studi experimental pengaruh geometri kawat

156
STUDI EXPERIMENTAL PENGARUH GEOMETRI KAWAT
TERHADAP EFISIENSI PENUKAR PANAS
JENIS PEMBULUH DAN KAWAT KONVEKSIBEBAS
Budi Utomo Kukuh Widodo*, AH Altway**, I Made Arsana*
ABSTRAK
Mat penukar panas jenis pembuluh dan kawat terdiri atas pembuluh yang dibuat berlekuk-lekuk (serpentine),
dengan kawat yang dipasang lekat pada kedua sisinya dalam arah normal pada pembuluh. Kemampuan
penukar panas ini dalam membuang panas ditunjukkan oleh efisiensi permukaan menyeluruh (overall surface
efficiency) dari susunan sirip atau disebut sebagai efisiensi penukar panas. Kawat yang berfungsi sebagai
sirip adalah perluasan dari permukaan luar pembuluh sehingga memperluas permukaan perpindahan panas
konveksi bebas dari penukar panas ke lingkungan luar. Efisiensi sirip secara umum tergantung pada bahan
sirip, geometri sirip dan lingkungan dimana sirip itu digunakan. Pada penelitian ini dikaji secara
eksperimental pengaruh geometri kawat terhadap efisiensi penukar panas, tiga desain penukar panas dengan
geometri kawat yang berbeda (pw/Lw = 0.015; pw/Lw = 0.029 dan pw/Lw = 0.044) diuji dalam lima level
suhu fluida masuk (40 ° C, 50 ° C, 60 0 C, 70 ° C, dan 80 ° C). Diperoleh hasil, penukar panas dengan pw/Lw =
0.029 secara rata-rata menghasilkan efisiensi yang tertinggi. Korelasi empiris efisiensi penukar panas
sebagai fungsi dari geometri kawat yang dinyatakan sebagai:
logTjn
= -8-650 + 2.161 log Ra + 0 . 2 5 9 l o g ^ - 0.140(log/ta) 2 - 0.146(-^) 2 - 0.084(logRa x log-^) •
Kata kunci: efisiensi penukar panas, korelasi empiris, geometri kawat, penukar panas jenis pembuluh dan
kawat, konveksi bebas
ABSTRACT
A Wire and Tube heat exchanger consist of serpentine-coiled tube, and wires attached on the both sides of it.
The attachment of the wires is normal to the tube. The capability of this heat exchanger to dissipate heat is
described by the overall surface efficiency of array of fins or known as heat exchanger efficiency. The wires,
which function as fins are the expansion of the outer surface of the tube. They expand the area of free
convection heat transfer from the heat exchanger to the surrounding. The fin efficiency, in general, depends
on its material, geometry and the surrounding. This research has examined the wire geometry influence to
the heat exchanger efficiency. Three configurations of heat exchanger with different wire geometry (pw/Lw
= 0.015; pw/Lw = 0.029 dan pw/Lw = 0.044) are evaluated under five levels of entering fluid temperatures
(40oC,50°C,60°C,70°C, and 80°C).The outcome showed that heat exchanger with pw/Lw = 0.029 in
average resumed the highest efficiency. It gained empirical correlation of heat exchanger efficiency as a
function of Rayleigh number (Ra) and wire geometry (pw/Lw) as:
loen n" = -8.650 + 2.161 log Ra + 0.259 log ^Lw- 0.140(log/?o)2 - 0.146(^)
in12 - 0.084{log/tox log^')
in' •
Keywords: heat exchanger efficiency, empiric correlation, wire geometry, wire and tube heat exchanger,
free convection
1. LATAR BELAKANG
Alat penukar panas merupakan suatu peralatan yang
digunakan untuk mempertukarkan energi panas
antara aliran fluida yang berbeda suhu melalui
kontak langsung maupun tidak langsung.
* Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS Surabaya
** Jurusan Teknik Kimia, FTI, ITS Surabaya
Salah satu aplikasi dari prinsip pertukaran panas
adalah pada penukar panas jenis pembuluh dan
kawat (Wire and Tube Exchangers). Penukar panas
ini termasuk jenis penukar panas permukaan
diperluas {extended surface) dimana kawat yang
berfungsi sebagai sirip dipasang lekat pada
Majalah IPTEK - Vol. 13, No. 4 Nopember 2002
157
pembuluh didalam dimana fluida panas mengalir.
