10-0% lebih besar daripada susunan diamond dan 10-40% lebih besar daripada susunan sirip pin silinder. Sara O.N., (003) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan dan analisa unjuk kerja perpindahan panas konveksi pada suatu permukaan plat bersirip pin berbentuk kubus dalam saluran udara segi empat. Saluran segiempat terbuat dari kayu dengan tebal 0 mm, dan mempunyai penampang bagian dalam lebar 160 mm dan tinggi 80 mm serta panjang total saluran.000 mm. Sirip-sirip pin disusun secara selang-seling (staggered). Pada penelitian ini menggunakan spesimen berupa plat datar dari bahan aluminium berdimensi panjang 30 mm, lebar 140 mm, dan tebal mm yang diberi sirip pin berbentuk kubus pejal dari bahan yang sama, dengan panjang sisi-sisinya 10 mm x 10 mm dan panjang yang bervariasi tergantung pada variasi perbandingan clearance (C/H) = 0,0, 0,6, dan 1,0 yang disusun secara staggered dengan jarak antar titik pusat sirip pada arah spanwise (S z /D) =,5 dan jarak antar titik pusat sirip pada arah streamwise (S x /D) = 1,58, 4,17, dan 9,33. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar Dari penelitian 6

24 7 tersebut diperoleh hasil bahwa bilangan Nusselt rata-rata akan meningkat dengan menurunkan nilai perbandingan clearance dan jarak antar titik pusat sirip. Faktor gesekan akan meningkat dengan menurunkan nilai perbandingan clearance dan jarak antar titik sirip. Faktor peningkatan perpindahan panas akan meningkat dengan menurunkan C/H dan S z /D. Unjuk kerja saluran udara akan meningkat dengan menurunkan bilangan Reynolds. Jeng, M. T. dan Tzeng, C, T. (006) melakukan penelitian tentang penurunan tekanan dan perpindahan panas pada sirip pin berbentuk kubus yang tersusun secara inline dan staggered dalam saluran udara segiempat dengan menggunakan metode hembusan tunggal transient. Dalam penelitian tersebut menggunakan plat datar berdimensi 300 mm x 81,5 mm yang diberi sirip pin berbentuk kubus pejal dengan panjang sisi-sisinya 9,6 mm x 9,6 mm dan panjang 76,5 mm dengan jarak antar titik pusat sirip arah transversal S T /D = 1,5,, dan,8 dan dengan jarak antar titik pusat sirip arah longitudinal S L /D = 1,5,, dan,8. Spesimen diletakkan dalam saluran udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 81,5 mm x 300 mm x 76,5 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar untuk susunan staggered dan untuk susunan inline. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penurunan tekanan pada sirip pin kubus yang disusun secara inline memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih kecil dibandingkan dengan sirip pin kubus yang disusun secara staggered. Jarak optimal antar sirip berdasarkan bilangan Nusselt paling besar pada X T = dan X L = 1,5 untuk susunan inline dan pada X T = 1,5 dan X L = 1,5 untuk susunan staggered... Dasar Teori..1. 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 ruang angkasa (air-land-space vehicles) dan sumber dayanya dalam proses-proses

25 8 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.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.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 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.

26 9 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 ringkas adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 45 m per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas ringkas telah tersedia lebih dari 4100 m per meter kubik dibandingkan dengan m per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 1 in. Kebanyakan elemen alat penukar panas ringkas terdiri dari plat-plat permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar.(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 ringkas dipandang sebagai bentuk lain dari permukaan yang diperluas (extended surface). Gambar. 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)

27 10 pada penampang melintang segiempat pada gambar.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, 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.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

28 11 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 parameterparameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar.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 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.. 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

29 1 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 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 tinggidiameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Gambar.4. Sebuah susunan sirip pin segiempat susunan selang seling Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar.5 siripsirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). S L adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (stream-wise

30 13 direction), sedangkan S T adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah aliran (span-wise direction). sl sl Flow Flow st st (a) (b) Gambar.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered..3. Macam-Macam Bentuk Sirip pin..3.1 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.6. Gambar.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet..3. Kubus Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan segiempat yang diputar 45 o. Gambar.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.

31 14 Gambar.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.8 menunjukkan tata nama yang digunakan dalam sirip pin oblong. Gambar.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong Ellips Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah garis diameternya. Gambar.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.

32 15 Gambar.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,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 kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen (turbulent vortex shedding), yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip pin tersebut.

33 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 ringkas, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar.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.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooled) Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar.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 penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.

34 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 A T x (.1) dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) k = konduktivitas panas (W/m. o C) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m ) 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 :. A. ( T ) (.) Q = h T w dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m o C) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m ) T w = temperatur permukaan benda ( o C) T = temperatur fluida ( o C) Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang

35 18 terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu menggunakan rumus : Q = ε AT 4 σ (.3) dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt) ε = emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1) A = luas perpindahan panas (m ) T = temperatur permukaan benda (K) σ = konstanta Stefan Boltzmann (W/m.K 4 ) Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar nilai σ = 5, W/m.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 [ u) u] / x (ρ didekati dengan persamaan : ρv =. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk L F I yx y [ ( u / y) ] y τ / = µ / dan dapat didekati dengan persamaan : F s µv Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis : = / L. FI F s ρv / L = µ V / L ρvl = = Re µ L (.4)

