TUGAS ARTIKEL ILMIAH PERPINDAHAN PANAS

Disusun guna Memenuhi Tugas Mata Kuliah Perpindahan Panas pada Semester III, Pendidikan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Ayu Oktavia Rosanti Sari Tyastuti

K2510016 K2510060

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK DAN KEJURUAN FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011

Koefisien Perpindahan Panas Sisi-Udara Pada Pipa Panas Thermosypbon dengan Sirip Spiral Berkerut: Sebuah Studi Kasus Pengaturan Terhuyung-huyung

A. Nuntaphan Pusat Pelatihan Energy untuk Pembangunan Asia Tenggara Otoritas Pembangkit Listrik Thailand Mae Moh, Lampang 52220 Telp. 6654-256938 Faks. 6654-256907email: mmmatp@egat.or.th

T. Kiatsiriroat Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Chiang Mai Chiang Mai 50200 Telp. 6653-944144 Faks. 6653-944145 email:tanong@dome.eng.cmu.ac.th

ABSTRAK Karya ini mempelajari tentang koefisien perpidahan panas sisi-udara pada pipa panas thermosyphon untuk kasus pengaturan tepi tabung yang terhuyunghuyung. Biasanya, koefisien perpindahan panas sisi udara adalah yang paling rendah dan yang mengatur perpindahan panas keseluruhan sistem. Untuk

meningkatkan kinerja secara keseluruhan, dalam kasus pipa panas thermosyphon biasanya adalah dengan perpanjangan pada sisi udara dan tabung pada sirip tabung spiral berkerut. Penelitian ini juga menyelidiki tentang koefisien perpindahan panas dari pipa panas thermosyfon dengan sirip spiral berkerut. Parameter yang mempengaruhi kierja penukar panas diantaranya seperti diameter tabung, jarak sirip, tinggi sirip, dan jarak tabung yang telah dipelajari. Selain itu korelasi emperis koefisien sisi udara perpindahan panas juga dikembangkan utuk mengevaluasi karya ini.

Kata kunci: koefisien sisi-udara perpidahan panas, pipa panas thermosyphon, sirip spiral berkerut, heat transfer model.

1. PENDAHULUAN Banyak jenis alat penukar kalor yang digunakan dalam industry daur ulang limbah antara lain cross flow, rotary, run around coil, dan khususnya penukar panas thermosyphon yang memiliki kinerja tinggi dan biaya operasi yang rendah. Penukar panas thermosyphon digunakan untuk memanfaatkan kembali panas dari gas buang dari dalam boiler atau tungku, dan transfer energy ini digunakan untuk meningkatkan suhu udara pembakaran (udara pemanas awal) atau air umpan boiler (economizer) Penukar panas thermosyphon tersusun dari satu set pipa panas thermosyphon dengan pengaturan in-line atau terhuyung. Dalam kasus awal pemanasan udara, metode yang efektif untuk menigkatkan kinerja adalah dengan meningkatkan luas permukaan sisi udara dengan memperpanjang permukaan. Sirip melingkar biasanya dirancang untuk thermosyphon dan banyak korelasinya yang dikembangkan untuk menghitung kinerja sisi-udara transfer panas tabung bersirip ini. Namun proses untuk membangun tabung bersirip melingkar yang sebenarnya cukup rumit dan memerlukan biaya tinggi. Dengan demikian sirip spiral berkerut digunakan dalam praktek.

Gambar 1. Bentuk sirip spiral berkerut. Di Thailand, terdapat banyak pabrik yang membangun sirip jenis ini dan tidak ada data kinerja perpindahan panas yang tersedia. Oleh karena itu dalam penelitian ini, menyelidiki kinerja penukar panas

thermosiphon ini menggunakan sirip spiral berkerut dan juga dirumuskan korelasinya untuk mengevaluasi kinerja transfer panas dari tabung bersirip. Karya ini dapat dibagi dalam dua bagian. Bagian pertama adalah untuk menguji kinerja sirip spiral berkerut dan mengkorelasikan data transfer panas. Bagian kedua adalah untuk mengetahui kinerja dari panas thermosyphon mengguakan jenis tabung bersirip dengan menggunakan data dari Nutaphan [4].

