UJI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA PIPA …eprints.uns.ac.id/10181/1/222381111201111251.pdf · Konstruksi pipa kalor dan prinsip kerjanya ..... 7 Gambar 2.2. Struktur kapiler

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

UJI KAR

KALO

FLU

JU

RAKTERI

OR SEBAG

UIDA KER

D

URUSAN T

UNIV

ISTIK PE

GAI ALA

RJA ETAN

Diajukan seb

untuk m

Sar

TH

NI

TEKNIK M

VERSITA

SUR

ERPINDA

AT RECOV

NOL KAD

SKRIPSI

bagai salah

memperoleh

rjana Tekni

Oleh:

HOHARUDI

M: I040504

MESIN FA

AS SEBEL

RAKART

2010

HAN PAN

VERY PAN

DAR 90%

satu syarat

h gelar

ik

IN

48

AKULTA

LAS MAR

TA

NAS PADA

NAS DEN

DAN R-1

t

AS TEKNI

RET

A PIPA

GAN

34a

K


commit to user

UJI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA PIPA KALOR

SEBAGAI ALAT RECOVERY PANAS DENGAN FLUIDA KERJA

ETANOL KADAR 90% DAN R-134a

Disusun oleh :

Thoharudin NIM. I0405048

Dosen Pembimbing I

Zainal Arifin., S.T., M.T. NIP. 19730308 200003 1 001

Dosen Pembimbing II

Dr. Techn. Suyitno., S.T., M.T. NIP. 19740902 200112 1 002

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ....... tanggal ...... 2010

1. Budi Kristiawan., S.T., M.T. ………………………… NIP. 19710425 199903 1 001

2. Syamsul Hadi., S.T., M.T. ………………………...

NIP. 19710615 199802 1 002

3. Muhammad Nizam., S.T., M.T., Ph. D. ………………………… NIP. 19700720 199903 1 001

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Dody Ariawan., S.T., M.T. NIP. 19730804 199903 1 003

Koordinator Tugas Akhir

Wahyu Purwo Raharjo., S.T., M.T.

NIP. 19720229 200012 1 001


commit to user

PERSEMBAHAN

Tiada kata lain selain puji syukur dan ucapan terima kasih kepada

mereka yang telah berjasa memberikan hal yang terbaik dan kepada

merekalah hasil karya dengan jerih payahku selama menempuh jenjang S-1

kupersembahkan. Sebuah skripsi yang dengan ini penulis memperoleh gelar

Sarjana Teknik lulusan Universitas Sebelas Maret. Mereka diantaranya:

Allah SWT, milikNyalah apa yang ada di bumi dan apa yang ada di

langit, Yang menghidupkan dan mematikan, Yang memberikan

kelapangan dan kemudahan. Segala puji bagiNya Rabb semesta alam.

Rasulullah Muhammad SAW. Dengan risalah beliaulah penulis

memiliki semangat menuntut ilmu.

Bapak Sugiman dan Ibu Siti Jamiah, lantaran beliau berdualah

penulis terlahir ke dunia. Terima kasih atas asuhan, didikan,

bimbingan, serta segala limpahan kasih sayang kalian.

Kakakku Taufiq Ariyanto dan adikku Sidiq Nur Huda.

Bapak Zainal Arifin, ST, MT dan Dr. Techn.Suyitno, ST, MT,

semoga Allah memberikan ilmu yang bermafaat dan kesabaran.

Teman-teman "Lab. Biofuel".

Solidarity M Forever.

Almameter.

Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang

pernah bersama memberi pengalaman yang berarti dalam kehidupan

penulis).


commit to user

MOTTO

“ Maka sesungguhnya bersama kesulitan pasti ada kemudahan, maka bersama kesulitan pasti ada

kemudahan.” (Q.S. Al-Insyirah: 5-6)

“ Wahai jin dan manusia! Jika kamu sanggup

menembus penjuru langit dan bumi, maka tembuslah. Kamu tidak akan mampu menembusnya kecuali dengan kekuatan/ ilmu (dari Allah). “

(Ali Imran: 110)

"Barang siapa melakukan perjalanan untuk menuntut ilmu maka Allah akan memudahkan

jalannya menuju surga." (HR. Muslim)

“Seseorang dengan tujuan yang jelas akan

membuat kemajuan walaupun melewati jalan yang sulit. Seseorang yang tanpa tujuan, tidak akan membuat kemajuan walaupun ia berada di jalan

yang mulus.” (Thomas Carlyle)

“Ciptakan mimpi indah ketika terbangun di alam

barzah.” (Thoharudin)


commit to user

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur atas taufiq yang telah diberikan Allah SWT yang

memberikan kemudahan dalam pelaksanaan dan penyusunan Tugas Akhir yang

berjudul “Uji Karakteristik Perpindahan Panas Pada Pipa Kalor Sebagai Alat

Recovery Panas Dengan Fluida Kerja Etanol Kadar 90% dan R-134a” ini dengan

baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung.

Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima

kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam

menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada:

1. Bapak Zainal Arifin, S.T., M.T., selaku Pembimbing I atas bimbingannya

hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Dr.Techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing II yang telah turut

serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3. Bapak Dody Ariawan, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS

Surakarta.

4. Bapak Didik Djiko Susilo, S.T., M.T., selaku Pembimbing Akademis yang

telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di

Universitas Sebelas Maret ini.

5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, S.T., M.T., selaku koordinator Tugas Akhir

6. Ibu Eliza yang telah membantu penulis dalam mengurus seminar dan

pendadaran.

7. Seluruh dosen serta staf administrasi di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang

telah turut membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.


commit to user

8. Bapak dan ibu tercinta, adik, serta semua saudara penulis atas do’a restu,

motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penulis

melaksanakan studi S1 di Teknik Mesin UNS.

9. Rekan-rekan sesama penghuni Lab. Perpindahan Panas dan Termodinamika:

Efril, Santa, Yusno, Ahmad, Indri, Tinneke, Taufan, Mas Bobie, Mas Agus,

Mas Erro, Mas Thoyib, Mas Darmanto.

10. Rekan - rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2005 terima kasih

atas kerjasamanya selama ini.

11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran konstruktif senantiasa penulis

harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.

Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna bagi penulis

dan kita semua. Amin.

Surakarta, Juli 2010

Penulis


commit to user

UJI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA PIPA KALOR SEBAGAI ALAT RECOVERY PANAS DENGAN

FLUIDA KERJA ETANOL KADAR 90% DAN R-134a

Thoharudin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

Email : [email protected]

ABSTRAK

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efektivitas perpindahan panas dan hambatan termal pada pipa kalor. Pipa kalor merupakan alat penukar kalor dengan sistem dua fasa. Fluida kerja dalam pipa kalor menerima panas pada sisi evaporator sehingga menguap dan membawa sejumlah panas dan melepaskan panas tersebut pada sisi kondensor. Pada penelitian ini pipa kalor diisi dengan etanol kadar 90% dengan rasio pengisian 0,5 dan diisi dengan R-134a pada tekanan 0,9 MPa. Pengujian pipa kalor dilakukan dengan memanaskan evaporator pipa kalor pada temperatur rata-rata evaporator 60, 80, 100oC pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90%. Pada pengujian pipa kalor berfluida kerja R-134a pada temperatur rata-rata evaporator dikontrol pada 40, 60, 80oC. Pada sisi kondensor pipa kalor dialirkan udara dengan kecepatan 0,8, 1,0, dan 1,2 m/s. Hasil penelitian didapatkan bahwa pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% memiliki efektivitas perpindahan panas sebesar 38,25% sampai 78,28% dengan hambatan termalnya 1,15 sampai 1,45oC/W. Pipa kalor dengan fluida kerja R-134a memiliki efektivitas perpindahan panas sebesar 55,40% sampai 92,43% dengan hambatan termalnya 0,19 sampai 0,36oC/W.

Kata kunci: pipa kalor, efektivitas perpindahan panas, hambatan

termal


commit to user

EXPERIMENT OF HEAT TRANSFER CHARACTERISTIC ON HEAT PIPE AS HEAT RECOVERY DEVICE WITH ETHANOL AT CONCENTRATION

90% AND R-134a WORKING FLUID

Thoharudin Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering

Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

ABSTRACT

The objective of this research is to investigate the effectiveness of heat transfer and heat pipe thermal resistance. Heat pipe heat exchanger is a heat exchanger with two-phase system. The Working fluid in heat pipe receives heat from evaporator side so that evaporates and transfers an amount of heat in condenser side. In this research, the heat pipe was filled with ethanol at concentration 90% with filling ratio of 0.5 and R-134a at pressure 0.9 MPa. Experiment was carried out by heating the heat pipe evaporator at an average temperature of 60, 80, and 100oC for heat pipe with working fluid ethanol at concentration 90%. For the experiment of heat pipe with working fluid R-134a, an average evaporator temperature was controlled at 40, 60, 80oC. At the side of the heat pipe condenser air flowed at velocity of 0.8, 1.0, and 1.2 m/s. Research found that the heat pipe with working fluid ethanol at concentration 90% has heat transfer effectiveness of 38.25% to 78.28% and has a thermal resistance from 1.15 to 1.45 oC/W. Heat pipe with working fluid R-134a has heat transfer effectiveness of 55.40% to 92.43% and has thermal resistance from 0.19 to 0.36 oC/W.

Keyword: heat pipe, heat transfer effectiveness, thermal resistance


commit to user

DAFTAR ISI

Halaman Halaman Judul .............................................................................................. i Halaman Surat Penugasan ............................................................................ ii Halaman Pengesahan ................................................................................... iii Halaman Motto ............................................................................................ iv Halaman Abstrak ......................................................................................... v Halaman Persembahan ................................................................................. vii Kata Pengantar ............................................................................................. viii Daftar Isi ..................................................................................................... x Daftar Tabel ................................................................................................ xii Daftar Gambar .............................................................................................. xiii Daftar Notasi ................................................................................................ xv Daftar Lampiran ........................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah ............................................................ 1 1.2. Perumusan Masalah .................................................................. 2 1.3. Batasan Masalah ....................................................................... 3 1.4. Tujuan dan Manfaat .................................................................. 3 1.5. Sistematika Penulisan ............................................................... 4

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka ....................................................................... 5 2.2. Pipa Kalor ................................................................................. 6

2.2.1. Pengertian Pipa Kalor ....................................................... 6 2.2.2. Tipe Pipa Kalor Berdasarkan Temperatur Operasi ........... 8 2.2.3. Struktur Kapiler (Wick) ..................................................... 8 2.2.4. Fluida Kerja ....................................................................... 10 2.2.5. Kontrol Pada Pipa Kalor ................................................... 11 2.2.6. Batas Perpindahan ............................................................. 14 2.2.7. Karakteristik Perpindahan Panas Pipa Kalor .................... 16 2.2.8. Efektivitas Perpindahan Panas .......................................... 17 2.2.9. Hambatan Termal .............................................................. 18 2.2.10. Perpindahan Panas dengan Perubahan Fasa ................... 18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian ................................................................... 20 3.2. Alat Penelitian .......................................................................... 20 3.3. Prosedur Penelitian .................................................................. 29 3.4. Analisis Data ............................................................................ 32 3.5. Diagram Alir Penelitian .......................................................... 33 3.6. Variasi Pengujian ...................................................................... 34


commit to user

BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Perhitungan efektivitas perpindahan panas pipa kalor

berfluida kerja etanol kadar 90% pada temperatur evaporator rata-rata 60oC dan kecepatan aliran udara 0,8 m/s. ........................................................................................... 35

