BAB I PENDAHULUAN. kebutuhan utama dalam sektor industri, energi, transportasi, serta dibidang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Proses pemanasan atau pendinginan fluida sering digunakan dan merupakan kebutuhan utama dalam sektor industri, energi, transportasi, serta dibidang elektronika. Sifat termal dari fluida kerja memegang peran penting dalam upaya efisiensi energi pada peralatan perpindahan kalor. Fluida yang digunakan pada perpindahan kalor antara lain seperti air, ethylene glycol, dan minyak pelumas mesin, secara umum memiliki sifat perpindahan kalor yang sangat rendah dibandingkan dengan kebanyakan benda padat, sehingga dalam hal ini perlu adanya pengembangan untuk meningkatkan sifat perpindahan kalor fluida konvensional tersebut. Perkembangan nano teknologi telah mengarah pada kelas fluida baru dan khusus atau disebut nanofluida, yang memiliki potensi besar untuk aplikasi pada perpindahan kalor. Istilah nanofluida berarti dua campuran fase dimana fase yang kontinu biasanya cairan dan fase yang terdispersi terdiri dari nanopartikel padat yang sangat halus, berukuran kecil dari pada 100 nm. Choi (1995), orang pertama yang menggunakan istilah nanofluida yang menggunakan fluida cair dengan nano partikel tersuspensi didalamnya. Partikel CuO dan Al 2 O 3 berukuran nanometer dicampur dengan fluida cair diantaranya air dan ethylene glycol. Dari hasil penelitiannya diperoleh peningkatan termal 1

2 2 konduktivitas sebesar 20%. Peningkatan konduktivitas termal sekitar 60% dapat dicapai untuk nanofluida terdiri dari air dan volume 5% nanopartikel (CuO) Eastmann et.al, (1997). dalam penelitiannya mengatakan peningkatan termal konduktivitas sebesar 40% untuk penambahkan 0.3% partikel Cu dalam ethylene glycol. Sedangkan Xuan dan Li (2000), menjelaskan suatu prosedur untuk mempersiapkan nanofluida dengan menggunakan peralatan hot wire untuk mengukur konduktivitas termal nanofluida dengan nanopartikel bubuk tembaga yang tersuspensi. Publikasi penelitian di atas telah banyak menginspirasi penelitian lebih lanjut terhadap sifat-sifat termal nanofluida serta untuk meyakinkan bahwa nanofluida sebagai media perpindahan kalor perlu diperhitungkan prospeknya. Perkembangan teknologi dibidang heat exchanger yang sangat signifikan menutut performa fluida kerja yang optimum, salah satu fluida kerja yang sering digunakan pada heat exchanger adalah oli. Dengan klasifikasi heat exchanger yang berbeda-beda tentunya dibutuhkan oli dengan tingkat kekentalan yang berbeda-beda pula. Faktor viskositas oli merupakan factor penting dalam menunjang performa heat exchanger, selain itu oli harus mampu menyerap dan melepaskan kalor dengan optimum. Penukar kalor (heat exchanger) adalah sebuah alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua fluida atau lebih. Penukar kalor dapat diklasifikasikan menurut arah aliran fluida atau konstruksinya. Penukar kalor secara luas digunakan dalam aplikasi keteknikan. Alat penukar kalor sudah lama

