bab iv konveksi paksa aliran udara pipa horizontal

BAB IV
KONVEKSI PAKSA ALIRAN UDARA PIPA HORIZONTAL
4.1 PENDAHULUAN
Cara perpindahan panas konveksi erat kaitannya dengan gerakan atau aliran
fluida. Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran
fluida tersebut laminar atau turbulen. Dalam aliran laminar, aliran dari garis aliran
(streamline) bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan masing-masing partikel fluida
mengikuti lintasan yang lancar serta malar (kontiniu). Partikel fluida tersebut tetap
pada urutan yang teratur tanpa saling mendahului. Sebagai kebalikan dari gerakan
laminar, gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen berbentuk zig-zag dan tidak
teratur. Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan
panas konveksi.
Konveksi terjadi pada dua peristiwa yaitu konveksi paksa dan
konveksi alami. Konveksi paksa terjadi karena terjadinya percepatan
konveksi yang dibantu oleh alat tambahan. Sedangkan konveksi
alami terjadi dengan sendirinya tanpa alat bantu apapun. Konveksi
paksa
pada
umumnya
digunakan
untuk
mempercepat
suatu
pendinginan pada aliran panas yang terjadi pada suatu peristiwa.
(http://www.wikipedia.com/konv
eksi)
4.2 DASAR TEORI
Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan
perpindahan
partikel-partikelnya.
Konveksi
adalah
proses
perpindahan kalor dari satu bagianfluida kebagian lain fluida oleh
pergerakan fluida itu sendiri. konveksi terjadikarena perbedaan
massa jenis dan konveksi hanya terjadi pada zat cair dan gas.Untuk
menyelidiki perpindahan kalor secara mengalir , digunakan alat
konveksiair dan alat konveksi udara. Proses perpindahan kalor secara
konveksi dibedakanmenjadi dua yaitu konveksi alamiah dan konveksi
paksa. Konveksi alamiahadalah perpindahan kalor yang terjadi
secara alami, contoh: pemanasan air. Pada pemanasan air, massa
jenis air yang dipanasi mengecil sehingga air yang panasnaik
digantikan air yang massa jenisnya lebih besar.Konveksi paksa
adalah konveksi yang terjadi dengan sengaja (dipaksakan),contoh:
pada sistem pendingin mesin mobil. Peristiwa konveksi dapat
dijumpai pada contoh berikut:
(1).Lampu minyak dan sirkulasi udara diruang tamu
(2).Cerobong asap pabrik dan cerobong asap dapur
(3).Terjadinya angin daratmaupun angin laut
(faculty.petra.ac.id/herisw/Fisika1/13kalor.doc)
4.2.1 Pengetahuan Umum Konveksi Paksa
Perpindahan kalor secara konveksi paksa terjadi karena adanya pengaruh dari
luar/paksaan yang memaksa fluida untuk mengalir sesuai dengan arah yang
dipaksakan. Contohnya :

Pendinginan kendaraan bermotor dimana kalor yang ditimbulakan dalam
bahan baker dipindahkan ke tempat lain dengan menghembuskan udara ke
bagian yang panas untuk menghembuskan digunakan kipas atau kompresor.

Penggunaan Hair dryer (Pengering rambut) dimana kipas menarik udara
di sekitarnya dan ditiupkannya udara tersebut dengan menggunakan elemen
pemanas sehingga dihasilkan arus konveksi udara panas.
(Yunus A. Cengel ,Heat Transfer, Hal.334)
Pengertian Aliran Turbulent dan Aliran Laminar

Aliran turbulent adalah aliran yang partikel fluidanya bergerak mengikuti alur
yang tida beraturan baik ditinjau terhadap ruang maupun waktu. Dan pengertian
yang lain, aliran turbulen adalah aliran yang struktur alirannya bergerak secara
acak, dimana partikel fluidanya bergerak ke segala arah

Aliran laminar adalah aliran yang partikel fluidannya bergerak mengikuti alur
tertentu da aliran tampak seperti gerakan serat-serat yang paralel. Dan menurut
pengertian yang lain, aliran laminer adalah aliran yang strukturnya bergerak
secara teratur atau halus didalam saluran.
Suhu limbak (bulk-temperature) sangat penting dalam soal-soal perpindahan
kalor yang melibatkan aliran dalam saluran tertutup. Suhu limbak menunjukkan
energi rata-rata atau kondisi ”mangkuk pencampur”. Jadi untuk aliran tabung seperti
pada gambar 4.1, energi total yang ditambahkan dapat dinyatakan dengan beda suhu
limbak :
q=m. C p .(T b 2−T b 1)
Ket: q
= perpindahan kalor (Joule)
m = massa (Kg)
Cp = Kalor jenis (Joule/Kg oC)
Tb1 = suhu limbak sisi 1( oC)
Tb2 = suhu limbak sisi 2(oC)
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. Hal.251)
dengan syarat cp sepanjang aliran itu tetap.
