Perpustakaan Digital ITB

Berkas pipa bersirip lingkaran merupakan permukaan pemanas yang banyak digunakan sebagai alat penukar kalor karena bentuknya yang sederhana dan mudab dibuat. Akan tetapi fenomena termohidrolik yang terjadi hingga kini masih ba..'1yak ya...'1g belum terungkap. Penelitian ini bertujuan untuk memahami berbagai aspek termohidrolik pada berkas pipa bersirip lingkaran sebagai dasar untuk mencari teknik peningkatan kinerja yang dapat diterapkan pada konfigurasi berkas pipa bersirip. Karena parameter yang mempengaruhi proses perpindahan kalor cukup banyak maka penelitian ini juga bertujuan untuk mengevaluasi penggunaan metoda nwnerik dalam penyelesaian masalah termohidrolik pada berkas pipa bersirip. Penggunaan metoda numerik ini dapat mempersingkat waktu dan menghemat biaya untuk mengetahui pengaruh berbagai parameter aliran dan geometri dalam perancangan alat penukar kalor. Studi teoritik dan eksperimental telah dilakukan untuk mengidentifikasi pengaruh beberapa parameter terhadap aspek termohidrolik pada permukaan pemanas berbentuk berkas pipa bersirip lingkaran. Pada penelitian ini berkas pipa dan sirip divariasikan dalam susunan segaris . dan berseling pada bilangan Reynolds I 000 hingga 10000. Pengaruh penyusunan sirip terhadap laju perpindahan kalor dan kerugian tekahan mendapat perhatian khusus dalam penelitian ini karena kajian tentang hal tersebut hingga ldni belum ditemukan dalam literatur. Oleh karena itu pemabarnan terhadap efek penyusunan sirip merupakan salah satu hasil penting yang diperoleh dalam penelitian ini. Untuk memberikan pemahaman dan penerapan yang lebih luas maka dalam penelitian ini digunakan 3 jenis konfigurasi pipa bersirip lingkaran, yaitu pipa tunggal bersirip tunggal, pipa tunggal bersirip banyak???? dan berkas pipa bersirip banyak.. Penyelesaian teoritik terhadap masalah ini dilakukan secara numerik dengan menggunakan metode volume hingga pada medan aliran tiga dimensi. Pengujian eksperimental dilakukan untuk mengetahui eksistensi dan karakter horseshoe vortex (HV), daerah perpindahan kalor efektif, distribusi kecepatan dan intensitas turbulensi (IT), depresi temperatur akar sirip, serta koefisien perpindahan kalor clan kerugian tekanan. Eksistensi HV diamati secara visual dengan menggunakan hydrogen bubble generator dan smoke generator, sedangkan daerah perpindahan kalor efektif ditentukan melalui pengukuran tegangan geser dengan menggunakan teknik polarografi. Depresi temperatur akar sirip, koefisien perpindahan kalor dan kerugian tekanan diukur dengan menggunakan teknik pemanasan lokal, sedangkan kecepatan dan IT diukur dengan menggunakan teknik Laser Doppler Velocimetry. Pada bilangan Reynolds 1000 ::; Re ::; 10000 ditunjukkan bahwa model aliran laminar inkompresibel tunak masih cukup baik diterapkan dalam pemecahan masalah termohidrolik berkas pipa bersirip lingkaran. Hasil-hasil teoritik yang diperoleh memiliki kesesuaian dengan hasil eksperimen. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa bahwa analogi Colburn masih berlaku pada permukaan sirip dan dapat digunakan untuk memperkirakan harga koefisien perpindahan kalor konfigurasi berkas pipa bersirip lingkaran. Meski hasil yang diperoleh memiliki kedekatan dengan basil eksperimental, penggunaan model aliran laminar ini tidak dapat diterapkan untuk menjelaskan pengaruh intensitas turbulensi terhadap perpindahan kalor. Hasil teoritik ini dapat memberikan hasil yang cukup baik dalam penentuan harga besaran rata-rata. Penelitian ini menunjukkan pula bahwa medan aliran di sekitar konfigurasi pipa bersirip ligkaran dapat dibagi menjadi empat daerah yaitu daerah pertumbuhan lapisan batas, daerah pembentukan HV, daerah separasi lapisan batas, dan daerah wake di belakang pipa. Pembentukan HV dipengaruhi oleh bentuk ujung sirip, rasio tinggi terhadap tebal sirip (Lit), jarak antar sirip, dan bilangan Reynolds. Dari hasil visualisasi disimpulkan bahwa Lit merupakn parameter yang menentukan jumlah HV. Dalam penelitian ini diperoleh jika Lit ???? 