3 3 dikenal oleh industri-industri yang berhubungan dengan fenomena perpindahan kalor. Perbaikan peningkatan kuantitas perpindahan kalor dari semua tipe penukar kalor telah digunakan secara luas dalam industri, diantaranya dalam proses pengambilan kalor kembali (heat recovery processes), pendingin udara sistem refrigerasi, dan reaktor kimia. Di samping menyimpan energi utama juga dapat dijadikan pilihan untuk mengurangi ukuran dan berat penukar kalor. Pada saat sekarang ini beberapa teknik peningkatan perpindahan kalor pada penukar kalor telah banyak dikembangkan. Peningkatan kuantitas perpindahan kalor pada dasarnya dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu : memperluas permukaan perpindahan kalor, merusak lapis batas (boundary layer) sehingga derajat turbulensi aliran fluida bertambah, dan dengan memutar aliran fluida (swirl flow). Salah satu teknik yang digunakan untuk meningkatkan besarnya koefisien perpindahan kalor konveksi adalah dengan memberikan sisipan material atau yang sering disebut dengan insert yang berfungsi untuk meningkatkan turbulensi aliran fluida. Turbulensi aliran fluida memiliki efek positif pada koefisien perpindahan kalor konveksi dari alat penukar kalor, jenis aliran fluida yang turbulen diketahui memiliki nilai perpindahan kalor yang lebih baik dibandingkan dengan jenis aliran laminar. Dengan meningkatkan turbulensi aliran fluida di dalam pipa diharapkan koefisien perpindahan kalor konveksinya akan meningkat. Dengan meningkatnya koefisien perpindahan kalor konveksi ini diharapkan dapat meningkatkan efektivitas perpindahan kalor pada sebuah alat penukar kalor. Di sisi lain, semakin

4 4 turbulen sebuah aliran fluida maka penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi antara sisi masuk dan sisi keluar dari aliran fluida tersebut semakin besar. Penurunan tekanan ini berpengaruh pada daya pemompaan (pumping power), dimana daya pemompaan adalah besarnya energi yang harus diberikan pompa kepada fluida untuk mengalirkan fluida tersebut. Oleh karena itu, semakin besar penurunan tekanan maka semakin besar pula daya pemompaan yang diperlukan, dimana hal ini dihubungkan dengan gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi penurunan tekanan lain sepanjang lintasan aliran fluida. Penurunan tekanan tersebut akan mengakibatkan kehilangan energi akibat gesekan antara fluida dengan permukaan saluran. Penurunan tekanan fluida mempunyai hubungan langsung dengan perpindahan kalor dalam penukar kalor, operasi, ukuran, dan faktor faktor lain, termasuk pertimbangan ekonomi. Karena itu, peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi dengan cara meningkatkan turbulensi aliran dalam pipa harus dikaitkan dengan penurunan tekanan yang dihasilkan. Efektivitas optimum dari modifikasi ini adalah perbandingan koefisien perpindahan kalor konveksi yang baik diikuti dengan penurunan tekanan yang kecil. Jenis insert yang banyak digunakan untuk meningkatkan perpindahan kalor dalam sebuah penukar kalor adalah sisipan pita terpilin (twisted tape insert). Pada bidang keteknikan, pipa dengan twisted tape insert telah digunakan secara luas sebagai alat untuk memutar aliran (swirl flow), secara kontinu untuk meningkatkan laju perpindahan kalor pada sebuah penukar kalor. Teknik twisted tape insert dalam sebuah pipa merupakan upaya peningkatan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi dengan metode pasif, dimana metode ini tidak

5 5 memerlukan daya masukan dari luar dan tambahan daya yang diperlukan untuk meningkatkan perpindahan kalor diambil dari daya yang tersedia dalam sistem. Teknik twisted tape insert mempunyai beberapa keuntungan dalam peningkatan nilai perpindahan kalor sebuah penukar kalor, yaitu : harga yang relatif murah, perawatan mudah, ringkas dan proses manufakturing yang sederhana. Oleh karena itu, penelitian mengenai karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada sebuah penukar kalor dengan twisted tape insert penting untuk dilakukan. Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi twist ratio dari twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap efektifitas perpindahan panas. Penelitian ini berfokus pada penggunaan fluida dasar nanofluida dengan menggunakan heat transfer oil. Hal tersebut dikarenakan banyak digunakan oleh industri. Penelitian berikut ini mencoba mengkaji potensi nanofluida untuk peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi pada heat transfer oil yang diharapkan dapat diterapkan dalam bidang industri. Nanofluida yang digunakan merupakan campuran nanopartikel TiO 2 dan heat transfer oil (Termo XT32) sebagai fluida dasarnya dan peningkatan efektivitas alat penukar kalor dengan menggunakan twisted tape insert dengan variasi twist ratio yang berbeda-beda Perumusan Masalah Berdasarkan uraian tersebut di atas, maka peneliti bermaksud untuk melakukan penelitian tentang Studi Eksperimental Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Annular Dengan Twisted Tape Insert Pada