Gambar 4.1 Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu limbak
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. Hal.252)
4.2.2Tujuan Praktikum
Tujuan dari praktikum konveksi paksa aliran udara pada pipa horizontal
adalah:
1. Praktikan menemukan korelasi antara bilangan Reynolds untuk
menentukan kecepatan laju aliran dan bilangan Nusselt untuk mengetahui
distribusi temperatur.
2. Praktikan dapat menentukan koefisien perpindahan panas secara
keseluruhan untuk variasi tertentu seperti jalu aliran, temperatur udara keluar
dan temperatur dinding.
3. Praktikan mampu memilih konfigurasi dengan koefisien perpindahan
panas yang paling baik.
4. Praktikan mempelajari peristiwa atau fenimena perpindahan panas
melalui percobaan penukar panas didalam saluran dengan jenis kawat
filament.
(jobsheet fenomena dasar 2012)
4.2.3 Rumus Perhitungan konveksi paksa
Rumusan konveksi paksa erat hubungannya dengan angka Reynolds (Re),
Prandtl (Pr), Nusselt (Nu). Bilangan Reynolds dapat menggambarkan apakah
aliran tersebut laminar atau turbulen, sedangkan bilangan Prandtl menunjukkan
karakteristik termal fluida, dan bilangan Nusselt menggambarkan karakteristik
proses perpindahan panas. Ketiga bilangan ini membentuk persamaan :
m
N u d =C . R ed . Ρ r
Ket. :
Nud
n
= bilangan nusselt
Red
= biangan reynold
Pr
= bilangan prandtl
n
= 0,4(pemanasan)
= 0,3(pendinginan)
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.253)
Dimana C, m, dan n adalah konstanta yang harus ditentukan dari percobaan.
Bilangan Reynolds mempunyai rumus sebagai berikut :
 Bilangan Reynold
Merupakan bilangan tak berdimensi yang diperoleh dari rasio gaya inersia
dengan viskositas. Bilangan Reynold digunakan untuk menentukan karakteristik
suatu aliran fluida laminar atau turbulen.
R e d=
Ket.:
ρ μm d
μ
Red =bilangan reynold
ρ
= densitas fluida (kg/m3)
v
= kecepatan aliran (m/s)
μ
D
= viskositas (kg/m.s)
= diameter pipa (m)
Gambar 4.2Pengembangan daerah aliran lapis batas di atas plat rata.
(Yunus A.,Changel. Heat Transfer A Practical Aproach. hal.339)
Dari rumus diatas dapat dilihat bahwa bilangan Reynolds didapat dari
perbandingan gaya inersia dengan gaya viscous sistem aliran fluida. Dengan
bilangan Reynolds kita dapat mengetahui apakah aliran fluida tersebut laminar
atau turbulen dengan melihat batasan berikut
▪ Re ≤ 2300
Aliran laminar
▪ Re ≥ 2300
Aliran turbulen
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.195)
 Bilangan Prandtl
Bilangan
prandtl
merupakan
Bilangan
yang
digunakan
sebagai
perbandingan viskositas kinematik fluida terhadap difusivitas termal fluida.
Viskositas kinematik memberikan informasi tentang laju difusi momentum dalam
fluida dan difusitas termal memberikan informasi tentang difusi kalor dalam
fluida.
c μ
v
μ/ ρ
Ρ r= =
= p
α k /ρ c p
k
Keterangan : ν =viskositas kinematis
μ=viskositas dinamis
cp
(m2/s)
(kg/m.s)
= kalor jenis pada tekanan konstan(kJ/kgoC)
k =koeffisien konduktivitas termal (W/moC)
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.213)
Untuk aliran dalam pipa,seperti halnya aliran melewati plat datar profil
kecepatan serupa dengan profil suhu untuk fluida yang mempunyai bilangan
Prandtl satu.
 Bilangan Nusselt
Merupakan bilangan yang digunakan untuk menentukan distribusi suhu
permukaan atau plat.