36 19 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. Bilangan 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 = (.5) k f dimana : Nu = bilangan Nusselt h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m. 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...7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin- Fin Assembly..7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer) Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut : Q elect = Q conv + Q loss (.6) dimana : Q elect = laju aliran panas dari listrik (W)

37 0 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 (.6) dapat ditulis menjadi : Q elect = Q conv + Q rad + Q cond (.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 kehilangan panas radiasi dari permukaan uji yang serupa sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga kehilangan panas karena radiasi diabaikan. Kehilangan panas karena konduksi dari sisi dindingdinding 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 kehilangan panas konduksi dapat diminimalisir. Analisis data akan memuaskan jika persentase total kehilangan panas, (Q elect Q conv )/Q conv kurang dari 10% (Naphon, P., 007). Maka persamaan (.7) menjadi : Q elect = Q conv (.8) Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah : Tin + Tout Q conv = h. As. Tb (.9)

38 1 dimana : Q conv h A s = laju perpindahan panas konveksi (W) = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m.K) = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly (m ) 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 (.9), Q conv dapat juga dinyatakan dengan : Q conv. = m. Cp( T T ) (.10) out in dimana : C p T in T out = laju aliran massa udara (kg/s) = 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 (.9) dan (.10), sehingga didapatkan bahwa: h = A. s m&. C p.( Tout Tin ) [ T (( T + T ) ) ] b out in (.11) Dari persamaan (.11) laju aliran massa,, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : dimana :. m = ρ. A t. V (.1) ρ = massa jenis (densitas) udara (kg/m 3 ) A t = luas penampang saluran udara (m )

39 Gambar.11. Pin fin assembly dalam saluran udara segiempat dengan clearence nol Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar.11, maka A t dihitung dengan rumus : A t = H. W b (.13) V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s) 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 pin segiempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : A s = W b.l + (a + b).h.n f a.b.n f (.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 segiempat dalam pin fin assembly = tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin segiempat (m) = panjang sisi-sisi sirip pin segiempat (m)

40 3 Dari persamaan (.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 )/ menggunakan persamaan sebagai berikut : C p = [9, ,7 x 10-4 (T in + T out )/] x 10 J/kg.K (.15) Persamaan (.15) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan T + 50 K in T out 400 K 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 = Re = V. D v h ρ. V.D µ h (.16) (.17) Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan ketebalan dari sirip-sirip pin, yaitu : Re D = ρ. V. µ maks Dh (.18) dimana V maks adalah kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan diberikan dengan persamaan : V maks = A A A front. V (.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

41 4 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 = h. D k h (.0) Nu = h.d k (.1) 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) D h d ν = diameter hidrolik dari saluran udara (m) = diameter sirip pin (m) = viskositas kinematik udara (m /s) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s) A = luas penampang saluran (m ) A front = luas frontal dari sirip-sirip (m ) Nu Nu D h k = duct Nusselt number = pin Nusselt number = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m.K) = konduktifitas termal udara (W/m.K)

42 5 Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, D h, dihitung dengan persamaan : D h 4. A 4. H. Wb = = P ( H + W ) b (.) Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T f = (T in + T out )/ menggunakan persamaan sebagai berikut : µ = [4, ,483 x 10 - (T in + T out /)] x 10-6 kg/m.s (.3) k = [3, ,495 x 10 - (T in + T out /)] x 10-3 W/m.K (.4) Persamaan (.3) dan (.4) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan T + 50K in T out 400K..7. 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, P, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan f = P Lt V ρ Dh (.5) dimana : f = faktor gesekan P = perbedaan tekanan statik (N/m ) L t D h = panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji (m) = diameter hidrolik (m) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)

43 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 :. V s. P = V P (.6) s. a a Dimana dan berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) dan dengan halangan, sedangkan Ps dan Pa berturut-turut 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 (.6) dapat ditulis ulang menjadi: f = (.7) 3 3 s. Re s f a.re a Efisiensi peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut : η = (h a /h s ) P (.8) dimana : h a = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m.K)

44 7 h s = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m.K) Jika nilai η 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η 1, energi yang telah digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang diperoleh.

45 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. 3.. 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.000 mm. Gambar 3.. Saluran udara segiempat (rectangular channel) b. Pelurus aliran udara (air flow straightener) 8

46 9 Pelurus aliran udara terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm, panjang 00 mm yang disusun sedemikian hingga membentuk segiempat dimana dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara adalah 150 mm x 75 mm x 00 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. Gambar 3.5. Rheostat e. Anemometer

47 30 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 00 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 aliran udara dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise.

48 31 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. Gambar Amperemeter j. Manometer U 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

49 3 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 3.1. 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 l. Thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh sensor termokopel.

50 33 Gambar Display termokopel 3.3. Spesimen Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi plat dasar (base plate) panjang 00 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, yang dipasangi oleh sejumlah sirip-sirip pin segiempat yang disusun secara selang-seling (staggered) dengan panjang sisi-sisi sirip 1,70 mm x 1,70 mm dan tinggi sirip 75 mm. Spesimen sirip pin segiempat 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 segiempat adalah duralumin. Gambar Dimensi dan tata nama spesimen

51 34 Gambar Model spesimen Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian Spesimen S x (mm) S y (mm) S x /D S y /D Jumlah sirip,(n f ) 1 37,5 5,95 1, ,5 30,95, ,5 37,5,95, ,5 50,95 3, Plat tanpa sirip Gambar Spesimen 1 Gambar Spesimen

52 35 Gambar 3.0. Spesimen 3 Gambar 3.1. Spesimen Pelaksanaan Penelitian Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada temperatur udara masuk yang konstan sebesar 6 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 kondisi tunak (steady state). Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan tunak inilah yang akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur permukaan base plate) Tahap Persiapan Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik. Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar Tahap Pengujian 1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.. Menghubungkan semua termokopel dengan thermocouple reader.