4.2. Pipa Kalor dengan Fluida Kerja Etanol Kadar 90% ................ 37 4.3. Pipa Kalor dengan Fluida Kerja R-134a .................................. 41 4.4. Perbandingan karakteristik perpindahan panas pipa kalor

dengan fluida kerja etanol kadar 90% dan R-134a .................. 46 BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan ............................................................................. 49 5.2. Saran ........................................................................................ 49

Daftar Pustaka ............................................................................................. 51 Lampiran ..................................................................................................... 53


commit to user

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Fluida kerja pipa kalor ............................................ 10 Tabel 3.1. Jenis pipa yang akan diuji ....................................... 20 Tabel 3.2. Variasi pengujian ..................................................... 34 Tabel 4.1. Perbandingan nilai kapasitas panas ....................... 46


commit to user

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1. Konstruksi pipa kalor dan prinsip kerjanya ........................... 7 Gambar 2.2. Struktur kapiler (wick) homogen (Bejan dan Kraus, 2003) .. 9 Gambar 2.3. Struktur kapiler (wick) komposit (Bejan dan Kraus, 2003)... 10

Gambar 2.4. a,b,c merupakan pipa kalor self -controlled devices dan d,e merupakan pipa kalor feedback-controlled devices (Bejan dan Kraus, 2003) ........................................................... 12

Gambar 2.5. Excess-liquid heat pipe (Bejan dan Kraus, 2003) ................. 13 Gambar 2.6. Vapor flow–modulated heat pipe (Bejan dan Kraus, 2003) .. 13 Gambar 2.7. Liquid flow–modulated heat pipe (Bejan dan Kraus, 2003) .. 14 Gambar 2.8. Konfigurasi pengujian pipa kalor (Meyer dan Dobson, 2006) 16

Gambar 2.9. Hasil pengujian pipa kalor pada kondisi transien selama 45 menit (Meyer dan Dobson, 2006) ........................................ 16

Gambar 2.10. Pendidihan konveksi paksa pada pipa (Incropera dan DeWitt, 2007). .......................................................................... 19

Gambar 3.1. Pipa kalor ............................................................................... 20 Gambar 3.2. Fin pada pipa kalor ................................................................ 21 Gambar 3.3. Saluran uji (duct) ................................................................... 22 Gambar 3.4. Hambatan termal dinding ...................................................... 22 Gambar 3.5. Pemasangan termokopel pada dinding pipa kalor ................. 23 Gambar 3.6. Pemasangan termokopel pada saluran uji (duct) ................... 23 Gambar 3.7. Display Termokopel .............................................................. 24 Gambar 3.8. Stopwatch .............................................................................. 24 Gambar 3.9. Anemometer .......................................................................... 25 Gambar 3.10. Voltmeter dan instalasinya .................................................... 25 Gambar 3.11. Amperemeter dan instalasinya .............................................. 26 Gambar 3.12. Rangka pengujian .................................................................. 26 Gambar 3.13. Voltage Regulator ................................................................. 27 Gambar 3.14. Dimmer .................................................................................. 27 Gambar 3.15. Blower ................................................................................... 27 Gambar 3.16. Lilitan nikelin pada pipa kalor .............................................. 28 Gambar 3.17. Pompa vakum ........................................................................ 28 Gambar 3.18. Manifold ................................................................................ 29 Gambar 3.19. Persiapan Pengujian .............................................................. 29 Gambar 3.20. Penempatan termokopel ........................................................ 30 Gambar 3.21. Diagram alir penelitian .......................................................... 33

Gambar 4.1. Efektivitas perpindahan panas dari pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% ................................................. 39

Gambar 4.2. Hambatan termal pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% .................................................................... 39

Gambar 4.3. Jangkauan nilai efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% .................................... 40

Gambar 4.4. Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja R-134a pada tekanan kerja 0,9

MPa......................................................................................... 43


commit to user

Gambar 4.5. Hambatan termal pipa kalor berfluida kerja R-134a pada tekanan kerja 0,9 MPa ............................................................ 43

Gambar 4.6. NTU pada aliran menyilang (Incropera dan DeWitt, 2007) . 46 Gambar 4.7. Perbandingan efektivitas perpindahan panas pipa kalor

berfluida R-134a dan etanol kadar 90% ................................ 47 Gambar 4.8. Perbandingan hambatan termal pada pipa kalor berfluida

R-134a dan etanol kadar 90%................................................ 48


commit to user

DAFTAR NOTASI

Q = Kalor (Joule) m& = Laju aliran massa (kg/s) hfg = Kalor laten (kJ/kg) ε = Efektifitas perpindahan panas

Qa = Perpindahan panas aktual (Watt) Qmax = Perpindahan panas maksimum (Watt)

am& = Laju aliran massa udara (kg/s) cpa = Kalor jenis udara (J/kgK)

T∆ = Beda temperatur sebelum dan sesudah pipa kalor (K) aρ = Massa jenis udara (m3/kg)

A = Luas permukaan saluran (m2) Pe = Daya listrik (Watt) Qe = Kalor listrik (Joule) v = Voltase listrik (volt) i = Arus liastrik (ampere) t = Waktu (detik)

Rth = Hambatan termal (oC/W) eT = Temperatur rata-rata evaporator (oC) cT = Temperatur rata-rata kondensor (oC)

hfd,X = Hydrodynamic entry length (m) D = Diameter pipa (m)

Cmixed = Kapasitas panas fluida tercampur (W/oC) Cunmixed = Kapasitas panas fluida tidak tercampur (W/oC) Cudara = Kapasitas panas udara (W/oC) CR-134a = Kapasitas panas R-134a (W/oC) Cmax = Kapasitas panas maksimum (W/oC) Cmin = Kapasitas panas minimum (W/oC)


commit to user

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran A. ............................................................................... Data Pengujian Pipa kalor berfluida kerja etanol kadar 90% ...... 54 Lampiran B. ................................................................................ Data Pengujian Pipa kalor berfluida kerja R-134a ......................... 72 Lampiran C. ............................................................................... Tabel Tekanan Refrigeran 134a .......................................................... 90 Lampiran D. ............................................................................... Tabel properti udara ............................................................................. 91


commit to user

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Seiring dengan melonjaknya jumlah konsumsi energi sekitar 2-3%

tiap tahunnya (www.energi.lipi.go.id) penggunaan energi harus diupayakan

seefisien mungkin guna pencegahan krisis energi agar tidak semakin

meningkat. Salah satu cara penggunaan energi secara efisien adalah dengan

memanfaatkan energi sisa hasil produksi.

Panas merupakan salah satu bentuk energi yang dapat di-recovery

dengan alat recovery panas. Pada industri pengeringan misalnya, panas

buangan setelah proses pengeringan belum dimanfaatkan secara optimal.

Hal ini menyebabkan energi yang dibutuhkan untuk proses pengeringan

menjadi besar karena limbah panas terbuang begitu saja. Padahal udara

buangan dari proses pengeringan masih memiliki kandungan energi yang

dapat dimanfaatkan lagi dalam proses pengeringan. Begitu pula pada

peralatan lain seperti Air Conditioner (AC) dan Freezer, panas dari

kondensor tidak termanfaatkan lagi. Salah satu peralatan recovery panas

yang menjanjikan adalah pipa kalor.

Pipa kalor terdiri atas wadah yang terdapat daerah penguapan dan

daerah pengembunan fluida kerja. Pemilihan fluida tergantung pada range

temperatur dimana pipa kalor tersebut digunakan. Panas diberikan pada

salah satu ujung pipa kalor (evaporator) sampai temperatur lokal naik

menjadi temperatur jenuhnya. Karena pada kondisi jenuh, dengan

pemasukan energi panas terus menerus menyebabkan fluida berubah fasa

dari cair menjadi uap dimana massa jenisnya mengecil. Dengan uap

bermassa jenis kecil akan bergerak ke atas menuju bagian pengembunan

(condenser). Hasil pengembunan akan kembali pada ujung yang dipanasi

(evaporator) dengan gaya kapilaritas dalam lapisan cairan yang dimuat

dalam jalur wick pada sisi rongga dalam. Biasanya wick terdiri dari lapisan

layar logam atau struktur logam yang berpori. Wick digunakan dalam pipa

kalor untuk mengembalikan fluida kerja dari kondensor ke evaporator.


commit to user

Pada fluida kerja, laju penguapan sebanding dengan panas yang diserap

sebagai kalor laten penguapan.

Adapun keuntungan menggunakan pipa kalor sebagai penukar kalor

adalah karena:

1. Mudah dan fleksibel dalam pembuatan karena hanya terdiri dari

3 komponen utama, yaitu wadah (pipa) yang tertutup rapat,

fluida kerja dan struktur kapiler.

2. Mudah dalam perawatan. Pipa Kalor tidak memerlukan

perawatan mekanis karena tidak ada bagian yang bergerak yang

dapat rusak.

3. Penukar kalor yang ekonomis. Alat ini tidak memerlukan

masukan tenaga dalam pengoperasian dan bebas dari pelumasan

dan pendinginan.

4. Pipa kalor membutuhkan daya fan lebih rendah dan

meningkatkan efisiensi panas sistem secara keseluruhan.

Oleh karena itu penelitian tentang pipa kalor perlu dikembangkan

terutama untuk recovery panas pada temperatur rendah. Penelitian ini

dilakukan dengan menguji pipa kalor pada saluran udara dengan variasi

temperatur evaporator pipa kalor dan laju aliran udara pada duct untuk

mengetahui unjuk kerja dan hambatan termal pipa kalor pada masing-

masing variasi.

1.2. Perumusan Masalah

1. Bagaimana karakteristik perpindahan panas pada penukar kalor

jenis pipa kalor dengan variasi fluida kerja berupa etanol kadar 90%

pada temperatur 60oC, 80oC, dan 100oC pada konstruksi tiga pipa

terhadap efektivitas perpindahan panas dan hambatan termalnya.


jenis pipa kalor berfluida kerja R-134a dengan variasi temperatur

evaporator pipa kalor 40oC, 60oC, dan 80oC terhadap efektivitas

perpindahan panas dan hambatan termalnya.


commit to user


jenis pipa kalor berfluida kerja etanol kadar 90% dan R-134a dengan

variasi kecepatan aliran udara pada saluran udara (duct) terhadap

efektivitas perpindahan panas dan hambatan termalnya.

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi pada:

1. Bahan pipa selubung terbuat dari tembaga, jenis wick adalah wrapped

screen terbuat dari ayakan pasir dengan mesh 4, dan kontrol

gravitasi.

2. Panjang daerah kondensor dan evaporator pada pipa kalor masing-

masing 10 cm dan 12 cm. Sedangkan panjang adiabatik 3 cm.