N ud=
hL
k
Ket:Nud = bilangan nusselt
h = koeffisien perpindahan panas kenveksi(W/m2oC)
L = panjang plat (m)
K = koeffisien konduktifitas termal(W/moC)
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.214)
Selain bilangan Reynold dan Prandtl factor lain yang mempengaruhi
kondisi perpindahan panas dengan cara konveksi paksa adalah ukuran lubang
masuk.Bila salurannya pendek (< 50 ) maka pengaruh lubang masuk menjadi
lebih penting.Bila fluida memasuki suatu saluran dengan kecepatan seragam
maka fluida yang langsung berbatasan dengan dindingnya akan langsung
berhenti bergerak.Jika turbulensi aliran fluida yang masuk besar maka lapisan
batas tersebut akan cepat menjadi turbulen.Baik itu lapisan batas turbulen
ataupun laminar,tebalnya akan meningkat sampai lapisan batas itu memenuhi
seluruh saluran.
 Aliran Laminar berkembang penuh
Pr ⁡
R ed . ¿
¿
N ud=1,86. ¿
Batasan
R e d . Pr
D
>10
L
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.255)

Aliran Turbulen berkembang penuh
N ud=0.027 . R e d0.8 . Pr0.3
Dimana :
w
μ
μW
0.14
( )
= viskositas fluida
(kg/m.s)
= viskositas dinding
(kg/m.s)
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.254)
Untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully developed
turbulent flow) dalam tabung licin, digunakan persamaan berikut :
0.8
N ud=0.023. R e d . Pr
Batasan:
n
n = 0,4 pemanas
n = 0,3 pendingin
0,6 < Pr < 100 (untuk aliran turbulen yang tidak berkembang
sepenuhnya di dalam tabung licin dan dengan beda suhu moderat antara dinding
fluida )
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.252)
 Koefisien Perpindahan Kalor
h=
k
N (W /m2 . o C)
D ud
Ket : h = koefisien perpindahan kalor (W/m2 0C)
k
= konduktivitas termal (W/m 0C)
D = diameter pipa (m)
Nud =bilangan Nusselt
(Holman, J.P. Perpindahan Kalor. hal.212)
 Pemanas Heater
Qheater =h. 2 π . r . L ( T w −T b ) Watt
Ket : h = koefisien perpindahan kalor (W/m2 0C)
r
= jari-jari (m)
L = panjang pipa (m)
Tw
= temperatur dinding (0C)
Tb
= temperatur bulk (0C)
 Perpindahan kalor total
Q́=ḿ c p (T w −T b)
Ket :
ḿ = massa per satuan waktu (m/kg)
cp = kalor jenis pada tekanan konstan(Joule/Kg oC)
Tw = temperatur dinding (0C)
Tb = temperatur bulk (0C)
(Yunus A. Cengel, Heat Transfer, Hal.422)
4.2.4 Aplikasi Konveksi Paksa
4.2.1. Aplikasi Konveksi Paksa
Contoh aplikasi konveksi paksa antara lain:
1. Pengasapan daging
Gambar 4.5 Pengasapan daging
(cityguide.kapanlagi.com)
2. Las Gas
Gambar 4.6 Las Gas
(hakikat-ilmu.blogspot.com)
3. Evaporator
Gambar 4.3 Evaporator
(ref: www.google.com/A_C_Evaporator.jpg)
Evaporator berfungsi menyerap panas dari lingkungan dan
mengalirkannya secara konveksi ke refrigeran.
4. Kondenser
Gambar 4.4 Kondenser
(ref: www.google.com/Copper-Condenser-Refrigerator-Condenser-.jpg)
Konveksi terjadi saat refrigeran membawa panas untuk dibuang ke luar.
5. Steam Pipe
Steam pipe berfungsi untuk mengalirkan uap panas.
Gambar 4.5 Steam Pipe
(ref: www.google.com/steam pipe.jpg)
4.2.5
Alat dan Prosedur Pengujian
4.2.5.1Bagian – Bagian Alat Beserta Fungsinya
Gambar 4.5Alat pengujian konveksi paksa.
1. Dioda Weatstone
Berfungsi untuk menyearahkan arus listrik
Gambar 4.6Dioda weatstone.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
2. Anemometer
Berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran udara (fluida)pada waktu awal
dan suhu fluida keluar
Gambar 4. Anemometer
(lab.fenomena mesin UNDIP)
.
3. Watt meter
Berfungsi untuk mengukur daya yang masuk.
Gambar 4.8 Watt meter.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
4. Asbestos
Berfungsi sebagai peredam panas yang akan merambat keluar melalui celah
sambungan pipa
Gambar 4.9Asbestos.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
5. Gips
Berfungsi sebagai isolator supaya panas dari pipa horizontal tidak keluar ke
lingkungan
Gambar 4.10 Gips.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
6. Kawat Filamen
Berfungsi untuk mendistribusikan panas ke pipa konveksi
Gambar4.11 Kawat filament
(lab.fenomena mesin UNDIP)
7. Regulator
Berfungsi untuk mengatur tegangan yang dikeluarkan
Gambar 4.12 Regulator.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
8. Pipa Konveksi
Berfungsi untuk arah aliran fluida (udara).
