STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH SLANT ANGLE TERHADAP PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK DENGAN LOUVERED STRIP INSERT SUSUNAN FORWARD SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: INDRA SETYAWAN NIM. I 1413018 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015 i
PERSEMBAHAN Sebuah hasil karya demi menggapai sebuah cita-cita, yang ingin kupersembahkan kepada: 1. Allah SWT, karena dengan rahmat serta hidayah-nya saya dapat melaksanakan `Tugas Akhir dengan baik serta dapat menyelesaikan laporan ini dengan lancar. 2. Bapak dan Ibuku tercinta terima kasih atas semua dukungan, do a, materi, segala perjuangan dan pengorbanan yang telah diberikan untukku. 3. Bapak Agung Tri Wijayanta selaku dosen pembimbing 1 yang selalu memberi petunjuk dan mengajari kami dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 4. Bapak Tri Istanto (Alm) selaku dosen pembimbing 2 yang selalu mengajari kami dan menuntun kami dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 5. Kakakku tercinta Mas Andik Kustanto (Alm) yang sudah membelikan saya printer untuk keperluan kuliah. 6. Neny Purwandari yang selama ini memberikan saya dukungan terus menerus hingga saya selalu bersemangat dalam melalui hari hari terberat saya di kampus. 7. Semua teman-temanku yang sering memberi masukan ide kepada saya. iv
MOTTO Manusia sepantasnya berusaha dan berdoa, tetapi Tuhan yang menentukan. Apa yang kita cita-citakan tidak akan terwujud tanpa disertai tekad dan usaha yang keras serta doa. Kegagalan merupakan sebuah proses menuju keberhasilan. Orang yang mengabaikan orang lain lambat laun akan mengabaikan dirinya sendiri. Jangan pernah berpikir orang lain lebih baik darimu, dan jangan pernah berpikir kamu lebih baik dari orang lain, teruslah bersyukur atas apa yang kamu miliki. v
Studi Eksperimental Pengaruh Slant Angle Terhadap Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik dengan Louvered Strip Insert Susunan Forward Indra Setyawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail: indra4today@gmail.com Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk meneliti pengaruh sudut kemiringan (slant angle = ) terhadap peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik dengan louvered strip insert susunan forward. Pada penelitian ini louvered strip insert divariasi sebesar 15 o, 20 o dan 25 o. Sebagai perbandingan, pada penelitian ini juga dilakukan pengujian pada penukar kalor tanpa sisipan (plain tube). Fluida kerja yang digunakan adalah air panas di pipa dalam dan air dingin di annulus dengan arah aliran berlawanan arah. Pengujian dilakukan pada kisaran bilangan Reynolds (Re) 5.300-17.500. Hasil pengujian menunjukkan peningkatan bilangan Nusselt (Nu), faktor gesekan (f) dan rasio peningkatan perpindahan panas dibandingkan dengan plain tube. Karakteristik bilangan Nusselt (Nu), faktor gesekan (f) dan rasio peningkatan perpindahan panas dengan penambahan louvered strip insert meningkat dengan kenaikan sudut kemiringan ( ). Pada Re = 5.300-17.500 nilai Nu i pipa dalam dengan penambahan louvered strip insert dengan α = 15 o, 20 o dan 25 o berturut- turut meningkat dalam kisaran 19,04% - 22,86%; 48,09% - 54,83%; dan 67,43% - 77,02% dibandingkan dengan Nu i plain tube. Pada Re = 5.300-17.500 nilai faktor gesekan rata-rata di pipa dalam dengan penambahan louvered strip insert variasi α = 15 o, 20 o dan 25 o berturut-turut sebesar 1,52; 2,56; dan 3,35 kali lebih besar dibandingkan faktor gesekan plain tube. Rasio peningkatan perpindahan panas penukar kalor dengan penambahan louvered strip insert dengan = 15 o, 20 o dan 25 o berturut-turut dalam kisaran 1,00-1,06; 1,02-1,08; dan 1,03-1,12. Kata kunci: bilangan Nusselt, commit faktor to gesekan, user louvered strip insert, sudut kemiringan vi