Pemasangan kawat tersebut bertujuan
untuk
-neningkatkan luas permukaan perpindahan panas
^an selanjutnya akan memperbesar laju perpindahan
panas (Srinivasan dan Shah 1997). Secara mekanis
kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi
pembuluh yang dibuat berlekuk-lekuk (serpentine).
Penukar panas ini telah digunakan secara luas untuk
membuang panas dari fluida panas yang mengalir
dalam pembuluh baik sebagai kondensor pada alat
ostein refrigerasi udara kecil (lemari es) maupun
sebagai pendingin (cooler) fluida yang mengalir
dalam pembuluh tanpa perubahan phase (Tanda dan
Tagliafico 1997). Namun demikian kajian mengenai
unjuk kerja dari penukar panas ini
dalam
membuang panas belum banyak dilakukan. Salah
satu karakteristik unjuk kerja dari penukar panas
adalah efisiensi penukar panas. Efisiensi penukar
panas jenis pembuluh dan kawat, tidak lain adalah
efisiensi permukaan menyeluruh { o v e r a l l
surface
efficiency)
dari susunan strip ( a r r a y of
fins).
Efisiensi
sirip
dalam
memindahkan
panas
didefinisikan sebagai perbandingan antara laju
perpindahan panas oleh sirip dengan
laju
perpindahan panas maksimum (ideal). Laju
perpindahan panas oleh sirip akan mencapai
maksimum apabila seluruh permukaan sirip berada
pada suhu dasar sirip.
Tetapi tahanan termal
konduksi di dalam sirip menyebabkan terjadinya
gradien suhu sehingga suhu ujung sirip lebih kecil
dari suhu dasar sirip. Hal ini menyebabkan
pengurangan laju perpindahan panas, penurunan
efisiensi sirip dan akhirnya juga penurunan efisiensi
penukar panas (Cengel 1998). Efisiensi sirip secara
•mum tergantung pada bahan sirip lingkungan
dimana sirip itu digunakan, dan tahanan kontak
antara sirip dengan pembuluh.
Faktor lain yang mempengaruhi efisiensi sirip
adalah g e o m e t r i s i r i p , karena geometri kawat (sirip)
berhubungan dengan luas permukaan perpindahan
panas. yang merupakan salah satu faktor yang
mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas.
- I ' - . j -
geometri sirip menjadi lebih penting karena
apHkasi dari penukar panas jenis pembuluh dan
kawat digunakan pada kondisi konveksi
bebas
dimana koefisien konveksinya relatif kecil. Untuk
meningkatkan laju perpindahan panas melalui
penukar panas jenis ini, dapat dilaksanakan dengan
meningkatkan luas permukaan perpindahan panas
(Srinivasan dan Shah 1997).
Usaha untuk
meningkatkan luas permukaan perpindahan panas
(S)
dengan menambah jumlah kawat, harus
diupayakan agar koefisien perpindahan panas
konveksi
bebas
(h)
tidak
sampai
terganggu/berkurang (Incropera 1990), sebagai
akibat interaksi udara antar permukaan sirip.
Dengan
demikian,
faktor
geometri
yang
tepat/optimal merupakan interaksi antara koefisien
perpindahan panas (h) dan luasan permukaan
perpindahan panas (S). Beranjak dari pemikiran di
atas, maka studi ini dilaksanakan.
2. T U J U A N P E N E L I T I A N
Penelitian ini bertujuan untuk:
1) Menganalisis
pengaruh
geometri
kawat
terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh
dan kawat.
2) Mencari hubungan antara geometri kawat
terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh
dan kawat.
3. STUDI T E R D A H U L U
Sesuai
dengan
namanya,
penukar
pembuluh dan kawat ( w i r e and tube
heat
panas jenis
exchartgei)
terdiri dari pembuluh horisontal yang dibuat
berlekuk-lekuk ( s e r p e n t i n e ) dalam susunan vertikal,
dengan kawat yang dilekatkan pada kedua sisinya
dengan arah normal pada pembuluh (Tanda dan
Tagliafico 1997). Penelitian menyangkut penukar
panas jenis pembuluh dan kawat, pertama kali
dilakukan oleh Witzel dan Fontaine (1957a,b)
tentang
karakteristik perpindahan panas pada
kondensor jenis pembuluh dan kawat (1957a), dan
tentang desain kondensor pembuluh dan kawat
(1957b) yang menghasilkan persamaan Nusselt
empiris sebagai fungsi dari bilangan Grashoff
Nu=0.4724(Gr)
Penelitian serupa selanjutnya
dilakukan oleh Cyphers dkk. (1959) tentang karakter
perpindahan panas pada penukar panas pembuluh
02215
Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
158
dan
kawat,
Collicot
dkk.