53 36 3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 o C. 4. Menghidupkan fan hisap. 5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan menggunakan rheostat. 6. Mengatur temperatur permukaan base plate pada temperatur 60 o C. 7. Mencatat seluruh data temperatur dan beda tinggi fluida manometer (h) setiap 15 menit sampai didapatkan temperatur steady. 8. Mencatat tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. 9. Mematikan heater setelah selesai mengambil data. 10. Mematikan fan. 11. Mengulangi langkah percobaan (1) (10) untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s). 1. Mengulangi langkah percobaan (1) (11) dengan mengganti spesimen untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise, S y yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm). 13. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip dengan daya pemompaan yang sama dengan spesimen bersirip. 14. Mematikan alat setelah selesai mengambil semua data Metode Analisis Data Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara, temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi uji, temperatur rata-rata permukaan base plate, beda tinggi fluida manometer ( h), serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan blower, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan melakukan perhitungan terhadap: a. Laju aliran panas dari heater listrik (Q elect ) b. Laju perpindahan panas konveksi (Q conv ) c. Koefisien perpindahan panas konveksi rata rata (h) d. Bilangan Nusselt (Nu) e. Bilangan Reynolds (Re)

54 37 f. Faktor gesekan (f) g. Unjuk kerja termal dari susunan sirip-sirip pin segiempat susunan selangseling (η) Setelah melakukan perhitungan besaran diatas untuk setiap variasi berdasar data yang didapat maka selanjutnya dapat disusun grafik hubungan antara : a) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds (Re) b) Bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re) c) Pengaruh jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran udara (streamwise direction, S y /D) terhadap bilangan Nusselt (Nu). d) Penurunan tekanan ( P) dengan bilangan Reynolds (Re) e) Faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) f) Unjuk kerja termal (η) dengan bilangan Reynolds (Re). Kemudian berdasarkan dari grafik-grafik yang disusun tersebut dapat dilakukan analisa karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal untuk setiap variasi kecepatan aliran udara (bilangan Reynolds) dan jarak antar titik pusat sirip pin dari sirip-sirip pin segiempat susunan selangseling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

55 38.6. Diagram Alir Penelitian Mulai Persiapan: Alat penelitian berupa saluran udara segiempat lengkap dengan seksi uji. (staggered square pin fin assembly) Variasi: Kecepatan udara; 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. Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran udara (streamwise); 5 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Pengambilan data: Temperatur udara masuk, temperatur udara keluar dan temperatur permukaan plat dasar Beda tinggi fluida manometer ( h) Tegangan listrik dan arus listrik yang digunakan pada fan dan heater Analisis data: Laju aliran panas dari listrik (Q elect ) Laju perpindahan panas konveksi (Q conv ) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) Bilangan Reynolds (Re) Bilangan Nusselt (Nu) Faktor Gesekan (f) Unjuk kerja termal staggered square pin fin assembly (η) Hasil analisa untuk tiap variasi data Kesimpulan Selesai

56 BAB IV DATA DAN ANALISA 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 sirip pin segiempat yang disusun selang-seling (staggered) dalam saluran segiempat. Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5 m/s 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara 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 permukaan plat dasar, penurunan tekanan serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan sampai didapatkan temperatur pada kondisi tunak (steady state) pada tiap variasi pengujian. Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi tunak. 4.1 Data Hasil Pengujian Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur permukaan plat dasar, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap saat pengujian pada kondisi tunak, diperoleh data seperti pada tabel di bawah ini : Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran temperatur udara 39

57 40 1. 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),14,9 4, 4,7 5,1 5,49 5,5 5,65 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,5 1,47 1,7 1,8 1,88,08, Beda tinggi fluida manometer (mm) 1, 1,6,8 4 5,3 6,6 7,3 7,9 T in,1 ( o C) 6,1 6,0 6,1 6,1 6,1 6,0 6,1 6,0 T in, ( o C) 6, 6,0 6,1 6,0 5,9 6,0 5,9 6,1 T in,3 ( o C) 6,1 6,0 6,1 6,0 6,0 6,0 6,0 6,1 T in,rata-rata ( o C) 6,1 6,0 6,1 6,0 6,0 6,0 6,0 6,1 T base,1 ( o C) 57,6 56,7 55,6 55,4 56, 56, 56, 56,1 T base, ( o C) 56,3 55,8 55,4 55,5 57,6 57,6 57,4 57,0 T base,3 ( o C) 57, 56,1 56, 56,1 57,8 56,6 56,6 57,1 T base,4 ( o C) 59,1 60,4 58, 59,7 59, 58, 57,4 57,3 T base,5 ( o C) 59, 59,7 60,0 60,1 58,5 59,6 59,3 59,3 T base,6 ( o C) 59,3 58,9 57,8 59, 58,1 58,4 58, 58,6 T base,7 ( o C) 64,4 65, 66,6 65,6 65,4 65,6 65,7 65,4 T base,8 ( o C) 63,4 63,8 65,6 64,8 64,7 64,8 64,5 64,3 T base,9 ( o C) 64,5 64,8 65,4 65,1 65,0 65,1 65,4 65,5 T base, rata-rata ( o C) 60,1 60, 60,1 60, 60,3 60, 60,1 60,1 T out,1 ( o C) 35,9 34,7 34,7 33,6 33,5 3,5 31,8 31,6 T out, ( o C) 35,7 34,6 3,5 3,8 3,4 31,6 31,9 31, T out,3 ( o C) 35,9 35,6 3,7 3,5 3,5 31,6 31,3 31,5 T out,4 ( o C) 34,9 34,5 34,8 33,5 3,3 31,9 31, 31,5 T out,5 ( o C) 35, 34,7 34,5 33,9 33,4 3,5 3,3 31,4 T out, rata-rata ( o C) 35,5 34,8 33,8 33,3 3,8 3,0 3,7 31,4

