STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE

INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN

FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

BUDI HARTONO

NIM. I1414017

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2016

brought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.uk

provided by Sebelas Maret Institutional Repository

ii

iii

iv

EXPERIMENTAL STUDY EFFECT OF SHORT-LENGTH TWISTED TAPE

INSERT ON HEAT TRANSFER AND FRICTION FACTOR

CHARACTERISTICS IN CONCENTRIC TUBE HEAT EXCHANGER

Budi Hartono

Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail : budihartono@student.uns.ac.id

Abstract

This study was conducted to examine the effect of short-length twisted tape

insert on heat transfer and friction factor characteristics in concentric tube heat

exchanger. Twisted tapes were used at several tape length ratios (L/I) = 0.25; 0.5;

0.75; and 1. Twisted tapes were made of aluminum strips with a thickness of 0.7

mm, pitch of 35 mm, and width of 12.6 mm. The Reynolds numbers were varied in

the range of 5400 - 17.350.

The results showed that at the Reynold number for 5400 - 17.350, the

addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1 in the inner tube

increasing the average Nusselt number were 0.45; 0.56; 0.65 dan 0.74 than the

inner tube without a twisted tape insert, respectively. At the Reynold number for

5400 - 17.350, addition of short-length twisted tape (L/I) = 0.25; 0.5; 0.75; and 1

in the inner tube increasing average friction factor were 1.66; 1.98; 2.26 and 2.49

than the inner tube without a twisted tape insert, respectively. The average thermal

performance of inner tube with the addition of short-length twisted tape (L/I) =

0.25; 0.5; 0.75; and 1 were 1.088; 1.138; 1.174 and 1.21, respectively. The mean

deviation between experimental and correlated values of the Nusselt number and

friction factor is the order of ±2.5% and ±4.4%, respectively.

Keywords : Nusselt number, friction factor, enhancement efficiency, short-length

twisted tape insert

v

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PANJANG TWISTED TAPE

INSERT TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN

FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK

Budi Hartono

Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia

E-mail : budihartono@student.uns.ac.id

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik pengaruh panjang

twited tape insert terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada

penukar kalor pipa konsentrik. Twisted tapes yang digunakan mempunyai variasi

panjang (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 dengan twist ratio (y/w) = 2,7. Twisted tape

terbuat dari aluminium strip dengan tebal 0,7 mm, panjang pitch 35 mm dan lebar

12,6 mm. Bilangan Reynolds divariasi antara 5.400 - 17.350.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada bilangan Reynold 5.400 -

17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan

1 meningkatkan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut ; 0,45; 0,56; 0,65 dan 0,74

daripada pipa dalam dengan twisted tape insert (plain tube). Pada bilangan Reynold

5400 - 17.350, penambahan variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5;

0,75; dan 1 meningkatkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut ; 1,66; 1,98; 2,26

dan 2,49 daripada plain tube. Nilai unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan

variasi panjang twisted tape insert (L/I) = 0,25; 0,5; 0,75; dan 1 berturut-turut

adalah 1,088; 1,138; 1,174 dan 1,21. Penyimpangan rata-rata antara eksperimental

dan nilai korelasi untuk nilai Nusselt dan faktor gesekan berturut-turut; ±2,5% and

±4,4%.

Kata kunci : bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal, short-length

twisted tape insert

vi

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SAW, atas

rahmat, barokah, dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan

laporan tugas akhir “Studi Eksperimental Pengaruh Panjang Twisted Tape

Insert terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada

Penukar Kalor Pipa Konsentrik” ini dengan baik. Penyusunan tugas akhir ini

selain merupakan salah satu persyaratan yang harus dipenuhi untuk menyelesaikan

pendidikan tingkat Sarjana pada Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas

Sebelas Maret juga dimaksudkan untuk menambah wawasan di bidang pembangkit

listrik tenaga air yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kebutuhan energi yang

sangat besar saat ini.

Pada kesempatan ini ijinkan penulis untuk mengucapkan terima kasih dan

ras hormat atas segala bantuan yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat

menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini, yaitu kepada:

1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku ketua progdi dan

pembimbing akademik Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret yang telah membimbing dan memberikan motifasi selama

menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini.

2. Ibu Indri Yaningsih, ST., MT. selaku dosen pembimbing I dalam

penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberikan

masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan Tugas Akhir.

3. Bapak Agung Tri Wijayanta, M. Eng., Ph.D. selaku dosen pembimbing II

dalam penyusunan laporan Tugas Akhir yang telah membimbing dan

memberikan masukan sehingga penulis dapat menyempurnakan Laporan

Tugas Akhir.

4. Seluruh Dosen, Staf, dan karyawan jurusan teknik mesin fakultas teknik

Universitas Sebelas Maret atas jasa – jasanya selama penulis menuntut ilmu.