(1963)
tentang
perpindahan panas konveksi bebas dan radiasi pada
penukar
panas
jenis
pembuluh dan kawat.
oleh
Tanda dlUl
perpindahan panas
Knntrihnsi hprik-ntnyn e i i l a k u k a n
Tagliafico
(1997)
tentang
konveksi bebas pada penukar panas jenis pembuluh
dan kawat, dengan menggunakan air sebagai fluida
kerja dalam pembuluh. Studi eksperimen tersebut
bermaksud mempresentasikan korelasi perpindahan
panas konveksi
bebas
dari
permukaan luar
penukar panas ke udara sekeliling.
Dari tinjauan pustaka diatas dapat dilihat bahwa para
peneliti yang telah melakukan kajian terhadap
penukar panas jenis pembuluh dan kawat, secara
umum mcncari korelasi perpindahan panas dalam
bentuk persamaan Nusselt empiris dengan tujuan
untuk
dapat
mengevaluasi
nilai
koefisien
perpindahan panasnya (h).
Penelitian tentang pengaruh geometri kawat
terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan
kawat, secara eksperimental ini menggunakan 3
(tiga) buah rancangan penukar panas dengan
geometri kawat yang berbeda dengan minyak
Thermo 22 sebagai fluida kerja di dalam pembuluh.
Dalam penelitian ini akan dicari persamaan korelasi
empiris efisiensi penukar panas.
Kawat yang berfungsi sebagai sirip adalah perluasan
dari permukaan luar pembuluh, dipasang pada sisi
dimana koefisien perpindahan panas konveksinya
kecil. Kawat-kawat akan membuat permukaan
menjadi luas sehingga menambah laju perpindahan
panas
dari
dinding
ke
lingkungan luar
(Ananthanarayanan 1982). Dalam aplikasinya posisi
pemasangan dari alat penukar panas ini adalah
vertikal, seperti terlihat dalam Gambar 1 berikut:
Gambar 1. Penukar panas jenis pembuluh
dan
kawat.
Yang dimaksud geometri kawat adalah panjang
kawat (Lw) yang mengikuti tinggi dari penukar
panas (tinggi susunan vertikal dari pembuluh
horisontal), p i t c h / j a i a k antar kawat (pw) dan
diameter kawat (dw) (Witzell
dan Fontaine
1957a,b). Sedangkan kondisi operasi dari penukar
panas ditunjukkan oleh variasi bilangan Rayleigh
sebagai fungsi dari beda suhu antara suhu fluida
masuk dengan udara luar (iy ,„ - T^)Minyak panas mengalir dari bak termostatik dan
bersirkulasi secara tunak di dalam pembuluh
penukar panas. Dari balans energi secara
keseluruhan untuk penukar panas, maka panas yang
dilepaskan oleh minyak panas dapat dihitung
sebagai berikut:
q ot
t
=M.Cp,f(Tf,in-Tf,out)
•d)
dimana:
panas spesifik tekanan konstan
Cp,f
laju aliran minyak
M
Kg.K
• suhu minyak pada
penukar panas \K).
Tf,in
Tf.out = suhu minyak pada
penukar panas [K\.