Gambar 4.13 Pipa konveksi
(lab.fenomena mesin UNDIP)
10. Thermo display
Berfungsi untuk menampilkan suhu terukur pada pipa konveksi(pada 4
titik).
Gambar 4.14 thermo display
(lab.fenomena mesin UNDIP)
11. Blower
Berfungsi untuk memberi hembusan (penghembus) udara ke pipa konveksi.
Gambar 4.15 Blower.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
12.
Thermo kopel
untuk mengukur suhu pada pipa konveksi (pada 4 titik).
Fine Thermocouple
Gambar 4.16 Sensor Thermokopel.
(lab.fenomena mesin UNDIP)
4.2.5.2 Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian praktikum konveksi paksa aliran udara pipa
horizontal adalah:
1.
Mengeset bukaan dumper blower sampai kecepatan yang dikehendaki
(variasi), dengan menggunakan alat anemometer, pengecekan
dilakukan di ujung pipa.
2.
Jika pengesettan laju/alir sudah ditentukan, kemudian mematikan
motor blower.
3.
Mencatat nilai awal posisi steady, temperatur dinding, temperatur
keluar.
4.
Mengeset daya pemanas 106 watt
5.
Mencatat kenaikan temperatur dinding, temperatur udara keluar tiap
30 detik hingga mencapai posisi steady.
6.
Setelah steady, mematikan heater kemudian menghidupkan blower
sehingga akan terjadi proses penurunan temperatur.
7.
Mencatat penurunan temperatur dinding, temperatur udara keluar tiap
30 detik hingga mencapai posisi steady.
8.
Jika sudah tidak terjadi penurunan temperaturdinding dan temperatur
keluar, maka pencatatan dihentikan
9.
Mematikan motor blower.
4.3 DATA PERHITUNGAN DAN ANALISA
4.3.1 Data Hasil Percobaan
Tabel4.1 Kenaikan Temperatur
No
Waktu
(s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
T1
28
29
30
31
32
32
34
34
35
35
35
36
36
37
37
38
38
38
39
39
39
39
40
40
40
41
41
41
41
42
42
42
T2
29
30
31
31
32
33
34
35
35
36
36
37
37
37
38
38
39
39
39
40
40
40
41
41
41
42
42
42
43
43
43
43
Suhu Dinding (Tw)
T3
T4
T rata-rata
30,25
32
32
30,75
32
32
31,75
33
33
32,25
34
33
33
35
33
33,75
36
34
35,25
38
35
35,5
38
35
36,25
39
36
36,5
39
36
38,75
40
36
37,5
40
37
37,75
41
37
38,25
42
37
38,25
42
38
39
42
38
39,5
43
38
39,5
43
38
40,25
44
39
40,.5
44
39
40.,75
45
39
40,75
45
39
41,25
45
39
41,5
45
40
41,75
46
40
42,25
46
40
42,5
47
40
42,5
47
40
43
47
41
43,5
48
41
43,5
48
41
43,5
48
41
Suhu Udara
Keluar
(T5)
29,1
29,1
29,2
29,3
29,4
29,5
29,6
29,7
29,7
29,8
29,9
29,5
30,0
30,0
30,1
30,1
30,2
30,2
30,3
30,3
30,4
30,4
30,5
30,5
30,6
30,6
30,7
30,7
30,7
30,8
30,8
30,8
Tabel 4.2 Penurunan Temperatur
No
Waktu
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
4.3.2
T1
39
37
35
33
32
31
31
30
30
29
29
29
28
28
28
28
T2
42
40
38
37
36
35
34
34
33
33
32
32
32
31
31
31
Suhu Dinding (Tw)
T3
T4
T rata-rata
42,25
47 41
40
43
40
38,25
41
39
36,75
39
38
36
38
38
35
37
37
34
36
37
33,75
35
36
33,25
34
36
32,75
34
36
32,25
33
35
32,25
33
35
31,75
32
35
31,25
32
34
31,25
32
34
31,25
32
34
Suhu Udara
Keluar
(T5)
31,7
32,3