Experimental Study Effect of Slant Angle on Heat Transfer Enhancement in Concentric Pipe With Forward Arrangement of Louvered Strip Insert Indra Setyawan Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E-mail: indra4today@gmail.com Abstract This study was conducted to investigate the effect of slant angle (α) on heat transfer enhancement in concentric pipe heat exchanger with forward arrangement of louvered strip insert. In this study, louvered strip insert is varied with α = 15 o, 20 o and 25 o. For comparison, in this study also tested the heat exchanger without insert (plain tube). The working fluid in the inner tube was hot water and in the annulus was cold water, with the flows direction were counterflow. Tests were conducted at a Reynolds number (Re) 5300 17,500. The study result show that an increase in the Nusselt number (Nu), friction factor (f), and heat transfer enhancement. Characteristics of Nusselt number (Nu) friction factor (f), and heat transfer enhancement rato with the addition of louvered strip insert increases with increasing slant angle (α). At 5300 < Re < 17500 the value of Nu i in the inner pipe with the addition of louvered strip insert with α = 15 o, 20 o and 25 o increases in the range of 19.04% - 22.86%, 48.09% - 54.83%, and 67.43% - 77.02% compared with Nu i of plain tube respectively. At Re 5300 < Re < 17500 The value of friction factor in the inner pipe with the addition of louvered strip insert with α = 15 o, 20 o and 25 o is 1.52, 2.56 and 3.35 times greater than friction factor of plain tube respectively. Heat transfer enhancement ratio with addition of louvered strip insert with α = 15 o, 20 o and 25 o in the range of 1.00 1.06, 1.02 1.08 and 1.03 1.12 respectively Keyword: friction factor, louvered strip insert, Nusselt Number, slant angle. vii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-nya. Sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi yang berjudul Studi Eksperimental Pengaruh Slant Angle Terhadap Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik dengan Louvered Strip Insert Susunan Forward. Banyak upaya dan usaha keras yang penulis kerjakan untuk mengatasi hambatan dan kesulitan yang ada selama pengerjaan Skripsi ini. Dan berkat rahmat Allah SWT dan bantuan dari segala pihak, akhirnya tugas ini dapat terselesaikan. Untuk itu dalam kesempatan yang bahagia ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-nya. 2. Ayah dan Ibu tercinta beserta semua keluarga yang telah memberikan dukungan, do a dan bimbingan kepada penulis. 3. Bapak Agung Tri Wijayanta, M.Eng., Ph.D., selaku pembimbing I yang senantiasa memberikan arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan Skripsi ini. 4. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku pembimbing II yang telah mencurahkan segenap perhatian, ilmu, bimbingan, dan nasehat hingga selesainya penulisan Skripsi ini. 5. Bapak Dr Eng. Syamsul Hadi, ST, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 6. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT., Dr Eng. Syamsul Hadi, ST, MT. dan Eko Prasetyo B., ST, MT selaku dosen penguji yang selalu memberikan kritik dan saran membangun demi sempurnanya Skripsi ini. 7. Bapak D Danardono Dwi Prija T. ST. MT. PhD selaku pembimbing akademis yang selalu memberi arahan selama kuliah dari awal semester hingga akhir. 8. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. viii
9. Teman-teman heat exchanger yang selalu memberi masukan dalam menyelesaikan Skripsi ini. 10. Neny Purwandari yang selalu memberikan semangat, dukungan moril, dan materil. 11. Kakakku Andik kustanto (Alm) yang selalu memberikan inspirasi kepadaku. 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 untuk kita semua, aamiin. Penulis yakin tanpa bantuan dari semua pihak, karya ini akan sulit terselesaikan dalam hal perancangan, pengujian, pembuatan laporan, dan dalam ujian pendadaran. Penulis menyadari banyak kekurangan dalam penyusunan laporan ini, maka penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi kemajuan bersama. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya dan dapat menambah wawasan keilmuan bersama. Surakarta, 1 Desember 2015 Penulis ix
