UNIVERSITAS INDONESIA BILANGAN REYNOLDS UNTUK ALIRAN EVAPORASI DUA FASA PADA KANAL MINI HORIZONTAL DENGAN REFRIGERAN R-290 DAN R-600A SKRIPSI PRASETIO NUGROHO 0906605031 FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN DEPOK JANUARI 2012 Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 ii Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 iii Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 KATA PENGANTAR Segala puji hanya bagi Allah SWT., atas rahmat dan izin-Nya penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Skripsi yang berjudul Bilangan Reynold untuk Aliran Evaporasi Dua Fasa pada Kanal Mini Horizontal dengan Refrigeran R290 dan R600a ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan Sarjana di Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia. Selama proses pengerjaan ini penulis menghadapi kesulitan terutama dalam memahami konsep dasar dari materi ini dan program komputer yang digunakan untuk simulasi dan perhitungan. Namun, dengan kemauan, usaha, dan bantuan dari berbagai pihak, Alhamdulillah penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Agus S. Pamitran ST., M. Eng., selaku dosen pembimbing satu- satunya yang telah meluangkan waktunya, untuk membimbing, mengarahkan, dan mengoreksi penyusunan skripsi ini. 2. Kedua orang tua saya, atas segala dukungan dan samudera kasih yang menguatkan semangat dan ikhtiar kami selama menjalani pendidikan di Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia. 3. Nico, Fikri, Febri, teman sekelompok yang telah bekerja dan bermanuver bersama penulis dalam menyusun skripsi ini. 4. Ganis Yunita, istri tercinta yang selalu menjadi penyeimbang dalam menata berbagai prioritas penting di akhir tahun. Besar harapan penulis, skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Semoga Allah SWT. memberi balasan atas bantuan yang telah diberikan oleh semua pihak, amin. Depok, Januari 2012 Penulis iv Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 v Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 ABSTRAK Nama :Prasetio Nugroho Program Studi :Teknik Mesin Judul :Bilangan Reynolds untuk Aliran Evaporasi Dua Fasa pada Kanal Mini Horizontal dengan Refrigeran R-290 dan R-600a Penelitian ini membahas tentang Bilangan Reynolds pada dua fasa dari hasil percobaan dengan refrigeran berbeda. Percobaan dilakukan pada kondisi perpindahan panas konveksi didih pada kanal mini horizontal dengan refrigeran R-290 dan R-600a. Test section terbuat dari pipa stainless steel dengan diameter dalam 3 mm, panjang 1000 mm dan dipanaskan secara merata di sepanjang pipa tersebut dengan heat flux divariasikan antara 5 kW/m2 sampai dengan 8 kW/m2. Dari penelitian didapat perubahan temperatur yang terjadi pada dinding dalam test section dengan metoda konduksi dan Nilai Reynolds number dibandingkan dengan kualitas Massa Uap. Fluktuasi Nilai Reynolds number menggambarkan kondisi aliran tiap fasa didalam test section. Dari hasil perbandingan dua Reynolds number untuk masing-masing refrigeran, Isobutana memiliki nilai Reynolds number lebih rendah dibandingkan dengan Propana pada kondisi mass flux dan heat flux yang relatif sama. Nilai Reynolds number ini selanjutnya akan digunakan untuk menentukan Chisolm Number dalam menghitung friction multiplayer. Kata kunci: Aliran dua fasa, Bilangan Reynolds, R-290, R-600a, kanal mini, vi Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 ABSTRACT Name : Prasetio Nugroho Study Program : Mechanical Engineering Title : Reynolds Number for Two-Phase Flow Boiling in Horizontal Minichannel with R-290 and R-600a This study discusses the Reynolds Number of two phase flow in Horizontal Mini Channel. Experiments were performed on the convective boiling in Horizontal minichannel with R-290 and R600a. The test section was made of stainless steel tube with inner diameter of 3 mm, length of 1000 mm and it is uniformly heated along the tube with heat flux was varied from 5 kW/m2 up to 8 kW/m2. From the experiments, taken data was results the temperature of test section inner diameter and Reynolds Number of liquid phase and gas phase. The Reynolds Number represent flow of the two phases in test section. Comparison of Reynolds Number from the two refrigerant shows that Isobutana have better value than Propana since its Reynolds Numbers is lower than Propana in similar mass flux and heat flux condition. Based on the Reynolds Number, Chisolm Number will concluded to determine two phase friction multiplayer Keywords: Two phase flow, Reynolds Number, R-290, R-600a, minichannel, vii Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ................................................................................. i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ....................................... ii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iii KATA PENGANTAR ............................................................................... iv HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ................. v ABSTRAK ................................................................................................ vi ABSTRACT .............................................................................................. vii DAFTAR ISI ............................................................................................. viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................. x DAFTAR TABEL ..................................................................................... xii DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xiii BAB 1 PENDAHULUAN......................................................................... 