## STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI, PENURUNAN TEKANAN DAN FAKTOR GESEKAN PADA ALAT PENUKAR KALOR MENGGUNAKAN MICRO-FIN TUBE
Ahmad Imam Rifa’i 1 , Budi Kristiawan 1 , Agung Tri Wijayanta 1
1 Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret
Keywords:
Convective heat transfer Pressure drop Friction factor Micro-fin Abstract :
Micro-fin is the popular technique for increasing heat transfer performance  of  the  heat  exchangers.  In  this  research,  the  heat  transfer coefficient  of  water  inside  counter-flow  heat  exchangers  with  micro-fin was investigated by experiment at the Reynolds number (Re) was varied from  4000-10,000.  The  results  show  that  the  heat  transfer  coefficient increase  with  increasing  Reynolds  number.  Furthermore,  effect  helical micro-fin  increasing  pressure  drop  and  friction  factor  at  turbulent  flow region..

## PENDAHULUAN
Double pipe heat exchangers merupakan alat penukar  kalor  yang  umum  digunakan  dalam  proses industry  dan  apikasi  teknik,  baik  untuk  proses pendinginan maupun proses pemanasan. Perpindahan kalor  konveksi  berperan  penting  dalam  efisiensi  alat penukar  kalor.  Untuk  meningkatkan  kinerja  alat penukar kalor, metode peningkatan perpindahan kalor terdapat  2  kelompok  yaitu  metode  aktif  dan  metode pasif. Teknik pasif lebih menguntungkan dibandingkan  dengan  metode  aktif,  karena  tidak memerlukan penambahan energi eksternal (Alam dan Kim 2018).
Metode pasif yang paling populer adalah dengan menggunakan micro-fin tube (Honda et al. 2005; Ma et al. 2017). Micro-fin biasanya digunakan pada proses kondensasi  maupun  evaporasi  pada  alat  pendingin udara serta pendingin air (chiller).
Studi eksperimental dalam meningkatkan koefisien  perpindahan  kalor  dengan  menggunakan metode pasif yaitu dengan menggunakan twisted tape insert  dilakukan  oleh  (Wijayanta  et  al.  2018; Yaningsih  et  al.  2018).  Sedangkan  Kristiawan  dan Kamal,  (2016)  melakukan  studi  eksperimental perpindahan  kalor  konveksi  dengan  menggunakan kombinasi  teknik  perpindahan  kalor,  yaitu  dengan menggunakan fluida nano dan twisted tape insert pada alat  penukar  kalor  untuk  kondisi  heat  flux  konstan. Hasil penelitian menjukkan bahwa perpindahan kalor konveksi dan faktor kinerja termal meningkat dengan penambahan  twisted  tape  insert  serta  meningkatnya volume  konsentrasi  fluida  nano.  Namun  pada penambahan  volume  konsentrasi  meningkatkan viskositas fluida nano yang menyebabkan penurunan
tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluida dasar.
Ma et al. (2017) melakukan studi eksperimental perpindahan kalor fasa tunggal pada alat penukar kalor pipa ganda pada kondisi rezim aliran laminer, transien dan turbulen dengan rentang bilangan Reynolds 100 – 36.000.  Pipa  dalam  menggunakan  pipa  halus  dan micro-fin  tube  dengan  diameter  luar  22,48  mm  dan 16,66 mm dengan fluida kerja yang digunakan adalah campuran  air  dan  ethylene  glycol.  Hasil  penelitian dilaporkan  bahwa  faktor  gesekan  micro-fin  tube meningkat  dengan  meningkatnya  nilai  e/deq.  Faktor gesekan  pada  micro-fin  yang  berbeda  menunjukan trendline  yang  berbeda.  Kondisi  tersebut  memiliki kesamaan dengan pipa dengan kekasaran equivalent.