58 41. 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),4,67 4,1 4,49 5 5, 5,3 5,4 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1,1 1, 1,4 1,6 1,75 1,86 1,95,15 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,9 1,5,4 3,6 4,4 5,6 6 6,6 T in,1 ( o C) 5,9 6,1 6,1 6,1 6,1 6, 6,1 6,1 T in, ( o C) 5,8 6,0 6,1 6,0 6,0 6,1 6,1 6,0 T in,3 ( o C) 5,8 6,0 6,1 6,1 6,0 6,1 6, 6,1 T in,rata-rata ( o C) 5,8 6,0 6,1 6,1 6,0 6,1 6, 6, T base,1 ( o C) 56,8 58,3 57,6 57,8 56,6 60,4 56, 56, T base, ( o C) 56,9 56,4 56,8 57,4 57,0 56,6 55,4 55,6 T base,3 ( o C) 57, 57, 58,1 58,0 56,7 64,3 57, 57,4 T base,4 ( o C) 59,6 58,6 59, 59,4 59, ,1 58,3 T base,5 ( o C) 59,4 58,0 60,1 60,1 60, 59,5 59,3 59,5 T base,6 ( o C) 59,6 58,8 58,3 58,8 58,0 57,1 58,1 58,1 T base,7 ( o C) 64, 65, 64,6 64,6 65,6 6,4 65,7 65,3 T base,8 ( o C) 63,6 63,7 6,3 6,7 63,7 57,8 64,1 63,8 T base,9 ( o C) 64,6 64,6 64,1 63,4 65,4 63,3 65,5 65,7 T base, rata-rata ( o C) 60, 60,1 60,1 60, 60,3 60,0 60,0 60,0 T out,1 ( o C) 34,9 34,3 33,6 3,7 3,6 33,8 31,5 31,3 T out, ( o C) 33,6 34, 33,4 3,9 31, , 31, T out,3 ( o C) 33,8 34,3 3,6 31,8 30,4 30,6 30,8 30,8 T out,4 ( o C) 36,6 34,4 33,4 33,4 3,6 3,1 31,5 31, T out,5 ( o C) 36,3 34,3 34, 33,4 33,6 34 3,3 31, T out, rata-rata ( o C) 35,0 34,3 33,4 3,8 3, 3,1 31,5 31,1

59 4 3. 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),16,6 3,9 4,5 4,8 5,1 5,15 5,5 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1,1 1,15 1,4 1,5 1,65 1,7 1,8 1,96 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,8 1,3,9 3,8 4,8 5,3 5,6 T in,1 ( o C) 5,9 6, 6, 6, 6,3 6,3 6,3 6,3 T in, ( o C) 5,8 6,1 6, 6, 6, 6, 6,3 6,3 T in,3 ( o C) 5,8 6, 6,3 6, 6,3 6,3 6,3 6,3 T in,rata-rata ( o C) 5,8 6, 6, 6, 6,3 6,3 6,3 6,3 T base,1 ( o C) 59,5 59,0 58,9 58,9 58,0 57,6 57,6 57,3 T base, ( o C) 56,6 58,8 57,8 57,4 57,8 57,4 57, 57,1 T base,3 ( o C) 59, 59, 58,0 58, 57,8 57,7 56,9 57,5 T base,4 ( o C) 59,9 59,9 60, 59,8 59,6 58, 58,3 57,4 T base,5 ( o C) 60,1 59,6 60,8 60, 60, 58,4 58,5 58, T base,6 ( o C) 59,8 59,5 60,0 59, 59,6 57,8 56,6 57,6 T base,7 ( o C) 61,6 61,6 61,6 6,7 6,6 64,5 65,4 65,0 T base,8 ( o C) 6,9 6,4 6,8 63,5 63,1 65,1 65,1 65,5 T base,9 ( o C) 61,7 61,5 6, 6,0 6, 64,3 65, 65,1 T base, rata-rata ( o C) 60,1 60, 60,3 60, 60,1 60,1 60,1 60,1 T out,1 ( o C) 34,1 34,1 33,5 31,8 31,6 31,8 31,7 31, T out, ( o C) 34,4 33,3 33,5 30,9 31,5 30,4 9,4 9,8 T out,3 ( o C) 34,6 34, 33,6 31,4 30,8 30,1 30, 9,4 T out,4 ( o C) 34,9 34,3 33,4 33,4 3,5 3, 3,4 31,8 T out,5 ( o C) 35,4 34, 3,5 34,7 33, 3,6 3,3 3,6 T out, rata-rata ( o C) 34,7 34,0 33,3 3,4 31,9 31,4 31, 31,0