saluran
masuk
saluran
keluar
Majalah IPTEK - Vol. 13, No. 4 Nopember 2002
159
4. EFISIENSI SIRIP/////
6. VARIABEL PENELITIAN
Efisiensi
sirip
dalam
memindahkan
panas
didefinisikan sebagai perbandingan antara laju
perpindahan panas oleh sirip dengan
laju
perpindahan panas maksimum
jika seluruh
permukaan sirip berada pada suhu dasar sirip
(Kundu dan Das 1999). Secara umum dirumuskan
sebagai berikut:
Untuk
melakukan
eksperimen
perlu dianalisa
parameter-parameter yang berhubungan dan secara
analisa dimensional akan didapatkan fungsi tanpa
dimensi (teori n - Buckingham):
1,
q
_*S [T„-T*>]+hS,[T,-T*>]
w
Imak
hS
l o l
[T,-Tx]
<lt =f[q k>g>P-av,M,pw,dw,Lw,pt,di\)
ma
g
tmak
=
U f
h.s [r -T«>]
h.S„,{T,-Tcc}
f
=
dimana T
w
w
w
•(2)
adalah rata-rata distribusi temperatur
eksponensial yang terjadai pada fin. Karena suhu
kawat berubah secara logaritmik maka beda suhu
Dengan
menggunakan
-
1)
3)
Jika koefisien perpindahan panas seragam sepanjang
4)
permukaan penukar panas, maka didapatkan:
5)
(T»-T,)
(Tf-Tj
•(3)
6)
7)
Persamaan ini digunakan untuk menghitung efisiensi
sirip penukar panas jenis pembuluh dan kawat.
8)
q
AT./? ~ parameter bilangan Grashof
=
— 3- a 1/Prandtl (bilangan Prandtl)
V
pw
• pitch kawat tanpa dimensi
* 5 ~ Tw
_ dw a t diameter kawat tanpa dimensi
*6
Lw
- 1"
K, pitch pembuluh tanpa dimensi
*i
- di & diameter pembuluh tanpa dimensi
It
l.w
Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat,
of f i n s ) ,
yang digunakan
untuk mendefinisikan unjuk
kerjanya. Menurut
Kreith dan Prijono (1986),
efisiensi tersebut
(overall
surface
efficiency)
menggabungkan
^£3
T
efisiensi permukaan menyeluruh
dari susunan sirip (array
Dengan
permukaan
persamaan
yang tidak
4
;r
fungsi
tanpa
•(6)
5' 6' 7> 8
?r
,R
;R
menggunakan
diameter
diameter pembuluh (dt) dan pitch
kawat
(dw),
pembuluh yang
konstan, maka persamaan diatas menjadi:
dapat diperoleh dengan
bagian
didapatkan
dimensi yang berhubungan, yaitu:
0
tidak lain adalah
« efisiensi penukar panas
» parameter bilangan Grashof
i
Sehingga
5. EFISIENSI PENUKAR PANAS / T J J
- ij
<
Imak
g.Lw*
n
[T*-T.HTwrTw2yta{(Twi-T.yCT T.)}
n f
(massa,
parameter tanpa dimensi dari fungsi di atas, yaitu:
2)
wr
MLtT
panjang, waktu dan suhu) akan diperoleh 8 group
antara kawat dan suhu udara didefinisikan sebagai
beda suhu rerata logaritmik.
dimensi
g.ft A T / V
pw
1o = f
•(7)
bersirip dan efisiensi sirip untuk bagian permukaan
Dari analisa dimensi diperoleh efisiensi penukar
sirip yang berefisiensi 77 f .
s,
•(4)
panas (variabel tetap) sebagai fungsi dari bilangan
Rayleigh dan pitch
kawat tanpa dimensi.
dimana:
Dalam pelaksanaannya, untuk melihat pengaruh
r/j
bilangan
= efisiensi sirip.
penukar panas dilakukan perubahan
+ S,
S
S
w
= luas permukaan perpindahan panas kawat/
sirip.
5 = luas
efisiensi
beda suhu
antara suhu fluida masuk dan suhu udara luar,
= luas permukaan perpindahan panas total.
lol
Rayleigh terhadap perubahan
sedangkan pengaruh geometri kawat dikaji melalui
variasi dimensi pitch
kawat (pw) dengan panjang
kawat (Lw) dijaga konstan sesuai tinggi susunan
vertikal dari pembuluh horisontal.
permukaan
perpindahan
panas tube
(unfinned surface).
Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
160
7. PERALATAN EKSPERIMEN
Untuk inendapatkan hubungan fungsi di atas dengan
mengubah beda suhu dan pitch
peralatan
yang secara
kawat. maka disusun
skematis
disajikan
8. ANALISIS
8.1 Pengaruh Geometri Kawat terhadap
Efisiensi Sirip
dalam
Untuk melihat pengaruh geometri kawat terhadap
Gam bar 2 berikut.
efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat
dilakukan perubahan
Efisiensi Fin Vs Gecnttri kawat
terhadap bilangan
Rayleigh
sebagai fungsi dari beda suhu fluida masuk - udara
09.
l u a r
0.88,
• T=40C
0.86,
J
• T=50C
0.84
( /,m~ «>)'
T
kawat
• T=70C
J 0.82
• T=60C
T
P
e r t a m a
dilakukan
pengujian
terhadap efisiensi fin. Hasilnya ditunjukkan dalam
Gambar
bilangan
• T=80C
0.8
°
0.78
3, yang menampilkan pengaruh geometri
terhadap
efisiensi
Rayleigh
yang
sirip
pada
menunjukkan
berbagai
kondisi
operasi penukar panas sebagai fungsi dari
0.76
piVUv=0.015
pw/Lvv=0.029
beda
suhu fluida masuk - udara luar (Tf,in - T ) .
pw/Lw=0.O44
w
Gsomlri kawat
Efisiensi Fin Vs Geanetri kawat
Gambar 2. Skematis peralatan penelitian.
09,
Peralatan dan bahan untuk melakukan eksperimen
0.83,
adalah sebagai berikut:
1)
Q86,
084
Alat Penukar Panas Jenis Pembuluh dan Kawat,
082
dengan 3 (tiga) buah rancangan geometri.
2)
B a k Termostatik,
sebagai
Q8
penampung
0.78
dan
Q76J
memanaskan fluida sebelum dialirkan.
F*vlw=0.015
p.-Ayv=0.(E9
t^Vhv=a044
GKrnSrikawa
Thermocouple
8)
Termometer pengukur suhu ruangan ( T ^ ) -
7)
Pipa-pipa penghubung aliran.
6)
Katup pengatur laju aliran fluida.
5)
Pompa sirkulasi.
4)
F l o w meter.
3)
Gambar 3. Pengaruh
geometri
kawat
terhadap
efisiensi fin.
Dari Gambar 3 dapat disimpulkan bahwa secara
umum dari ketiga penukar panas tersebut, efisiensi
sirip dari penukar panas dengan p w / L w = 0.029
9)
pengukur
suhu
permukaan
adalah yang tertinggi. H a l ini dapat dijelaskan dari
convection
pembuluh (Tf).
analisis lapisan batas termal konveksi bebas
pembuluh (Tt), kawat (Tw) dan fluida di dalam
Fluida kerja, minyak pemindah panas Thermo
thermal
boundary
layer)
{free
yang
berkembang di sepanjang permukaan kawat-kawat.
Menurut Watson dkk. (1996), spasi kawat adalah
22.
optimum bila lapisan batas laminar
10) Ruangan berisolasi dan terkondisi tetap.
sepanjang
berkembang
permukaan kawat ( L w ) menjadi cukup
aliran luar (Gambar 4).
yang dihubungkan dengan Suhu Display ( C E 307)
Hal
digunakan termokopel type K (Copper-Constantan)
tebal menyentuh trailing edge dari tiap sirip (kawat).
Untuk
mengukur
suhu
pada
sejumlah
titik,
ini berarti bahwa aliran yang terjadi
adalah
setelah melalui selektor 9 channel.
MajalahlPTEK - Vol.
13. N o . 4 Nopember 2002
161
11
-25(.
l\
I \
I \
I \
Tv
LU
D im ana
pw
= pitch kaw at
dw
= diamelerkawat
L w = panjan g kaw at
St
= te b a I lapisan balas Ih
W
- ( N - l ).pw+dw
t
Gambar 4. Spasi optimal jarak antar sirip.
Dari Gambar 4 dapat dilihat, spasi kawat optimal
terjadi bila lapisan batas termal yang berkembang
dari masing-masing sirip, kemudian bergabung
{merger)
menjadi satu tepat pada atau diatas puncak
{ t r a i l i n g edge)
dari kawat-kawat tersebut. Atau
dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai
berikut:
(8)
pw - dw > 281
dimana:
pw = pitch kawat (diukur dari garis tengah antara
kawat-kawat)
dw = diameter kawat
81 = tebal lapisan batas termal
Penukar panas dengan pw/Lw = 0.015 yang
mempunyai pw = 6.5 mm masih belum cukup untuk
memberikan celah sebagai tempat berkembangnya
lapisan batas sampai pada ujung dari kawat (trailing
edge), sehingga terjadi interaksi pada lapisan
batasnya {fully
develoved
flow).