Wu  et  al.  (2013)  melakukan  penelitian  secara eksperimental  tentang  proses  kondensasi  dengan menggunakan pipa halus dan 5 micro-fin tube dengan diameter  luar  pipa  dalam  5  mm  .  Refrigerant  yang digunakan  adalah  jenis  R22  dan  R401A  mengalir  di dalam  pipa  dalam,  sedangkan  air  mengalir  pada  sisi annulus.  Hasil  penelitian  menunjukan  bahwa  micro- fin yang memiliki luas permukaan bagian dalam total dari micro-fin yang tinggi memiliki kemampuan yang terbaik  dalam  perpindahan  kalor  pada  laju  aliran massa yang tinggi.
Dengan  menggunakan  jenis  refrigerant  yang sama,  Li  et  al.  (2017)  melakukan  eksperimen  pada penukar  kalor  dengan  pipa  bagian  dalam  pipa  halus dan micro-fin yang memiliki diameter luar 9.52 dan 5 mm. Hasil penelitian dilaporkan bahwa micro-fin tube menghasilkan  1,65 –  2,55  kali  peningkatan perpindahan  kalor  yang  lebih  tinggi  dibandingkan dengan  pipa  halus.  Peningkatan  tersebut  disebabkan area permukaan perpindahan efektif pada micro-fin
tube  dan  turbulensi  aliran  yang  disebabkan  oleh  fin pada permukaan bagian dalam pipa dalam.
Celen et al. (2013)melakukan penelitian tentang penurunan tekanan dan faktor gesekan pada pipa halus dan  micro-fin  tube  dengan  laju  aliran  fluida  yang berbeda secara eksperimental pada alat penukar kalor pipa  ganda  horizontal  dengan  pengaturan  aliran bersilang  (counter-flow).  Fluida  panas  mengalir  pda sisi pipa dalam sendangkan air dingin mengalir pada sisi annulus.
Hasil  penelitian  di  bandingkan  dengan  korelasi Blasius  dan  korelasi  Petukhov.  Hasil  eksperimen menunjukan bahwa koefisien perpindahan kalor micro fin  tube  2,9  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  pipa halus pada rezim aliran turbulen. Meskipun penurunan tekanan  pada  micro-fin  tube  1,7  lebih  tinggi  dari penurunan tekanan pada pipa halus.
Dastmalchi  et  al.  (2017)  melakukan  studi numerik  perpindahan  panas  pada  pipa  halus  dan micro-fin  tube  dengan  menggunakan  tinggi  fin  dan helical  angle  yang  berbeda.  Fluida  kerja  yang digunakan adalah oli untuk kondisi batas suhu dinding konstan.  Penelitian  dilakukan  pada  kondisi  aliran laminer dengan rentang bilangan Reynolds 100  – 1.000. Hasil simulasi menunjukan bahwa peningkatan perpindahan kalor maksimum pada micro-fin 44% dan faktor gesekan 69% lebih tinggi dibandingkan dengan korelasi  perpindahan  kalor  dan  faktor  gesekan  pada bilangan Reynolds 1.000.
Dengan  dilakukannya  penelitian  ini  dalam bidang akademis diharapkan dapat memberikan ilmu pengetahuan baru tentang teknik pasif khususnya pada micro-fin tube dalam meningkatkan perpindahan kalor konveksi  pada  alat  penukar  kalor  pipa  ganda. Penelitian  ini  dilakukan  untuk  menguji  pengaruh variasi  laju  aliran  fluida  dingin  di  pipa  dalam  (inner tube)  dari  penukar  kalor  pipa  ganda  dengan  pipa dalam dilengkapi dengan micro-fin terhadap karakteristik  perpindahan  kalor  konveksi  penurunan tekanan serta faktor gesekan.