32,2
32,0
31,8
31,7
31,2
31,4
31,3
31,2
31,7
30,9
30,8
30,7
30,7
30,6
Perhitungan
Contoh Perhitungan Konveksi Alami ( Tabel 4.1 No. 1 )
Um
= 0,1 m/s
(Laju aliran udara)
Daya awal = 106 Watt
L
= 175 cm = 1,75 m
(Panjang pipa)
Dluar
= 6 cm = 0,06 m
(Diameter luar pipa)
Ddalam
= 5,6 cm = 0,056 m
(Diameter dalam pipa)
Tebal pipa = 0,002 m
Tb
= Suhu fluida
Tw
= Suhu dinding
Suhu Awal :
Tabel4.3Temperatur Awal konveksi Alami

T1.1(oC)
T1.2(oC)
T1.3(oC)
T1.4(oC)
Trata-rata
T1.5(oC)
28
29
32
32
30,25
29,1
Suhu Limbak / Suhu Film
T f=
T w +T b
2
T f=
( 30,25+273 ) +(29,1+273)
2
T f=
303,25+302.1
=302.67 K
2
Dengan melihat tabel A-5 (holman) dan melakukan interpolasi didapat:
ρ = 1.1571 kg/m3
Tabel4.4Interpolasi temperatur dengan densitas
T
Ρ
300
302,67
350
Cara melakukan interpolasi :
ρ −ρ
x−batas bawah
= x b
batasatas−batas bawah ρa −ρb
x−1,1774
302,67−300
=
0,998−1,1774
350−300
1.1774
X
0.998
x=
[((
)
302,67−300
. ( 0,998−1,1774 ) +1,1774
350−300
)
]
x=[ ( ( 0.0534 ) . (−0,1794 ) ) +1,1774 ]
1,1571
x=[ −0,00957+1,1774 ]=1,1678
Dengan cara yang sama maka diperoleh data sebagai berikut :
k = 0,0264 W/moC
μ = 1,9879 x 10-5 kg/m.s
μw = 1,989 x 10-5 kg/m.s
Pr = 0,7074
Angka Reynold
R e d=
ρ μm d
μ
kg
m
1.1571
X 0,1 X 0,056 m
(
)
m3
s
Re =
d
R e d=
1,9879 X 10−5 kg /m. s
0,00653
=328,971
−5
1,9879 X 10
Bilangan Reynold
2300 maka Alirannya laminer
Angka Nusselt
Pr ⁡
R ed . ¿
¿
N ud=1,86. ¿
Dimana
μ=viskositas saat T f dan μ W =viskositas saat T w
N ud=(1,86) X (328,971 X 0.7074)0.3 X (
0.056 0.3 1,9879 X 10−5
) X
1.75
1,989 X 10−5
(
0.14
)
N ud=3,396
Koefisien perpindahan kalor konveksi
h=
k
.N
D ud
h=
0,0264 W /m. C
X 3,396
0,056 m
h=1,6039 W/m2 oC
Panas heater
Q=h . 2 π . r . L .(T w −T b)
Q=( 1,6039 )
W
. ( 2 π ) . ( 0,028 ) m. ( 1,75 ) m.(30,25−29,1)C
m2 C
Q=0,5676 watt
Tabel 4.5Hasil perhitungan data konveksi alami aliran pipa horizontal
No
Um
(m/s)
1
0,1
2
0,1
3
0,1
4
0,1
Red
Nud
h (W/m2 0C)
328,97
12
328,64
25
327,91
98
327,52
6
3,396836
187
3,395628
459
3,393015
171
3,391609
506
1,60395966
1
1,60453843
8
1,60582955
8
1,60654152
7
Q heater
(watt)
0,56760603
7
0,81468513
8
1,26007197
3
1,45837662
8
TW
(0C)
TB
(0C)
30,25
29,1
30,75
29,1
31,75
29,2
32,25
29,3
5
0,1
6
0,1
7
0,1
8
0,1
9
0,1
10
0,1
11
0,1
12
0,1
13
0,1
14
0,1
15
0,1
16
0,1
17
0,1
18
0,1
19
0,1
20
0,1
21
0,1
22
0,1
23
0,1
24
0,1
25
0,1
26
27
0,1
0,1
326,96
83
326,41
12
325,36
35
325,13
46
324,64
42
324,41
55
322,88
16
323,95
82
323,46
86
323,14
25
323,07
72
322,58
83
322,19
73
322,19
73
321,64
39
321,48
12
321,25
35
321,25
35
320,86
33
320,70
08
320,47
33
320,14
85
319,92
3,389599
637
3,387589
504
3,383766
5
3,382964
178
3,381151
342
3,380348
836
3,374710
799
3,378526
222
3,376930
302
3,375721
362
3,375522
961
3,373709
369
3,372301
7
3,372301
7
3,370289
195
3,369684
51
3,368881
134
3,368881
134
3,367472
902
3,366868
106