2. UJI KINERJA SIRIP SPIRAL BERKERUT 2-1 Teori Penelitian ini mengikuti ANSI / ISPA standar [5] untuk menguji kinerja dari tabung bersirip. Koefisien udara sisi perpindahan panas dari sirip spiral berkerut dapat dievaluasi dengan mengatur penukar panas sebagai aliran silang seperti yang ditunjukan pada Gambar 2. Air panas yang mengalir di tepi tabung dan transfer panas ke aliran-aliran udara silang. Tingkat perpindahan panas (Q) dari penukar panas dapat dihitung sebagai

Gambar 2. Palang penukar arus panas.

dimana ma adalah laju aliran

massa udara,

mw

adalah

laju aliran

massa air, Ta1 Tao, adalah suhu aliran masuk dan keluar udara, Tw1, Two suhu aliran masuk dan keluar air, dan Cpa,Cpw adalah panas air dan udara spesifik masing-masing. Indikator kinerja penukar panas adalah efektivitas yang

didefinisikan sebagai

Dimana adalah efektivitas. Hubungan antara efektivitas dan sisi udara koefisien perpindahan panas dalam kasus tabung 4 baris adalah sebagai berikut

dimana h adalah koefisien perpindahan panas, A adalah luas, d adalah diameter tabung, L adalah panjang tabung, k adalah konduktivitas termal dari material tabung, o adalah permukaan efisiensi sisi-udara dan subskrip 0, i didefinisikan sebagai sisi udara dan tabung sisinya. Sisi tabung koefisien perpindahan panas dapat dihitung dari korelasi Gnielinski [6] sebagai

Dimana ReDi, adalah tabung-sisi bilangan Reynolds. Efisiensi permukaan dari persamaan (9) dapat diperkirakan dari

Dimana Ao adalah total luas permukaan tabung bersirip, Af adalah luas permukaan sirip, Ab adalah luas permukaan tabung telanjang dan sirip efisiensi yang dapat dihitung dari perkiraan Schmidt [7] sebagai berikut:

Dimana kf adalah konduktivitas termal dari bahan sirip, St dan Sl masingmasing adalah pitches transversal dan longitudinal dari tepi tabung dan ft ketebalan sirip.

Gambar 3. Skema sketsa setup eksperimental. 2-2 Setup eksperimental Gambar 3 menunjukkan setup eksperimental. Aliran udara pada suhu kamar adalah dialirkan melalui tepi tabung sedangkan air panas mengalir di dalam tabung. Laju aliran air tetap konstan pada 8 Umin dan suhu inlet adalah pada 65 C. Tingkat aliran massa udara bervariasi dalam kisaran 0,1-0,5 kg / s. Dengan mengukur temperatur inlet dan outlet air dan aliran udara termasuk tingkat aliran massa masing-masing pihak, sisi udara koefisien perpindahan panas dapat dihitung. Tabel 1 Dimensi dari berbagai jenis penukar panas.

Catatan: Semua dimensi dalam milimeter.

Gambar 4. Pengaruh diameter tabung pada koefisien perpindahan panas udarasisi.

2-3 Hasil dan Diskusi Tabel 1 menunjukkan dimensi dari tabung bersirip dan pengaturannya. Efek pada kinerja transfer panas dari parameter seperti diameter tabung, tinggi sirip, jarak sirip, ketebalan sirip dan pengaturan tabung telah dipelajari. Selain itu model empiris termasuk parameter-parameter

diformulasikan untuk menghitung sisi udara koefisien perpindahan panas. Angka 4-6 menunjukkan hubungan dari koefisien sisi udara perpindahan panas dan laju aliran massa aliran udara. Semua Angka yang disebutkan memberikan hasil yang sama yang tidak diragukan lagi yaitu lebih tinggi tingkat aliran massa hasil aliran udara menghasilkan koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Dari Gambar 4, ditemukan bahwa diameter tabung yang lebih kecil memberikan koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi. Hasil ini berasal dari sirkulasi ulang dari aliran udara di belakang tabung yang meningkat dengan diameter tabung. Pernyataan tersebut mempengaruhi daerah tidak efektif tabung dan membawa untuk mendapatkan koefisien perpindahan panas lebih rendah. Wang et al. [8] juga menemukan fenomena ini dengan menggunakan visualisasi aliran. Gambar 5 menunjukkan pengaruh jarak sirip, dan St pada koefisien perpindahan panas sisi-udara. Diameter tabung 21,7 mm dan tinggi sirip 10