3. Fluida yang mengalir pada saluran uji (duct) berupa udara pada

temperatur kamar (tanpa perlakuan) dengan aliran menyilang

(crossflow).

4. Perpindahan panas pada daerah adiabatik pipa kalor dan

perpindahan panas pada saluran uji (duct) ke lingkungan diabaikan

karena pada daerah tersebut terisolasi.

5. Fluida kerja pada temperatur rata-rata evaporator 60oC, 80oC, dan

100oC adalah etanol kadar 90% dan fluida kerja pada temperatur

rata-rata evaporator 40oC, 60oC, dan 80oC adalah R-134a. Rasio

pengisian etanol kadar 90% sebagai fluida kerja pipa kalor sebesar

0,5. Sedang pada fluida kerja R-134a diisikan pada tekanan 0,9 MPa

(Tsat@35,53oC).

6. Pipa kalor diujikan pada saluran uji (duct) pada posisi vertikal.

7. Saluran uji (duct) berbentuk balok berongga dengan lebar x tinggi

permukaan dalam 12 cm x 12 cm dengan panjang saluran 130 cm

ditambah dengan pipa berdiameter 2 inch sepanjang 60 cm sebelum

saluran uji (duct).

1.4. Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:


commit to user

1. Mengkaji teknologi penukar kalor jenis pipa kalor sebagai alat

recovery panas pada temperatur 60oC, 80oC, dan 100oC dengan

fluida kerja etanol kadar 90% dan pada temperatur 40oC, 60oC, dan

80oC dengan fluida kerja R-134a.

2. Mengetahui karakteristik perpindahan panas pada penukar kalor

jenis pipa kalor dengan variasi temperatur evaporator pipa kalor

terhadap efektivitas perpindahan panas dan hambatan termalnya.

3. Mengetahui karakteristik perpindahan panas pada penukar kalor

jenis pipa kalor dengan variasi kecepatan aliran udara pada saluran

udara (duct) terhadap efektivitas perpindahan panas dan hambatan

termalnya.

Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai

berikut:

1. Memberikan pengetahuan tentang karakteristik pipa kalor berfuida

kerja etanol kadar 90%

2. Memberikan pengetahuan tentang karakteristik pipa kalor berfuida

kerja R-134a pada tekanan 0,9 MPa.

3. Hasil penelitian ini dapat diterapkan pada industri pengeringan

maupun industri yang memanfaatkan alat recovery panas sebagai

alat penukar kalor yang fleksibel, murah, ekonomis dalam

penggunaanya (tidak memerlukan pompa ataupun peralatan lain

untuk menggerakkan fluida kerja), dan mudah dalam

perawatannya.

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang

masalah, perumusan masalah, batasan masalah,

tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika

penulisan.

BAB II : Landasan teori, berisi tinjauan pustaka yang

berkaitan dengan pipa kalor, dan pengujian


commit to user

karakteristik perpindahan panas pada pipa kalor.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang

digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian,

langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.

BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,

perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil

dari perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.


commit to user

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Meena dkk (2006) melakukan penelitian terhadap recovery panas

pada siklus pengeringan dengan CLOHP/CV (Closed-loop oscillating heat-

pipe with check valves) air-preheater yang digunakan sebagai recovery panas

buangan. CLOHP/CV heat-exchanger terdiri dari pipa dengan panjang 3,58

m dan diameter dalamnya 0,002 m. Evaporator dan kondensor memiliki

panjang 0,19 m, bagian adiabatik sepanjang 0,08 m, kecepatan udara 0,5,

0,75, dan 1,0 m/s dengan temperatur udara panas 50, 60, dan 70oC.

Temperatur udara panas naik dari 50oC menjadi 70oC dan terjadi

peningkatan perpindahan panas. Peningkatan kecepatan dari 0,5 m/s, 0,75

m/s, dan 1,0 m/s menjadikan perpindahan panas menurun. Peningkatan

kecepatan dari 0,5 hingga 1,0 m/s menjadikan efektivitas menurun. Pada

kenaikan temperatur udara panas dari 50oC ke 70oC efektivitas meningkat;

dan kelembaban relatif berkurang sehingga dapat menghemat energi.

Efektivitas perpindahan panas tertinggi dicapai pada kecepatan udara 0,5

m/s dan temperatur 70oC sebesar 0,75.

Meena dan Rittidech (2008) melakukan penelitian untuk

membandingkan unjuk kerja perpindahan panas dari closed-looped

oscillating heat pipe and closed-looped oscillating heat pipe with check valves

heat exchangers dengan fluida R-134a, etanol, dan air sebagai fluida

kerjanya. Pipa kalor terbuat dari pipa tembaga dengan diameter dalam 2,03

mm, 40 belokan dengan masing-masing panjang evaporator, adiabatik, dan

kondensor adalah 20, 10, dan 20 cm. Fluida kerja diisikan dalam pipa pada

rasio pengisian 50%. Evaporator dipanasi dengan heater dan kondensor

didinginkan dengan udara, sedangkan pada bagian adiabatik diisolasi. Dari

hasil pengujian didapatkan kesimpulan bahwa unjuk kerja perpindahan

panas closed-looped oscillating heat pipe with check valves heat exchanger

lebih baik dari pada closed-looped oscillating heat exchanger dengan fluida

kerja R-134a sebesar 0,65.


commit to user

Hasan dkk (2003) meneliti tentang unjuk kerja pipa kalor gravitasi

dengan diameter 12,5 mm dan panjang 0,5 m menggunakan air sebagai

fluida kerjanya. Percobaan dilakukan untuk meneliti unjuk kerja pipa kalor

pada variasi sudut inklinasi dan perbedaan fluks kalor input pada bagian

evaporator. Rasio pengisian adalah 0,2. Unjuk kerja terbaik pipa kalor

meningkat pada posisi vertikal dimana gaya gravitasi membantu kondensat

turun dari kondensor ke evaporator. Hambatan termal meningkat dengan

meningkatnya sudut inklinasi. Pada pengujian dihasilkan hambatan termal

tertinggi pada posisi vertikal sebesar 3,3oC/W dicapai pada daya input 25 W.

Koefisien perpindahan panas menyeluruh sebanding dengan fluks panas

pada evaporator dan berbanding terbalik dengan sudut inklinasi. Koefisien

perpindahan panas menyeluruh pada posisi vertikal sebesar 175 W/m2oC

dengan daya input 40 W.

Suyitno dkk (2009) melakukan penelitian secara eksperimen pipa

kalor dengan variasi panjang pipa, diameter pipa dan fluida kerja pipa

kalor. Pada salah satu ujung pipa kalor diberi pemanas dengan heater 50 W

dan pada ujung pipa kalor kedua diberi sirip dan dialiri udara dengan

kecepatan 0,1 m/s dengan temperatur kamar. Dari penelitian ini diperoleh

hasil bahwa efektivitas perpindahan panas pipa kalor sekitar 23% dan jauh

lebih tinggi dari efektivitas perpindahan panas pipa biasa sebesar 13%.

Efektivitas perpindahan panas pada pipa kalor berfluida etanol-air akan

meningkat seiring dengan peningkatan kadar etanol. Pemakaian pipa yang

berdiameter lebih besar mampu memberikan efektivitas perpindahan panas

yang lebih besar.

2.2. Pipa Kalor

2.2.1. Pengertian Pipa Kalor

Sistem dua fase capillary-driven memiliki keuntungan yang lebih dari

pada sistem satu fasa dimana koefisien perpindahan panas sistem dua fasa

lebih besar bila dibandingkan dengan koefisien perpindahan panas sistem

satu fasa. Pipa kalor adalah salah satu penukar kalor yang memanfaatkan


commit to user

s

p

c

m

p

S

a

w

k

p

t

G

p

m

k

e

g

d

p

m

sistem dua

pengembun

Pipa

capillary-dri

memindahk

panas (con

Secara umu

adiabatik,

wadah yan

kerja. struk

pipa yang

tenaga kap

Gambar 2

penambaha

menyerap k

kerja berwu

evaporator

gradien tek

dari konde

proses terse

Fluid

menerima p

a fasa unt

nan fluida k

a kalor me

iven. Pipa

kan panas d

ndenser) me

um pipa ka

dan bagian

g tertutup

ktur kapilie

terdapat fl

pilaritas ba

2.1 merupa

an kalor p

kalor laten

ujud uap m

dan pelep

kanan sepan

ensor melal

ebut akan te

Gambar 2.

da kerja

panas dan

tuk memin

kerja.

rupakan sa

a kalor m

dari sumbe

enggunakan

alor memili

n kondenso

(pipa tertu

er merupak

luida kerja

agi cairan

akan ilustr

pada evapo

penguapan

mengembun

pasan mass

njang salura

lui struktu

erus berlang

.2. Konstruk

beroperasi

memindahk

ndahkan k

alah satu p

merupakan

er panas (ev

n kalor lat

iki tiga bag

or. Kompo

utup), struk

an tempat p

a cair jenuh

kembali d

rasi prinsi

orator, flui

n, sementara

. Penambah

sa pada ak

an uap. Perb

ur kapiler

gsung.

ksi pipa kalor

pada ke

kan panas

kalor deng

penukar ka

penukar

vaporator) m

ten pengem

gian: bagian

onen utama

ktur kapilie

pada permu

h dan seba

dari konden

p kerja p

ida kerja

a pada bag

han massa

khir konde

bedaan teka

(wick) men

r dan prinsip

adaan jen

melalui ka

gan pengua

alor sistem

kalor pa

menuju pem

mbunan flui

n evaporato

a pipa kalo

er (wick), d

ukaan dalam

agai struktu

nsor ke ev

pipa kalor

terevapora

gian konden

inti uap pa

nsor meng

anan memb

nuju evapo

p kerjanya.

nuh, fluida

lor laten p

apan dan

dua fasa

asif yang

mbuangan

ida kerja.

or, bagian

or adalah

dan fluida

m dinding

ur kapiler

vaporator.

r. Dengan

asi karena

nsor fluida

ada bagian

gakibatkan

uat cairan

rator dan

a tersebut

enguapan.


commit to user

Jumlah panas yang dipindahkan melalui kalor laten secara umum lebih

besar dibandingkan panas yang dipindahkan melalui kalor sensibel. Dengan

range temperatur operasinya yang besar (menyesuaikan fluida kerja),

memiliki efisiensi yang tinggi, ringan, dan fleksibel maka sistem pipa kalor

tersebut sangat menarik untuk diaplikasikan sebagai penukar kalor.

2.2.2. Tipe Pipa Kalor Berdasarkan Temperatur Operasi

Berdasarkan temperatur operasinya pipa kalor dapat dibedakan

menjadi empat yang memiliki fluida kerja yang berbeda. Tipe pipa kalor

tersebut antara lain:

1. Pipa kalor kriogenik (Cryogenic heat pipes), dirancang beroperasi

pada temperatur 1-200 K.

2. Pipa kalor temperatur ruangan/rendah (Room (low)-temperature heat

pipes), dirancang beroperasi pada temperatur 200-550 K.

3. Pipa kalor temperatur medium (Medium-temperature heat pipes),

dirancang beroperasi pada temperatur 550-700 K.

