JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Erwin Firmansyah

JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA
Erwin Firmansyah
20400433
JURUSAN TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS GUNADARMA
2006
1
Abstraksi
Alat penukar kalor / panas(heat exchanger) dengan bermacam tipe digunkan dalam
sistem permesinan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari koefisien perpindahan
panas total didalam pipa konsentrik dengan aliran searah dan berlawanan arah.
Pipa koesentrik dengan diameter dalam 0,75 in, diameter pipa luar 0,5 in dipasang
secara horizontal, sirkulasi air dengan pompa dimana air panas mengalir di dalam dan
air dingin diluar. Temperartur air panas dan air dingin di ukur sebelum masuk dan di
ukur pada saat keluar. Variasi laju aliran di ukur dengan gelas ukur. Hasil di tunjukkan
dalam grafik, dimana debit aliran atau angka bilangan Reynolds, selisih temperature,
material pipa, diameter pipa, angka Nusselt sangat berpengaruh terhdap koefisien
perpindahan panas.
2
Pendahuluan
persamaan di atas tersebut adalah untui
Perkembangan teknologi saat ini sangat menentukan laju aliran perpindahan panas
berkembang dengan pesat seiring dengan pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida
proses globalisasi dalam segala bidang, yang di gunakan adalah air panas yang
salah
satunya
dalam
bidang
ilmu dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu
pengetahuan dan teknolgi, terutama yang 100ºC.
erat kaitannya dalam hal industri sehingga
Untuk
mempermudah
penulisan
sangat di butuhkan temuan – temuan khususnya dalam perhitungan data maka
inovative
yang
dapat
mendukung dilakukan
pembatasan
–
pembatasan
perkembangan industri tersebut yang dapat masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan
berupa teori – teori atau pun berupa alat – masalah dan asumsi tersebut antara lain:
alat. Temuan tersebut tentu harus sudah 1. Tipe alat penukar panas yang digunakan
melalui
proses banyak
penelitian
dan
adalah sebuah pipa yang mana pipa
percobaan untuk menghasilkan efesiensi
yang digunakan adalah pipa pvc dan
yang besar.
pipa
tembaga
yang
merupakan
cangkang.
Permasalahan dan Batasan Masalah
Dalam
perpindahan
panas
2. Fluida yang digunakan adalah air panas.
(heat 3. Salah satu fluida (air) mengalir melalui
exchanger) pada pipa kosentrik yang mana
pipa
di
dalamnya,
fluida
tersebut
pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa
mengalir melalui cincin yang berbentuk
tembaga dan pipa pvc, yang digabungkan
silinder pipa, maupun silinder dalam dan
menjadi satu, yang mana fungsinya untuk
silinder luar.Karena kedua aliran fluida
mencari nilai koesifien perpindahan panas
melintas penukar panas hanya sekali,
tersebut yang terjadi di dalam pipa tembaga.
maka dinamakan satu lintas saja(single
Sehingga kita menggunkan sebuah rumus
pass), lalu dalam penelitian alat ini
perpindahan panas yang utama yaitu :
kedua fluida itu mengalir dalam arah
yang sama atau berbarengan (parallel
dq = U.d.A.∆ T
flow), dan juga terdapat aliran berlawan
Dalam persamaan tersebut U adalah
arah(counter flow), yang mana terdapat
koefisien perpindahan panas yang tidak
beda suhu antara fluida yang panas dan
berdimensi.yang
fluida
mana
maksud
dari
3
yang
dingin
tidak
konstan
nilainya pada sepanjang pipa dan laju
perpindahan panas total pada logam
aliran panasanya akan berbeda- beda.
tembaga , di dalam pipa kosentrik dengan
4. Dalam penelitian alat ini menggunkan
aliran searah dan berlawanan arah dan
sebuah pompa air yang jenis tipe semi
perpindahan panas yang terjadi pada pipa
jet pump.
pvc, yang mana di dalam pipa pvc
5. Analisa penelitian menggunakan dasar-
terdapat pipa tembaga. Pada penelitian ini
dasar teori termodinamika yang hanya
menggunkan air panas yang dipanaskan
dipakai materinya yaitu konveksi dan
terlebih dahulu mencapi suhu 100ºC.
konduksi,
radiasi
tidak
dipakai
materinya.
