## Studi Eksperimental Pengaruh Bilangan Reynold dan Fraksi Massa Terhadap Koefisien Perpindahan Panas Konveksi pada Pipa Coil
Firman Iskandarsyah 1 , Adek Tasri 2 , Rahmadian Pratama 3
1, 2 Program Studi Teknik Mesin, Program Pascasarjana
3 Program Studi Teknik Mesin Universitas Andalas Padang
E-mail : firman_smkn3jambi@yahoo.com, adek_tasri@ft.unand.ac.id, Rahmadian Pratama @gmail.com

## Abstrak
Aliran dua fase merupakan bagian dari aliran multi-fase dan  masih dapat dibedakan menjadi beberapa bagian  yang  memepengaruhi  koefisien  perpindahan  panas.  Pada  dunia  industri,  koefisien  perpindahan panas  memiliki  arti  penting.  Dalam  aplikasinya  seperti  pada  proses  pemanasan  dan  pendinginan, koefisien perpindahan panas sangat berpengaruh pada proses ini karena sangat menentukan hasil proses yang  di  inginkan..  Perubahan  fasa  ini  menciptakan  kondisi  aliran  dua  fasa  dimana  sebelumnya  aliran tersebut  hanya  satu  fasa.  Kondisi  aliran  dua  fasa  ini  tentu  memiliki  koefisien  perpindahan  panas  yang berbeda  daripada  aliran  satu  fasa.  Sehingga  kita  perlu  mengetahui  besarnya  pengaruh  koefisien perpindahan  panas  pada  aliran  dua  fasa.  Penelitian  ini    bertujuan  untuk  menentukan  pengaruh  fraksi massa terhadap koefisien perpindahan panas pada dinding coil.
Kata kunci : koefisien perpindahan panas, perubahan fasa, kondisi aliran dua fasa, penukar kalor.