3,366064
499
3,364854
778
3,364051
1,60753941
8
1,60853487
1
1,61038372
3
1,61080322
6
1,61165627
8
1,61207447
6
1,61475301
6
1,61280585
6
1,61375810
6
1,61432270
1
1,61445627
3
1,61530132
1
1,61599673
8
1,61599673
8
1,61697117
1,61725119
7
1,61766362
8
1,61766362
8
1,61835486
1,61863386
7
1,61904486
6
1,61960164
5
1,62001162
1,78081930
7
2,10365798
9
2,79984212
9
2,87492293
9
3,24839959
8
3,32365263
7
4,39749241
4
3,97034094
4
3,84853874
4
4,09826489
8
4,04892394
7
4,42383865
4,62465299
9
4,62465299
9
4,95086496
5
5,07613749
2
5,15210012
3
5,15210012
3
5,35350169
4
5,47894614
8
5,55506922
1
5,80617148
1
5,88241774
33
29,4
33,75
29,5
35,25
29,6
35,5
29,7
36,25
29,7
36,5
29,8
38,75
29,9
37,5
29,5
37,75
30
38,25
30
38,25
30,1
39
30,1
39,5
30,2
39,5
30,2
40,25
30,3
40,5
30,3
40,75
30,4
40,75
30,4
41,25
30,5
41,5
30,5
41,75
30,6
42,25
42,5
30,6
30,7
28
0,1
29
0,1
30
0,1
31
0,1
32
0,1
12
319,92
12
319,59
67
319,20
74
319,20
74
319,20
74
014
3,364051
014
3,362841
147
3,361432
224
3,361432
224
3,361432
224
9
1,62001162
9
1,62056696
1,62125297
6
1,62125297
6
1,62125297
6
7
5,88241774
7
6,13377463
9
6,33592796
7
6,33592796
7
6,33592796
7
42,5
30,7
43
30,7
43,5
30,8
43,5
30,8
43,5
30,8
Contoh Perhitungan Konveksi Paksa ( Tabel 4.2 No. 1 )
Um
= 5,3 m/s
(Laju aliran udara)
Daya awal = 106 Watt
L
= 175 cm = 1,75 m
(Panjang pipa)
Dluar
= 6 cm = 0,06 m
(Diameter luar pipa)
Ddalam
= 5,6 cm = 0,056 m
(Diameter dalam pipa)
Tebal pipa = 0,002 m
Tb
= Suhu fluida
Tw
= Suhu dinding
Suhu Awal :
Tabel4.6Temperatur Awal Konveksi Paksa

T1.1 (oC)
T1.2 (oC)
T1.3(oC)
39
42
47
Suhu Limbak / Suhu Film
T1.4 (oC)
41
Trata-rata
T1.5 (oC)
42,25
31,7
T f=
T w +T b
2
T f=
( 42,25+273 )+(31,7+ 273)
2
T f=
315,25+304,7
=309,97
2
Dengan melihat tabel A-5 (holman) dan melakukan interpolasi didapat:
ρ = 1.0788kg/m3
Tabel4.7Interpolasi temperatur dengan densitas
T
ρ
300
309,97
350
1.1774
X
0.998
Cara melakukan interpolasi :
ρ −ρ
x−batas bawah
= x b
batasatas−batas bawah ρa −ρb
x−1,1774
309,97−300
=
0,998−1,1774
350−300
x=
[((
)
309,97−300
. ( 0,998−1.1774 ) +1,1774
350−300
)
]
x=[ ( ( 0,1994 ) . (−0,1794 ) ) +1.1774 ]
1,07788
x=[ −0,03577+1.1774 ]=1,1422
Dengan cara yang sama maka diperoleh data sebagai berikut :
k = 0,0269 W/moC
μ = 2,0010 x 10-5 kg/m.s
μw = 2,0110 x 10-5 kg/m.s
Pr = 0.7058
Angka Reynold
R e d=
ρ μm d
μ
kg
m
1,0788
X 5,3 X 0,056 m
(
)
m3
s
Re =
d
R e d=
2,001 X 10−5 kg /m. s
0,3390
=16.898,397
−5
2,001 X 10
Bilangan Reynold ≥ 2300 maka Alirannya turbulen
Angka Nusselt
N ud=0.027 . R e d0.8 . Pr0.3
Dimana
μ
μW
0.14
( )
μ=viskositas saat T f dan μ W =viskositas saat T w
N ud=(0,027) X (16.898,397)0.8 X (0,7058)0.3 X
N ud=58,5894
Koefisien perpindahan kalor konveksi
h=
k
.N
D ud
h=
0.0269 W /m .C
X 58,5894
0.056 m
h=28,3531 W/m2 oC
(
2,0010 X 10−5
2,0110 X 10−5
0.14
)
Panas heater
Q=h . 2 π . r . L .(T w −T b)