1 1.1 Latar belakang ................................................................................ 1 1.2 Perumusan Masalah ........................................................................ 2 1.3 Tujuan Penelitian ........................................................................... 2 1.4 Batasan Masalah............................................................................. 2 1.5 Sistematika Penulisan ..................................................................... 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. ............................................................... 4 2.1 Perpindahan Kalor .......................................................................... 4 2.1.1 Konduksi .............................................................................. 4 2.1.2 Konveksi .............................................................................. 6 2.2. Perpindahan Kalor Didih (Boiling Heat Transfer) .......................... 7 2.2.1 Pool Boiling ......................................................................... 9 2.2.1.1 Natural Convection boiling ...................................... 11 2.2.1.2 Nucleat Bioling ........................................................ 12 2.2.1.3 Transition Boiling .................................................... 14 2.2.1.4 Film Boiling ............................................................ 15 2.2.2 Flow Boiling ....................................................................... 15 2.2.2.1 External Flow Boiling .............................................. 16 2.2.2.2 Internal Flow Boiling............................................... 16 2.3 Aliran Dua Fasa ............................................................................. 17 2.3.1 Bilangan Tak Berdimensi .................................................... 21 2.3.2 Notasi .................................................................................. 22 2.4 Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Aliran Dua Fasa ................ 26 2.4.1 Pendidihan Nukleasi ............................................................ 26 2.4.1.1 Korelasi Forster-Zuber .............................................. 26 2.4.1.2 Korelasi Cooper ........................................................ 26 2.4.2 Konveksi Paksa ................................................................... 26 2.4.2.1 Aliran Laminar (Re<2300) ....................................... 27 2.4.2.2 Aliran Turbulen (2300 < Re < 104) ........................... 27 2.4.2.3 Aliran Turbulen (104 < Re < 5 x106) ......................... 28 2.4.2.4 Aliran Turbulen (Re > 5 x106) .................................. 28 viii Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 2.4.2.5 Aliran Transisi (2300 ≤ Re < 3000) ........................ 29 f 2.4.3 Korelasi Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fasa ...... 29 2.4.3.1 Korelasi Chen .......................................................... 29 2.4.3.2 Korelasi Gungor-Winterton ...................................... 34 2.4.3.3 Korelasi Zhang ......................................................... 35 BAB 3 PERANGKAT DAN ASPEK PENGUJIAN .................................. 36 3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 36 3.2 Skematik Alat Uji ........................................................................... 37 3.3 Komponen Alat Uji ........................................................................ 37 3.3.1 Condensing Unit ................................................................. 37 3.3.1.1 Condensing Unit 1 Pk ............................................... 38 3.3.1.2 Condensing Unit 3 Pk ............................................... 38 3.3.2 Test Section .......................................................................... 39 3.3.3 Pressure Gauge ................................................................... 39 3.3.4 Pressure Transmitter ........................................................... 40 3.3.5 Pipa Tembaga ...................................................................... 40 3.3.6 Receiver Tank ...................................................................... 41 3.3.7 Check Valve ........................................................................ 41 3.3.8 Variable Transfirmer............................................................ 41 3.3.9 Sight Glass .......................................................................... 42 3.3.10 Termokopel ....................................................................... 42 3.3.11 Timbangan Digital.............................................................. 43 3.3.12 Sabuk Pemanas .................................................................. 43 3.3.13 Modul Termokopel ............................................................. 44 3.3.14 Needle Valve ...................................................................... . 45 3.4 Prinsip Kerja Alat Uji ..................................................................... 