4. Pipa kalor temperatur tinggi (High (liquid-metal)-temperature heat

pipes), dirancang beroperasi pada temperatur di atas 700 K. Fluida

kerjanya memiliki fluks panas yang tinggi dan biasanya merupakan

logam cair seperti potasium, solidum, dan perak, karena logam cair

tersebut memiliki tegangan permukaan yang tinggi dan nilai kalor

laten yang tinggi pula.

2.2.3. Struktur Kapiler (Wick)

Struktur kapiler (wick) merupakan aliran kapilaritas yang

mengarahkan fluida kerja cair dari kondensor menuju evaporator pipa

kalor. Struktur kapiler yang efektif memiliki pori-pori internal yang luas, hal

ini akan memperkecil hambatan laju cairan. Ada dua tipe struktur kapiler

(wick) yang telah dikembangkan, yaitu struktur kapiler (wick) homogen yang

terbuat dari satu material dan struktur kapiler (wick) komposit yang terbuat


commit to user

d

t

w

m

p

s

p

s

s

dari dua at

tergolong la

1. S

2. S

a

b

c

d

Sala

wrapped scr

mesh yang

permukaan

semakin b

permukaan

semakin tin

semakin be

Gamba

tau lebih m

agi menjadi

Struktur ka

a. Wrappe

b. Sintered

c. Axial gr

d. Anular

e. Crescen

f. Artery

Struktur ka

a. Composit

b. Screen-co

c. Slab

d. tunnel

h satu str

reen diman

mana men

n. Ukuran p

besar angk

nnya. Hamb

nggi angka

sar pula ha

ar 2.3. Struk

material. K

beberapa j

apiler (wick)

ed screen

d metal

roove

nt

apiler (wick)

te

overed groo

ruktur kap

a struktur

ngindikasik

pori-pori pe

ka mesh

batan aliran

mesh sema

mbatan laju

ktur kapiler (

Kedua tipe s

enis, antara

) homogen

) komposit

ve

piler yang

kapilernya

kan jumlah

ermukaan b

maka sem

n cairan dik

akin ketat

u cairan dar

(wick) homo

struktur ka

a lain:

biasa digu

dirancang

h pori-pori

berlawanan

makin keci

kendalikan

pula perm

ri kondenso

ogen (Bejan d

apiler (wick)

unakan ada

berdasarka

persatuan

dengan an

l ukuran

oleh keket

ukaan wick

or ke evapor

dan Kraus, 2

k) tersebut

alah jenis

an jumlah

unit area

gka mesh,

pori-pori

atan wick,

k sehingga

rator.

2003).


commit to user

2

b

f

Gamba

2.2.4. Fluid

Fluid

berdasarka

fluida kerja

WorkingFluid

Oxigen

Nitrogen

Ethane

Methanol

Toluene

Acetone

Ammonia

ar 2.4. Struk

da Kerja

da kerja

an temperat

a berdasark

Triple Point (K)

54,3

63,1

134,8

175,2

178,1

180,0

195,5

ktur kapiler (

yang diop

tur operasi

kan tempera

Tabel 2.2. F

Critical Point (K)

154,8

126,2

425,0

513,2

593,9

508,2

405,6

(wick) komp

perasikan

inya. Tabel

atur operasi

Fluida kerja

Useful Range

(K)

55-154

65-125

260-350

273-503

275-473

250-475

200-405

posit (Bejan d

pada pipa

l 2.1 memp

inya.

pipa kalor.

Bejan

Bejan

Bejan

Bejan

Bejan

Bejan

Bejan

dan Kraus, 2

a kalor d

perlihatkan

Literature

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

n, A., Kraus2003

2003).

ditentukan

beberapa

e

s, A.D.,

s, A.D.,

s, A.D.,

s, A.D.,

s, A.D.,

s, A.D.,

s, A.D.,


commit to user

Mercury 234,3 176,3 280-1070 Bejan, A., Kraus, A.D., 2003

Water 273,2 647,3 273-643 Bejan, A., Kraus, A.D., 2003

Potassium 336,4 2500 400-1800 Bejan, A., Kraus, A.D., 2003

Lithium 453,7 3800 500-2100 Bejan, A., Kraus, A.D., 2003

Silver 1234 7500 1600-2400 Bejan, A., Kraus, A.D., 2003

R-134a 169,7 373,9 Tergantung tekanan encyclopedia.airliquide.com

Etanol 150 514 - en.wikipedia.org

2.2.5. Kontrol Pada Pipa Kalor

Kontrol dibutuhkan dalam sistem pipa kalor. Kegunaannya adalah

untuk mengendalikan pipa kalor agar bekerja pada temperatur operasinya.

Terdapat empat kontrol utama sebagai berikut:

1. Gas-loaded heat pipe. Kehadiran gas yang tidak terkondensasi

berpengaruh terhadap unjuk kerja pada kondensor. Beberapa gas yang

tidak terkondensasi terdapat pada ruang uap menuju kondensor selama

operasi dan gas akan menghambat bagian permukaan kondensor. Laju

panas pada kondensor dapat dikendalikan dengan mengontrol volume gas

yang tidak terkondensasi. Sebagai contoh self -controlled devices yang

dapat dikendalikan dengan tekanan uap fluida kerja dan feedback-

controlled devices yang diperlihatkan pada gambar 2. 5.


commit to user

Gm

2

Gambar 2.6merupakan p

2. Excess-li

kondenso

dalam f

kondenso

6. a,b,c merupipa kalor fe

iquid heat

or dengan f

fasa cair m

or.

upakan pipa eedback-cont

pipe. Kon

fluida kerja

masuk dala

kalor self -ctrolled devic

ntrol dapat

a yang berle

am konden

controlled deces (Bejan da

t juga dic

ebih. Fluida

nsor dan m

evices dan dan Kraus, 20

apai oleh

a kerja yan

menghamb

d,e 003).

genangan

g berlebih

at bagian


commit to user

3

Ga

Gamba

3. Vapor

dikenda

Peningk

panas

ambar 2.7. E

ar 2.8. Vapo

flow–modu

alikan den

katan pana

terasa pad

Excess-liqui

or flow–modu

ulated heat

ngan aliran

as masuka

da permuk

id heat pipe (

ulated heat p

t pipe. Un

n uap yan

an atau pe

kaan evapo

(Bejan dan K

pipe (Bejan

njuk kerja

ng melewat

eningkatan

orator men

Kraus, 2003)

dan Kraus, 2

pipa kal

ti bagian

temperatu

nyebabkan

).

2003).

lor dapat

adiabatik.

ur sumber

kenaikan


commit to user

temperatur dan tekanan uap pada bagian evaporator. Aliran uap

tersebut melewati katup pencekik (throttling) sehingga temperatur dan

tekanan turun dan menyebabkan berkurangnya jumlah uap yang masuk

di bagian kondensor.

4. Liquid flow–modulated heat pipe. Kontrol aliran cairan juga merupakan

cara efektif untuk mengendalikan unjuk kerja pipa kalor. Salah satu

cara untuk mengendalikan aliran cairan adalah dengan menggunakan

perangkap cairan. Perangkap ini ditempatkan pada ujung evaporator.

Liquid flow–modulated heat pipe diperlihatkan pada gambar 2.9 (a). Pada

gambar 2.10 (b) memeperlihatkan tipe Gravity-operated diode heat pipe

yang dirancang supaya cairan yang terkondensasi pada kondensor

kembali menuju bagian evaporator dengan gaya gravitasi.

Gambar 2.11. Liquid flow–modulated heat pipe (Bejan dan Kraus, 2003).

2.2.6. Batas Perpindahan

Batasan masukan panas maksimum yang mungkin dapat

dipindahkan oleh pipa kalor dapat dibedakan menjadi dua kategori. Batas

yang disebabkan karena kegagalan pipa kalor dan batasan bukan karena

kegagalan. Pada batasan karena kegagalan ditandai dengan ketidakcukupan

aliran cairan ke evaporator untuk menerima panas masukan dengan

demikian akan terjadi kekeringan pada struktur kapiler pada bagian

evaporator. Panas masukan pipa kalor (Q) dihubungkan dengan laju aliran


commit to user

massa fluida kerja ( m& ) yang bersirkulasi dan kalor laten (hfg) akan

menghasilkan persamaan:

fghmQ &= (2.1)

Batasan pipa kalor yang tidak terjadi kegagalan apabila pipa kalor

beroperasi pada temperatur yang meningkat diimbangi dengan kenaikan

daya input pada evaporator. Dua kategori batasan tersebut dapat dirangkum

sebagai berikut:

Pembatasan yang mengakibatkan kegagalan

1. Batas Kapiler. Kekeringan pada struktur kapiler (wick) pada bagian

evaporator disebabkan karena tekanan kapiler tidak mencukupi untuk

memberikan aliran kondensat dari kondensor menuju evaporator.

2. Batas Pendidihan. Batas pendidihan terjadi ketika fluks panas yang

diterapkan pada evaporator menyebabkan pendidihan nukleate pada

struktur kapiler (wick) evaporator. Hal tersebut akan menyebabkan

timbulnya gelembung uap yang secara parsial menghalangi kondensat

kembali dari kondensor ke evaporator sehingga mengakibatkan

kekeringan pada struktur kapiler (wick) evaporator

3. Batas entrainment. Batas tersebut mengacu pada gaya geser tinggi yang

terjadi pada uap yang mengalir berlawanan arah dengan cairan dari

kondensor. Pada kondisi tersebut uap akan menjadi faktor

penghambat laju aliran cairan dari kondensor kembali ke evaporator

Pembatasan yang tidak mengakibatkan kegagalan

1. Batas Viscous, batas viscous terjadi pada pipa kalor operasi temperatur

rendah dimana tekanan uap jenuh mungkin sama besarnya dengan

penurunan tekanan dalam pipa kalor. Batas tersebut disebut juga

dengan batas tekanan uap.

2. Batas Sonic. Batas sonic disebabkan karena densitas uap yang rendah,

laju aliran massa dalam pipa kalor yang rendah dapat mengakibatkan

kecepatan uap yang sangat tinggi dan kemungkinan dapat terjadi

aliran tercekik dalam lintasan uap.


commit to user

3

2

D

k

b

b

R

e

e

m

3. Batas

pada

renda

2.2.7. Kara

Pada

Dobson, R

konfigurasi

Gambar

Pada

berupa uda

berupa uda

Gambar 2.

