ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA BERSIRIP ENAM JARUM Skripsi Oleh : ARIF JOKO WICAKSONO NIM K 2507010 FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Maret 2013
PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN Saya yang bertanda tangan di bawah ini Nama : Arif Joko Wicaksono NIM : K2507010 Jurusan/Prodi : Pendidikan Teknik dan Kejuruan/Pendidikan Teknik Mesin Menyatakan bahwa skripsi saya berjudul ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA BERSIRIP ENAM JARUM ini merupakan hasil karya saya sendiri. Selain itu, sumber informasi yang dikutip dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka. Apabila pada kemudian hari terbukti atau dapat dibuktikan skripsi ini hasil jiplakan, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan saya. Surakarta, Maret 2013 Yang membuat pernyataan Arif Joko Wicaksono ii
ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA BERSIRIP ENAM JARUM Skripsi Oleh: ARIF JOKO WICAKSONO NIM K 2507010 Diajukan sebagai salah satu persyaratan mendapat gelar Sarjana Program Studi Pendidikan Teknik Mesin Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Maret 2013 iii
HALAMAN PERSETUJUAN Skipsi ini telah disetujui untuk dipertahankan di hadapan Tim Penguji Skripsi Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta. Pada Hari : Selasa Tanggal : 26 Maret 2013 Persetujuan Pembimbing iv
PENGESAHAN Skripsi ini telah dipertahankan di hadapan Tim Penguji Skripsi Program Studi Pendidikan Teknik Mesin Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret Surakarta dan diterima untuk memenuhi persyaratan mendapatkan gelar sarjana pendidikan. Pada hari : Rabu Tanggal : 3 April 2013 v
MOTTO "Dan Dia ( Allah ) telah memberikan kepadamu (keperluanmu) dan segala apa yang kamu mohonkan kepadanya. Dan jika kamu menghitung nikmat Allah, tidaklah dapat kamu menghitungnya. Sesungguhnya manusia itu sangat zalim dan sangat mengingkari nikmat Allah". (QS. Ibrahim, 14:34) Tidak ada yang dapat menambah umur kecuali kebaikan, dan tidak ada yang dapat menolak takdir kecuali do a. (HR. Ahmad dan Ibnu Majah) Percayalah lelah ini hanya sebentar saja, jangan menyerah walaupun tak mudah meraihnya. Teruslah tersenyum biar semakin mudah, karena kesedihan ternyata hanya sementara. vi
PERSEMBAHAN Dengan mengucap puji syukur ke hadirat Allah SWT, dengan segala kerendahan hati, karya ini saya persembahkan kepada: Bapak dan Ibu yang telah memberi kesempatan kepadaku untuk menikmati indahnya hidup ini. Dua kakak-ku yang selalu menasehatiku dan adik kecilku yang mulai remaja. Arif Yun, Didik, dan Wahnuri kawanku yang tak habis memberi motivasi. Teman-teman diskusiku Mar ah, D Ariyanti, dan Wacit. Semua Dosen PTM yang telah membimbing saya selama kuliah di PTM. Teman-teman PTM angkatan 2007 seperjuangan. Almamater vii
ABSTRAK Arif Joko Wicaksono. ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA BERSIRIP ENAM JARUM. Skripsi, Surakarta : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan. Unversitas Sebelas Maret Surakarta, Maret 2013. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui : (1) Pengaruh variasi jarak antar sirip enam jarum terhadap koefisien perpindahan kalor. (2) Pengaruh variasi laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. (3) Pengaruh variasi laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (4) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi jarak antar sirip dan laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. (5) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi jarak antar sirip dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (6) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (7) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (8) Pengaruh yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor optimal antara variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar. Penelitian ini dilakukan di laboratorium produksi Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK FKIP UNS. Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Populasi dalam penelitian ini adalah pipa bersirip enam jarum bervariasi jarak antar siripnya dengan beberapa variasi kecepatan aliran air. Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa bersirip enam jarum dengan variasi jarak antar siripnya 5mm, 10mm, 15mm, dan 20mm. Adapun variasi laju aliran air yang digunakan untuk laju aliran pipa dalam menggunakan variasi 0,1 lt/s; 0,08 lt/s; 0,06 lt/s, dan laju aliran pipa luar menggunakan variasi 0,13 lt/s; 0,1 lt/s; 0,07 lt/s.teknik analisis data pada penelitian ini menggunakan uji anava tiga arah. Hasil penelitian ini adalah : (1) Ada pengaruh yang signifikan dengan taraf signifikasi 1 % atau lebih pada variasi jarak antar sirip terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 19,152 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (2) Ada pengaruh yang signifikan dengan taraf signifikasi 1 % atau lebih pada variasi laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 14740,634 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (3) Ada pengaruh yang signifikan dengan taraf signifikasi 1 % atau lebih pada variasi laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 4920,749 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (4) Ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan dengan signifikansi 1% atau lebih pada variasi jarak antar sirip dan laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 1,844 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (5) Ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan dengan signifikansi 1% atau lebih pada variasi jarak antar sirip dan laju aliran luar viii
terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 4,755 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (6) Ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan dengan taraf signifikasi 1% atau lebih pada variasi laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa = 36,023 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (7) Ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan dengan taraf signifikasi 1 % atau lebih pada variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam, dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa bahwa = 6,00384 lebih besar dari = 1,7147. ( > ). (8) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor optimal adalah pada pipa sirip jarum dengan jarak antar sirip 10mm, laju aliran dalam 0,1lt/s dan laju aliran luar 0,13lt/s yaitu 0,08407. Kata Kunci : Alat penukar kalor pipa ganda, Variasi jarak antar sirip, Pipa bersirip jarum, Laju aliran lawan arah. ix
ABSTRACK Arif Joko Wicaksono. ANALYSIS OF HEAT TRANSFER IN SIX-PIN FINNED TUBE OF DOUBLE PIPES HEAT EXCHANGER. Thesis, Surakarta: Faculty of Training and Education. Sebelas Maret University Surakarta, Maret 2013. The purpose of this study investigated: (1) Effect of variation distance between the fins of six pin against heat transfer coefficient. (2) The Effect of variation inside flow rates against heat transfer coefficient. (3) The effect of variation outside flow rates against heat transfer coefficient. (4) The joint effect (interaction) variation distance between the fins of six pin and inside flow rates against heat transfer coefficient. (5) The joint effect (interaction) variation distance between the fins of six pin and outside flow rates against heat transfer coefficient. (6) The joint effect (interaction) between variation inside flow rates and outside flow rates against heat transfer coefficient. (7) The joint effect (interaction) variation distance between the fins of six pin, inside flow rates and outside flow rates against heat transfer coefficient. (8) The effect that purpose an optimal heat transfer coefficient of the variation distance between the fins of six pin, inside flow rates and outside flow rates. This research used experimental methods. The population used in this research from variation distance between the fins of six pin with a few variations water flow rates. The sample used in this study is a six-pin finned pipe with variation distance between the fin 5mm, 10mm, 15mm, and 20mm. The variation inside flow rates used 0,06 lt/s, 0,08 lt/s, and 0,1 lt/s. Outside flow rates used 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, and 0,13 lt/s. the data analysis technique in this study using three-way anova test. The result of this study are: (1) There is a significant effect with significance level 1% or more on the variation distance between fins of six pin against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 19,152 is