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i SURAT TUGAS... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN PERSEMBAHAN... iv HALAMAN MOTTO... v ABSTRAK... vi KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR NOTASI... xv DAFTAR TABEL... xvii DAFTAR PERSAMAAN... xviii DAFTAR LAMPIRAN... xx BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar belakang masalah... 1 1.2. Perumusan masalah... 5 1.3. Batasaan masalah... 5 1.4. Tujuan dan manfaat... 5 1.5. Sistematika penulisan... 5 BAB II LANDASAN TEORI... 7 2.1 Tinjauan pustaka... 7 2.2 Dasar teori... 10 2.2.1 Penukar kalor... 10 2.2.2 Penukar kalor pipa konsentrik... 12 2.2.2.1 Teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik... 13 2.2.2.1.1 Louvered strip insert... 14 x
2.2.3 Perhitungan karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan dan rasio peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik... 15 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 18 3.1. Tempat penelitian... 18 3.2. Skema alat penelitian... 18 3.3. Alat dan instrumentasi penelitian... 20 3.4. Diagram alir penelitian... 31 3.5. Prosedur penelitian... 32 3.5.1 Tahap persiapan... 32 3.5.2 pengujian penukar kalor tanpa louvered strip insert (plain tube)... 32 3.5.3 pengujian penukar kalor dengan louvered strip insert... 33 3.6. Metode analisis data... 34 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 36 4.1. Data hasil pengujian... 36 4.2. Perhitungan data... 36 4.3. Analisis data... 37 4.3.1 Validasi karakteristik perpindahan panas plain tube... 37 4.3.2 Validasi karakteristik faktor gesekan plain tube... 38 4.3.3 Pengaruh sudut kemiringan (slant angle) terhadap karakteristik perpindahan panas penukar kalor dengan penambahan louvered strip insert... 39 4.3.4 Pengaruh sudut kemiringan (slant angle) terhadap karakteristik faktor gesekan penukar kalor dengan penambahan louvered strip insert.... 40 4.3.5 Pengaruh sudut kemiringan (slant angle) terhadap karakteristik effektivenes penukar kalor dengan penambahan louvered strip insert.... 43 xi
4.3.6 Pengaruh sudut kemiringan (slant angle) terhadap karakteristik rasio peningkatan perpindahan panas penukar kalor dengan penambahan louvered strip insert... 44 4.3.7 Korelasi-korelasi untuk memprediksi perpindahan panas dan faktor gesekan... 45 4.3.8 Perbandingan hasil eksperimen louvered strip insert dengan penelitian sebelumnya... 47 BAB IV PENUTUP... 50 5.1 Kesimpulan... 50 5.2 Saran... 51 DAFTAR PUSTAKA... 52 LAMPIRAN... 54 xii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar (2.1) (a) Skema pemasangan sisipan penelitian Eimsa, 2008... 7 (b) Dimensi sisipan penelitian Eimsa, 2008... 7 Gambar (2.2) (a) Hasil penelitian Nusselt Eimsa, 2008... 8 (b) Hasil penelititan faktor Gesekan Eimsa, 2008... 8 Gambar (2.3) (a) Skema pemasangan sisipan penelitian Fan, 2012... 9 (b) Dimensi sisipan penelitian Fan, 2012... 9 Gambar (2.4) (a) Hasil penelitian Nusselt Fan, 2012... 9 (b) Hasil penelititan faktor gesekan Fan, 2012... 9 Gambar (2.5) (a) Arah aliran fluida counter flow... 11 (b) Perubahan temperatur penukar kalor counter flow... 11 Gambar (2.6) Analogi listrik penukar kalor pipa konsentrik... 12 Gambar (2.7) Nomenklatur louvered strip insert... 14 Gambar (3.1) Skema alat pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan louvered strip insert... 18 Gambar (3.2) Alat penelitian... 19 Gambar (3.3) Skema pengukuran temperatur di penukar kalor... 20 Gambar (3.4) Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan louvered strip insert... 22 Gambar (3.5) Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan... 22 Gambar (3.6) Skema pemasangan louvered strip insert di pipa dalam... 23 Gambar (3.7) Louvered strip insert pandangan atas... 23 Gambar (3.8) Louvered strip insert yang digunakan dalam penelitian... 23 Gambar (3.9) (a) Gambar detail flange... 24 (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan... 24 Gambar (3.10) Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar di pipa dalam... 25 Gambar (3.11) Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding luar pipa dalam... 25 xiii