Gam

R-134a. Da

evaporator

exit), Tc,i

merupakan

Kondensor

daerah kon

h akan men

akteristik P

a pengujian

R T. (2006

i sebagai ber

2.12. Konfi

a pengujian

ara yang dip

ara pada tem

.13. Hasil pe

mbar 2.9 me

alam Gamb

(hot inlet),

merupakan

n temperatu

r. Batas kon

ndensor pip

njadikan pe

Perpindahan

n pipa kalo

6), dengan

rikut:

igurasi pengu

n tersebut,

panaskan se

mperatur ru

engujian pip(Meyer d

enunjukkan

bar 2.9 ters

, Th,e meru

n temperat

ur setelah ko

ndensor dida

pa kalor seh

enumpukan

n Panas Pip

or yang di

fluida ker

ujian pipa ka

sumber pa

edang fluida

uangan.

a kalor padadan Dobson,

n hasil peng

sebut, Th,i m

pakan temp

tur sebelum

ondensor (co

asarkan pad

hingga laju

uap pada k

a Kalor

ilakukan ol

rja refrige

alor (Meyer

anas yang m

a yang men

a kondisi tran, 2006).

gujian pipa

merupakan

peratur set

m kondens

old exit). La

da batas pe

u pengembu

kondensor.

leh Meyer,

eran R-134

dan Dobson

masuk ke e

galir pada k

nsien selama

a kalor deng

temperatu

telah evapo

sor (cold i

aju aliran m

endinginan

unan yang

A., dan

4a dengan

n, 2006).

evaporator

kondensor

a 45 menit

gan fluida

r sebelum

orator (hot

inlet), Tc,e

massa pada


commit to user

fluida dingin sebesar kg/s 562,0=cm& sedang laju aliran massa pada fluida

panas sebesar kg/s 571,0=hm& .

2.2.8. Efektivitas Perpindahan Panas

Meena, P. dan Rittidech, S. (2008), menghitung efektivitas

perpindahan panas (ε ) pada pipa kalor dengan rumus

max

a)( sEfektivitaQQ

=ε (2.2)

Dimana Qa merupakan perpindahan panas aktual sedangkan Qmax

merupakan perpindahan panas maksimum yang bisa terjadi. Laju

perpindahan panas aktual terjadi pada saluran uji dengan fluida kerja udara

pada temperatur kamar. Sehingga kalor yang diserap udara (Qa) pada

kondensor dapat dihitung dengan:

TpacamaQ ∆= & (2.3)

dan

AaVaam ρ=& (2.4)

Dimana : am& : laju aliran massa udara (kg/s)

cpa : kalor jenis udara (J/kgK)

T∆ : beda temperatur sebelum dan sesudah pipa kalor (K)

aρ : massa jenis udara (m3/kg)

A : luas permukaan saluran (m2)

Laju perpindahan maksimum terjadi pada evapotaror. Input panas

berasal dari aliran listrik, sehingga daya input evaporator merupakan kalor

tiap satuan waktu yang dimasukkan pada pipa kalor melalui evaporator.

Ramdhani, M. (2005), menuliskan daya listrik (Pe) dengan satuan watt secara

matematis dituliskan:

vidtdq

dqdw

dqdw

eP === (2.5)

Sehingga

vittePeQ == (2.6)

Dimana : Qe : Kalor listrik (Joule)


commit to user

v : voltase listrik (volt)

i : arus liastrik (ampere)

t : waktu (detik)

2.2.9. Hambatan Termal

Yang, H. dkk (2009), meneliti hambatan termal pada pipa kalor

dengan mendefinisikan hambatan termal (Rth)

QcTeT

thR&−

= (2.7)

Dimana eT dan cT merupakan temperatur rata-rata evaporator dan

kondensor pipa kalor.

2.2.10. Perpindahan Panas dengan Perubahan Fasa

Pada sebuah aliran internal konveksi paksa yang dipanasi pada

permukaan aliran akan muncul gelembung-gelembung pada permukaan

aliran tersebut. Gelembung tersebut tumbuh dan terpisah dari permukaan

aliran dipengaruhi oleh kecepatan aliran.

Perpindahan panas terjadi ketika pada liquid dingin masuk ke dalam

pipa yang dipanasi dengan konveksi paksa, pada saat tersebut pendidihan

dimulai. Saat terjadi pendidihan gelembung terlihat pada permukaan akan

tumbuh dan terbawa ke dalam mainstream liquid. Terdapat kenaikan tajam

pada koefisien perpindahan panas ketika masuk pada bubbly flow regime.

Dengan naiknya fraksi volume uap, gelembung-gelembung bersatu

membentuk slug (gelembung yang besar) pada uap. Pada slug flow regime

diikuti oleh annular flow regime yang mana liquid membentuk film. Film

tersebut bergerak sepanjang permukaan-dalam sementara uap bergerak

pada kecepatan tinggi melalui inti pipa. Koefisien perpindahan panas terus

meningkat melalui regime bubbly flow dan beberapa annular flow. Oleh

karena itu titik kering akhirnya terlihat pada permukaan-dalam saat

koefisien konveksi mulai menurun. Transition regime ditandai dengan

tumbuhnya titik kering sampai permukaan seluruhnya mengering dan

seluruh liquid bentukan droplet terlihat pada inti uap. Koefisien konveksi

terus menurun melewati regime ini. Pada Mist regime terdapat perbedaan


commit to user

k

t

p

kecil koefis

tersebut ke

permukaan

Gambar

sien konvek

emudian m

n.

2.14. Pendi

ksi sampai

enjadi uap

dihan konve

semua drop

superheate

eksi paksa pa2007).

plet beruba

ed dengan

ada pipa (Inc

ah menjadi

konveksi p

cropera dan

uap. Uap

paksa dari

DeWitt,


commit to user

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan

Panas Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

3.2. Alat Penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada skema

instalasi alat penelitian :

Spesifikasi alat penelitian :

a. Pipa

1) Konstruksi pipa

Tabel 3.1. Jenis pipa yang akan diuji.

No Jenis Pipa Panjang Pipa

Diameter Pipa Fluida Kerja Jumlah

Pipa 1 Pipa Kalor 25 cm 3/4 inch Etanol kadar 90% 3 2 Pipa Kalor 25 cm 3/4 inch R-134a 3

2) Tipe pipa kalor : room (low)-temperature heat pipes

3) Struktur kapiler (wick) : homogen wrapped screen

4) Kontrol : gravity operate diode

5) Struktur kapiler (wick) : ayakan pasir dengan mesh 4


commit to user

b

c

2

3

b. Fin (sirip

• Dimen

Panjan

Lebar

Tebal

• Jarak

• Jumlah

• Bahan

c. Saluran u

1) Pola alir

2) Fluida k

3) Dimens

)

nsi :

ng : 11,5 cm

: 5 cm

: 1 mm

: 7 mm

h : 15 sirip

n : alumuni

uji (duct)

ran : m

kerja : u

i :

Gamba

m

ium

Gambar 3.2

menyilang (

udara tempe

ar 3.1. Pipa

2. Fin pada p

(crossflow)

eratur ruanga

kalor.

pipa kalor.

an


commit to user

Balok Panjang : 130 cm Pipa Panjang : 60 cm

Lebar : 12 cm Diameter : 2 inch

Tinggi : 12 cm

Tebal dinding : 2,2 cm

Gambar 3.3. Saluran uji (duct).

Hambatan termal (R) pada dinding dapat dihitung dengan analogi listrik seperti

dibawah ini :

Gambar 3.4. Hambatan termal dinding.

Sehingga hambatan termal total (Rtot) didding dapat dihitung dengan :

papankayu RsterofoamRlapiskayu RtotR ++=

10.5 66,8 10.15 8,2310.2 66,8R 333tot mm K/Wmm K/Wmm K/W −−− ×+×+×=

WKmWKmWKm /043,0/357,0/017,0R 222tot ++=

WKm /417,0R 2tot =

Hydrodynamic entry length pada saluran dapat dihitung dengan persamaan fully

develope turbulent flow dimana:

2,2 cm

12 cm

Kayu papan, R= 8,66 m K/W

Sterofoam, R= 23,8 mK/W Kayu lapis, R= 8,66 m K/W

12 cm

Rkayu lapis RSterofoam RKayu papan


commit to user

6010turb

hfd, ≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≤

DX

(3.1)

Dimana D pada pipa masuk saluran uji (duct) berdiameter 2 inch ≈ 5 cm

dengan panjang 60 cm.

Sehingga,

10125

60

turb

hfd, >==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛cmcm

DX

d. Instrumentasi dan alat tambahan

1) Instrumentasi :

• Termokopel

Termokopel yang dipasang merupakan termokopel jenis T yang dipasang

pada saluran uji sebanyak dua buah yang ditempatkan pada sebelum dan

sesudah pipa kalor. Dipasang pada pipa kalor sebanyak empat buah yang

ditempatkan pada dinding kondensor dan evaporator pipa kalor.

Pemasangan termokopel pada dinding kondensor dan evaporator pipa

kalor direkatkan dengan lem araldite seperti pada gambar 3.5.

Gambar 3.5. Pemasangan termokopel pada dinding pipa kalor.

Sedangkan termokopel pada saluran uji (duct) ditempatkan tegak lurus

terhadap saluran uji seperti pada gambar 3.6.

Dinding pipa kalor

Termokopel


commit to user

Gambar 3.6. Pemasangan termokopel pada saluran uji (duct).

• Display Termokopel /Thermocouple reader

Display termokopel digunakan untuk menunjukkan/membaca temperatur

yang diukur oleh sensor termokopel.

Gambar 3.7. Display Termokopel.

• Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk mencatat waktu pengujian. Pada pengambilan

data, data temperatur dicatat tiap jeda 2 menit selama 60 menit (1 jam).

Termokopel Saluran uji (duct)


commit to user

Gambar 3.8. Stopwatch.

• Anemometer

Anemometer digunakan untuk mengetahui kecepatan aliran udara yang

melewati saluran uji.

Gambar 3.9. Anemometer.

• Voltmeter

Voltmeter digunakan untuk mengetahui tegangan yang mengalir dalam

kawat nikelin. Voltmeter tersebut dipasang secara paralel antara voltage

regulator dan kawat nikelin.


commit to user

Gambar 3.10. Voltmeter dan instalasinya.

• Amperemeter

Amperemeter digunakan untuk mengetahui kuat arus listrik yang mengalir

dalam kawat niklin. Amperemeter dipasang secara seri antara voltage

regulator dan kawat nikelin.

Gambar 3.11. Amperemeter dan instalasinya.

2) Alat tambahan :

• Rangka

Rangka digunakan untuk menempatkan saluran uji pipa kalor. Rangka

tersebut terbuat dari besi siku.

A

V


commit to user

Gambar 3.12. Rangka pengujian.

• Voltage regulator

Alat ini digunakan untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk dari

tegangan listrik PLN (220 volt) sehingga dapat diatur menurut kebutuhan.

Voltage regulator tersebut digunakan untuk mengatur tegangan yang

mengalir pada kawat nikelin.

Gambar 3.13. Voltage Regulator.

• Dimmer

Alat ini disebut juga dengan rheostat dimana peralatan tersebut digunakan

untuk mengatur kecepatan putaran fan.


commit to user

Gambar 3.14. Dimmer.

• Blower

Fan digunakan untuk mengalirkan udara ruangan menuju saluran uji.

Gambar 3.15. Blower.

• Kawat nikelin

Kawat nikelin digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi energi

panas. Panas yang dihasilkan digunakan untuk panas masukan pipa kalor

pada daerah evaporator. Pada pipa kalor kawat nikelin tersebut

berdiameter 0,5 mm dililitkan sebanyak 30 lilitan sepanjang 10 cm.


commit to user

Gambar 3.16. Lilitan nikelin pada pipa kalor.

• Pompa vakum

Pompa tersebut diguanakan untuk memvakum pipa kalor sebelum

pengisian fluida kerja.

Gambar 3.17. Pompa vakum.