larger than = 1,7147. ( > ). (2) There is a significant effect with significance level 1% or more on the variation of the inside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 14740,634 is larger than = 1,7147. ( > ). (3) There is a significant effect with significance level 1% or more on the variation of the outside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 4920,749 is larger than = 1,7147. ( > ). (4) There is a joint effect (interaction) is significant with significance level 1% or more of the variation in the distance between the fins of six pin and the inside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 1,844 is larger than = 1,7147. ( > ). (5) There is a joint effect (interaction) is significant with significance level 1% or more of the variation in the distance between the fins of six pin and the outside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 1,844 is larger than x
= 1,7147. ( > ). (6) There is a joint effect (interaction) is significant with significance level 1% or more of the variation inside flow rates and the inside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 36,023 is larger than = 1,7147. ( > ). (7) There is a joint effect (interaction) is significant with significance level 1% or more of the variation in the distance between the fins of six pin, the inside flow rates, and outside flow rates against heat transfer coefficient. Can be seen in the data analysis of the test results stating that = 1,844 is larger than = 1,7147. ( > ). (8) Effect of joint (interaction) the variation of the distance between the fins of six pin, the inside flow rates, and outside flow rates which produce optimal heat transfer coefficient is the pipe with distance between the fins 10mm, the inside flow rates of 0,1 lt/s and the outside flow rates 0,13 lt/s is 0,08407. Keywords: Double pipe heat exchanger, Variation distance between the fins, Pin finned tube, Counter flow. xi
KATA PENGANTAR Puji syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT. Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan nikmat dan hidayah-nya, sehingga dapat menyelesaikan penelitian Skripsi ini, untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Pendidikan. Banyak hambatan yang menimbulkan kesulitan dalam menyelesaikan penelitian skripsi ini, namun berkat bantuan dari berbagai pihak akhirnya kesulitan yang timbul dapat teratasi. Untuk itu dikesempatan yang berbahagia ini, peneliti menyampaikan ucapan terima kasih atas segala bantuannya kepada yang terhormat: 1. Bapak Prof.Dr.H.M. Furqon Hidayatullah, M.Pd, sebagai Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan UNS Surakarta. 2. Bapak Drs. Sutrisno, ST.,M.Pd., sebagai Ketua Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan FKIP UNS Surakarta. 3. Bapak Yuyun Estriyanto, S.T., M.T. sebagai Ketua Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Pendidikan Teknik dan Kejuruan FKIP UNS Surakarta. 4. Bapak Drs. Subagsono, M.T. sebagai Dosen Pembimbing I. 5. Bapak Danar Susilo Wijayanto, S.T., M.Eng. sebagai Dosen Pembimbing II. 6. Herman Saputro, S.Pd., M.T., M.Pd. dan Danar Susilo Wijayanto, S.T., M.Eng. sebagai Pembimbing Akademik. 7. Segenap dosen Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK FKIP UNS. 8. Segenap karyawan Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan FKIP UNS. 9. Teman-Teman Relawan Siaga Nusantara, Himpunan Mahasiswa Jurusan, Badan Eksekutif Mahasiswa Kabinet Berkarya, sebagai inspirasi dan penyemangatku. 10. Mahasiswa Pendidikan Teknik Mesin angkatan tahun 2007. 11. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung telah memberikan dukungan dan bantuan sehingga dapat selesainya skripsi ini. Peneliti menyadari masih banyak kekurangan dalam skripsi ini dan jauh dari kata sempurna. Untuk itu peneliti mengharapkan kritik dan saran yang xii
membangun untuk menyempurnakan skripsi ini. Terakhir, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi peneliti maupun bagi para pembaca. Amin. Surakarta, Maret 2013 Penulis xiii