60 43 4. 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) 1,9,5 3, 4,1 4,5 4,5 4,6 4,65 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1 1,1 1,5 1,4 1,55 1,65 1,8 1,9 Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,7 0,9 1,6,3 3, 3,9 4,3 4,6 T in,1 ( o C) 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6,1 T in, ( o C) 6,1 6,1 6,1 6, 6,1 6, 6, 6,0 T in,3 ( o C) 6,1 6, 6, 6, 6, 6, 6,1 6,1 T in,rata-rata ( o C) 6,1 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6,1 T base,1 ( o C) 59,1 58,9 59,1 59,3 58,1 58,5 57,0 56,9 T base, ( o C) 59,6 59,3 58,5 57,4 56,7 57,0 55,8 56,6 T base,3 ( o C) 58,7 59,0 59, 59, 58,8 58,7 58,4 57,3 T base,4 ( o C) 59,4 59,8 58,3 57, 56,9 57,4 56,4 58, T base,5 ( o C) 60,1 60,0 59,4 58,8 58,7 59,0 58, 57,9 T base,6 ( o C) 59,5 59,4 58,9 57,4 57,9 58,0 58,1 58,6 T base,7 ( o C) 61,6 61,8 63, 64,0 65,6 66,7 66,8 66,4 T base,8 ( o C) 60,4 60,9 61,9 63,0 63,7 6, 65,1 64,1 T base,9 ( o C) 6,1 6,3 63,6 64,4 65,4 64,6 65,9 65,3 T base, rata-rata ( o C) 60,1 60, 60, 60,1 60, 60, 60, 60,1 T out,1 ( o C) 31,7 31,4 30,8 30,3 9,7 9,8 9,6 9,5 T out, ( o C) 31,6 31,6 30, 30,9 9,1 9, 8,4 8,6 T out,3 ( o C) 31,6 31,4 31,3 9,6 9,7 9,1 8,6 8,8 T out,4 ( o C) 31,8 3, 31,5 31,9 31,4 31, 31, 30,3 T out,5 ( o C) 3,6 31,3 3, 3,3 3,3 31,5 31,6 30,4 T out, rata-rata ( o C) 31,9 31,6 31, 31,0 30,4 30, 9,9 9,5

61 44 5. Spesimen 5 Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 1 Kecepatan aliran udara (m/s) 0,68 1,57,67 3,76 4,8 5,6 6,14 6,7 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 0,76 1,3 1,85,1,35,5,55,6 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1, 1,5 1,47 1,7 1,8 1,88,08, Beda tingi fluida manometer (mm) 0,4 0,6 0,7 0,8 1 1,3 1,5 1,7 T in,1 ( o C) 6,0 6,1 6,0 6,0 5,9 5,9 6,0 5,9 T in, ( o C) 5,9 6,0 6,0 5,9 5,8 5,9 5,9 5,9 T in,3 ( o C) 5,9 6,1 6,0 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 T in,rata-rata ( o C) 5,9 6,1 6,0 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 T base,1 ( o C) 58,1 58, 58,0 57,9 58, 57,4 57,9 58, T base, ( o C) 58,8 57,9 58,5 57,8 57,9 58,4 59,1 58,7 T base,3 ( o C) 59, 59, 59,3 59,1 59,6 59,6 60,1 59,8 T base,4 ( o C) 61, 61,8 6,1 61,4 61,3 6,0 59,0 60,7 T base,5 ( o C) 60, 59,8 59,3 59,8 59,3 59,1 59,7 59,3 T base,6 ( o C) 60, 59,6 59,1 59,4 59,1 58,3 59, 57,8 T base,7 ( o C) 6,5 6,6 6,1 6,6 6,7 64,0 63,8 6,9 T base,8 ( o C) 60,4 60,1 60,4 61,9 61, 60,5 61,0 60,7 T base,9 ( o C) 6,1 6,6 6, 61,5 6,1 61,7 6,3 6,8 T base, rata-rata ( o C) 60,3 60, 60,1 60, 60, 60,1 60, 60,1 T out,1 ( o C) 8,0 8,0 7,9 7,9 7,9 7,6 7,5 7,5 T out, ( o C) 6,4 6,4 6,4 6,4 6,4 6,6 6,5 6,5 T out,3 ( o C) 6,3 6,3 6,4 6,4 6,4 6,5 6,5 6,4 T out,4 ( o C) 8,4 7,8 7,5 7,4 7,1 7, 7,4 7,3 T out,5 ( o C) 8,4 7,9 8,0 8,0 8,0 7,8 7,8 7,6 T out, rata-rata ( o C) 7,4 7,3 7, 7, 7, 7,1 7,1 7,1