5. Ibu yang selama ini menjadi seseorang ibu yang selalu memberikan

semangat dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini.

6. Bapak yang memberikan motifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir

ini.

vii

7. Kakak Andriyono Arifin sebagai kakak yang selalu mendukung dalam

bidang apapun sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dan Tugas Akhir

ini.

8. Teman – teman Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret sebagai keluarga

kedua yang selalu memotifasi untuk segera menyelesaikan Tugas Akhir ini.

9. Semua pihak yang telah banyak memberikan bantuan yang tidak dapat

penulis sebutkan satu persatu sehingga mengantarkan mengatarkan penulis

untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Dalam penyusunan laporan ini tentunya masih banyak terdapat kekurangan,

kesalahan dan kekhilafan karena keterbatasan kemampuan penulis, untuk itu

sebelumnya penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya. Penulis juga

mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak demi perbaikan yang bersifat

membangun atas laporan ini.

Akhirnya dengan segala kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih

dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis maupun kita bersama.

Surakarta, Oktober 2016

Penulis

viii

DAFTAR ISI

Halaman Judul..........................................................................................................i

Halaman Surat Penugasan.......................................................................................ii

Halaman Pengesahan..............................................................................................iii

Abstract .................................................................................................................. iv

Abstrak .................................................................................................................... v

Kata Pengantar ....................................................................................................... vi

Daftar Isi............................................................................................................... viii

Daftar Gambar ......................................................................................................... x

Daftar Persamaan .................................................................................................. xii

Daftar Notasi ........................................................................................................ xiv

Daftar Lampiran ................................................................................................... xvi

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1

1.2 Perumusan Masalah ..................................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat .................................................................................... 2

1.5. Sistematika Penulisan .................................................................................. 3

BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 4

2.1. Tinjauan Pustaka ......................................................................................... 4

2.2. Dasar Teori .................................................................................................. 7

2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ................................................................... 7

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) .......................... 8

2.2.3 Penukar Kalor .................................................................................. 11

2.2.4 Parameter Tanpa Dimensi ................................................................ 14

2.2.4 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas Pada Penukar Kalor ......... 15

2.2.5. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) ..................................... 17

2.2.6. Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan .................... 18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 24

3.1. Tempat Penelitian ..................................................................................... 24

3.2. Bahan Penelitian ........................................................................................ 24

3.3. Skema Alat Penelitian ............................................................................... 24

3.4. Alat dan Instrumentasi Penelitian ............................................................. 26

3.5. Diagram Alir Penelitian ............................................................................ 33

3.6. Prosedur Penelitian .................................................................................... 33

3.6.1. Tahap persiapan ............................................................................... 34

3.6.2 Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube). ...... 34

3.6.3 Pengujian penukar kalor dengan twisted tape insert. ...................... 35

3.7. Metode Analisis Data ................................................................................ 36

BAB IV DATA DAN ANALISA ......................................................................... 37

4.1 Data Hasil Pengujian ................................................................................. 37

4.2 Perhitungan Data ....................................................................................... 37

4.3. Analisa Data .............................................................................................. 37

4.3.1 Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube). . 37

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape

Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas. ......................... 39

ix

4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Variasi Panjang Twisted Tape

Insert Terhadap Karakteristik Faktor Gesekan Penukar Kalor........41

4.3.4 Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja

Termal (). ...................................................................................... 44

4.3.5 Korelasi-korelasi untuk memprediksi perpindahan panas, faktor

gesekan dan unjuk kerja termal. ...................................................... 45

BAB V PENUTUP ................................................................................................ 49

5.1. Kesimpulan ................................................................................................ 49

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 50

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas (Kreith et al., 2010) .............. 8

Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran

masuk aliran pipa (White, 2003) ....................................................... 9

Gambar 2.3 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada pada

penukar kalor searah (Bergman et al., 2011) ................................... 11

Gambar 2.4 (a) Arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor berlawanan arah (Bergman et al., 2011) ................... 12

Gambar 2.5 Penukar kalor pipa konsentrik (Cengel, 2003) ................................. 13

Gambar 2. 6 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa

konsentrik (Cengel, 2003) ................................................................ 13

Gambar 2.7 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert (Manglik-

Bergles,1992) ................................................................................... 18

Gambar 3.1 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan variasi

panjang twisted tape insert. ............................................................. 24