Q=( 28,3531 )
W
. ( 2 π ) . ( 0,028 ) m. ( 1,75 ) m.(42,25−31,7) C
m2 C
Q=92,0468 watt
TABEL 4.8HASIL PERHITUNGAN DATA PENURUNAN TEMPERATUR
KONVEKSI PAKSA ALIRAN PIPA HORISONTAL
No
Um
(m/s)
1
5,3
2
5,3
3
5,3
4
5,3
5
5,3
6
5,3
7
8
9
10
11
5,3
5,3
5,3
5,3
5,3
h
Qheater
Tw
Tb
(W/m2 oC)
(watt)
(oC)
(oC)
58,82875
011
58,93174
247
59,08614
672
59,24779
544
59,33592
099
28,46891
3
28,51875
395
28,59347
457
28,67170
101
28,71434
748
39
31,7
37
32,3
35
32,2
33
32
32
31,8
17197,14
4
59,41667
402
28,75342
618
31
31,7
17210,42
1
59,45337
087
28,77118
483
31
31,2
17231,66
5
59,51207
406
28,79959
298
30
31,4
17234,32
1
59,51941
094
28,80314
351
30
31,3
17263,53
2
59,60010
171
28,84219
208
29
31,2
17250,25
4
59,56342
747
28,82444
437
63,951313
52
41,246217
53
24,636595
19
8,8228558
34
1,7671958
01
6,1936030
12
1,7706937
99
12,407095
05
11,522294
32
19,525702
56
23,948616
65
29
31,7
Red
Nud
16984,70
2
17021,87
9
17077,64
5
17136,06
6
17167,93
3
12
13
14
15
16
4.3.3
5,3
5,3
5,3
5,3
5,3
17271,49
8
59,62210
354
28,85283
939
17300,70
9
59,70275
957
28,89187
115
17303,36
5
59,71009
058
28,89541
884
17303,36
5
59,71009
058
28,89541
884
17306,02
59,71742
137
28,89896
642
16,869331
9
24,893698
45
24,007585
37
24,007585
37
23,121253
86
29
30,9
28
30,8
28
30,7
28
30,7
28
30,6
GRAFIK DAN ANALISA GRAFIK
a) Grafik hubungan temperature dinding dan waktu
Data kenaikan temperatur
Grafik hubungan temperatur dinding dengan waktu
120
100
80
Suhu Dinding
60
40
20
0
Gambar 4.15 Grafik hubungan kenaikan temperatur dinding dangan waktu
Analisa grafik:
Grafik diatas menunjukkan hubungan kenaikan temperatur dinding terhadap
waktu yang berbanding lurus walaupun pada kenyataannya garis yang terbentuk
tidak linier sempurna. Maka dapat dianalisa bahwa semakin bertambahnya waktu
maka semakin bertambah pula kenaikan temperatur pada dinding. Hal tersebut
terjadi karena adanya perambatan panas pada heater ke dinding-dinding pipa
horizontal, sehingga semakin lama waktu pemanasan temperatur pada dinding akan
sama dengan temperatur heater. Peristiwa pada dinding tersebut disebut juga
perpindahan panas konduksi.
Data penurunan temperatur
Grafik hubungan temperatur dinding dengan waktu
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
suhu dinding
Gambar 4. 16Grafik hubungan penurunantemperatur dinding dengan waktu.
Analisa Grafik:
Grafik diatas menunjukkan hubungan penurunan temperatur dinding
terhadap waktu yang berbanding terbalik secara logaritmik. Walaupun secara
teoritis (ideal) akan berbanding terbalik secara linier. Penurunan temperatur tersebut
dikarenakan adanya pengaruh blower sebagai pendingin yang dialirkan pada pipapipa horizontal sehingga kalor yang keluar pada dinding-dinding tersebut diserap
oleh udara yang dihasilkan oleh blower. perpindahan panas tersebut disebut juga
perpindahan secara konveksi (paksa).