62 45 6. Spesimen 5 Tabel 4.6. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen Kecepatan aliran udara (m/s) 0,8 1,31,3 3,35 4,46 5,5 6,1 6,5 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 0,9 1,3 1,85,15,35,5,55,6 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1,1 1, 1,4 1,6 1,75 1,86 1,95,15 Beda tingi fluida manometer (mm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,9 1 1,4 1,6 T in,1 ( o C) 6, 5,9 5,9 5,8 5,9 5,9 5,9 5,8 T in, ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 T in,3 ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 T in,rata-rata ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 T base,1 ( o C) 58,6 58,4 57,1 57,0 57, 57, 57,3 57,4 T base, ( o C) 58,0 57,9 57,8 57,1 57,8 57,9 57,8 57,7 T base,3 ( o C) 58,8 58,8 59,4 59,4 58,9 59,1 59,0 58,9 T base,4 ( o C) 61,9 61,9 6,1 61,5 61,5 61,7 61,8 61,7 T base,5 ( o C) 59,8 59,7 59,9 59,6 59,4 59,4 59, 58,9 T base,6 ( o C) 57,8 57,6 58,1 58, 58, 58,1 58,3 58,4 T base,7 ( o C) 63,1 63,6 63,6 63,7 63,4 63,6 63,9 63,9 T base,8 ( o C) 60,6 60,3 60,3 61,9 61,6 61,8 61,7 61,5 T base,9 ( o C) 6,6 6,7 63,1 63,4 63, 63, 63,1 6,9 T base, rata-rata ( o C) 60,1 60,1 60, 60, 60,1 60, 60, 60,1 T out,1 ( o C) 7,9 8,0 7,8 7,8 7,8 7,8 7,8 7,6 T out, ( o C) 6,6 6,5 6,7 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 T out,3 ( o C) 6,5 6,5 6,6 6,6 6,6 6,5 6,5 6,5 T out,4 ( o C) 8, 7,8 7,6 7,4 7, 7,1 6,8 6,7 T out,5 ( o C) 7,9 8,1 8,0 8,0 7,8 7,6 7,6 7,7 T out, rata-rata ( o C) 7,4 7,4 7,3 7,3 7, 7,1 7,1 7,0

63 46 7. Spesimen 5 Tabel 4.7. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 3 Kecepatan aliran udara (m/s) 0,8 1,3,30 3,30 4,3 5,8 6,06 6,4 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 0,9 1,3 1,8,,35,5,63,65 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1,1 1,15 1,4 1,5 1,65 1,7 1,8 1,96 Beda tingi fluida manometer (mm) 0, 0,4 0,5 0,7 1 1,1 1, 1,4 T in,1 ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 T in, ( o C) 6,0 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 T in,3 ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,9 5,9 T in,rata-rata ( o C) 6,1 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,9 5,9 T base,1 ( o C) 57,4 57,7 57,4 57,6 57,0 56,8 56,7 56,6 T base, ( o C) 59,0 58,8 58,6 58,5 58, 58,1 57,9 57,7 T base,3 ( o C) 58,9 58,9 59, 59,0 59, 59,5 59,5 59,5 T base,4 ( o C) 61,4 61, 6 61,1 61, 61,5 61,6 61,4 T base,5 ( o C) 60,4 59,5 59,5 59,6 59,4 59, 59,0 58,8 T base,6 ( o C) 57,9 58,1 58,1 58,6 58,4 58, 58,0 58,0 T base,7 ( o C) 63, 63,5 63,1 63,5 63,3 63,4 64, 64, T base,8 ( o C) 60,1 60, 60,3 60, 60,4 60,4 61,3 61, T base,9 ( o C) 6,6 6,8 6,3 6,8 6,8 6,9 63,3 63, T base, rata-rata ( o C) 60,1 60,1 60,1 60,1 60,0 60,0 60, 60,1 T out,1 ( o C) 8,0 7,6 7,5 7,5 7,4 7,3 7,5 7, T out, ( o C) 6,5 6,5 6,6 6,6 6,6 6,6 6,5 6,6 T out,3 ( o C) 6,3 6,4 6,5 6,5 6,5 6,4 6,4 6,4 T out,4 ( o C) 8,0 8, 8 7,7 7, 7,0 6,7 6,8 T out,5 ( o C) 8,4 8,4 8, 8, 8,5 8,5 8,5 8,6 T out, rata-rata ( o C) 7,4 7,4 7,4 7,3 7, 7, 7,1 7,1

64 47 8. Spesimen 5 Tabel 4.8. Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) pada daya pemompaan yang sama dengan spesimen 4 Kecepatan aliran udara (m/s) 0,58 1,15,30 3,47 4,36 5,40 5,85 6,34 Tegangan heater (V) Arus heater (A) 0,9 1,0 1,75,15,4,5,6,65 Tegangan fan (V) Arus fan (A) 1 1,1 1,5 1,4 1,55 1,65 1,8 1,9 Beda tingi fluida manometer (mm) 0, 0,3 0,4 0,6 0,9 1,1 1, 1,3 T in,1 ( o C) 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 T in, ( o C) 5,9 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 5,8 T in,3 ( o C) 5,9 5,9 5,9 5,8 5,9 5,9 5,8 5,8 T in,rata-rata ( o C) 5,9 5,9 5,9 5,8 5,8 5,9 5,8 5,8 T base,1 ( o C) 57,9 58,6 58,4 57,7 57,3 57,3 57, 57,1 T base, ( o C) 59,0 58,9 58,4 57,9 57,8 57,6 57,4 57, T base,3 ( o C) 59,5 59,1 59, 59,3 59,4 59,4 59,4 59,3 T base,4 ( o C) 61,5 61,9 61,8 61,1 61,4 61,5 61,5 61,5 T base,5 ( o C) 59,8 59,9 59, 59,4 59,5 59, 59,1 58,9 T base,6 ( o C) 58, 58,0 58,1 58,8 58,6 58,3 58,1 58,0 T base,7 ( o C) 63,1 63,1 63, 63, 63,4 63,8 64, 64, T base,8 ( o C) 60, 60,5 60, 60,3 60,4 60,4 61,5 61,4 T base,9 ( o C) 6,6 6,6 6,9 63,0 6,6 63,4 63,4 63,3 T base, rata-rata ( o C) 60, 60,3 60, 60,1 60,0 60,1 60, 60,1 T out,1 ( o C) 8,3 8, 7,9 7,8 7,5 7,3 7,4 7,1 T out, ( o C) 6,6 6,6 6,5 6,6 6,6 6,5 6,5 6,6 T out,3 ( o C) 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,4 6,4 T out,4 ( o C) 7,6 7,4 7,4 7,3 7, 7,1 6,8 6,4 T out,5 ( o C) 8,4 8,3 8, 8,0 8, 8,3 8,3 8,6 T out, rata-rata ( o C) 7,5 7,4 7,3 7, 7, 7,1 7,1 7,0