Gambar (3.12) Thermocouple reader... 25 Gambar (3.13) Temperature controller... 26 Gambar (3.14) Pemanas air elektrik... 26 Gambar (3.15) Tangki air panas dan dingin... 27 Gambar (3.16) Pompa sentrifugal... 27 Gambar (3.17) Rotameter... 28 Gambar (3.18) Penjebak air... 28 Gambar (3.19) Manometer pipa U... 29 Gambar (3.20) Stopwatch... 29 Gambar (3.21) Stop kran... 30 Gambar (3.22) Ball valve... 30 Gambar (4.1) Grafik hubungan bilangan Nusselt dengan bilangan Reynolds plain tube... 37 Gambar (4.2) Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds plain tube.. 38 Gambar (4.3) Grafik hubungan bilangan Nusselt dengan bilangan Reynolds... 39 Gambar (4.4) Grafik hubungan penurunan tekanan dengan bilangan Reynolds... 41 Gambar (4.5) Grafik hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds... 42 Gambar (4.6) Grafik hubungan effectiveness dengan bilangan Reynolds... 43 Gambar (4.7) Grafik hubungan rasio peningkatan perpindahan panas dengan bilangan Reynolds... 44 Gambar (4.8) Perbandingan antara bilangan Nusselt prediksi dan eksperimen... 46 Gambar (4.9) Perbandingan antara faktor gesekan prediksi dan eksperimen... 47 Gambar (4.10) Perbandingan nilai Nusselt tertinggi dengan penelitian sebelumnya... 48 Gambar (4.11) Perbandingan nilai faktor gesekan dengan penelitian sebelumnya... 49 Gambar (D.1) Grafik hubungan antara Re dengan Wpump... 94 Gambar (D.2) Grafik hubungan antara h i dan Wpump... 95 xiv
DAFTAR NOTASI A c luas penampang saluran (m 2 ) A i luas permukaan dalam pipa dalam (m 2 ) A o luas permukaan luar pipa dalam (m 2 ) Cp,c panas jenis air dingin di annulus (kj/kg. o C) Cp,h panas jenis air panas di pipa dalam (kj/kg. o C) S Jarak antar pitch (mm) Sudut serang sisipan terhadap aliran fluida di pipa dalam ( ) d i d o D D h f diameter dalam pipa dalam (m) diameter luar pipa dalam (m) diameter dalam pipa (m) diameter hidrolik (m) faktor gesekan g percepatan gravitasi (m/s 2 ) h i koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m 2. o C) h o koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m 2. o C) h p koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di plain tube (W/m 2. o C) h s koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan sisipan (W/m 2. o C) k f konduktivitas termal rata-rata air panas di pipa dalam (W/m. o C) K m konduktivitas termal material pipa dalam (W/m. o C) L L t ṁ c ṁ h Nu i P Pr panjang pipa (m) panjang pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m) laju aliran massa air dingin di annulus (kg/s) laju aliran massa air panas di pipa dalam (kg/s) bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam panjang louvered strip insert (m) bilangan Prandtl xv
Q aktual Q c Q h Q loss Q maksimum Re laju perpindahan panas aktual dari penukar kalor (W) laju perpindahan panas ke annulus (W) laju perpindahan panas di pipa dalam (W) kehilangan panas konveksi di pipa dalam (W) laju perpindahan panas maksimum yang mungkin dari penukar kalor (W) bilangan Reynolds T b,c temperatur air dingin bulk rata-rata di annulus ( o C) T b,h Temperatur air panas bulk rata-rata di pipa dalam ( o C) T c,i temperatur air dingin masuk annulus ( o C) T c,o temperatur air dingin keluar annulus ( o C) T h,i temperatur air panas masuk pipa dalam ( o C) T h,o temperatur air panas keluar pipa dalam ( o C) T w, o U i V. V W pompa temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam ( o C) koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan permukaan dalam pipa dalam (W/m 2. o C) kecepatan rata-rata air panas di pipa dalam (m/s) laju aliran volumetrik (debit) air panas di pipa dalam (m 3 /s) daya pemompaan (W) efektivenes penukar kalor densitas air panas di pipa dalam (kg/m 3 ) m densitas fluida manometer (kg/m 3 ) h P viskositas dinamik air panas di pipa dalam (kg/m.s) beda ketinggian fluida manometer (m) penurunan tekanan (Pa) T LMTD beda temperatur rata-rata logaritmik ( o C) xvi