Tujuan penelitian ini yang kita uji coba
adalah untuk mencari nilai koefisien
Hasil Pembahasan
proses sirkulasi air panas menjadi dingin,
yang mana hasil proses sirkulsinya dapat
Desain
alat
yang
digunakan
pada diketahui di bak penampung air. Yang mana
penelitian ini dari panjang pipa pvc terhadap ember tersebut berukuran sedang. Pada
konduktivitas thermalnya dan nilai koefisien instalasi pipa ini teradapat komponen –
thermalnya. Alat yang dibuat desain yaitu komponen di dalamnya yaitu:
suatu perpindahan panas yang dilakukan
-Strenggear.
Yang
gunannya
untuk
menggunakan pipa yang terbuat dari bahan sebagai tempat kedudukan tangki buat air
tembaga yang gunannya untuk mengetahui panas
konduktivitas
thermalnya.
sebuah
rangakian
telah
dipanaskan
terlebih
Untuk dahulu.
mendapatkan data yang benar penulis
menggunakan
yang
- Tangki air panas. Yang gunannya
atau untuk menampung air panas pada suhu
instalasi pipa yang sederhana. Pada alat 100ºC.
penelitian ini dipasang 3 buah katup, di
setiap sambungan pipa pvc, yang mana
- Bak penampung awal. Yang gunannya
fungsinya untuk mengatur tekanan air yang untuk menampung air dingin yang di isi
keluar di outlet pipa menuju ke bak terlebih dahulu.Yang mana fungsinya untuk
penampung air dan pada percobaan ini terjadinya proses sirkulasi air panas menjadi
menggunakan sebauh pompa sejenis jet dingin.
pump yang gunannya untuk untuk sebagai
4
-
Bak
penampung
terakhir.
Yang
Keterangan Gbr:
gunannya untuk menampung air yang
-
Panjang pipa pvc =183 cm
keluar dari ujung outlet pipa tembaga.
-
Panjang pipa tembaga = 176
- Pipa tembaga. Yang gunannya untuk
cm.
pengambilan data. Dengan berdiameter.1
inch.
- Pipa pvc. Yang gunannya untuk
menggabungkan pipa pvc dan pipa tembaga
di
jadi
satu,
yang
fungsinya
untuk
menentukan cara proses kerja perpindahan
panas (heat exchanger).
-
Pompa.
Yang
gunannya
untuk
mengalirkan air dingin dari bak penampung
awal menuju ke sisitem pendingin dan
untuk mempercepat tekanan air.
- Termometer digital Yang gunannya
untuk mengukur suhu pada pipa pvc dan
aluminium
yang
dari
mana
ketelitian Gambar 3.1 Set up alat uji pipa tembaga
bacanya 40 -150ºC (1 buah)
& pipa pvc.
- Stopwatch Yang gunannya untuk
Pada Gbr 3.1. adalah sebuah rangkaian
mengukur waktu yang diperlukkan pada pipa atau instalasi pipa pvc dan pipa
saat mengalirkan air menuju ke bak tembaga. Yang mana pada rangakian pipa
penampung.
tersebut gunannya untuk mengetahui cara
- Gelas ukur. Yang gunannya untuk perpindahan
panas(heat
mengukur berapa liter air yang keluar dari menentukan
outlet pipa tembaga.
thermalnya.
nilai
exchanger),dan
koefisien
panas
Pada pengolahan data ini
kembali di lakukan langkah – langkah
pengambilan data sebagai berikut :
1. Untuk menentukan nila Reynolds :
Re =
5
ρ ud
µ
Dimana :
menuju ke outlet pipa yaitu :
Re = Renould number
ρ = Kerapatan fluida (kg/m 3 )
∆ Tm =
u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu
∆ T max − ∆ T min
2
dalam arah (m/dt)
Dimana :
d = Diameter pipa (m)
µ = Dinamika viskositas (Pa.dt).