65 Perhitungan Data Berikut contoh perhitungan untuk spesimen 1 dan spesimen 5 Data spesimen dan seksi uji: Panjang seksi uji (L t ) = 50 mm = 0,5 m Tinggi sirip (H) = 75 mm = 0,075 m Panjang sisi-sisi sirip segiempat = 1,7 mm x 1,7 mm = 0,017 m x 0,017 m Panjang spesimen (L) = 00 mm = 0, m Lebar spesimen (W b ) = 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 = 31 V T in, rata-rata = T in = 6,1 o C = 99,1 K Arus heater = I h =,14 A T out,, rata-rata = T out = 35,5 o C = 308,5 K Tegangan fan = V f = 10 V T base, rata-rata = T b = 60,1 o C = 333,1 K Arus fan = I f = 1, A Beda ketinggian fluida manometer = h = 1, mm Pumping power Pfan = V f. I f. cosϕ = 10 V x 1, A x 0,8 = 97,9 W Temperatur film T f ( T + T ) in out = ( 99, ,5) K = = 303,8K Properti udara = 1, kg/m 3 (tabel Incropera) C ( T T ) ] 10 4 p = [ 9, ,7 x10 x in + out x

66 49 = 4 [ 9, ,7 x10 x 303,8] x 10 = 1005,46 J kg.k k 3 ( T + T ) ] 10 = [3, ,495 x10 x in out x = [3, ,495x 10 x 303,8] x 10 3 = 0, W m.k µ 6 ( T + T ) ] 10 = [4, ,483 x10 x in out x = [4, ,483x 10 x 303,8] x = 0, kg m.s 10 6 Luas penampang melintang saluran udara A = H. W b = 0,075 m x 0,15 m = 0,0115 m Luas total permukaan perpindahan panas A s = W b.l + (a+b).h.n f (a.b).n f 5 = 0,15 m x 0, = 0,11m m + (0,017 m + 0,017 m) x 0,075 x 5 - (0,01619 m) x Diameter hidrolik saluran udara 4 A D h = P 4. H. W = b ( H + W ) b 4 x 0,075 = x = 0,1 m m x 0,15 m ( 0,075 m + 0,15 m) Laju aliran panas dari heater Q elect = V h.i h. cosϕ = 31 V = x,14 A 66,34Watt x 1

67 50 Laju aliran massa udara m & = ρ. A. V = 1, kg m 3 x 0,0115 m x 0,5m s = 0,00655 kg s Laju perpindahan panas konveksi Q conv = m&. C. p ( T T ) out in = 0, kg s x 1005, 46 J kg.k x ( 308,5 99,1)K = 61,93W Heat losses yang terjadi pada seksi uji Q loss = Q elect Q Q conv conv x100% = 66,34W 61,93W 61,93W = 7,1 % x100% Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata h a = A s m&. C p.( Tout Tin ).[ T (( T + T ) ) ] b out 0, kg s = 0,11m x = 17,468 W m Bilangan Nusselt in x 1005,46J kg.k( 308,5 99,1 ) [ 333,1 K (( 308,5 + 99,1 ) K ) ].K Duct Nusselt number h Dh Nu = k a. 17,468W m.k x 0,1m = 0, W m.k = 65,89 K Bilangan Reynolds Duct Reynolds number

68 51 ρ. V. D Re = µ h 3 1, kg m x 0,5m s x 0,1m = 0, kg m.s = 3131,19 Penurunan tekanan P = ρ. g. h = 800kg = 9,4 Pa m 3 x 9,81 m s x 0,001m Faktor gesekan P f = L t V ρ Dh 9,4 Pa = 0,5 m 1, kg m 0,1 m = 5,86 3 x ( 0,5 m s). Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 97,9 W Data hasil pengujian: Tegangan heater = V h = 19 V T in, rata-rata = T in = 5,9 o C = 98,9 K Arus heater = I h = 0,76 A T out,, rata-rata = T out = 7,4 o C = 300,4 K Tegangan fan = V f = 10 V T base, rata-rata = T b = 60,3 o C = 333,3 K Arus fan = I f = 1, A Beda tekanan ketinggian fluida manometer = h = 0,4 mm Temperatur film T f ( T + T ) in out = ( 98, ,4) K = = 99,65 K

69 5 Properti udara = 1, kg/m 3 (tabel Incropera) C ( T T ) ] 10 4 p = [ 9, ,7 x10 x in + out x = 4 [ 9, ,7 x10 x 99,65] x 10 = 1004,93 J kg.k k µ 3 ( T + T ) ] 10 = [3, ,495 x10 x in out x = [3, ,495x 10 x 99,65] x = 0,060067W m.k ( T + T ) ] 10 = [4, ,483 x10 x in out x = [4, ,483x 10 x 99,65] x 10 6 = 0, kg m.s Luas penampang melintang saluran udara A = H. W b = 0,075 m.0,15 m = 0,0115 m Luas total permukaan perpindahan panas A = L. s W b = 0, m x 0,15 m = 0,03 m Diameter hidrolik saluran udara 4 A D h = P 4. H. W = b ( H + W ) b 4 x 0,075 = x = 0,1 m m x 0,15 ( 0,075 m + 0,15 m) Laju aliran panas dari heater m