## 1. Pendahuluan
Peningkatan perpindahan panas pada peralatan  penukar  panas  sering  ditemui  terjadi pada  fluida  yang  terlibat  pada  perpindahan panas.  Berbagai  metode  telah  dikembangkan untuk  meningkatkan  efektifitas  penukar  kalor dengan jalan meningkatkan koefisien perpindahan kalor. Salah satu metode yang telah lama diaplikasikan sebagai penukar kalor adalah pipa  koil  helik  atau  helical  coil  tube. Penggunaan  helical  coil  tube  selain  dapat mengurangi  panjang  dari  penukar  kalor  juga dapat  meningkatkan  efektifitas  penukar  kalor. Ini  dikarenakan  ketika  fluida  mengalir  dalam lintasan  pipa  yang  berbentuk  kurva,  gaya sentrifugal  menyebabkan  terjadinya  aliran sekunder. Aliran sekunder yang disebabkan oleh gaya  sentrifugal  ini  memiliki  kemampuan  yang signifikan untuk meningkatkan laju perpindahan kalor.  Beberapa  penelitian  telah  menunjukkan bahwa helical coil tubes lebih unggul dibandingkan  straight  tubes  bila  digunakan dalam  aplikasi  transfer  panas.  Pemanfaatan  alat penukar  panas,  jenis  koil  heliks  vertical merupakan  salah  satu  alat  perpindahan  panas yang banyak digunakan.
Koil heliks vertikal berupa sebuah pipa yang dibuat dengan bentuk melingkar ( spiral ) dimana diantara  lingkaran  satu  dengan  yang  lainnya memiliki jarak tertentu ( pitch ).
Dalam  dunia  industri  Koil  heliks  juga temukan  dalam  berbagai  aplikasi.  Misalnya pada sistem perpipaan, pada boiler, pada pembangkit  tenaga  nuklir,  pada  industri perminyakan  dan  lain sebagainya.  Banyak penelitian yang telah dilakukan yang berhubungan  alat  penukar  panas  tipe  heliks  ini. K.  Hambraeus  [1]  meneliti  tentang  koefisien perpindahan  panas  dua  fasa  dengan  konveksi didih pada HFC134a mendapatkan penyimpangan  koefisien  perpindahan  panas yang  sangat  kecil  dan  peningkatan  penurunan tekanan  secara  linear.  Mohamed  El-Sayed  Ali [2]  menulis  perpindahan  panas  konveksi  secara alami  pada  helik  dengan  fluida  minyak, menunjukan  terjadinya  penurunan  koefisien pindahan  panas  seiring  perubahan  diameter helikdan  jenis  aliran  didapat  laminar.  D. Colorado dkk [3] melakukan analisa perpindahan  panas  dan  perilaku  dinamis  fluida dari  double-pipa  evaporator  arah  vertikal  pada heliks  secara  numerical  dan  menghasilkan perbandingan  data  eksperimen    dan  data
simulasi  memperlihatkan  deviasi  fluks  panas rata-rata  0,45%.  D.  Colorado  dkk  [4]  dapat menggambarkan perpindahan panas dari kumparan  heliks  dalam  oli  dan  gliserol  secara numeric dan menemukan peningkatan perpindahan  panas.  Harith  Noori  Mohammed [5]  melakukan  penelitian  konveksi  bebas  pada penukar  kalor  tipe  heliks  posisi  vertical  dan menemukan koefisien perpindahan panas meningkat berbanding lurus terhadap peningkatan  cairan  pendinginnya.M.A.  Khairul dkk  [6]  menganalisa  perpindahan  panas  dan termodinamika  dari  penukar  panas  heliks menggunakan  berbagai  jenis  nanofluids  dan menemukan  peningkatan  efisiensi  exergi  yang lebih  tinggi  dengan  menyuntikan  nanopartikel.
Xiande Fang [7] dalam penelitiannya mendapatkan  korelasi  yang  lebih  baik  untuk R134a untuk perpindahan panas aliran dua fase. N.  Jamshidi  dkk  [8]  melakukan  analisis eksperimental peningkatan perpindahan panas di shell  dan  tube  pada    penukar  panas  tipe  heliks menemukan  dapat  meningkatkan  koefisien perpindahan panas keseluruhan secara optimum, merubah  laju  aliran  dalam  helik,  diameter  coil, laju  aliran  merupakan  parameter  desain  yang paling penting dalam penukar panas. Srbislav B dkk [9] melakukan analisa fouling pada penukar panas  helik  dengan  melakukan  Pengukuran performa  panas  dan  tidak  menemukan  fouling factor pada beberapa percobaan. José Fernández-Seara dkk [10] dalam kajian numerikal  terhadap  unjuk  kerja  helik  secara ekperimental  memprediksi  perpindahan  panas pada  penukar  kalor  tipe  heliks  secara  numeric dan  mendapatkan  hasil  peningatan  perpindahan panas  seiring  peningkatan  diameter  luar  heliks. B.K.  Hardik  dkk  [11]  meneliti  koefisien perpindahan panas lokal pada  gulungan  heliks dengan  aliran  fase  tunggal  dan  mendapatkan pengaruh kelengkungan berbanding lurus terhadap nomor nusseltnya.  Behrad Bezyan dkk [12]  menganalisis  kinerja  termal  pipa  dengan Spiral berbentuk vertical secara simulasi 3D dan menyimpulkan konfigurasi diameter pipa berpengaruh terhadap panasnya. Sudhakar.Battu, V.Sridevi [13] mengulas perpindahan  panas  paksa  melalui    kumparan heliks  dan  menyimpulkan  perpindahan  panas pada  heliks  lebih  tinggi  dari  tabung  biasa. Xiaojuan  Niu  dkk  [14]  dengan  analisa  numeric tentang  karakteristik  aliran  panas  dalam  tabung dengan  pemanasan  yang  berbeda  menemukan koefisien  Perpindahan  panas  lokal  di  sekitar penampang tabung spiral melingkar dipengaruhi oleh  kondisi  pemanasan  yang  berbeda.  Fabio Bozzoli  dkk  [15]    meneliti  efek  pengerutan dinding  pada heliks  penukar  kalor  secara
pendekatan  analisis  inverse  dan  menyimpulkan pengaruh  yang  siknifikan  terhadap  koefisien perpindahan panasnya.
Dari  beberapa  penelitian  perpindahan  panas yang  ada  berkaitan  dengan  koil  heliks,  untuk aliran  dua  fasa  sampai  saat  ini  belum  banyak yang meneliti.
Penelitian penentuan klasifikasinya  sangat  rumit  Disamping  dari fasenya aliran dua fase juga dibedakan berdasar arah  aliran  (searah  dan berlawanan  arah)  dan kedudukan  salurannya  (tegak,  mendatar,  atau miring).  Berdasarkan  klasifikasi  tersebut  akan membedakan phenomena koefisien perpindahan panas  pada  aliran  fluida  dua  fasa  dalam  pipa, Perubahan fasa dari cair menjadi campuran cair dan gas terutama akan menyebabkan perubahan sifat  fisik  fluida  terutama  nilai  konduktivitas, viskositas,  dan  massa  jenis  fluida.  Perubahan pada ketiga sifat tersebut menyebabkan perubahan  koefisien  perpindahan  panas  yang dapat  digunakan  sebagai  dasar  pengembangan model,  Pengaruh  aliran  dua  fasa  pada  heliks terhadap  koofisien  perpindahan  panas  tersebut coba diteliti pada jurnal ini dilabor motor bakar jurusan mesin universitas andalas padang.