∆ Tm = Beda temperatur rata – rata di
dalam penukar kalor.
2. Untuk menentukan aliran koefisien
perpindahan panas :
∆ T max = Beda temperatur maksimum
Nu =
(rad)
h.l
k
∆ T min = Beda temperatur minimum
(rad)
Dimana :
Nu = Nusslet number
h
Rekapitulasi Data.
= Koefisien perpindahan panas konvek
Untuk menentukkan temperatur pada
si.(W/m 2 K)
penelitian alat ini yaitu :
L = Signifikan panjang pipa (m)
k = Konduktivitas thermal (W/m 2 K)
Th1 : Temperatur air panas yang masuk
3. Untuk menentukan nilai konveksi dari
Th 2 : Temperatur air panas yang keluar
dalam yaitu :
Tc1 : Temperatur air dingin yang masuk
Q = U.A. ∆ Tm
Tc 2
: Temperatur air dingin yang masuk
Th
: Temperatur air panas keseluruhan
nya
Dimana :
Tc
Q = Laju volume aliran fluida (air).(m 3 )
: Temperatur air dingin keseluruhan
nya
h.l = Koefisien perpindahan panas fasa cair
∆ Tm : Beda temperature rata – rata kesel
an (W/m 2 K)
uruhanya
T2 = Temperatur awal (ºC)
T1 = Temperatur akhir (ºC)
4. Untuk menentukan waktu aliran air
6
Jumlah panas yang dibutuhkan
didalam
perpindahan
panas
Didalam analisa ini tak lupa penulis
(Heat kemukakan
data
dari
penelitian
yang
exchanger ) dengan berbahan pipa PVC penulis lakukan dengan menghitung /
yang dilapisi pipa tembaga adalah dengan mengukur suatu penelitian yaitu :
•
menghasilkan beda suhu rata – rata dalam
Dimeter dalam pipa (pipa tembaga)
penukar kalor dengan rumus sebagai berikut
= 1,76 inch , dimana diameter
:
dalam tersebut satuannya dijadikan
Untuk mencari perbedaan temperatur/
m (meter).
suhu rata – rata yaitu :
∆ Tm =
∆ Ti + ∆ Te
=
2
Sehingga : 1 inch = 2,54 cm.
½ inch = 2,54 : 2 =0,25
(°K)
cm = 0,025 m.
•
Dimana :
T1
= 363 ° K..
T2
=. 351 º K
T3
= 357 ° K.
T4
= 305 ° K.
Diameter luar pipa (pipa PVC ) =
183 cm = 1,83 m
•
Luas penampang pipa tembaga =
13,8 m² , dimana di dapat dari
rumus : A = π .d.L
penampang
T5 = 307 ° K
dengan
Sehingga kita dapat memasukkan data
tersebut
tersebut ke dalam rumus sebagai berikut :
,
dapat
jadi luas
kita
hjitung
menggunakan
rumus
hitungannya
sebagai
berikut :
Dimana :
∆ Ti = Th1 − Tc 2 dan ∆ Te = Th 2 − Tc1
A= Luas penampang pada perpinda
= ∆ Tm =
∆ Ti + ∆ Te
2
han kalor (m²)
π = Jari – jari silender pada ujung
= ∆ Tm = 35 (°K).
pipa (rad)
d = diameter dalam pipa .(rad)
7
Sehingga hasil yang didapat pada data
h =
diatas yaitu :
A = π .d. L
=
= 3,14 x 0,0127m.2,02m
= 8,05m².
k
A
290
8,05
= 36 (W/m² ºK).
Perhitungan untuk mencari perpinda
Panjang pipa Aluminium = 202 cm
han kalor pada pipa kosentrik.
= 2,02 m.