Gambar 3.2 Gambar alat penelitian; (1) rotameter, (2) manometer pipa-U, (3)

tangki air dingin, (4) penjebak air, (5) pompa air dingin, (6) pompa

air panas, (7) tangki air panas, (8) MCB pompa air panas dan dingin

, (9) thermocontroller, (10) thermocouple reader, (11) penukar kalor

pipa konsentrik. ................................................................................ 25 Gambar 3.3. Skema penukar kalor pipa konsentrik .............................................. 27 Gambar 3 4 Twisted tape insert (a) 25%, (b) 50%, (c) 75%, (d) 100% (full-length

tape) ................................................................................................. 28 Gambar 3.5 Gambar detail flange, (b) Gambar pemasangan flange pada penukar

kalor ................................................................................................. 29 Gambar 3.6 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air

masuk dan keluar di inner tube dan di annulus. .............................. 29

Gambar 3.7 Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding

luar pipa dalam. ................................................................................ 30

Gambar 3.8 Thermocouple reader ....................................................................... 30 Gambar 3.9 Temperature controller .................................................................... 30 Gambar 3.10 Pemanas air elektrik ....................................................................... 31 Gambar 3.11 Rotameter ....................................................................................... 31

Gambar 3.12 Penjebak air .................................................................................... 32 Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian ................................................................. 33

Gambar 4.3 Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube............................ 38 Gambar 4.4 Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube .............................. 39 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara Nu dengan Re ............................................ 40

Gambar 4.6 Grafik hubungan P dengan Re ....................................................... 43 Gambar 4.7 Grafik hubungan f dengan Re........................................................... 43

Gambar 4.8 Grafik hubungan dengan Re pada daya pemompaan yang sama . 44 Gambar 4.9 Perbandingan antara bilangan Nu hasil eksperimen dengan prediksi

hasil korelasi .................................................................................... 45

xi

Gambar 4.10 Perbandingan antara f hasil eksperimen dengan prediksi hasil

korelasi ............................................................................................. 46

Gambar 4.11 Perbandingan antara hasil eksperimen dengan prediksi hasil

korelasi ............................................................................................. 46

xii

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan (2.1) Reynolds ...................................................................................... 9 Persamaan (2.2) Diameter hidrolik ........................................................................ 9 Persamaan (2.3) Aliran laminar ........................................................................... 10

Persamaan (2.4) Aliran transisi ............................................................................ 10 Persamaan (2.5) Aliran turbulen .......................................................................... 10 Persamaan (2.6) Laju aliran massa air ................................................................. 10 Persamaan (2.7) Bulk mean temperature ............................................................. 11

Persamaan (2.8) Laju perpindahan panas untuk fluida panas .............................. 12 Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin .............................. 12 Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ........................................................... 12 Persamaan (2.11) log mean temperature difference ............................................. 12

Persamaan (2.12) Tahanan termal total ................................................................. 14 Persamaan (2.13) Laju perpindahan panas.............…........................................... 14 Persamaan (2.14) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 14 Persamaan (2.15) Perbandingan kedua gaya ......................................................... 14

Persamaan (2.16) Bilangan Prandtl ....................................................................... 15 Persamaan (2.17) Bilangan Nusselt ...................................................................... 15

Persamaan (2.18) Twist ratio ................................................................................ 17

Persamaan (2.19) Sudut heliks .............................................................................. 17 Persamaan (2.20) Korelasi Dittus-Boelter ............................................................ 18 Persamaan (2.21) Persamaan Petukhov kedua ...................................................... 18

Persamaan (2.22) Persamaan Gnielinski ............................................................... 19 Persamaan (2.23) Modifikasi korelasi Dittus-Boelter ........................................... 19

Persamaan (2.24) Persamaan Blasius ................................................................... 19 Persamaan (2.25) Korelasi plain tube ................................................................... 19 Persamaan (2.26) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi .......................................... 19

Persamaan (2.27) Korelasi Dittus-Boelter modifikasi ......................................... 19 Persamaan (2.28) Laju perpindahan panas untuk fluida panas ............................. 20

Persamaan (2.29) Laju perpindahan panas untuk fluida dingin ............................ 20 Persamaan (2.30) Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam .......................... 20

Persamaan (2.31) Temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus .................. 20

Persamaan (2.32) Ketidaksetimbangan energi ..................................................... 20 Persamaan (2.33) Persentase ketidaksetimbangan energi .................................... 20 Persamaan (2.34) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus ... 20

Persamaan (2.35) Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ............................... 20 Persamaan (2.36) Koefisien perpindahan panas overall ...................................... 20 Persamaan (2.37) Beda temperatur rata-rata logaritmik ...................................... 20 Persamaan (2.38) Koefisien perpindahan panas overall ....................................... 21 Persamaan (2.39) Penjabaran persamaan (2.28), (2.36) dan (2.37) ..................... 21

Persamaan (2.40) Penjabaran persamaan koefisien perpindahan panas overal .... 21 Persamaan (2.41) Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam ....... 21