## Deskripsi alat Uji
Gambar  1.  Menunjukan  skema  alat  uji. Sistim  aliran  alat  uji  merupakan  sistim  aliran terbuka  dengan  air  berfungsi  sebagai  fluida kerja.  Sistim  ini  terdiri  dari  1  unit  reservoir, ditambah  satu  unit  pompa  sentrifugal,  katup bola,  katup bypass ,  gelas  Ukur,  dan  unit coil helik vertikal yang merupakan bagian dari yang di  uji . Seluruh  variable  yang  diukur  langsung pada  saat  penelitian  nilainya  bisa  diketahui tanpa  perlu  perhitungan  lebih  lanjut  Pada  unit pengujian . Air  yang  dipanaskan  sampai  temperatur 100 0 C  dengan  Pemanas  pada  reservoir  1 dialirkan menggunakan sebuah pompa sentrifugal, mengalir masuk ke katub bola untuk mengetahui  laju  alirannya.  Katub  bola  sebagai pedoman  pengatur  laju  aliran  6  liter/menit dilakukan secara manual. Dari Katub bola aliran air memasuki helik. Pada helik inilah divariasikan temperatur diding helik Daya listrik yang terukur tergantung variasi temparatur yang diberikan  dengan  tegangan  220  volt  pada pemanas.
Termokopel  dipasang  dan  digunakan  untuk mengukur  temperatur  masuk  dan  keluar  dari instrumen  uji.  Delapan  belas  termokopel digunakan  untuk  mengukur  suhu.  Termokopel pertama  dipasang  pada saluran  keluar  reservoir pertama, termokopel  kedua  dipasang  pada saluran  masuk  coil  helik,  termokopel  ketiga
1,06 1,08 1,1 1,12 1,14 1,16 Koef is ie n Perpin d ah an
Pa n as (h ) Kualitas Fasa (x)
Grafik h VS x
dipasang  saluran  keluaran  helik  dan  lima  belas termokopel  berikutnya  dipasang  pada  lima  titik pengujian A,B,C,D dan E pada alat yang di uji. Semua  instrumen  (termokopel)  terhubung  ke Portabel  data  logger  Zr-rx20  mempunyai  10 port, dimana semua hubungan terbaca pada data logger  tersebut.  Pembacaan  dan  pengambilan data dilakukan setelah mencapai kondisi stabil.