## METODOLOGI PENELITIAN
Diagram  skematik  eksperimental  ditunjukan pada Gambar 1. Setup alat pengujian terdiri dari seksi uji, aliran fluida panas, aliran fluida pendingin, sistem pengukuran  serta  sistem  data  akuisisi.  Sistem pengaturan  aliran  pada  studi  eksperimen  ini  adalah dengan  menggunakan  sistem  pengaturan  aliran bersilang  (counter-flow).  Material  pipa  dalam  dari seksi  uji  terbuat  dari  tembaga  dengan  diameter  luar Do = 6 mm dengan panjang area perpindahan kalor  L =  414  mm  dengan  jumlah  fin  64  dan  diameter equivalen deq=  5,26  mm.  Diameter  dalam dari pipa luar  adalah  23  mm.  untuk  memastikan  aliran  fluida
yang masuk pada seksi uji full developed flow, maka dipasangkan calming section sebelum seksi uji.
Fluida panas (air) dipanaskan dengan menggunakan pemanas listrik dengan daya 1500 watt dan dijaga konstan pada suhu 50oC dengan mengatur potensio  pada  pengatur  suhu  (thermocontrol). Sedangkan  fluida  panas  pada  seksi  uji  dialirkan dengan  menggunakan  pompa  magnetik  dengan  debit aliran  dijaga  konstan  pada  aliran  1,58  liter/min. Sedangkan  fluida  pendingin  dialirkan  dengan menggunakan  pompa  micro  gear.  Debit  aliran  fluida pendingin divariasikan dengan mengatur rotasi pompa micro gear dengan ketelitian 1 rpm. Chiller digunakan untuk  menjaga  suhu  fluida  tetap  konstan  pada  suhu 20oC selama pengujian berlangsung.
Penurunan  tekanan  sepanjang  seksi  uji  pipa dalam diukur dengan menggunakan digital manometer dengan ketelitian 0.1 kPa. Suhu inlet, outlet dan suhu permukaan  pipa  dalam  pada  seksi  uji  diukur  dengan menggunakan thermocouple tipe-K dengan ketelitian 0.1oC  yang  terhubung  dengan  sistem  data  akuisisi (Adam  4018+)  untuk  merekam  data  eksperimen dengan  rentang  pengambilan  data  500  millisecond (ms).

## Gambar 1. Diagram Skematik Eksperimental

## Reduksi Data
Dalam studi eksperimen ini, fluida pendingin divariasi pada rentang bilangan Reynolds 4000 – 10.000 yang digunakan untuk investigasi koefisien perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan fluida pendingin. Selanjutnya, koefisien perpindahan kalor dan penurunan tekanan fluida pendingin dapat dihitung berdasarkan persamaan :
Laju perpindahan kalor ke air dingin di sisi annulus dapat dinyatakan sebagai berikut :
Q h = m  h C p , h ( T h , in − T h , out ) (1)
d  k i  d  2 L   v 
Laju perpindahan kalor di pipa dalam dihitung dengan :
dimana L adalah jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam, d eq adalah diameter equivalen Q c = m  c C p , c ( T c , out − T c , in ) (2) micro-fin , ρ adalah densitas fluida nano, v adalah dimana Q adalah laju perpindahan kalor, ṁ laju aliran massa fluida kerja, Cp adalah panas jenis fluida, ΔT perbedaan suhu antara inlet dan outlet seksi uji. Laju perpindahan kalor rata-rata, Q ave dihitung berdasarkan laju perpindahan kalor pada sisi air panas dan air dingin sebagai berikut :
kecepatan rata-rata..