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PERNYATAAN... ii HALAMAN PENGAJUAN... iii HALAMAN PERSETUJUAN... iv HALAMAN PENGESAHAN... v HALAMAN MOTTO... vi HALAMAN PERSEMBAHAN... vii HALAMAN ABSTRAK... viii KATA PENGANTAR... xii DAFTAR ISI... xiv DAFTAR TABEL... xvi DAFTAR GAMBAR... xvii DAFTAR LAMPIRAN... xix BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Identifikasi Masalah... 3 C. Pembatasan Masalah... 3 D. Perumusan Masalah... 3 E. Tujuan Penelitian... 4 F. Manfaat Penelitian... 5 BAB II KAJIAN PUSTAKA A. Kajian Teori... 6 B. Penelitian yang Relevan... 24 C. Kerangka Berpikir... 26 D. Hipotesis... 28 xiv
BAB III METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian... 29 B. Metode Penelitian... 29 C. Desain Penelitian... 30 D. Populasi dan Sampel... 31 E. Teknik Pengambilan Data... 32 F. Analisis Data... 35 BAB IV HASIL PENELITIAN A. Deskripsi Data... 42 B. Uji Prasyaratan Analisis... 52 C. Pengujian Hipotesis... 54 D. Pembahasan Hasil Analisis Data... 56 BAB V. SIMPULAN, IMPLIKASI, DAN SARAN A. Simpulan Penelitian... 59 B. Implikasi... 61 C. Saran... 62 DAFTAR PUSTAKA... 63 LAMPIRAN... 65 xv
DAFTAR TABEL Tabel Halaman 1 Konstanta menurut Hilpert, Knudsen, dan Katz... 24 2 Pengumpulan Data... 36 3 Jumlah AB... 39 4 Jumlah AC... 39 5 Jumlah BC... 40 6 Jumlah ABC... 40 7 Rangkuman Analisis Variansi Tiga Jalan... 41 8 Data Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor... 42 9 Rerata Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor... 43 10 Hasil Uji Normalitas dengan Metode Liliefors... 53 11 Rangkuman Hasil Uji F untuk Anava Tiga Jalan... 54 xvi
DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 1 Perpindahan Konveksi pada Suatu Plat... 7 2 Perpindahan Panas Radiasi... 8 3 Klasifikasi Penukar Kalor Berdasarkan Aliran Fluida... 9 4 Kondensor... 10 5 Variasi Sirip... 11 6 Variasi Bentuk Sirip... 11 7 Aliran Kalor Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang... 12 8 Analogi Tahanan untuk Silinder Berlubang dan Analogi Listriknya... 14 9 Pipa Dalam dengan Sirip Enam Jarum... 15 10 Profil Suhu untuk Aliran Sejajar dan Aliran Lawan Arah dalam Penukar Kalor Pipa Ganda... 16 11 Efektivitas untuk Aliran Lawan Arah... 20 12 Efisiensi Sirip... 21 13 Aliran Silang yang Melintas pada Suatu Silinder... 22 14 Skema Paradigma Penelitian... 27 15 Diagram Alir Proses Penelitian... 30 16 Pipa Tembaga dengan Sirip Enam Jarum... 33 17 Desain Eksperimen Alat Penukar Kalor... 34 18 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,06 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 44 19 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,08 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 44 xvii
20 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,1 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 45 21 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,06 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 45 22 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,08 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 46 23 Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,1 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s... 47 24 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Jarak antar Sirip 5mm... 48 25 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Jarak antar Sirip 10mm... 49 26 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Jarak antar Sirip 15mm... 49 27 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Jarak antar Sirip 20mm... 50 28 Pengaruh Laju Aliran Luar pada Jarak antar Sirip 5mm... 50 29 Pengaruh Laju Aliran Luar pada Jarak antar Sirip 10mm... 51 30 Pengaruh Laju Aliran Luar pada Jarak antar Sirip 15mm... 51 31 Pengaruh Laju Aliran Luar pada Jarak antar Sirip 20mm... 52 xviii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Halaman 1 Data Hasil Pengukuran Temperatur... 65 2 Tabel Kalibrasi Sensor Termokopel... 70 3 Data Hasil Pengukuran Temperatur setelah Kalibrasi... 75 4 Contoh Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor... 80 5 Uji Normalitas... 89 6 Uji Homogenitas... 106 7 Uji Analisis Variansi Tiga Jalan... 110 8 Tabel Sifat-sifat Air (Zat Air Jenuh)... 119 9 Nilai Kritik Uji Liliefors... 120 10 Nilai Kritik Uji Bartlett... 121 11 Foto Dokumentasi Penelitan... 122 Lampiran Surat-surat Administrasi Skripsi 1 Presensi Seminar Proposal Skripsi... 129 2 Surat Permohonan Ijin Menyusun Skripsi... 131 3 Surat Keputusan Dekan FKIP UNS... 132 4 Surat Permohonan Ijin Research... 133 5 Surat Keterangan telah Melaksanakan Penelitian... 135 xix