45 3.5 Kondisi Pengujian .......................................................................... 47 BAB 4 HASIL DAN ANALISA. .............................................................. 48 4.1 Data Pengujian ............................................................................... 48 4.2 Perhitungan Temperatur Dalam Pipa dan Bilangan Reynolds hasil pengukuran dan Analisa Perhitungan ............................................. 53 4.2.1 Kualitas Massa Uap dan Bilangan Reynolds R-290 ................ 54 4.2.2 Kualitas Massa Uap dan Bilangan Reynolds R-600a .............. 63 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN. .................................................... 75 5.1. Kesimpulan ................................................................................... 75 5.2. Saran ............................................................................................. 76 DAFTAR REFERENSI ............................................................................. 69 LAMPIRAN .............................................................................................. 71 ix Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Perpindahan Kalor Konduksi Pada Bidang Datar ................... 4 Gambar 2.2. Perpindahan Kalor Konduksi Pada Silinder Berrongga ............ 5 Gambar 2.3. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa Dan Konveksi Alami ....... 6 Gambar 2.4. Profil Perpindahan Kalor Konveksi Dari Blok Panas Ke Udara ..................................................................................... 7 Gambar 2.5. Proses Evaporasi Dan Pendidihan .......................................... 8 Gambar 2.6. (a) Pool boiling, (b) flow boiling ............................................. 8 Gambar 2.7. (a) Subcooled Boiling, (b) Saturated Boiling .......................... 9 Gambar 2.8. Percobaan Nukiyama ............................................................. 9 Gambar 2.9. Kurva Pool Boiling ................................................................ 11 Gambar 2.10. Rezim Natural Convection Boiling......................................... 11 Gambar 2.11. Rezim Nucleat Boiling .......................................................... 12 Gambar 2.12. Pembentukan Gelembung Pertama Pada Titik ONB ............... 12 Gambar 2.13. Nucleat Boiling Dengan Flux Kalor Rendah ........................... 13 Gambar 2.14. Nucleat Boiling Dengan Flux Kalor Tinggi ............................ 13 Gambar 2.15. Nucleat Boiling Dengan Flux Kalor Maksimum ..................... 14 Gambar 2.16. Rezim Transition Boiling ....................................................... 15 Gambar 2.17. Rezim Film Boiling ................................................................ 15 Gambar 2.18. Pengaruh Kecepatan Terhadap Flux Kalor ............................. 16 Gambar 2.19. Pola Aliran Dua Fasa Pada Pipa Horizontal. ........................... 18 Gambar 2.20. Peta Pola Aliran Dua Fasa Pada Pipa Horizontal .................... 20 Gambar 2.21. Fraksi Gas Dan Cair Pada Aliran Dua Fasa ............................ 22 Gambar 2.22. P-h Diagram .......................................................................... 23 Gambar 2.23. Panjang Subcooled ................................................................ 25 Gambar 2.24. Grafik Faktor Pengali (F) ....................................................... 31 Gambar 2.25. Grafik Faktor Penekanan (S) .................................................. 34 Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian ......................................................... 36 Gambar 3.2. Skematik Alat Uji .................................................................. 37 Gambar 3.3. Condensing Unit 1 Pk ............................................................ 38 Gambar 3.4. Condensing Unit 3 Pk ............................................................ 38 Gambar 3.5. Test Section............................................................................ 39 Gambar 3.6. Pressure Gauge ..................................................................... 39 Gambar 3.7 Pressure Transmitter ............................................................. 40 Gambar 3.8. Pipa Tembaga ........................................................................ 40 Gambar 3.9. Receiver Tank ........................................................................ 41 Gambar 3.10. Check Valve ......................................................................... 41 Gambar 3.11. Variable Transformer ............................................................ 42 Gambar 3.12. Sight Glass ............................................................................. 42 Gambar 3.13. Pemasangan Termokopel Pada Test Section ........................... 43 Gambar 3.14. Timbangan Digital ................................................................. 43 Gambar 3.15. Sabuk Pemanas ...................................................................... 44 Gambar 3.16. Modul Termokopel ................................................................ 44 Gambar 3.17. Needle Valve .......................................................................... 45 Gambar 3.18. Pemberian Flux Kalor Pada Test Section ................................ 47 x Bilangan reynolds..., Prasetio Nugroho, FT UI, 2012