Diperkirakan
lapisan batas bergabung pada jarak setengah dari
tinggi penukar panas (dihitung dari leading
edge),
hal ini terjadi karena penukar panas ini mempunyai
spasi antar kawat 4.5 mm. Dari analisis kebutuhan
spasi untuk menjamin lapisan batas bergabung tepat
pada t r a i l i n g edge dari kawat-kawat (spasi optimal)
adalah 2 81 = 8 mm pada suhu fluida masuk 60°C
sampai dengan 80°C.
Interaksi lapisan batas
mengakibatkan membesarnya tahanan perpindahan
panas atau menurunkan koefisien perpindahan panas
(h) dan akhirnya menurunkan laju perpindahan
panasnya, walaupun penukar panas ini mempunyai
luasan permukaan perpindahan panas (S) yang
paling
besar.
Menaikkan
luas
permukaan
perpindahan panas (S) dengan mengurangi spasi
antar
kawat sampai mengganggu
koefisien
perpindahan panasnya, tidak dapat menaikkan laju
pembuangan panas secara berarti, hal ini juga berarti
efisiensinya menurun (Incropera 1990).
Selanjutnya untuk melihat kecenderungan efisiensi
sirip masing-masing penukar panas dari kondisi
operasi terendah sampai tertinggi, disajikan dalam
Gambar 5.
Efisiensifinvs Temperatur fluida masuk
Dari ketiga penukar panas tersebut, pada penukar
panas dengan pw/Lw = 0.029 tidak terjadi interaksi
pada lapisan batasnya dan lapisan batas hampir
bertemu pada trailing edge dari kawat-kawat,
dengan demikian mempunyai luasan permukaan
perpindahan panas (S) yang cukup besar dengan
tidak mengganggu koefisien perpidahan panasnya,
sehingga akhirnya penukar panas ini mempunyai
efisiensi sirip yang paling tinggi.
Pada penukar panas dengan pw/Lw = 0.044 juga
tidak terjadi interaksi pada lapisan batasnya. Namun
demikian, karena pitch
- pw/Lw = 0015
_ pw/Lw * 0 029
-pw/Lw = 0.0*4
40
45
50
55
80
85
70
75
Temperatur fluida masuk (Tf.in)
kawat penukar panas ini
lem'li lefear rriaka dengan lebar penukar panas yang
sama tersedia jumlah kawat akan lebih sedikit bila
Gambar 5. Pengaruh suhu fluida masuk terhadap
efisiensi sirip.
dibandingkan dengan penukar panas dengan pw/Lw
= 0.029.
Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah 1PTEK
162
Terlihat kecenderungan efisiensi meningkat dengan
EF19EN9 POJUKWP/WSVfeGEOVETRl KA1AA
naiknya suhu fluida masuk hingga pada kondisi
operasi tertentu mencapai maksimum, selanjutnya
UnoiUnn
efisiensi.
penukar
rui.u
ftuida
Terlihat
justiu
pula
panas mencapai
<xk.nu
bahwa
meiiurunkan
masing-masing
efisiensi maksimumnya
pada kondisi operasi yang berbeda, yaitu
penukar
panas p w / L w = 0.044 pada suhu sekitar 5 0 ° C
dengan efisiensi sirip 0.846, penukar panas p w / L w =
p»/Lw=0.015
0.029 pada suhu sekitar 6 0 ° C dengan efisiensi sirip
pw/Lw=O.Q29
pw/Uv=0.»»4
GEOMETRI KAWAT
0.893 dan penukar panas p w / L w = 0.015 pada suhu
sekitar 70° C dengan efisiensi sirip 0.865. Hal ini
jumlah
mempunyai
masing-masing
dikarenakan
kawat
(luas
panas
permukaan
yang mempunyai jumlah kawat paling
geometri
kawat
terhadap
efisiensi penukar panas.