mm. Untuk pitch tabung melintang (St = 50 mm), efek dari jarak sirip pada koefisien perpindahan panas diabaikan. Hasil ini analog dengan geometri sirip terus menerus seperti yang dilaporkan oleh Kaya [9] dan Wang et al [10]. Namun, untuk pitch melintang lebih besar dari 84 mm, koefisien perpindahan panas mengalami penurunan dengan penurunan jarak sirip. Fenomena ini mungkin timbul dari pengaruh efek memotong aliran udara. Seperti diketahui, penurunan tekanan yang terjadi sesuai dengan jarak naik turun sirip. Sebagai akibatnya, meskipun aliran udara diarahkan oleh barisan tabung, aliran udara mengalir pada bagian rawan dimana hambatan aliran lebih kecil. Untuk pitch melintang tabung yang lebih besar dari 84 mm, bagian dari aliran udara diarahkan hanya memotong tabung dan barisan sirip tanpa kontribusi efektif terhadap perpindahan panas, sehingga menyebabkan penurunan koefisien

perpindahan panas pada jarak sirip kecil. Fenomena ini menjadi jauh memotong aliran dimana pitch melintang tabung meningkat. Oleh karena itu, terlihat tidak ada perubahan yang cukup besar pada koefisien perpindahan panas untuk St = 50 mm.

Gambar 5. Pengaruh jarak sirip dan pengaturan tabung pada koefisien perpindahan panas sisi udara.

Pengaruh ketinggian sirip pada kinerja sisi ini ditunjukkan pada Gambar 6. Hal ini ditemukan bahwa koefisien perpindahan panas dari fh = 10 mm lebih tinggi dari fh = 15 mm dan penjelasannya adalah sebagai berikut. Dalam kasus fh 15 mm =, resistensi aliran udara sekitar tabung sirip lebih besar dari 10 mm = fh. Oleh karena itu, bagian dari aliran udara diarahkan hanya melewati deretan tabung tanpa kontribusi efektif untuk transfer panas dan diperoleh koefisien transfer panas yang lebih rendah.

Gambar 6. Pengaruh ketinggian sirip di udara-sisi koefisien perpindahan panas. Dalam penelitian, model empiris untuk memprediksi koefisien perpindahan panas untuk berbagai jenis tabung bersirip juga dikembangkan. Model empiris adalah sebagai berikut.

Gambar 7. Perbandingan Nu dari data eksperimental dan model. Gambar 7 menunjukkan perbandingan Nu dari data eksperimental dan model. Hal ini ditemukan bahwa model dapat memprediksi 98,6% dari data eksperimental dengan kesalahan 15%.

a. Paralel pengaturan aliran

b. Aliran yang berlawanan arah pengaturan Gambar 8. Thermosyphon penukar panas. Air adalah bekerja di dalam cairan.

3. Kinerja penukar panas thermosyphon menggunakan sirip spiral berkerut

Pada bagian ini, tabung sirip spiral berkerut digunakan sebagai alat penukar panas thermosyphon udara untuk udara seperti yang ditunjukkan pada gambar 8. Tingkat perpindahan panas dari penukar panas thermosyphon dapat diperhitungkan sebagai berikut:

Dimana UA adalah produk dari area koefisien perpindahan panas keseluruhan dari penukar panas thermosyphon. Dalam penelitian, program simulasi untuk menghitung kinerja penukar panas thermosypon

dikembangkan oleh Nuntaphan (4) dipilih untuk mengevaluasi kinerja. Gambar 9-12 menunjukkan hasil simulasi di berbagai kondisi. Dari gambar tersebut, ditemukan bahwa kinerja sistem tergantung pada laju aliran massa udara dan suhu inlet gas panas. Perhatikan bahwa dalam bagian ini tingkat aliran massa dari gas panas sama dengan laju aliran massa gas dingin. Selain itu, juga menemukan bahwa aliran kontra memberikan kinerja yang lebih tinggi daripada aliran paralel. Gambar 9 menunjukkan efek dari pengaturan tabung pada kinerja penukar panas thermosyphon. Hal ini ditemukan bahwa pengaturan segitiga memberikan laju perpindahan panas tertinggi karena sisi udara tertinggi koefisien perpindahan panas. Gambar 10-11 menunjukkan pengaruh jarak sirip dan tinggi sirip pada tingkat perpindahan panas. Keluaran menunjukkan hasil yang sama seperti yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya.