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Validasi koefisien perpindahan kalor konveksi
Karakteristik  perpindahan  kalor  seksi  uji divalidasi dengan menggunakan korelasi empirik dari Q ave = Q h + Q c 2 (3) persamaan Dittus-Boelter yang dinyatakan sebagai : Sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh di Nu = 0.023 Re 0.8 Pr 1 3 (11)
pipa dalam, U i dapat tentukan dari :
Dimana Nu adalah bilangan Nusselt, Re adalah U i = Q ave A  T (4) bilangan Reynolds, Pr adalah bilangan Prandtl.
s LMTD Dimana A adalah luas permukaan dalam pipa dalam, ΔT LMTD adalah Logarithmic mean temperature difference . Koefisien perpindahan kalor air panas pada sisi annulus ( h o ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
 k     0.14 (5) h = 0.0936  o  Re 0.8 Pr 1 3  bulk 
o   w  eq  w    w , o  Koefisien perpindahan kalor konveksi di pipa dalam ( h i ), dihitung berdasarkan nilai dari persamaan (9) dan (10), maka dapat dinyatakan sebagai :
1 (6) h i =  1 d ln( d / d ) d  Gambar 2. Validasi koefisien perpindahan kalor dari seksi uji dengan menggunakan fluida kerja air.
 − o
o i − i   U i 2 k Cu d o h o  Validasi seksi uji ditunjukan pada Gambar 2 Bilangan Nusselt ( Nu ) rata-rata di pipa dalam dapat dihitung dengan persamaan :
Nu = h i . d eq i Bilangan Reynolds ( Re ) dan bilangan Prandtl ( Pr ) fluida kerja dapat ditentukan dari persamaan :
Re =  d eq (7)
(8)
dengan  menggunakan  air  sebagai  fluida  kerja,  baik pada  sisi annulus dan  sisi  pipa  dalam.  Koefisien perpindahan kalor dari hasil eksperimen untuk micro- fin sesuai dengan hasil prediksi empirik dari korelasi Dittus-Boelter  dengan  ketidaksesuaian  maksimum antara hasil eksperimen dengan korelasi adalah +12%
Karakteristik Perpindahan Kalor Konveksi
i
Pr i  =  C p k (9) Hubungan karakteristik perpindahan kalor pipa halus dan micro-fin dengan bilangan Reynolds pada
Dimana ρ adalah densitas, v adalah kecepatan aliran fluida, d eq adalah diameter equivalen dalam pipa dalam, μ adalah viskositas fluida kerja, C p adalah panas jenis, k adalah konduktivitas fluida kerja Penurunan tekanan (ΔP) sepanjang aliran fluida nano pada pipa bagian dalam ditentukan dari pembacaan digital manometer, sehingga faktor gesekan ( f ) dapat dihitung menggunakan persamaan :
alat  penukar  kalor  pipa  ganda  dapat  dilihat  pada gambar  3.  Hal  tersebut  dapat  dilihat  bahwa karakterisik perpindahan kalor pipa halus dan micro- fin  memiliki  tren  yang  sama,  yaitu  koefisien perpindahan kalor meningkat seiring dengan bilangan Reynolds.  Micro-fin  tube  memiliki  peningkatan perpindahan  panas  konveksi  yang  lebih  tinggi dibandingkan dengan tabung halus. Hal tersebut
f =  P   2    eq   (10) dikarenakan micro-fin meningkatkan luas  permukaan perpindahan  kalor,  sehingga  dapat  menyebabkan peningkatan  nilai  koefisien  perpindahan  kalor  lebih tinggi dibandingkan dengan pipa halus. Selain itu, efek   dari micro-fin menyebabkan turbulensi aliran menjadi lebih tinggi sehingga menghasilkan peningkatan  rata-
rata kecepatan suhu fluida yang seragam yang secara signifikan dapat meningkatkan koefisien perpindahan kalor konveksi dalam pada micro-fin tube Wjayanta et al. (2017) . Peningkatan maksimum adalah 35% lebih tinggi dibandingkan dengan pipa halus.