• Manifold

Manifold digunakan untuk proses vakum dan pengisian fluida kerja pada

pipa kalor.


commit to user

Gambar 3.18. Manifold.

3.3. Prosedur Penelitian

Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap pengambilan data, dimana pada

tahap I merupakan penelitian untuk mendapatkan karakteristik perpindahan panas

pipa kalor dengan fluida kerja berupa etanol kadar 90% pada temperatur rata-rata

evaporator 60oC, 80oC, dan 100oC. Sedangkan pada pada tahap II penelitian

dilakukan untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas pada pipa kalor

dengan fluida kerja R-134a pada tekanan 0,9 MPa pada temperatur rata-rata

evaporator 40oC, 60oC, 80oC. Dalam pengambilan data kedua tahap penelitian

tersebut divariasikan kecepatan aliran pada saluran uji (duct). Sebelum melakukan

pengambilan data penelitian dimulai dengan persiapan sebagai berikut:

1. Menyusun saluran uji sedemikian rupa serta menempatkan pipa kalor pada

saluran uji (duct) seperti pada gambar 3. 19.

Gambar 3.20. Persiapan Pengujian.

2. Menempatkan termokopel pada dinding evaporator pipa kalor dan pada

dinding kondensor pipa kalor. Sedangkan pada saluran uji, termokopel

ditempatkan pada sebelum dan sesudah pipa kalor seperti pada gambar 3.20.


commit to user

Gambar 3.21. Penempatan termokopel.

3. Memasang voltmeter secara paralel dan amperemeter secara seri.

4. Menghidupkan fan dengan memutar dimmer dan mengatur putaran fan

hingga menghasilkan kecepatan udara pada saluran uji (duct) sebesar 1,0 m/s.

5. Menghidupkan pemanas dengan memutar voltage regulator.

6. Mengukur temperatur evaporator pipa kalor setelah dialiri listrik untuk

menentukan daya input berapa pemanas mencapai temperatur rata-rata

evaporator 60oC sebagai daya 1, 80oC sebagai daya 2, dan 100oC sebagai

daya 3 pada pipa kalor berfluida kerja etanol kadar 90% setelah menit ke 60.

7. Mengukur temperatur evaporator pipa kalor setelah dialiri listrik untuk

menentukan daya input berapa pemanas mencapai temperatur rata-rata

evaporator 40oC sebagai daya 4, 60oC sebagai daya 5, dan 80oC sebagai daya

6 pada pipa kalor berfluida kerja R-134a setelah menit ke 60.

Tahap I

1. Menempatkan pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% pada saluran

uji.



3. Menghidupkan pemanas dengan memutar voltage regulator pada daya 1.

4. Mencatat temperatur pada display termokopel tiap 2 menit selama 60 menit.

Termokopel


commit to user

5. Mematikan pemanas dan membiarkan fan menyala hingga temperatur

evaporator pipa kalor mencapai temperatur ruangan.

6. Memutar voltage regulator untuk mengatur tegangannya sehingga diperoleh

daya 2.

7. Mengulangi langkah 4 dan 5.


daya 3.


10. Mengatur putaran fan hingga menghasilkan kecepatan udara pada saluran uji

(duct) sebesar 1,0 m/s.

11. Mengulangi langkah 3 sampai 9.




14. Matikan seluruh unit kelistrikan.

Tahap II

1. Menempatkan pipa kalor dengan fluida kerja R-134a pada saluran uji.



3. Menghidupkan pemanas dengan memutar voltage regulator pada daya 4.

4. Mencatat temperatur pada display termokopel tiap 2 menit selama 60 menit.

5. Mematikan pemanas dan membiarkan fan menyala hingga temperatur

evaporator pipa kalor mencapai temperatur ruangan.


daya 5.



daya 6.





commit to user





14. Matikan seluruh unit kelistrikan.

3.4. Analisis Data

Dari data yang diperoleh, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu

dengan melakukan perhitungan terhadap :

• Efektivitas perpindahan panas pipa kalor.

• Hambatan termal pipa kalor.

Efektivitas perpindahan panas dapat dihitung dengan data temperatur udara

sebelum dan sesudah melewati pipa kalor, laju aliran massa udara pada saluran uji

(duct) dan daya input pada evaporator pipa kalor. Sedangkan hambatan termal

pipa kalor dapat dihitung dengan data temperatur kondensor dan temperatur

evaporator serta daya input pada evaporator pipa kalor. Dari data dan perhitungan

tersebut selanjutnya ditampilkan dalam bentuk grafik. Grafik tersebut

memperlihatkan tentang :

• Hubungan efektivitas perpindahan panas pipa kalor terhadap

temperatur pada evaporator pipa kalor.

• Hubungan efektivitas perpindahan panas pipa kalor terhadap laju

aliran udara pada saluran uji.

• Hubungan hambatan termal pipa kalor terhadap temperatur pada

evaporator pipa kalor.

• Hubungan hambatan termal pipa kalor terhadap laju aliran udara pada

saluran uji.

3.5. Diagram Alir Penelitian

`

Mul

Persiapan Pengujian: Pemanasan dinding evaporator selama 60 menit dengan

mengatur tegangan guna menentukan daya input temperatur

Daya Terpen

Ya

Tida


commit to user

Gambar 3.22. Diagram alir penelitian.

Penelitian ini didahului dengan persiapan. Persiapan tersebut ditujukan

untuk menyiapkan alat dan bahan pengujian sekaligus mencari daya yang

digunakan untuk mencapai temperatur evaporator yang dikehendaki. Langkah

tersebut dilanjutkan dengan pengujian tahap I, pada tahap tersebut bertujuan untuk

mengetahui nilai efektivitas perpindahan panas dan hambatan termal pipa kalor


commit to user

berfluida kerja etanol kadar 90% pada temperatur rata-rata evaporator 60oC, 80oC,

dan 100oC. Kemudian dilanjutkan pengujian tahap II dengan temperatur

evaporator pipa kalor berfluida kerja R-134a pada temperatur rata-rata evaporator

40oC, 60oC, dan 80oC untuk dicari nilai efektivitas perpindahan panas dan

hambatan termalnya. Setelah data pengujian terkumpul dilakukan analisis data

dan akhirnya menghasilkan kesimpulan tentang karakteristik perpindahan panas

dan hambatan termal pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% dan R-

134a.

3.6. Variasi Pengujian

Tabel 3.2. Variasi pengujian.

No Jenis Pipa Fluida Kerja Temperatur

Evaporator rata-rata

Kecepatan Aliran

1 Pipa Kalor

R-134a 40oC 0,8 m/s 2 R-134a 40 oC 1,0 m/s 3 R-134a 40 oC 1,2 m/s 4 Pipa

Kalor

R-134a 60oC 0,8 m/s 5 R-134a 60 oC 1,0 m/s 6 R-134a 60 oC 1,2 m/s 7 Pipa

Kalor

R-134a 80oC 0,8 m/s 8 R-134a 80 oC 1,0 m/s 9 R-134a 80oC 1,2 m/s 10 Pipa

Kalor

Etanol kadar 90% 60oC 0,8 m/s 11 Etanol kadar 90% 60oC 1,0 m/s 12 Etanol kadar 90% 60oC 1,2 m/s 13 Pipa

Kalor

Etanol kadar 90% 80oC 0,8 m/s 14 Etanol kadar 90% 80oC 1,0 m/s 15 Etanol kadar 90% 80oC 1,2 m/s 16 Pipa

Kalor

Etanol kadar 90% 100oC 0,8 m/s 17 Etanol kadar 90% 100oC 1,0 m/s 18 Etanol kadar 90% 100oC 1,2 m/s


commit to user

BAB IV

DATA DAN ANALISIS

Penelitian secara eksperimen dilakukan untuk mengetahui nilai unjuk kerja

dan hambatan termal pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% dan R-134a.

Kedua pipa kalor tersebut diuji pada temperatur evaporator yang berbeda dan

kecepatan aliran udara pada saluran uji (duct) sebesar 0,8 m/s, 1,0 m/s, dan 1,2

m/s sebagai fluida yang akan menyerap panas dari kondensor.

4.1. Perhitungan efektivitas perpindahan panas pipa kalor berfluida kerja

etanol kadar 90% pada temperatur evaporator rata-rata 60oC dan

kecepatan aliran udara 0,8 m/s.

Dari data percobaan diperoleh data :

Tegangan heater (v) : 9 volt

Arus yang masuk (i) : 1,85 A

Kecepatan udara pada duct (Va) : 0,8 m/s

Luas penampang duct (A) : 0,0144 m2

Temperatur udara masuk (Tin) : 29,5oC

Temperatur udara keluar (Tout) : 30,2oC

Temperatur evaporator atas (Te.a) : 63,6oC

Temperatur evaporator bawah (Te.b) : 60,3oC

Temperatur kondensor atas (Tc.a) : 34,6oC

Temperatur kondensor bawah (Tc.b) : 44,2oC

Perhitungan efektivitas perpindahan panas pada temperatur 60oC dengan

kecepatan aliran udara pada duct sebesar 0,8 m/s.

Daya pemanas (heater)(Pe)

φcos viPe=

Pemanas (heater) merupakan salah satu beban listrik yang bersifat

resistif atau hambatan murni, oleh karena itu nilai faktor daya sama dengan

satu ( 1cos =φ ). Sehingga persaman dapat ditulis:


commit to user

watt65,16

ampere 1,85 volt9

=×=

=

e

e

e

PP

viP

Kalor yang diserap udara pada saluran uji (Qa)

TpacamaQ ∆= &

Dimana : AVm aaa ρ=&

aρ diperoleh dengan pembacaan tabel A.4 (Incropera dan DeWitt, 2007).

CT

CCT

TTT

o

mean

oo

mean

inoutmean

9,292

5,292,302

=

+=

+=

Sehingga aρ pada temperatur meanT sebesar 1,1527 kg/m3 dan pac sebesar

1006,1 J/kg.oC. Sehingga,

skgmmsmmkgm

AVm

a

a

aaa

/ 0133,0 0144,0/ 8,0/ 1527,1 23

=××=

=

&

&

& ρ

wattsJQCCkgJskgQ

TcmQ

a

ooa

paaa

23,10/ 23,10)5,292,30(./ 1,1006/ 0133,0

==−××=

∆= &

Efektivitas perpindahan panas

%44,616144,0 65,16 23,10)( sEfektifita

max

act =====wattwatt

PQ

QQ

e

aε

Perhitungan hambatan termal pada temperatur 60oC dengan kecepatan

aliran udara pada saluran uji 0,8 m/s.

Q

cTeTRth

−=

dimana


commit to user

CCCeT

TTeT

ooo

beae

3,602

6,639,562

..

=+

=

+=

dan

CCCcT

TTcT

ooo

bcac

4,392

2,446,342

..

=+

=

+=

Sehingga,

WCCCQ

cTeTR ooo

th /25,1 watt65,16

4,393,60=

−=

−=

&

4.2. Pipa Kalor dengan Fluida Kerja Etanol Kadar 90%.

Dari Gambar 4.1 terlihat bahwa semakin besar temperatur rata-rata

evaporator menyebabkan efektivitas perpindahan panas meningkat pada kecepatan

aliran udara duct yang sama. Dari Gambar 4.1 terlihat bahwa:

Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja etanol

kadar 90% pada temperatur rata-rata evaporator 60oC antara 38,25%

hingga 62,28%.