6 6 Nanofluida Titanium Oxide (TiO 2 ) Dengan Fluida Dasar Oli Termo XT32. Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana mengetahui pengaruh variasi temperature (T h,i ) fluida nano TiO 2 /Heat transfer oil termo XT32 terhadap perpindahan kalor konveksi dan efektivitas alat penukar kalor pipa konsentrik? 2. Bagaimana mengetahui pengaruh variasi fraksi volume fluida nano TiO 2 /Heat transfer oil termo XT32 terhadap perpindahan kalor konveksi dan efektivitas alat penukar kalor pipa konsentrik? 3. Bagaimana mengetahui pengaruh twist ratio dari twisted tape insert terhadap efektivitas dan perpindahan kalor konveksi alat penukar kalor pipa konsentrik? 4. Bagaimana pengaruh twist ratio dari twisted tape insert dan penambahan nano partikel TiO 2 dengan fraksi volume sebesar 0,3 %Vol terhadap pumping power heat transfer area Batasan Masalah Pada penelitian ini untuk membatasi agar pembahasan permasalahan tidak meluas, maka peneliti perlu untuk memberikan batasan masalah. Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Fluida dasar yang digunakan adalah heat transfer oil termo XT Alat penukar kalor berupa pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa adalah lingkaran dengan lebar celah antar pipa konstan sebesar 0,009 m, diameter hidrolik 0,0011 m, dengan panjang penukar kalor 1 m.

7 7 3. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari stainless steel. 4. Twisted tape insert berupa aluminium strip, twisted tape insert yang dipasang di pipa dalam divariasi dengan twist ratio berturut-turut 3, 6, dan Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah (counter flow). 6. Pipa luar diisolasi dengan glasswool isolator sebanyak 7 lapisan sehingga perpindahan kalor ke lingkungan dapat diminimalisasi. 7. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar (horizontal). 8. Fluida yang digunakan dalam pengujian ini adalah fluida nano TiO 2 / Heat transfer oil termo XT32 untuk fluida panas dan air untuk fluida dingin. 9. Parameter yang dibuat konstan yaitu debit aliran air dingin di annulus dan fluida kerja di pipa dalam (inner tube) yaitu: 2 LPM. 10. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini adalah 4 titik yaitu: 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin masuk dan keluar dari annulus pada seksi uji, 2 titik untuk mengukur temperatur fluida nano TiO 2 /Heat transfer oil termo XT32 panas masuk dan keluar dari inner tube pada seksi uji.

8 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui pengaruh variasi temperature (T h,i ) fluida nano TiO 2 /Heat transfer oil termo XT32 terhadap perpindahan kalor konveksi dan efektivitas pada alat penukar kalor pipa konsentrik. 2. Mengetahui pengaruh variasi fraksi volume fluida nano TiO 2 /Heat transfer oil termo XT32 terhadap perpindahan kalor konveksi dan efektivitas alat penukar kalor pipa konsentrik. 3. Mengetahui pengaruh twist ratio dari twisted tape insert terhadap efektivitas dan perpindahan kalor konveksi pada alat penukar kalor pipa konsentrik. 4. Mengetahui pengaruh twist ratio dari twisted tape insert dan penambahan nano partikel TiO 2 dengan fraksi volume sebesar 0,3 %Vol terhadap pumping powerheat transfer area Manfaat Penelitian Dari hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat sebagai suatu bahan referensi dan memberikan kontribusi yang baik bagi perkembangan ilmu pengetahuan di masa yang akan datang maupun untuk perkembangan teknologi nanofluida.