b) Grafik hubungan temperature udara keluar dan waktu
Data kenaikan temperatur
Grafik hubungan temperatur udara keluar
31
30.5
30
29.5
29
28.5
28
temperatur udara
keluar
Gambar 4.17Grafik Hubungan kenaikan Temperatur udara keluar dangan
Waktu
Analisa grafik:
Grafik diatas menunjukkan hubungan kenaikan temperatur udara keluar
terhadap waktu yang berbanding lurus walaupun pada kenyataannya garis yang
terbentuk tidak linier sempurna. Dapat dianalisa bahwa semakin bertambahnya
waktu maka semakin bertambah pula kenaikan temperatur pada dinding. Hal
tersebut terjadi karena adanya perambatan panas konveksi secara alamiah dimana
panas yang dihasilkan dinding pipa horizontal mengalir karena adanya gaya
gravitasi (gaya apung) pada udara didalam pipa. Suhu dalam pipa lebih tinggi dari
udara luar, sehingga terjadi aliran secara alamiah dari temperatur tinggi ke
temperatur rendah.
Bentuk grafik diatas berbentuk kasar dikarenakan :
1. Pengisolasian dengan asbes/gips kurang tebal dan merata, sehingga tujuan dari
isolasi kurang maksimal.
2. Praktikan dalam mengambil data percobaan kurang teliti dan terburu-buru.
3. Dalam percobaan konveksi paksa sensor yang dipasang kurang peka terhadap
perubahan suhu dan butuh kaliberasi.
Data penurunan temperatur
Grafik hubungan temperatur udara keluar
32.5
32
31.5
temperatur udara keluar
31
30.5
30
29.5
Gambar 4. 18Grafik hubungan penurunantemperatur udara keluar dengan
waktu.
Analisa Grafik:
Grafik diatas menunjukkan hubungan penurunan temperatur udara keluar
terhadap waktu yang berbanding terbalik walaupun pada kenyataannya garis yang
terbentuk tidak linier sempurna. Dapat dianalisa bahwa semakin bertambahnya
waktu maka temperatur udara keluar akan semakin turun. Hal tersebut terjadi karena
adanya perambatan panas konveksi secara paksa dimana panas yang dihasilkan
dinding pipa horizontal mengalir karena adanya gaya paksaan (blower) pada udara
didalam pipa. Suhu dalam pipa yang cukup tinggi didinginkan dengan hembusan
angin blower, sehingga kalor dari udara dinding sekitar diserap dan terbawa keluar
pipa horizontal.
Bentuk grafik diatas berbentuk kasar dikarenakan :
1. Pengisolasian dengan asbes/gips kurang tebal dan merata, sehingga tujuan dari
isolasi kurang maksimal.
2. Praktikan dalam mengambil data percobaan kurang teliti dan terburu-buru.
3. Dalam percobaan konveksi paksa sensor yang dipasang kurang peka terhadap
perubahan suhu dan butuh kaliberasi.
4.4 KESIMPULAN DAN SARAN
4.4.1
Kesimpulan
1. Hasil yang didapat dari percobaan
a. Sampel perhitungan konveksi alami:
 Red = 328,971
 Nud = 3,396
 h
=
 T
=
1.6039W
303,25
/m
K
 Tb2 = 302,1
b. Sampel perhitungan konveksi paksa:
 Red = 16.898,397
 Nud = 58,5894
 h
= 28,3531 W/m
 T
= 315,25 K
 Tb2 = 304,7 K
2.
Korelasi bilangan Reynold dan laju kecepatan aliran dan
bilangan Nusselt
Bilangan Reynold berbanding lurus dengan laju kecepatan aliran,jadi
semakin besar bilangan Reynold maka laju kecepatan aliran juga semakin
besar,dengan batasan:
Re ≤ 2300
Aliran laminar
Re ≥ 2300
Aliran turbulen
Bilangan Reynold juga berbanding lurus dengan bilangan Nusselt yang
menggambarkan karakteristik dari aliran tersebut.
3.
Perpindahan panas didalam saluran pipa,dari percobaan
diketahui bahwa panas mengalir pada kawat filamen, dengan bantuan blower
panas berpindah dari pangkal pipa menuju ujung pipa hingga pada kondisi
steady.
4.
Dari percobaan diketahui bahwa koefisien perpindahan panas
dapat memperangarui laju aliran,serta mempengaruhi temperatur udara
keluarnya,sehungga perlu ditentukan terlebih dahulu konfigurasi yang baik
untuk mendesain suatu heat ex-changer.
4.4.2. Saran
1. Pengisolasian dengan asbes/gips harus tebal, agar tidak terjadi retak sehingga
kalor tidak menyebar ke luar samping pipa.
2. Praktikan dalam mengambil data percobaan sebaiknya teliti dan tidak terburuburu agar data yang diperoleh akurat.
3.
Dalam percobaan konveksi paksa sebaiknya sensor yang dipasang lebih peka
terhadap perubahan suhu.