Efektivitas perpindahan panas pada temperatur rata-rata evaporator

80oC antara 59,87% hingga 70,35%.

Sedangkan efektivitas perpindahan panas pada temperatur rata-rata

evaporator 100oC antara 74,55% hingga 78,28%.

Percobaan yang dilakukan oleh Meena dan Rittidech (2008), pengujian pada

temperatur 60, 70, dan 80oC diperoleh efektivitas perpindahan panas berturut-turut

42%, 45%, dan 48%. Pada penelitian ini efektivitas perpindahan panasnya lebih

tinggi dari pada penelitian yang diperoleh oleh Meena dan Rittidech (2008) karena

panjang pipa kalor pada penelitian ini 25 cm sedangkan pada Meena dan

Rittidech (2008) sepanjang 50 cm. Hal ini sesuai dengan penelitian Suyitno dkk

(2009) bahwa penambahan panjang pipa kalor dua kalinya akan memperkecil

efektivitas perpindahan panasnya sehingga turun sebesar 56%.


commit to user

Pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% temperatur

evaporator rata-rata 60oC, etanol dalam pipa kalor belum mengalami perubahan

fasa (belum mendidih) sehingga perpindahan panas yang terjadi hanya sebatas

perpindahan panas secara konduksi karena titik didih etanol murni sekitar 78oC.

Pada temperatur evaporator 80oC dan 100oC, etanol telah mendidih dan kemudian

uap etanol bersirkulasi ke atas (sisi kondensor) karena massa jenis uap etanol yang

semakin kecil. Pada saat uap etanol bergerak ke atas, bersamaan dengan itu

terbawa sejumlah panas. Setelah sampai di kondensor, uap etanol mengalami

kondensasi dan mengalir ke bawah menuju evaporator. Adanya sirkulasi etanol

yang membawa panas ini menyebabkan pipa kalor mempunyai hambatan termal

yang semakin rendah (lihat Gambar 4.2). Semakin tinggi temperatur rata-rata

evaporator (menuju 100oC), hambatan termal pada pipa kalor semakin rendah

sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan selanjutnya mampu

meningkatkan efektivitas pipa kalor.

Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.1:

Pada temperatur rata-rata evaporator 60oC hambatan termal pipa kalor

adalah antara 1,25oC/W sampai 1,45oC/W.

Hambatan termal pipa kalor pada temperatur rata-rata evaporator 80oC

adalah antara 1,3oC/W sampai 1,34oC/W.

Sedangkan hambatan termal pipa kalor pada temperatur rata-rata

evaporator 100oC adalah antara 1,12oC/W sampai 1,17oC/W.

Hal inilah yang mendasari fakta bahwa semakin besar temperatur evaporator

menyebabkan efektivitas pipa kalor pada aliran udara duct dengan kecepatan yang

sama akan mengalami peningkatan. Penelitian yang dilakukan oleh Latha dkk

(2010) bahwa penelitian ini memiliki hambatan termal yang lebih kecil. Hambatan

termal penelitian Latha dkk (2010) pada daya input 15, 25, dan 40 W yang mana

pada penelitian ini hampir setara dengan daya input pada temperatur rata-rata

evaporator 60, 80, 100oC menghasilkan hambatan termal 2,4, 1,75, dan 1,25oC/W.


commit to user

Gambar 4.1. Efektivitas perpindahan panas dari pipa kalor dengan fluida

kerja etanol kadar 90%.

Gambar 4.2. Hambatan termal pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol

kadar 90%.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

60 80 100

Efe

ktiv

itas p

erpi

ndah

an p

anas

Temperatur evaporator rata-rata (oC)

Kec 0,8 m/s

Kec 1,0 m/s

Kec 1,2 m/s

0.15

0.35

0.55

0.75

0.95

1.15

1.35

60 80 100

Ham

bata

n te

rmal

(o C/W

)

Temperatur evaporator rata-rata (oC)

kec 0,8 m/s

Kec. 1,0 m/s

Kec. 1,2 m/s


commit to user

t

9

d

k

d

s

p

p

e

e

d

p

Gambar

Gam

terhadap efe

90%. Secara

dalam duct m

kalor berflu

dalam duct

semakin be

pendinginan

pemanasan e

evaporator 6

etanol kadar

dalam duct.

Pada

perpindahan

Pa

Se

pe

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Efe

ktiv

itas p

erpi

ndah

an p

anas

r 4.3. Jangk

den

mbar 4.1 jug

ektivitas per

a umum dap

menyebabka

uida kerja et

menyebabk

esar. Denga

n yang besar

etanol yang

60oC. Akibat

r 90% sema

a pipa kalor

n panas pada

ada kecepata

edangkan p

erpindahan p

60

kauan nilai e

ngan fluida

ga menunju

rpindahan p

at dijelaskan

an terjadinya

tanol kadar

kan kalor y

an demikia

r di sisi ko

memadai pa

tnya hambat

akin besar d

r dengan flu

temperatur

an aliran uda

pada kecepa

panasnya tur

0

Tempe

Kec. 0,8 m/s

Kec. 1,0 m/s

Kec. 1,2 m/s

efektivitas p

kerja etano

ukkan penga

panas pipa k

n bahwa sem

a penurunan

90%. Sema

yang diserap

an, etanol

ondensor dan

ada sisi evap

tan termal p

dengan men

uida kerja e

rata-rata eva

ara pada salu

atan aliran

run menjadi

80

eratur rata-ra

perpindahan

ol kadar 90%

aruh kecepa

kalor berflui

makin besar

efektivitas p

akin besar k

p dari sisi

kadar 90%

n tidak diim

porator khus

ada pipa kal

ningkatnya k

etanol kadar

aporator 60o

uran uji 0,8

udara duct

51,3%.

ata evaporator

n panas pip

%.

atan aliran u

ida kerja et

kecepatan a

perpindahan

kecepatan al

kondensor

% mengalam

mbangi deng

usnya pada

lor dengan f

kecepatan al

90% nilai

C adalah:

m/s sebesar

t 1,0 m/s

100

r (oC)

a kalor

udara duct

anol kadar

aliran udara

panas pipa

liran udara

pipa kalor

mi proses

gan jumlah

temperatur

fluida kerja

liran udara

efektivitas

62,28%.

efektivitas


commit to user

Pada kecepatan aliran udara saluran uji 1,2 m/s efektivitas perpindahan

panasnya turun menjadi 32,28%.

Sepadan dengan itu sebagaimana dapat dilihat dari Gambar 4.2, pada temperatur

rata-rata evaporator 60oC hambatan termal pipa kalor adalah :

Pada kecepatan aliran udara saluran uji 0,8 m/s sebesar 1,31oC/W.

Pada kecepatan udara pada saluran uji 1,0 m/s hambatan termal pipa

kalor berfluida kerja etanol kadar 90% adalah 1,34oC/W.

Sedangkan pada kecepatan aliran udara pada saluran uji 1,2 m/s

hambatan termal pipa kalor tersebut sebesar 1,45oC/W.

Pada temperatur rata-rata evaporator 80oC dan 100oC terlihat dari Gambar

4.1 bahwa kecepatan aliran udara dalam duct dari 0,8-1,2 m/s tidak menyebabkan

terjadinya penurunan secara signifikan pada efektivitas pipa kalor berfluida etanol

kadar 90%. Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.3, efektivitas perpindahan

panas pipa kalor berfluida kerja etanol kadar 90% pada temperatur evaporator 80

dan 100oC mempunyai rata-rata yang sedikit berbeda tetapi dalam jangkauan nilai

minimum dan maksimum yang tidak berbeda jauh. Perbedaan lebih disebabkan

oleh alat ukur yang mempunyai ketelitian yang rendah khususnya pada sisi

pengukuran kecepatan aliran udara. Anemometer sebagai alat pengukur kecepatan

udara mempunyai ketelitian ±3%. Fakta ini menunjukkan bahwa pada temperatur

evaporator 80 dan 100oC, sirkulasi uap etanol dalam pipa kalor sangat aktif dan

tidak terlalu dipengaruhi secara signifikan oleh besarnya panas yang diserap oleh

udara duct sebagai akibat meningkatnya kecepatan aliran udara dalam duct.

4.3. Pipa Kalor dengan Fluida Kerja R-134a.

Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja R-134a

semakin besar dengan meningkatnya temperatur rata-rata evaporator pada

kecepatan aliran udara saluran uji yang sama sebagaimana dapat dilihat pada

Gambar 4.4. Efektivitas perpindahan panas pipa kalor berfluida kerja R-134a pada

temperatur rata-rata evaporator 40oC adalah 55,4%-68,85%. Efektivitas

perpindahan panas pipa kalor berfluida R-134a pada temperatur rata-rata

evaporator 60oC adalah 76,55%-92,43%, dan efektivitas perpindahan panas pipa

kalor berfluida R-134a pada temperatur rata-rata evaporator 80oC adalah 80,32%-


commit to user

92,33%. Naiknya efektivitas perpindahan panas pipa kalor berfluida R-134a

seiring dengan naiknya temperatur rata-rata evaporator disebabkan karena pada

temperatur rata-rata evaporator yang tinggi diperoleh hambatan termal yang

rendah.

Sebagai perbandingan pengujian yang dilakukan oleh Meena, Rittidech,

dan Poomsa-ad (2006) dengan pipa kalor berfluida kerja R-134a pada temperatur

rata-rata evaporator 50oC dan kecepatan aliran udara 0,5-1,0 m/s efektivitas

perpindahan panasnya antara 40%-62%, pada temperatur rata-rata evaporator

60oC dan kecepatan aliran udara 0,5-1,0 m/s efektivitas perpindahan panasnya

antara 44%-70%, sedangkan pada temperatur rata-rata evaporator 70oC dan

kecepatan aliran udara 0,5-1,0 m/s efektivitas perpindahan panasnya antara 50% -

76%. Hasil penelitian ini sedikit lebih tinggi dari Meena, Rittidech, dan Poomsa-

ad (2006) karena panjang pipa kalor pada penelitian ini 25 cm sedangkan pada

Meena, Rittidech, dan Poomsa-ad (2006) sepanjang 50 cm. Hal ini sesuai dengan

penelitian Suyitno dkk (2009) bahwa penambahan panjang pipa kalor dua kalinya

akan memperkecil efektivitas perpindahan panasnya sehingga turun sebesar 56%.

Sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 4.5, hambatan termal pipa kalor

berfluida R-134a dengan tekanan kerja 0,9 MPa pada temperatur rata-rata

evaporator evaporator 40oC adalah 0,34oC/W-0,36oC/W. Hambatan termal pipa

kalor berfluida R-134a dengan tekanan kerja 0,9 MPa pada temperatur rata-rata

60oC adalah sekitar 0,24oC/W. Hambatan termal pipa kalor berfluida R-134a

dengan tekanan kerja 0,9 MPa pada temperatur rata-rata evaporator 80oC adalah

sekitar 0,19oC/W-0,22oC/W. Tidak jauh berbeda dengan apa yang telah diteliti

oleh Webb dan Yamauchi (2002) dimana pada penelitian tersebut hambatan pipa

kalor dengan fluida kerja R-134a sebesar 0,15oC/W-0,3oC/W pada kecepatan

aliran udara 0,5-2 m/s.

