1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Teknik peningkatan perpindahan panas secara pasif dengan sisipan pipa

(tube insert) telah digunakan secara luas untuk meningkatkan laju perpindahan

panas dalam sebuah penukar kalor karena metode ini dapat diterapkan secara

mudah dalam sebuah penukar kalor tanpa memerlukan sumber daya tambahan.

Alat-alat sisipan untuk membangkitkan vorteks/aliran berputar (swirl flow) seperti

twisted tape, wire coils, ribs, fins, baffles, winglet dan lain-lain dalam sebuah

saluran aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas konveksi adalah paling

umum dikenal dalam banyak sistem termal. Secara umum, tujuan dari

peningkatan perpindahan panas adalah untuk membuat penukar kalor lebih

ringkas (compact) untuk mengurangi ukuran keseluruhan dari penukar kalor, atau

untuk mengurangi daya pemompaan (pumping power) yang diperlukan untuk

sebuah target perpindahan panas yang diberikan, dimana dapat menghasilkan

penghematan biaya operasi. Oleh karena itu, banyak penelitian telah dilakukan

untuk mempelajari pengaruh turbulator terhadap peningkatan perpindahan panas

dalam penukar kalor.

Secara umum, turbulator (swirl-generator) menimbulkan kondisi-kondisi

berikut yang menguntungkan untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas

konveksi: (1) mengganggu pembentukan lapis batas termal dan meningkatkan

intensitas turbulensi, (2) meningkatkan luas percampuran aliran atau luas

perpindahan panas, dan (3) membangkitkan vorteks longitudinal. Peningkatan

perpindahan panas dengan pembangkitan vorteks (vortex-induced heat transfer

enhancement) adalah sebuah metode pasif yang mengandalkan pada

pembangkitan dengan sengaja streamwise vortices untuk meningkatkan

perpindahan panas. Winglet (delta winglet dan rectangular winglet) telah

digunakan secara luas dalam sistem termal berunjuk kerja tinggi untuk

menghasilkan vorteks longitudinal dalam sistem yang membawa ke laju

perpindahan panas yang lebih tinggi dan percampuran fluida. Aliran vorteks

longitudinal membangkitkan pusaran (swirling) dan membuat medan aliran tidak

2

stabil, dan oleh karena itu aliran menjadi lebih turbulen sehingga meningkatkan

percampuran fluida, merusak lapis batas termal membawa ke peningkatan

kecepatan rata-rata fluida dan gradien temperatur dan meningkatkan koefisien

perpindahan panas konveksi dalam saluran. Aliran vorteks longitudinal oleh

winglet adalah perhatian utama dalam banyak aplikasi perpindahan panas seperti

fin-tube heat exchanger, pengkondisian udara dan peralatan-peralatan elektronik.

Berdasarkan literatur-literatur (Allison dan Dally, 2007; Chompookham et

al., 2010; Zhou dan Ye, 2012; dan Promvonge et al., 2010) menunjukkan aplikasi

winglet lebih menarik dibandingkan dengan alat pembangkit aliran vorteks

lainnya karena kehilangan tekanan (pressure loss) yang lebih rendah. Tetapi

winglet-winglet dalam literatur tersebut secara umum digunakan dengan

menempatkan pada permukaan-permukaan rata dari sebuah saluran dan jarang

ditemukan digunakan dalam pipa bundar. Untuk menerapkan winglet dalam pipa

bundar diperlukan sebuah modifikasi winglet tersebut, dimana dalam penelitian

ini berupa double-sided delta-winglet tape insert (DWTs). Karakteristik winglet

berupa bentuk sayap, tinggi sayap, lebar sayap dan sudut serang adalah parameter

kunci yang mempengaruhi secara signifikan terhadap kelakuan perpindahan panas

dalam pipa.

Pada penelitian ini, akan menguji pengaruh penambahan double-sided

delta-winglet tape insert (DWTs) variasi sudut serang () (angle of attack) dan

winglet-width ratio (RB) di pipa dalam (inner tube) dari penukar kalor pipa

konsentrik terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

Diharapkan, dengan penambahan DWTs ini dapat membangkitkan aliran vorteks

longitudinal dengan tujuan mengganggu perkembangan lapis batas termal

sehingga meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi dengan kehilangan

tekanan (pressure loss) yang lebih rendah di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik.

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimana pengaruh penambahan double-sided delta-winglet tape insert

(DWTs) variasi sudut serang () (angle of attack) dan winglet-width ratio (RB) di

3

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik perpindahan

panas dan faktor gesekannya.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini:

1. Pipa luar dari penukar kalor pipa konsentrik diisolasi dengan glasswool dengan

ketebalan ± 80 mm sehingga perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi.

2. Faktor pengotoran (fouling factor) di pipa dalam dan pipa luar diabaikan.

3. Data penelitian yang digunakan untuk analisis data adalah data penelitian saat

kondisi tunak (steady state).

1.4 Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh penambahan double-sided delta-winglet tape insert

(DWTs) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

2. Membandingkan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pipa

dalam dengan penambahan double-sided delta-winglet tape insert (DWTs)

terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pipa dalam tanpa

penambahan DWTs (plain tube).

Hasil penelitian diharapkan memberi manfaat sebagai berikut :

1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam pengembangan

ilmu penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan

panas secara pasif dengan menggunakan winglet vortex generator berupa

double-sided delta-winglet tape insert (DWTs).

2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan perpindahan panas

yang murah, perawatan mudah dan ringkas.

4

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi 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 : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

pengujian alat penukar kalor dengan winglet vortex generators,

teori tentang perpindahan panas, teori metode peningkatan

perpindahan panas pada penukar kalor, aliran dalam sebuah

pipa (internal flow), dan karakteristik perpindahan panas dan

faktor gesekan pada penukar 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.