Gambar 3. Hubungan koefisien perpindahan kalor dan bilangan Reynolds
Penurunan  tekanan  dan  Karakteristik  Faktor Gesekan
Gambar 4. Hubungan penurunan tekanan pipa micro- fin dan korelasi Petukhov untuk pipa halus Hubungan  penurunan  tekanan  pipa  halus  dan micro-fin  tube  dengan bilangan  Reynolds ditunjukan pada  Gambar  4.  Hasil  penelitian  menunjukan  bahwa penurunan  tekanan  meningkat  seiring  dengan peningkatan bilangan Reynolds. Peningkatan penurunan  tekanan  tersebut  disebabkan  oleh  efek micro-fin  pada  permukaan  dalam  dari  pipa  dalam sehingga  menghasilkan  turbulensi  aliran  dalam  pipa yang  tinggi  dan  efek  dari  fin  memberikan  tambahan tahanan  aliran  dari  fluida  yang  mengalir  sehingga menimbulkan  penurunan  tekanan  yang  lebih  besar jika dibandingkan dengan pipa halus. Hal yang serupa juga dilaporkan oleh Celen et al. (2013) dengan fluida kerja  campuran  antara  air  dan  ethylene  glycol. Peningkatan penurunan tekanan tersebut menyebabkan  kerugian  pada  efisiensi  alat  penukar kalor. Hal tersebbut disebabkan karena meningkatnya
daya pemompaan yang meningkat untuk mempertahankan laju aliran yang sama antara tabung halus dan micro-fin tube.
Gambar 5. Hubungan faktor gesekan pipa micro-fin dan korelasi Petukhov untuk pipa halus.
Karakteristik  aliran  fluida  kerja  pada  penelitian in  ditunjukkan  pada  gambar  5.  Dapat  dilihat  bahwa Faktor  gesekan  pada  pipa  halus  menurun  seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds. Sedangkan micro-fin  tube  memiliki  karakteristik  faktor  gesekan yang  berbeda  dengan  tabung  halus.  Hal  tersebut dikarenakan efek dari fin menyebabkan tahanan aliran yang  lebih  tinggi  sehingga  tekanan  dinamis  fluida meningkat. Hal tersebut mnyebabkan aliran turbulensi fluida  yang  tinggi  pada  kondisi  aliran  turbulen sehingga  faktor  gesekan  micro-fin  tube  lebih  tinggi dibandingkan dengan faktor gesekan pada pipa halus. Pada kondisi aliran turbulen, trendline faktor gesekan memiliki  kesamaan  dengan  hasil  eksperiment  yang dilakukan oleh Ma et al., (2017).

## KESIMPULAN
Koefisien perpindahan kalor micro-fin, penurunan  tekanan  serta  faktor  gesekan  pada  alat penukar kalor pipa ganda aliran bersilang telah diteliti secara eksperimental. Maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Koefisien perpindahan kalor konveksi meningkat seiring  dengan  mingkatnya  bilangan  Reynolds pada  kondisi  aliran  turbulen.  Nilai  peningkatan perpindahan  kalor micro-fin  tube lebih  tinggi dibandingkan dengan pipa halus.
2. Penurunan  tekanan  pada  pipa micro-fin lebih tinggi  dibandingkan  dengan  pipa  halus  dan meningkat seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds.
3. Micro-fin menyebabkan  turbulensi  aliran  fluida kerja  lebih  tinggi  dibandingkan  pipa  halus, sehingga meningkatkan faktor gesekan pada pipa micro-fin untuk kondisi aliran turbulen.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini didukung oleh LPPM Universitas Sebelas Maret sesuai dengan Surat Perjanjian Kontrak Penelitian No. 543/UN27.21/PP/2018, dengan Skim Hibah: Kolaborasi Internasional (KI- UNS) dengan Research ID : 00250471021232018

## DAFTAR NOTASI
A  =  luas  permukaan  dalam  pipa  (m 2 ) Cp  = panas jenis air dingin (kJ/kg. o C) d = diameter pipa (m) f       = faktor gesekan h i =  koefisien  perpindahan  panas  konveksi  rata- rata (W/m 2 . o C) k = konduktivitas termal (W/m. o C)
Lt  =  panjang  pengukuran  penurunan  tekanan  di pipa dalam (m) ṁ = laju aliran massa air panas (kg/s) Nu = bilangan Nusselt rata-rata Q = laju perpindahan panas di annulus (W) Re  = bilangan Reynolds T = temperatur ( o C) U = koefisien perpindahan kalor overall (W/m 2 . o C) v = kecepatan rata-rata (m/s)
Subscripts bf = base fluid c = cold eq = equivalent h = hot i = inner tube in = inlet np  = nanoparticle nf        = nanofluid o  = outer  tube out = outlet
Greek symbol
φ
= volume konsentrasi (vol%)
μ = viskositas (kg/m.s) ρ = densitas (kg/m 3 ) ΔP
= penurunan tekanan (Pa)
ΔT LMTD = logarithmic mean temperature difference
( o C)

## DAFTAR PUSTAKA
[1] T. Alam and M. Kim, “A comprehensive review on  single  phase  heat  transfer  enhancement techniques  in  heat  exchanger  applications,” Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews, vol. 81, pp. 813–839, 2018.