Persamaan (2.42) Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam ...................... 21 Persamaan (2.43) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21 Persamaan (2.44) Bilangan Reynolds aliran fluida di pipa dalam ........................ 21 Persamaan (2.45) Kapasitas panas (heat capacity rate) Ch ................................. 21

xiii

Persamaan (2.46) Kapasitas panas (heat capacity rate) Cc ................................... 21 Persamaan (2.47) Penjabaran persamaan ( 2.28 ) Qh ............................................ 22

Persamaan (2.48) Penjabaran persamaan ( 2.41 ) Qc ........................................... 22 Persamaan (2.49) Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow ................ 22

Persamaan (2.50) Penurunan tekanan ................................................................... 22 Persamaan (2.51) Faktor gesekan ......................................................................... 22 Persamaan (2.52) Daya pemompaan ..................................................................... 22

Persamaan (2.53) Daya pemompaan konstan ....................................................... 23 Persamaan (2.54) Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds ............. 23 Persamaan (2.55) Unjuk kerja termal.................................................................... 23

Persamaan (2.56) Unjuk kerja termal.................................................................... 23 Persamaan (2.57) Bilangan Reynolds untuk plain tube ........................................ 23 Persamaan (2.58) Unjuk kerja termal dari twisted tape insert ............................. 23

Persamaan (4.1) Korelasi Nu untuk plain tube ..................................................... 38

Persamaan (4.2) Korelasi f untuk plain tube ......................................................... 38 Persamaan (4.3) Korelasi Nu untuk twisted tape insert ........................................ 45 Persamaan (4.4) Korelasi f untuk twisted tape insert ............................................ 45

Persamaan (4.5) Korelasi untuk twisted tape insert .......................................... 45

xiv

DAFTAR NOTASI

Ai Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ao Luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Cp,c Panas jenis air dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Cp,h Panas jenis air panas di pipa dalam (kJ/kg.oC)

di Diameter dalam pipa dalam (m)

do Diameter luar pipa dalam (m)

f Faktor gesekan

fp Faktor gesekan plain tube

fs Faktor gesekan pipa dalam dengan sisipan

g Percepatan gravitasi (m/s2)

hi Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)

ho Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)

hp Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di plain tube (W/m2.oC)

hs Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan

sisipan (W/m2.oC)

kfi Konduktivitas termal rata-rata air panas di pipa dalam (W/m.oC)

kp Konduktivitas termal material pipa dalam (W/m.oC)

L Panjang pipa (m)

Lt Panjang pengukuran beda tekana di pipa dalam (m)

ṁc Laju aliran massa air dingin di annulus (kg/s)

ṁh Laju aliran massa air panas di pipa dalam (kg/s)

Nui Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

Nup Bilangan Nusselt rata-rata di plain tube

Nus Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan sisipan

Pr Bilangan Prandtl

Qaktual Laju perpindahan panas aktual dari penukar kalor (W)

Qc Laju perpindahan panas ke annulus (W)

Qh Laju perpindahan panas di pipa dalam (W)

Qloss Kehilangan panas konveksi di pipa dalam (W)

Qmaksimum Laju perpindahan panas maksimum yang mungkin dari penukar kalor (W)

Re Bilangan Reynolds

Tb,c Temperatur air dingin bulk rata-rata di annulus (oC)

Tb,h Temperatur air panas bulk rata-rata di pipa dalam (oC)

Tc,i Temperatur air dingin masuk annulus (oC)

Tc,o Temperatur air dingin keluar annulus (oC)

Th,i Temperatur air panas masuk pipa dalam (oC)

Th,o Temperatur air panas keluar pipa dalam (oC)

owT , Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

Ui Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan permukaan dalam

pipa dalam (W/m2.oC)

V Kecepatan rata-rata air panas di pipa dalam (m/s) .

V Laju aliran volumetrik (debit) air panas di pipa dalam (m3/s)

Wpompa Daya pemompaan (W)

Efektivenes penukar kalor

xv

Densitas air panas di pipa dalam (kg/m3)

m Densitas fluida manometer (kg/m3)

Faktor unjuk kerja termal

Viskositas dinamik air panas di pipa dalam (kg/m.s)

h Beda ketinggian fluida manometer (m)

P Penurunan tekanan (Pa)

TLMTD Beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Data Eksperimen............................................................................... 51 Lampiran 2. Hasil Perhitungan Karakteristik Perpindahan Panas, Faktor Gesekan

dan Rasio Koefisien Perpindahan Panas .......................................... 80 Lampiran 3. Perhitungan Data .............................................................................. 84

Lampiran 4. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt dan faktor gesekan

plain tube ......................................................................................... 98 Lampiran 5. Kesesuaian korelasi empirik bilangan Nusselt pipa dalam dengan

variasi panjang twisted tape insert ................................................. 100

Lampiran 6. Tabel Konduktivitas Termal Material ............................................ 103 Lampiran 7. Properties Air .................................................................................. 104