5,9 maka terbentuk dua buah HV berukuran besar dan jika Lit::; 5,4 hanya terbentuk sebuah HV berukuran besar. Untuk geometri yang digunakan dalam penelitian iru Lit =4,4 sehingga hanya terbentuk sebuah HV. Eksistensi HV ini dapat diamati pada pipa tunggal bersirip tunggal, pipa tunggal ::>ersirip banyak, berkas pipa berseling sirip segaris, clan pada berkas pipa berseling sirip berseling. Perbedaan aliran antara berkas pipa segaris dan berkas pipa berseling terletak pada keberadaan HV, luas daerah wake, distribusi kecepatan, dan IT. Dalam penelitian ini HV terbentuk hanya pada berkas pipa berseling. Adanya aliran balik di depan pipa menyebabkan HV pada berkas pipa segaris tidak dapat terbentuk. Karena luas daerah wake yang terjadi pada berkas pipa segaris lebih besar daripada berkas pipa berseling maka daerah perpindahan kalor efektif pada berkas pipa segaris adalah lebih kecil dibandingkan dengan berkas pipa berseling. Intensitas turbulensi yang terbentuk pada aliran di sekitar pipa berseling juga lebih besar daripada susunan segaris. Sebagai konsekuensinya koefisien perpindahan kalor pada berkas pipa berseling menjadi lebih besar dibandingkan dengan berkas pipa segaris. Penyusunan sirip berpengaruh terhadap luas daerah wake dan intensitas turbulensi. Luas daerah wake susunan sirip berseling sedikit lebih kecil dibandingkan dengan susunan sirip segaris sehingga menghasilkan luas daerah perpindahan kalor efektif yang lebih besar. Demikian pula IT pada susunan sirip berseling lebih besar daripada IT pada susunan sirip segaris. Penyusunan sirip berseling pada berkas pipa segaris meningkatkan IT dari 23,3 % menjadi 25,4 %, sedangkan penyusunan sirip berseling pada berkas pipa berseling meningkatkan IT dari 27,7 % menjadi 30,2 %. Peningkatan IT ini mengakibatkan penurunan depresi temperatur akar sirip, seJ,jngga terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor, dan peningkatan kerugian tekanan. Pada bilangan Reynolds 1000 ::;; Re ::;; 10000 penyusunan sirip berseling pada berkas pipa berseling meningkatkan laju perpindahan kalor sekitar 11 % - 1 7 %, sedangkan penyusunan sirip berseling pada berkas pipa segaris meningkatkan laju perpindahan kalor sekitar 15 % - 26 %. Adapun penyusunan sirip berseling pada berkas pipa berseling meningkatkan kerugian tekanan sekitar 10 % - 20 % dan penyusunan sirip berseling pada berkas pipa segaris meningkatkan kerugian tekanan sekitar 13 % - 21 %. Jika dievaluasi menurut metoda yang dikemukakan oleh Kays dan Crawford maka penyusunan sirip berseling pada daya pemompaan sebesar 20 - 60 W/m2 dapat meningkatkan daya kalor sekitar 10 % - 14 % untuk berkas pipa berseling dan sekitar 25 % - 30 % untuk berkas pipa segaris. Oleh karena itu laju perpindahan kalor berkas pipa bersirip dapat ditingkatkan dengan menyusun sirip secara berseling, baik pada berkas pipa segaris maupun berkas pipa berseling. Hal ini sangat bermanfaat jika diterapkan pada alat penukar kalor. Secara umum dapat disimpulkan bahwa mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada berkas pipa . bersirip sangat dipengaruhi oleh penyusunan pipa, penyusunan sirip, dan bilangan Reynolds. Ketiga parameter ini berperan penting terhadap pembentukan HV yang terjadi pada berkas pipa bersirip. Berdasarkan hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa penyusunan sirip berseling merupakan salah satu teknik pasif yang dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja berkas pipa bersirip. Karena proses perpindahan kalor pada berkas pipa berseling dipengaruhi oleh jumlah HV maka pengaturan laju perpindahan kalor dapat dilakukan juga dengan mengatur harga Lit. Penelitian ini mengindikasikan bahwa penyelesaian numerik dapat digunakan untuk mclakukan penelitian lanjut terhadap aspek termohidrolik pada berkas pipa bersirip lingkaran maupun sirip lainnya. Sebagai alternatif, pengukuran tegangan geser permukaan sirip dapat pula digunakan untuk memperkirakan nilai koefisien perpindahan kalor berkas pipa bersirip. Pada penelitian ini hanya divariasikan tiga parameter dominan pada geometri pipa dan sirip yang tetap. Untuk dapat diterapkan dalam perancangan alat penukar kalor perlu dilakukan penelitian lanjut untuk mendapatkan persamaan korelasi yang berlaku lebih luas dengan melibatkan seluruh parameter aliran dan geometri. Agar dapat diterapkan pada pada kondisi aliran dengan bilangan Reynolds tinggi maka perlu juga dilakukan penelitian dengan menggunakan model aliran turbulen. Meski secara termohidrolik penyusunan sirip berseling merupakan salah satu teknik untuk meningkatkan laju perpindahan kalor akan tetapi untuk penerapannya perlu mempertimbangkan faktor­faktor lain terutama yang terkait dengan operasi dan perawatan alat penukar kalor. Untuk meningkatkan kinerja alat penukar kalor maka hasil penelitian ini dapat pula dikembangkan lebih lanjut pada bentuk sirip lain yang berbeda dengan sirip yang digunakan dalam penelitian ini.