1 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA Endrid Gusman ...

45 downloads 2479 Views 996KB Size Report
1. JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA. Endrid Gusman. 20400417. JURUSAN TEKNIK MESIN. UNIVERSITAS GUNADARMA. 2006 ...
JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA

Endrid Gusman 20400417

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 perpindhan panas total didalam pipa konsentrik dengan aliran searah dan berlawanan arah. Pipa koesentrik dengan diameter dalam 0,5 in, diameter pipa luar 1 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 tunujkkan dalam grafik, dimana debit aliran atau angka bilangan Reynolds, selisih temperature, material pipa, diameter pipa, angka Nusselt sangat berpengaruh terhdap koefisien perpindahan panas.

2

berdimensi.yang

Pendahuluan

mana

maksud

dari

Perkembangan teknologi saat ini sangat persamaan di atas tersebut adalah untui berkembang dengan pesat seiring dengan menentukan laju aliran perpindahan panas proses globalisasi dalam segala bidang, pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida salah

satunya

dalam

bidang

ilmu yang di gunakan adalah air panas yang

pengetahuan dan teknolgi, terutama yang dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu erat kaitannya dalam hal industri sehingga 100ºC. sangat di butuhkan temuan – temuan inovtive

yang

dapat

Untuk

mempermudah

penulisan

mendukung khususnya dalam perhitungan data maka

perkembangan industri tersebut yang dapat dilakukan

pembatasan

–pembatasan

berupa teori – teori atau pun berupa alat – masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan alat. Temuan tersebut tentu harus sudah masalah dan asumsi tersebut antara lain: melalui proses

banyak penelitian dan 1.Tipe alat penukar panas yang digunakan

percobaan untuk menghasilkan efesiensi

adalah sebuah pipa yang mana pipa yang

yang besar.

digunakan adalah pipa pvc dan pipa aluminium yang merupakan cangkang. 2.Fluida yang digunakan adalah air panas.

Permasalahan dan Batasan Masalah Dalam

perpindahan

panas

(heat 3.Salah satu fluida (air) mengalir melalui

exchanger) pada pipa kosentrik yang mana

pipa di dalamnya, fluida tersebut mengalir

pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa

melalui cincin yang berbentuk silinder

aluminium dan pipa pvc, yang digabungkan

pipa, maupun silinder dalam dan silinder

menjadi satu, yang mana fungsinya untuk

luar.Karena kedua aliran fluida melintas

mencari nilai koesifien perpindahan panas

penukar

tersebut

pipa

dinamakan satu lintas saja(single pass),

aluminium. Sehingga kita menggunkan

lalu dalam penelitian alat ini kedua fluida

sebuah rumus perpindahan panas yang

itu mengalir dalam arah yang sama atau

utama yaitu :

berbarengan (parallel flow), dan juga

yang

terjadi

di

dalam

panas

hanya

sekali,

maka

terdapat aliran berlawan arah(counter

dq = U.d.A.∆T Dalam persamaan tersebut U adalah koefisien perpindahan panas yang tidak

flow), yang mana terdapat beda suhu antara fluida yang panas dan fluida yang dingin

tidak

konstan

nilainya

pada

sepanjang pipa dan laju aliran panasanya

aluminium (Al), dan (Cu) di dalam pipa

akan berbeda- beda.

kosentrik

dengan

aliran

searah

dan

4.Dalam penelitian alai ini menggunkan

berlawanan arah dan perpindahan panas

sebuah pompa air yang jenis tipe semi jet

yang terjadi pada pipa pvc, yang mana di

pump.

dalam pipa pvc terdapat pipa aluminium.

5.Analisa penelitian menggunakan dasar-

Pada penelitian ini menggunkan air panas

dasar teori termodinamika yang hanya

yang dipanaskan terlebih dahulu mencapi

dipakai materinya yaitu konveksi dan

suhu 100ºC.

konduksi, radiasi tidak dipakai materinya. Tujuan penelitian ini yang kita uji coba adalah untuk mencari nilai koefisien perpindahan panas total pada logam

proses sirkulasi air panas menjadi dingin,

Hasil Pembahasan

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 aluminium

yang

gunannya

mengetahui

konduktivitas

untuk panas

sebuah

telah

dipanaskan

terlebih

thermalnya. dahulu.

Untuk mendapatkan data yang benar penulis menggunakan

yang

rangakian

- 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 gunanny auntuk untuk sebagai

3

-

Bak

penampung

terakhir.

Yang

Keterangan Gbr:

gunannya untuk menampung air yang

-

Panjang pipa pvc =183 cm

keluar dari ujung outlet pipa aluminium.

-

Panjang pipaaluminium =

- Pipa aluminium. Yang gunannya untuk

202 cm.

pengambilan data. Dengan berdiameter.1 inch. - Pipa pvc. Yang gunannya untuk menggabungkan

pipa

pvc

dan

pipa

aluminium 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 aluminium

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 aluminium. Yang mana pada rangakian pipa

penampung.

tersebut gunannya untuk mengetahui cara

- Gelas ukur. Yang gunannya untuk perpindahan mengukur berapa liter air yang keluar dari menentukan outlet pipa aluminium.

thermalnya.

panas(heat 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

ρud µ

Dimana :

4. Untuk menentukan waktu aliran air

Re = Renould number

menuju ke outlet pipa yaitu :

ρ = Kerapatan fluida (kg/m 3 )

∆Tm =

u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu dalam arah (m/dt)

∆T max −∆T min 2

d = Diameter pipa (m) Dimana :