Efisiensi
0.015
penukar
Gambar 6. Pengaruh
efisiensi
perpindahan panas) berbeda. Penukar panas p w / L w
permukaan
sirip
menyeiuruh
dengan
menunjukkan
memperhitungkan
faktor
menyeiuruh yang paling rendah meskipun efisiensi
karena secara eksperimen suhu permukaan kawat
p w / L w = 0.015 mempunyai efisiensi permukaan
lebih besar (suhu fluida masuk yang lebih tinggi),
efisiensi
banyak, akan lebih efisien pada beban panas yang
luasan sirip dan luasan tanpa sirip yang mempunyai
=
seratus persen.
Penukar
panas
dengan
yang justru mempunyai efisiensi 100%. Sedangkan
panas). Sebaliknya pada penukar panas p w / L w =
disebabkan oleh kecilnya luas permukaan tanpa sirip
lebih tinggi (semua kawat berfungsi untuk melepas
siripnya
akan lebih merata pada suhu fluida masuk yang
bukan
yang
paling
rendah.
Hal
ini
tetapi mempunyai luasan tanpa sirip (efisiensi 100
maksimumnya pada suhu fluida masuk diantaranya.
0.044 mempunyai efisiensi sirip yang rendah. akan
penukar panas p w / L w = 0.029 mencapai efisiensi
yang tinggi. Selanjutnya penukar panas p w / L w =
Sedangkan
efisien pada suhu yang lebih rendah.
p w / L w = 0.029), akan mempunyai efisiensi overall
distribusi suhu kawat yang merata sehingga lebih
luasan
pada suhu fluida masuk rendah sudah mempunyai
penukar panas dengan efisiensi sirip tinggi dengan
0.044 yang mempunyai jumlah kawat paling sedikit,
tanpa
sirip yang cukup
(penukar
panas
%) yang besar maka akan mempunyai efisiensi
B i l a dilihat kecenderungan efisiensi penukar panas
Bila dilihat dari penampilan efisiensi overallnya,
dibawah penukar panas p w / L w = 0.029.
8.2 Pengaruh Geometri Kawat
Efisiensi Penukar Panas
mempunyai
efisiensi
yang
terhadap
overall yang cukup tinggi, namun nilainya masih
dari
dapat dilihat secara rata-rata penukar panas p w / L w =
0.029
paling tinggi,
kondisi operasi
terendah
sampai
tertinggi
disajikan dalam Gambar 7.
kemudian diikuti oleh penukar panas p w / L w = 0.044
dan yang terakhir adalah penukar panas p w / L w =
0.015. seperti ditampilkan dalam Gambar 6.
Majalah I P T E K - V o l . 13, N o . 4 Nopember 2002
163
9. S I M P U L A N
Efisiensi Overall Fin VS Temperatur (Tf.in)
0 95
_
Berdasarkan data hasil penelitian dan analisa yang
dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal penting
yang menyangkut efisiensi penukar panas jenis
pembuluh dan kawat, yaitu:
0.9
5
0.85
J
1
1
i
1
40
50
60
70
80
0 7
i»
pw/Lw • 0.015
—»—
pw/Lw = 0.028
—6—
pw/Lw = 0.044
1) Geometri kawat penukar panas mempengaruhi
efisiensi penukar panas.
T E M P E R A T U R (T(, in)
Gambar 7. Pengaruh
suhu fluida masuk
terhadap
2) Dari ketiga penukar panas, penukar panas
pw/Lw = 0.029 secara rata-rata mempunyai
efisiensi tertinggi.
efisiensi penukar panas.
2
Terlihat bahwa pengaruh suhu fluida masuk
terhadap efisiensi penukar panas mengikuti pola
yang sama seperti pada kecenderungan efisiensi
sirip terhadap suhu fluida masuk. Masing-masing
penukar
panas
mencapai
efisiensi
overall
maksimumnya pada suhu yang sama seperti pada
efisiensi siripnya, yaitu penukar panas pw/Lw =
0.044 pada suhu sekitar 50° C dengan efisiensi
overall 0.915, penukar panas pw/Lw = 0.029 pada
suhu 60° C dengan efisiensi overall 0.931 dan
penukar panas pw/Lw = 0.015 pada suhu 70° C
dengan efisiensi overall 0.895. Namun pada efisiensi
overall terjadi peningkatan nilai efisiensi, karena
telah memperhitungkan luasan tanpa sirip (unfinned
area).