70 53 Q elect = V h.i = 19 V h =14,44 W.cosϕ x 0,76 A x 1 Laju aliran massa udara m & = ρ. A. V = 1, kg m 3 x 0,0115 m x 0,68 m s = 0, kg s Perpindahan panas konveksi Q conv = m&. C. p ( T T ) out in = 0, kg = 13,45W Heat loss yang terjadi s x 1004,93 J kg.k x ( 300,4-98,9)K Q loss = Q elect Q Q conv conv x100% = 14,44W 13,45 W 13,45W x 100 % = 7,36% Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata h s = A s m&. C p.( Tout Tin ).[ T (( T + T ) ) ] b 0,0089 kg = 0,03 m out = 13,89 W m Bilangan Reynolds s x x.k Duct Reynolds number ρ. V. D Re = µ h in 1004,93 J kg.k ( 300,4 98,9) [ 333,3 K (( 300,4 + 98,9) K ) ] K

71 54 = 3 1, kg m x 0,68 m s x 0, kg m.s 0,1 m = 4304,744 Bilangan Nusselt Duct Nusselt number hs Dh Nu =. k 13,89 W m.k x 0,1m = 0,060067W m.k = 50,7 Penurunan tekanan P = ρ. g. h = 800 kg m 3 x 9,81 m s x 0,0004 m = 3,139 Pa Faktor gesekan P f = L t V ρ Dh 3,139Pa = 0,5 m 1, kg m 0,1 m = 4, x ( 0,68 m s) Unjuk kerja termal pada pin-fin array η = ( h a h s ) p 17,468 W m.k = = 1, ,89 W m.k

72 Analisis Data Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Sirip-sirip pin segiempat dipasang secara vertikal pada permukaan base plate sehingga mempunyai nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin segiempat dalam arah streamwise dengan panjang sisi sirip (S y /D) untuk susunan sirip selang-seling S y /D, sebesar 1,97,,36,,95 dan 3,94, sedangkan nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin segiempat dalam arah spanwise dengan panjang sisi, S x /D, konstan sebesar,95. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas pada sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dapat dilihat pada gambar 4.. Karakteristik perpindahan panas pada sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling dapat dilihat dari hubungan antara duct Nusselt number dan duct Reynolds number. Gambar 4. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada S x /D =,95

73 56 Dari gambar 4. menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise (S y /D) yang berbeda-beda untuk sirip-sirip pin segiempat susunan selang-seling. Dari gambar 4. dapat dilihat bahwa bilanga Nusselt rata-rata meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds, hal ini terjadi pada keseluruhan nilai S y /D. Peningkatan perpindahan panas ini berasal dari penurunan tebal lapis batas (boundary layer) dengan kenaikan laju aliran udara (Bilen, 00). Dari fenomena ini terlihat bahwa bilangan Reynolds berpengaruh kuat pada laju perpindahan panas. Gambar 4.3 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada S x /D =,95 Gambar 4.3 menunjukkan kelakuan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata terhadap bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise yang berbeda. Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) semakin besar. Hal ini terjadi pada keseluruhan nilai S y /D. Semakin besar nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, semakin besar laju perpindahan panas konveksi yang terjadi.

74 57 Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai S y /D terhadap bilangan Nusselt pada S x /D =,95 Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap S y /D pada bilangan Reynolds yang berbeda-beda untuk sirip pin segiempat susunan selang-seling. Dari gambar 4.4 dapat dilihat 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 =,95 dan kemudian menurun dengan kenaikan S y /D. Fenomena ini serupa dengan penelitian terdahulu (Bilen,000,00). Sirip-sirip pin, setelah baris pertama dari susunan sirip, adalah dalam jalur turbulen dari aliran bagian depan sirip-sirip pin (upstream pin fins). Untuk nilai S y yang sedang (moderate), koefisien konveksi yang berkaitan dengan aliran di baris sirip bagian belakang (downstream row) dipertinggi sebagai hasil aliran turbulen. Akan tetapi, untuk nilai S y yang kecil, baris-baris di bagian depan (upstream rows) akan menghalangi laju aliran udara pada baris-baris di bagian belakang (downnstream rows) dan laju perpindahan panas akan berkurang (Babus Haq, R.F., 1995). Sehingga, lintasan aliran yang diinginkan (prefered flowpath) dalam jalur antara sirip-sirip pin, sangat banyak permukaan sirip-sirip pin tidak terkena aliran utama (main flow) terutama pada baris-baris bagian belakang. Dari data-data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk karakteristik perpindahan panas dari sirip-sirip pin segiempat susunan selang-

75 58 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 : Nu = 0,3 Re 0,686 (S y /L) -0,187 (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, 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 sirip-sirip pin segiempat 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 segiempat dengan susunan selang-seling, menyebabkan penurunan tekanan (pressure drop) yang signifikan dibandingkan dengan 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) akan semakin menurun dengan kenaikan nilai S y /D. Hal ini disebabkan dengan semakin besar nilai S y /D, maka jumlah sirip-sirip pin segiempat akan semakin berkurang, sehingga tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen, 00).

76 59 Gambar 4.5 Grafik 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 disebabkan karena meningkatnya luas permukaan halangan dan efek halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip-sirip pin segiempat.