[2] A.  Celen,  A.  Selim,  and  S.  Wongwises, “Experimental  analysis  of  the  single  phase pressure  drop  characteristics  of  smooth  and micro  fin  tubes,” Int.  Communications  in  Heat and Mass Transfer , vol. 46, pp. 58–66, 2013.
[3] M.  Dastmalchi,  A.  Arefmanesh,  and  G.  A. Sheikhzadeh,  “Numerical  investigation  of  heat transfer and pressure drop of heat transfer oil  in smooth  and  micro-  finned  tubes,” Int.  J.  of Thermal Sci., vol. 121, pp. 294–304, 2013.
[4] B.  Kristiawan  and  S.  Kamal,  “Thermo- Hydraulic  Characteristics  of  Anatase  Titania
Nanofluids  Flowing  Through  a  Circular Conduit,” J.
of Nanoscience and Nanotechnology, vol.  16,  no.  6,  pp.  6078- 6085, 2016.
[5]    G.  Li,  L.  Huang,  and  L.  Tao,  “Experimental investigation  of  refrigerant  condensation  heat transfer  characteristics  in  the  horizontal  microfin tubes,” Applied  Thermal  Engineering, vol.  123, pp. 1484–1493, 2017.
[6] Z.  Ma,  A.  Zhou,  J.  Zhang,  and  Y.  Wang, “Experimental  investigation  on  the  friction characteristics of water – ethylene glycol mixture flow in internal helical finned horizontal tubes,” Experimental  Thermal  and  Fluid  Science, vol. 89, pp. 1–8, 2017.
[7] A.  T.  Wijayanta,  T.  Istanto, K.  Kariya,  and    A. Miyara,  “Heat  transfer  enhancement of  internal flow  by  inserting  punched  delta  winglet  vortex generators with various attack angles,” Experimental  Thermal  and  Fluid  Science ,  vol. 87, pp. 141–148, 2017.
[8] A.  T.  Wijayanta,  I.  Yaningsih,  M.  Aziz,  and  T. Miyazaki, “Double-sided delta-wing tape inserts to  enhance  convective  heat  transfer  and  fluid flow  characteristics  of  a  double-pipe  heat exchanger,” Applied  Thermal  Engineering ,  vol. 145, pp. 27–37, 2018.
[9]  Z.  Wu,  Y.  Wu,  B.  Sundén,  and  W.  Li, “Convective  vaporization  in  micro-fin  tubes  of different geometries,” Experimental Thermal and Fluid Science , vol. 44, pp. 398–408, 2013.
[10] I. Yaningsih, A. Tri, T. Miyazaki, and S. Koyama, “International  Journal  of  Thermal  Sciences Thermal  hydraulic  characteristics  of  turbulent single-phase  flow  in  an  enhanced  tube  using louvered  strip  insert  with  various  slant  angles,” Int.  J.  of  Thermal  Sci. ,  vol.  134,  pp.  355–362, 2018.