## 2. Methodologi

## 2.1 Bahan dan Metode
Gambar 2 kumparan heliks  lurus digunakan untuk  pengujian  terbuat  dari  70%  Cu  dan  30% Zn  dengan konduktivitas  termal sebesar 111W/m o C.  Diameter  pipa  heliks  =  0.00635  m, panjang  coil  0.8  m,  diameter  kumparan  0.08  m dengan  2,5  lingkaran  kumparan  Ketebalan tabung semua kumparan heliks 0,25 mm.
Gambar 1. Skema Sistem Instalasi Pengujian dan detail pengujian
Komponen tersebut adalah sebagai berikut:
1. Tangki / Wadah
2. Pemanas Listrik
3. Katub
4. Pompa
5. Gelas Ukur
6. Selang Keluaran
7. Koil Pengujian (Koil Heliks)
8. Dual Element Heating Tape
9. Isolasi Heater
Gambar 2. Coil Helik
2.2 Data Reduksi Bilangan Reynold (Re)
Bilangan  Reynold  untuk  kumparan  heliks dan tabung lurus dihitung dengan persamaan :
(1)
bilangan  Reynolds  dari  aliran  laminar  ke turbulen aliran dihitung dari
( ) Mengacu persamaan ito [16] (2)

## Bilangan Nusselt
Perbedaan  suhu  air  yang  diukur  untuk menghitung  perpindahan  panas  dari  coil  ke  air pada beban panas yang diberikan dan kemudian dibagi  dengan  luas  permukaan  kumparan  untuk menentukan fluks panas seperti yang ditunjukkan pada pada persamaan (3).
(3)
Kehilangan  panas  karena  konveksi  dan  radiasi di  atmosfer  dihitung  dengan  mengurangi  panas yang  disuplai  ke  kumparan  heliks  dan  panas yang  disuplai  air.  Dalam  semua  percobaan, kehilangan  panas  ke  atmosfer  ditemukan menjadi  kurang  dari  6%.[11].  Koefisien perpindahan  panas  lokal  dan  nomor  Nusselt lokal untuk permukaan dihitung dengan
(4)
Nilai kualitas fasa (x) didapatkan
(     ) (5)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 3. Grafik Koefisien Perpindahan Panas vs Kualitas Fasa (x) = 0.2
Gambar  3,  4,  5,  dan  6  pada  grafik  terlihat bahwa  nilai  koefisien  perpindahan  panas  fluida
1,06 1,08 1,1 1,12 1,14 1,16 Koef is ie n Perpin d ah an Pa n as (h ) Kualitas Fasa (x) Grafik h VS x 0 0,5 1 1,5 Koef is ie n Perpin d ah an
Pa n as (h ) Kualitas Fasa (x)

## Grafik h VS x
berwujud  dua  fasa  cenderung  berfluktuasi disekitar  nilai  rata-rata  dengan  variasi  nilai kualitas  uap.  Pada  penelitian  ini,  nilai  rata-rata tersebut sebesar 1,0846
2 . kW m C  . Gambar 4. Grafik Koefisien Perpindahan Panas vs Kualitas Fasa (x) = 0.4
Gambar 5. Grafik Koefisien Perpindahan Panas vs Kualitas Fasa (x) = 0.6
Gambar 7. Grafik Koefisien Perpindahan Panas vs Kualitas Fasa (x) = 0.8
Penelitian  ini  juga  membandingkan  dengan koefisien  perpindahan  panas  fluida  satu  fasa (berwujud  cair).  Hasil  perbandingan  yaitu  nilai koefisien  perpindahan  panas  fluida  berwujud
cair  lebih  tinggi  daripada  nilai  koefisien perpindahan  panas  fluida  berwujud  campuran
cair dan uap yaitu sebesar 1,178 2 . kW m C  .
Terlihat  pada  grafik,  7  koefisien  perpindahan panas  fluida  berwujud  campuran  cair  dan  uap mengalami penurunan sekitar 8% dari koefisien perpindahan panas fluida berwujud cair. Hal ini sesuai  dengan  teori  yaitu  perpindahan  panas yang  memiliki  massa  cair  lebih  banyak  akan lebih  tinggi  dikarenakan  perpindahan  panas terjadi  dengan  gesekan  antar  molekul  saat pergerakan molekul yang bersirkulasi. Kerapatan  molekul  juga  termasuk  salah  satu faktor  koefisien  perpindahan  panas.  Fluida  cair memiliki  kerapatan  molekul  yang  lebih  rapat dibandingkan  dengan  gas  sehingga  proses perpindahan  panas  akan  lebih  cepat  dan  lebih baik.