Pada Gambar 4.5 terlihat bahwa semakin besar temperatur rata-rata

evaporator maka semakin kecil hambatan termalnya karena dengan semakin

besarnya temperatur evaporator maka semakin besar jumlah penguapan yang

terjadi. Massa jenis uap yang lebih ringan akan menuju ke sisi atas pipa kalor

(kondensor) yang membawa sejumlah panas. Adanya sirkulasi R-134a yang

membawa panas ini menyebabkan pipa kalor mempunyai hambatan termal yang


commit to user

s

(

d

G

semakin ren

(menuju 80o

dapat dilihat

Gambar 4.4

Gambar 4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100E

fekt

ivita

s per

pind

ahan

pan

asH

amba

tan

term

al (o C

/W)

ndah (lihat oC), hambat

t pada Gamb

4. Efektivitas

4.5. Hambata

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0.15

0.35

0.55

0.75

0.95

1.15

1.35

40

Gambar 4

tan termal p

bar 4.2.

s perpindaha

pada teka

an termal pip

ke

40

Tempera

Kec. 0,8 m/sKec. 1 m/sKec. 1,2 m/s

Temper

4.2). Semak

pada pipa ka

an panas pip

anan kerja 0,

pa kalor berf

erja 0,9 MPa

60

atur rata-rata

60ratur evapora

kin tinggi t

alor semakin

a kalor deng

,9 MPa.

fluida kerja R

a.

evaporator (oC

tor rata-rata (

kec 0,8 m/s

Kec. 1,0 m/

Kec. 1,2 m/

temperatur

n rendah se

gan fluida ke

R-134a pada

80

C)

8(oC)

s

s

s

evaporator

ebagaimana

erja R-134a

a tekanan

80


commit to user

Dapat dilihat pada Gambar 4.2 bahwa dengan variasi beda kecepatan udara

dalam duct tidak menyebabkan perbedaan atau menyebabkan pebedaan yang

sangat kecil pada hambatan termal baik pada temperatur rata-rata evaporator

40oC, 60oC, dan 80oC. Hal ini karena pada temperatur 40oC, 60oC, dan 80oC

fluida kerja berupa R-134a pada tekanan 0,9 MPa sudah terjadi penguapan pada

temperatur 35,53oC sehingga dalam pipa sudah terjadi sirkulasi aktif uap R-134a

yang mengakibatkan hambatan termal pipa kalor sangat kecil bila dibandingkan

dengan hambatan termal pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90%.

Dengan aktifnya sirkulasi penguapan pada evaporator mengakibatkan laju

kecepatan udara pada duct tidak berpengaruh pada hambatan termal.

Pada temperatur evaporator rata-rata 40oC, dapat diketahui bahwa pipa

kalor berfluida kerja R-134a memiliki:

Efektivitas perpidahan panas sebesar 68,85% pada kecepatan aliran

udara dalam duct sebesar 0,8 m/s dan pada kecepatan udara tersebut

pipa kalor memiki hambatan termal sebesar 0,34oC/W.



pipa kalor memiliki hambatan termal sebesar 0,35oC/W.




Gambar 4.4 menunjukkkan bahwa semakin besarnya kecepatan udara

dalam duct mengakibatkan efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida

kerja R-134a pada temperatur rata-rata evaporator 40oC semakin kecil. Hal ini

karena pada temperatur rata-rata evaporator 40oC sudah terjadi penguapan pada

fluida kerja R-134a sehingga uap R-134a menuju ke atas ke sisi kondensor dan

terjadi pengembunan. Dengan terjadinya penguapan dan pengembunan tersebut

maka nilai kapasitas panas fluida kerja R-134a menjadi maksimum (

max

min

134 CC

CC

CC

aR

udara

unmixed

mixed ==−

). Sehingga jika kecepatan aliran udara dalam duct

semakin bertambah besar maka efektivitas perpindahan panasnya akan semakin


commit to user

kecil karena nilai unmixed

mixed

CC

semakin besar menuju nilai 1 sehingga efektivitas

perpindahan panas semakin kecil seperti terlihat pada gambar 4.6.























Pada temperatur 60oC dan 80oC R-134a pada tekanan 0,9 MPa sudah

sepenuhnya berubah fasa menjadi uap dan bersirkulasi menuju kondensor. Hal ini

mengakibatkan semakin besar laju aliran udara dalam duct maka semakin besar

efektivitas perpindahan panasnya karena kapasitas panas aliran fluida kerja dalam

pipa kalor menjadi lebih kecil dari kapasitas panas udara yang mengalir dalam

duct (min

max

134 CC

CC

CC

aR

udara

unmixed

mixed ==−

). Dengan demikian jika kecepatan udara


commit to user

ditambah maka nilai unmixed

mixed

CC

akan semakin besar menuju nilai tak hingga,

dengan semakin besarnya unmixed

mixed

CC

menuju nilai tak hingga maka efektivitas

perpindahan panas akan meningkat seperti terlihat pada gambar 4.6.

Gambar 4.6. NTU pada aliran menyilang (Incropera dan DeWitt, 2007).

Tabel 4.1. Perbandingan nilai kapasitas panas.

Kecepatan

udara

Trata-rata evaporator 40o

C Trata-rata evaporator 60o

C Trata-rata evaporator 80o

C

CR-134a

(W/oC)

Cudara

(W/oC)

ε

CR-134a

(W/oC)

Cudara

(W/oC)

ε CR-134a

(W/oC)

Cudara

(W/oC)

ε

0,8 m/s ∞ 13,36 0 3,56 13,38 3,75 5,95 13,27 2,23

1,0 m/s ∞ 16,75 0 3,45 16,66 4,83 5,66 16,57 2,93

1,2 m/s ∞ 20,15 0 3,54 19,99 5,65 4,69 19,99 4,26

4.4. Perbandingan karakteristik perpindahan panas pipa kalor dengan

fluida kerja etanol kadar 90% dan R-134a.

Perbandingan karakteristik pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar

90% dan R-134a pada temperatur rata-rata evaporator 60oC dan 80oC. Pada

gambar 4.7 terlihat bahwa efektivitas perpindahan panas pada pipa kalor dengan

fluida kerja R-134a lebih tinggi dari pada pipa kalor dengan fluida kerja etanol

kadar 90% pada tiap variasi baik temperatur rata-rata evaporator maupun variasi

kecepatan udara. Pada temperatur rata-rata evaporator 60oC dan kecepatan aliran

udara 1,2 m/s efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja R-134a

lebih tinggi hingga 2,4 kalinya pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90%.


commit to user

E

d

k

p

p

h

k

f

p

t

s

Efektivitas p

dari pipa kal

kalor denga

pada pipa ka

pada temper

hambatan te

kalinya ham

fluida kerja

pada tempe

tekanan 0,9

sedangkan k

Gambar 4.7

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Efe

ktiv

itas p

erpi

ndah

an p

anas

perpindahan

lor dengan f

an fluida ker

alor dengan

ratur rata-ra

ermal pipa k

mbatan terma

pipa kalor R

eratur 60oC

MPa sebe

kalor pengua

7. Perbandin

%

%

%

%

%

%

%

%

%

%

%

panas pipa

fluida kerja e

rja R-134a j

fluida kerja

ata evaporat

kalor denga

al pipa kalo

R-134a lebih

dan 80oC

sar 166,62

apan (hfg) eta

ngan efektiv134a dan

60Temperatur

0,1,01,20,1,01,2

kalor denga

etanol kadar

jauh lebih r

a etanol kad

tor 60oC dan

an fluida ker

r dengan flu

h mudah me

karena kalo

kJ/kg (Tab

anol murni se

vitas perpindn etanol kada

r evaporator

8 m/s R134a0 m/s R134a2 m/s R134a8 m/s Etanol 90%0 m/s etanol 90%2 m/s etanol 90%

an fluida ker

90% karena

rendah dari

dar 90%. Ter

n kecepatan

rja etanol k

uida kerja R

nguap dari p

or penguapa

el A.4 Cen

ebesar 845 k

dahan panas par 90%.

r rata-rata (o

%%%

rja R-134a l

a hambatan t

pada hamba

rlihat pada g

n aliran uda

kadar 90% s

R-134a. Hal

pada etanol

an (hfg) R-

ngel dan Bo

kJ/kg (xa.yin

pipa kalor be

80oC)

ebih tinggi

termal pipa

atan termal

gambar 4.8

ara 1,2 m/s

sebesar 5,5

ini karena

kadar 90%

134a pada

oles, 1983)

ng.com).

erfluida R-


commit to user

Gambar 4

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

Ham

bata

n te

rmal

(o C/W

att)

4. 8. Perband

0

0

0

0

0

0

0

0

0

dingan hambdan et

60

Temper

batan termal tanol kadar 9

atur evaporat

0,81,01,20,81,01,2

pada pipa ka90%.

tor rata-rata (

8 m/s R-134a0 m/s R-134a2 m/s R-134a8 m/s etanol 90%0 m/s etanol 90%2 m/s etanol 90%

alor berfluid

80

(oC)

%%%

da R-134a


commit to user

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan:

1. Teknologi alat recovery panas berupa pipa kalor telah berhasil

dikembangkan dan diteliti efektivitas perpindahan panas dan hambatan

termalnya.

2. Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja etanol

kadar 90% dalam penelitian ini berkisar 38,25%-78,28% dengan

hambatan termal berkisar 1,15-1,45oC/W.

3. Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja R-134a

dalam penelitian ini berkisar 55,40%-92,43% dengan hambatan termal

berkisar 0,19-0,36oC/W.

4. Efektivitas perpindahan panas pipa kalor dengan fluida kerja R-134a

lebih tinggi dari pada efektivitas pipa kalor dengan fluida kerja etanol

kadar 90%. Hambatan termal pipa kalor dengan fluida kerja R-134a

lebih rendah dari hambatan pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar

90% pada tiap variasi temperatur rata-rata evaporator maupun laju

kecepatan udara duct.

5. Efektivitas perpindahan panas pada pipa kalor dengan fluida kerja

etanol kadar 90% dan R-134a semakin besar dengan meningkatnya

temperatur rata-rata evaporator.

6. Hambatan termal pipa kalor dengan fluida kerja etanol kadar 90% dan

R-134a semakin kecil dengan semakin meningkatnya temperatur rata-

rata evaporator.

5.2. Saran

1. Penelitian dapat dilanjutkan dengan perbandingan karakteristik

beberapa refrigeran sebagai fluida kerja pipa kalor.

2. Sebaiknya dalam desain pipa kalor untuk pengering sebagai recovery

panas menggunakan R-134a sebagai fluida kerja karena memiliki

efektivitas perpindahan panas yang lebih tinggi.


commit to user

Documents

UJI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA PIPA …eprints.uns.ac.id/10181/1/222381111201111251.pdf · Konstruksi pipa kalor dan prinsip kerjanya ..... 7 Gambar 2.2. Struktur kapiler