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Tabel C.1 Tabel C.2 Perkembangan dan hasil penelitian alat penukar kalor pipa konsentrik Halaman dengan berbagai variasi sisipan... 3 Tabel hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan plain tube... 91 Tabel hasil perhitungan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pipa dalam dengan louvered strip insert... 92 Tabel D.1 Rekapitulasi perhitungan unjuk kerja termal... 97 xvii
DAFTAR PERSAMAAN Persamaan (2.26) Persamaan Petukhov... 17 xviii Halaman Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds... 11 Persamaan (2.2) Diameter hidrolik... 11 Persamaan (2.3) Aliran laminar pada pipa halus... 11 Persamaan (2.4) Aliran transisi pada pipa halus... 11 Persamaan (2.5) Aliran turbulen pada pipa halus... 11 Persamaan (2.6) Tahanan termal total (Rtotal)... 13 Persamaan (2.7) Laju perpindahan panas antara dua fluida (Q)... 13 Persamaan (2.8) Tahanan termal total (R total) dari hubungan koefisien perpindahan apanas overall... 13 Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas di pipa dalam (Q h )... 15 Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ke air dingin di sisi annulus (Q c )... 15 Persamaan (2.11) T Bulk dan T wall... 15 Persamaan (2.12) Kehilangan panas ( Q loss (%))... 15 Persamaan (2.13) Koefisien perpindahan panas menyeluruh (Overall) berdasarkan luas permukaan dalam pipa dalam (U i )... 15 Persamaan (2.14) Beda temperatur logaritmik ( T LMTD )... 15 Persamaan (2.15) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (h o )... 15 Persamaan (2.16) Hubungan tahanan termal total dengan U i dan A i... 16 Persamaan (2.17) Perhitungan tahanan termal total... 16 Persamaan (2.18) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h i )... 16 Persamaan (2.19) Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (N ui )... 16 Persamaan (2.20) Effectiveness penukar kalor ( )... 16 Persamaan (2.21) Penurunan tekanan (pressure drop) ( P)... 16 Persamaan (2.22) Daya pemompaan (pumping power) (W pompa )... 16 Persamaan (2.23) Faktor gesekan (friction factor) (f)... 16 Persamaan (2.24) Bilangan Reynolds (Re) aliran air panas di pipa dalam... 16 Persamaan (2.25) Rasio peningkatan perpindahan panas di daya pompa yang sama... 17
Persamaan (2.27) Persamaan Gnielinski... 17 Persamaan (2.28) Faktor Gesekan Petukhov dan Gnielinski... 17 Persamaan (2.29) Persamaan Blassius... 17 Persamaan (4.1) Korelasi Nu i pada plain tube... 38 Persamaan (4.2) Korelasi faktor gesekan pada plain tube... 38 Persamaan (4.3) Korelasi Nu i pipa dalam dengan penambahan sisipan... 45 Persamaan (4.4) Korelasi faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan sisipan... 45 xix
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran A Data hasil pengujian... 55 A.1 Plain tube... 55 A.2 Louvered strip insert : = 15 o... 61 A.3 Louvered strip insert : = 20 o... 67 A.4 Louvered strip insert : = 25 o... 73 Lampiran B Contoh perhitungan data... 79 B.1 Contoh perhitungan data pengujian dengan laju aliran volumetrik 4,0 LPM untuk plain tube... 79 B.1 Contoh perhitungan data pengujian dengan laju aliran volumetrik 3,5 louvered strip insert dengan sudut kemiringan = 25 o... 86 Lampiran C Rekapitulasi perhitungan... 91 Lampiran D Contoh perhitungan unjuk kerja termal dengan sisipan louvered strip insert... 94 Lampiran E Perhitungan peningkatan pada setiap sisipan... 98 Lampiran F Tabel konduktifitas termal material... 99 Lampiran G Tabel properties of water... 100 xx