µ = Dinamika viskositas (Pa.dt).

rata di ∆Tm = Beda temperatur rata –

2. Untuk menentukan aliran koefisien

dalam penukar kalor.

perpindahan panas :

∆T max =Beda temperatur maksimum

h.l Nu = k

(rad) ∆T min = Beda temperatur minimum

Dimana :

(rad)

Nu = Nusslet number h = Koefisien perpindahan panas konvek

Rekapitulasi Data.

si.(W/m 2 K)

Untuk menentukkan temperatur pada

L = Signifikan panjang pipa (m)

penelitian alat ini yaitu :

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 = h.l. A(T2 - T1 )

Tc 2

: Temperatur air dingin yang masuk

Th

: Temperatur air panas keseluruhan

Dimana :

nya 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)

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 aluminium

adalah mengukur suatu penelitian yaitu : • Dimeter

dengan menghasilkan beda suhu rata – rata

dalam

pipa

(pipa

dalam penukar kalor dengan rumus sebagai

aluminium) = 0,5 inch , dimana

berikut :

diameter dalam tersebut satuannya

Untuk mencari perbedaan temperatur/

dijadikan m (meter).

suhu rata – rata yaitu :

∆Tm =

∆Ti +∆Te = 2

Sehingga : 1 inch = 2,54 cm. ½ inch = 2,54 : 2 (°K)

=1,27cm = 0,0127 m. • Diameter luar pipa (pipa PVC ) = 1

Dimana :

inch = 0,0254 m

Th 1 = 90 ºC + 273 ºK = 363 ° K.

• Luas penampang pipa aluminium =

Tc 1 = 55 ºC + 273 ºK = 328° K.

8,05 m² , dimana di dapat dari

Th2 = 67 ºC + 273 ºK = 357 ° K.

rumus : A = π.d.L

Tc2 = 32 ºC + 273 ºK 305 ° K.

penampang

Th

= 703 ° K.

dengan

Tc

= 633 ° K.

tersebut

Sehingga kita dapat memasukkan data

berikut :

tersebut ke dalam rumus sebagai berikut :

Dimana :

,

dapat

jadi luas kita

hjitung

menggunakan

rumus

hitungannya

sebagai

A= Luas penampang pada perpinda

∆Ti =Th1 −Tc 2 dan ∆Te =Th 2 −Tc1

han kalor (m²) = ∆Tm =

π = Jari – jari silender pada ujung

∆Ti + ∆Te 2

pipa (rad)

= ∆Tm =35 (°K).

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 aluminium pada

kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru

pipa konsetrik yaitu :

mus sebagai berikut : q = U.A. ∆Tm

(Th1 −Th 2) k= A xQ L

= 1123 W/m 2 x 8,05 m².x (35° K) = 316,4 Watt.

= 290 (W/m² 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 :

∆Tm = Beda suhu rata – rata.

k

= 290 (W/m° K) .

A

= 8,05 (m²).

Diketahui : U = 1123 W/m 2 °K A = 8,05 m².

Jadi dari data diatas dapat kita masukkan

∆Tm = 35 ºK.

kedalam rumus koefisien thermal dibawah ini :

8

V = 4 x q / π × D²

Dimana untuk menghitung laju aliran panas didapatkan rumus sebagai berikut

= 4 × 316,4 m²/dt / 3,14 × (0,0254) 2 m. : = 624,74 m /dt. dq = U ( Th – Tc ) dA dimana subskrip h dan c masing – masing Perhitungan untuk mencari Nusselt

menandai fluida – panas dan fluida dingin

Diketahui :

Nu =

U

= 1123 W/m °K

h.l k

Diketahui : Th = 706° K. Tc = 633° K. Sehingga dari data diatas mendapatkan hasil

h

= 36,0 W/m 2 K

L

= 2,02 m.

k

= 290 W/m ° K.

berikut : Sehingga dari data di atas mendapatkan

dq = U ( Th – Tc ) dA

hasil sebagai berikut :

= 1123(703 K – 671 K) 0,0127 x 8, = 367,39 W/m² ° K

Nu =

h.l k

Perhitungan untuk mencari kecepatan =

aliran pada pipa kosentrik.

36,0 x 2,02 290

= 0,250 Watt V = 4 × q / π × D².

Perhitungan untuk mencari Reynolds yaitu :

Diketahui : Re =

q = 316,4 m² /dt. D = 0,0254 m.

π = 3,14

Diketahui :

Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba gai berikut :

9

UxD µ

U = 1123 W /m 2 °K D = 0,0254 2 m. µ = 20,92 x 10 6 (m 2 /dt)

(Viskositas kinematik dari tabel A4)

Dari data di atas mendapatkan hasilnya sebagai berikut :

Re =

=

Ux.d µ 1123 x0,0254 2 20,29 x10 6

= 6,815 x 10 8

Kesimpulan.

1. Konduktivitas panas pada pipa alumini um terlihat konstan, mungkin disebabkan 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.

10

4.1 Tabulasi Hasil Dari Pengambilan Data Keseluruhannya.

Th1 (° k)

363

342

333

TC1 (°K)

328

321

295

Th2 (°K)

340

331

329

TC2 (°K)

310

305

297

TC (°K)

633

625

604

Th (°K)

703

689

678

q (Watt)

316

250

307

k (W/m °K)

290

270

230

h (W/m 2 °K)

36,0

34,0

32,0

Re

6,815 x10 8

6,421x10 8

5,931 x10 7

∆Tm (°K)

35

32

29

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”

4

5