8.3 Korelasi Empiris Efisiensi Penukar
Eksperimen dilakukan untuk memperoleh hubungan
empiris efisiensi penukar panas sebagai fungsi dari
geometri kawat dan bilangan Rayleigh. Dengan
bantuan paket program Minitab seri teknik Regresi
diperoleh model yang menggambarkan hubungan
dari faktor-faktor tersebut terhadap Efisiensi
penukar panas sebagai berikut:
log n = -8.650 + 2.161 log Ra +
0
0.2591og|^-0.041(log/?a) 2
2
5) Korelasi empiris efisiensi penukar panas sebagai
fungsi dari
geometri kawat dan bilangan
Rayleigh, dinyatakan dalam bentuk persamaan
yaitu:
log77„ = -8.650 + 2.1611ogfla +
0.2591og|^- 0.04Xlogi?a) 2
0.146(log | ^ ) - 0.084(logi?axlog|^).
2
DAFTARACUAN
Panas
0.146(log|^) - 0.084(logflaxlogf^).
3) Fluks panas (W/m ) tertinggi dilepaskan oleh
penukar panas pw/Lw = 0.029, kemudian
berturut-turut penukar panas pw/Lw = 0.044
dan pw/Lw = 0.015.
4) Laju panas total (W) tertinggi dilepaskan oleh
penukar panas pw/Lw = 0.015, kemudian
berturut-turut penukar panas pw/Lw = 0.029 dan
pw/Lw = 0.044.
Ananthanarayanan, P.A. (1982), Basic Refrigerant
and Air Conditioning, Tata McGraw-Hill
Publishing Company Limited, New Delhi.
Cengel, Y . A . (1998), Heat Transfer a Practical
Approach, McGraw-Hill, New York.
Collicot, H.E., Fontaine, W.E,
dan Witzell, O.W.
(1963), R a d i a t i o n a n d F r e e C o n v e c t i o n
H e a t Transfer
F r o m W i r e a n d Tube H e a t
E x c h a n g e r s , ASHRE Journal, Vol. 5, No.
12, pp. 79-83.
(9)
Cyphres, J.A., Cess, R.D., dan Somers, E.V. (1959),
dimana: ( n )
0
Ra
= Efisiensi penukar panas
H e a t Transfer
= Bilangan Rayleigh
H e a t E x c h a n g e r s , ASHRE Journal, Vol. 1,
Pw/Lw = Geometri kawat
C h a r a c t e r of W i r e - a n d - T u b e
No. 5, pp. 86-110.
Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
164
Incropera, F.P. (1990), Fundamentals of Heat and
Watson, J.C., Anand, N . K . , dan Fletcher, L.S.
Between
Sons, New York.
(1996), M i x e d C o n v e c t i v e
Mass Transfer, 3
Kundu, B. dan
Analysis
Annular
Transfer.
Das,
and
Disk
Vol.
rd
Edition, John Wiley &
P.K. (1999), P e r f o r m a n c e
O p t i m i z a t i o n of E c c e n t r i c
F i n s , Journal of Heat
121, pp. 419-429.
Kreith, F dan Piijono, A . (1986), Prinsip-Prinsip
Perpindahan Panas, Edisi ketiga, Penerbit
Erlangga, Jakarta.
Srinivasan, V . dan Shah, R.K. (1997), F i n
Efficiency
of E x t e n d e d Surfaces
i n Two P h a s e - F l o w ,
Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 18,
pp. 419-429.
a Series of
Heat
Transfer
Vertical ParaM F l a m
W i t h P l a n a r H e a t Sources,
ASME Journal
of Heat Transfer, Vol. 118, pp. 984-990.
Witzell, O.W. dan Fontaine, W.E. (1957a), What a r e
t h e H e a t Transfer
C h a r a c t e r i s t i c s of W i r e and-Tube
Condensers?,
Refrigerating
Engineering, Vol. 65. No. 3, pp. 33-37
dan p. 127.
Witzell, O.W. dan Fontaine, W.E. (1957b), D e s i g n
of
W i r e - a n d - T u b e Condensers,
Refrigerating Engineering, Vol. 65, No. 9, pp.
41-44.
Tanda, G., dan Tagliafico, L. (1997), F r e e
C o n v e c t i o n H e a t Transfer
F r o m Wire and
Tube H e a t E x c h a n g e r s , Journal of Heat
Transfer, Vol. 119, pp. 370-372.
Majalah IPTEK - Vol. 13. No. 4 Nopember 2002