Gambar 9. efek pengaturan tabung pada kinerja penukar panas thermosyphon

Gambar 10. pengaruh jarak sirip terhadap kinerja penukar panas thermosypon.

Gambar 12 menunjukkan efek dari temperatur gas inlet panas pada tingkat panas. Perbedaan tinggi suhu antara sumber panas dan hasil pendingin di tingkat perpindahan panas yang lebih tinggi. Pokoknya, suhu harus dikontrol tidak melebihi kondisi fluks panas kritis.

Gambar 11. pengaruh ketinggian sirip pada kinerja penukar panas thermosyphon.

Gambar 12. efek dari temperatur gas panas pada kinerja penukar panas thermosyphon

4. Kesimpulan Karya ini mempelajari kinerja sirip spiral berkerut pada berbagai kondisi seperti jarak sirip, tinggi sirip, pengaturan tabung, laju aliran massa dan suhu udara. Model empiris untuk memprediksi koefisien sisi udara perpindahan panas juga dikembangkan dan dapat memprediksi hasil cukup baik. Penelitian ini juga mempelajari kinerja penukar panas

thermosypon menggunakan sirip spiral berkerut. Hal ini ditemukan bahwa jarak sirip, tinggi sirip, pengaturan tabung, laju aliran massa dan suhu udara dan arah aliran udara yang tinggi untuk memberikan efek laju perpindahan panas dari penukar panas.

5. Penghargaan Para penulis berterima kasih atas dukungan yang diberikan oleh Thailand Research Fund untuk melaksanakan studi ini.

Nomenclatures A = luas (m2) Cp = panas spesifik (J/kgK) df = diameter luar tabung bersirip (mm) di = diameter dalam tabung telanjang (mm) do = diameter luar tabung telanjang (mm) fh = tinggi sirip (mm) fs = jarak sirip (mm) ft = ketebalan sirip (mm) h = koefisien perpindahan panas (W/m2K) k = konduktivitas termal (W/mK) L = panjang (m) = laju aliran massa (kg/s) nr = jumlah baris tabung nt = jumlah tabung di baris NTU = jumlah unit mentransfer Nu = bilangan nusselt Pr = bilangan Prandtl Q = perpindahan panas (W) Red = bilangan Reynolds St = transferse lapangan (mm) Si = lapangan membujur (mm)

T = temperatur (0C) U = koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m2K)

Simbol Yunani = efektifitas = efisien

Subskrip a = udara b = tabung kosong f = sirip i = inlet, sisi tabung o = outlet, udara samping w = air

Daftar Pustaka (Jurnal) 1. Briggs D.E. and Young E.H., 1963, Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Air Flowing Across Triangular Pitch Banks of Finned Tubes, Chemical Engineering Progress Symposium Series. Vol.59, No. 41, pp.1-10. 2. Robinson K.K. and Briggs D.E., 1966, Presure Drop of Air Flowing Across Tringular Pitch Banks of Finned Tubes Chemical Engineering Progress Symposium Series, Vol 62, No.64, pp.177-184. 3. Rabas T.J., Eckels P.W. and Sabatino R.A., 1981, The Effect of Fin Density on the Heat Transfer and Pressure Drop Performance of Low Finned Tube Banks, Chemical Engineering Comunications, Vol.10, No.2, pp.127-147. 4. Nuntaphan A., 2000, Performance of Heat Pipe Heat Exchanger Using Binary Working Fluids, Ph.D. Thesis, King Mongkuts University of Technology Thonburi Thailand. 5. ANSI/ARI 410-81. 1981, Standard for Forced Circulation Air Cooling and Air Heating Coils. 6. Gnielinski V., 1976, New Equation for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow, Int. Chem. Engng, Vol.16, pp.359-368.

7. Schmidt Th.E., 1949, Heat Transfer Calculation for Extended Surfaces, Refrigeration Engineering, pp. 351-357. 8. Wang, C.C., Lou, J., Lin, Y.T. and Wei, C.S., 2002, Flow Visualization of Annular and Delta Winlet Vortex Generators in Fin-and-tube Heat Exchanger Application, Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol.45, pp.3803-3815. 9. Rich, D.G., 1973, ASHRAE Transactions, Vol.79, No.2, pp.137-145. 10. Wang, C.C., Chang, Y.j., Hsieh, Y.J. and Lin, Y.T., 1996, Int. J. of Refrigeration, Vol.19, pp.223-230.