Dimana untuk menghitung perpindahan
Perhitunganuntuk mencari konduktivitas
panas (k), pada pipa tembaga pada pipa
kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru
konsetrik yaitu :
mus sebagai berikut :
Q = U.A. ∆ Tm
(Th1 − Th 2)
xQ
k= A
L
= 20 W/m 2 x 13,8 m².x (11,10°K)
= 30,63 Watt.
= 591,4 (W/m ºk ).
Perhitungan untuk mencari koefisien
Dimana :
panas yang terjadi pada pipa kosentrik
U = Koefisien perpindahan kalor menye
yaitu :
luruh
h =
k
(W/m² ºK).
A
A = Luas permukaan perpindahan kalor
yang sesuai dengan definisi U
Diketahui :
k
A
∆ Tm = Beda suhu rata – rata.
Diketahui :
= 591,4 (W/m° K) .
= 13,8 (m²).
U = 20 W/m 2 °K
A = 13,8 m².
Jadi dari data diatas dapat kita masukkan
∆ Tm = 11,10 ºK.
kedalam rumus koefisien thermal dibawah
ini :
8
Nu =
Perhitungan untuk mencari kecepatan
aliran pada pipa kosentrik.
h.l
k
42,8 x1,76
591,4
=
= 12,7
V = 4 × q / π × D².
Perhitungan untuk mencari Reynolds
yaitu :
Diketahui :
q = 316,4 m² /dt.
Re =
D = 0,0254 m.
UxD
µ
π = 3,14
Diketahui :
Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba
gai berikut :
V = 4 x q / π × D²
U = 11,10 W /m 2 °K
D = 0,0254 2 m.
= 4 × 494,25 m²/dt / 3,14 × (0,0254) 2 m.
= 39,35 m /dt.
(Viskositas kinematik dari tabel A4)
Dari data di atas mendapatkan hasilnya
Perhitungan untuk mencari Nusselt
sebagai berikut :
Nu =
h.l
k
Diketahui :
Re =
h
= 42,85 W/m 2 K
L
= 1,76 m.
k
= 591,4W/m ° K.
ρ xVxD.
µ
0,866 x39,35 x,0254 2
=
1,67
= 5,101
Kesimpulan.
Sehingga dari data di atas mendapatkan
hasil sebagai berikut :
1. Konduktivitas panas pada pipa tembaga
terlihat konstan, mungkin disebabkan
9
selisih temperatur dan laju aliran yang ren
dah
2. Nilai koefisien panas, (h) sangat di penga
ruhi oleh laju aliran air dingin dan selisih
temperatur.
Saran.
1. Perlu di buat alat yang lebih baik agar pe
ngukuran temperature dan laju aliran
lebih akurat
2. Harus dibuat selisih temperatur yang bes
ar, panjang pipa, debit aliran agar mudah
mendapatkan data.
4.1 Tabulasi Hasil Dari Pengambilan Data Keseluruhannya.
Th1 (° k)
371
360
343
TC1 (°K)
Th2 (°K)
358
348
333
343
315
321
TC2 (°K)
313
318
318
733
735
768
806
810
768
16,03
119
29,25
591,4
22,59
169,16
TC (°K)
Th (°K)
q (Watt)
k (W/m °K)
10
h (W/m 2 °K)
Re
∆ Tm (°K)
150
2858
46,45
165,71
2798
11,10
128,16
25367
11,43
Daftar Pustaka
1. J.P. Holman “Heat Transfer”, 6 th ,ed, McGraw-Hill Book Company,1987.
2. Frank Kreith Arko Prijono M.sc,”Prinsip – prinsip Perpindahan Panas “edisi Ke 3,
Jakarta Timur, 1994.
3. J.P Holman E. Jasjfi, “Perpindahan Kalor”,ed Ke-6, Jakarta Timur, 1995
4. Sears.Zemansky,”Fisika Mekanika Panas dan Bunyi “,(The City Collage of The
City of The New York, Inc,1962.
5. P.K Tata McGraw-Hill “Heat Transfer”,13 th (Tata McGraw – Hill Publishing
Company Limited, 7 West Patel Nagar, New Dehli, 2004
6. Hand book ‘’Heat Transfer”
11