## 4. Simpulan
Telah  dilakukan  pengujian  yang  dilakukan untuk mengetahui bagaimana pengaruh koefisien  perpindahan  panas  terhadap  nilai kualitas  fasa  yang  berwujud  dua  fasa.  Dari pengukuran  ini  dapat  disimpulkan  sebagai berikut :
1. Koefisien  perpindahan  panas  terhadap variasi  x  berfluktuasi  di  sekitar  nilai  rata-
rata sebesar 1,0846
2 . kW m C 
2. Dari  data  disimpulkan  bahwa  koefisien perpindahan  panas  tidak  dipengaruhi secara  signifikan  oleh  nilai  kualitas  fasa.
Pada  Kualitas  fasa  gaya  pendorongnya perbedaan konsentrasi massanya, sedangkan  transfer  panas  pendorongnya perbedaan suhu.

## Daftar Notasi
Simbol  Deskripsi Satuan Cp specific heat at constant pressure    kJ/kg K d diameter pipa mm d/D curvature ratio D diameter of coil mm D/d coil rasio diameter coil fc friction factor coil fs Gaya gesek pada pipa h koefisien perpindahan panas W/m2 K k Konduktivitas termal W/m K
1 1,05 1,1 1,15 1,2 1 2 3 4 KO EF IS IE N P ER PI N DA
H A N PA N A S

## G R A F I K  H  V S   X
Aliran Satu Fasa [6]
Rata-rata Hasil Pengujian (Aliran Dua Fasa)

## ISSN: 2354-6751
L, Panjang mm m_ Massa Aliran kg/s l Viscositas dinamik Pa s p Tinggi coil mm Q Panas Masuk kW q00 Aliran Panas kW/m2 R, r radius mm q Densitas kg/m3 T temperature 0 C t Tinggi mm x, z Panjang Lokal mm

## Daftar Pustaka
[1]  K.  Hambraeus,  “Heat  Transfer  Coefficient ,  Two-Phase  Flow  Boiling  of  HFC134a,” 1990.
[2]  Mohamed El-Sayed Ali, “Natural
Convection  Heat  Transfer  from  Vertical
Helical  Coils  in  Oil,” ResearchGate ,  vol.
27, 2006.
[3]  D. Colorado-Garrido, “Numerical simulation for the heat transfer of a helical double-pipe  vertical  evaporator,” Proc. Eur.  Congr.  Chem.  Eng.  Copenhagen, no. September, pp. 16–20, 2007.
[4]  D.  Colorado-Garrido,  “Heat  transfer  using a correlation by neural network for natural convection  from vertical helical coil in oil and glycerol / water solution,” Energy , vol. 36, 2011.
[5]  H.  N.  Mohammed  and  A.  Lecturer, “Experimental  Study  of  Free  Convection in  Coiled  Tube  Heat  Exchanger  with Vertical  Orientation,” Tikrit  J.  Eng.  Sci. , vol. 18, no. 4, 2011.
[6]  M.A.  Khairul,  “International  Journal  of Heat  and  Mass  Transfer  Heat  transfer  and thermodynamic  analyses  of  a  helically coiled heat exchanger using different types of  nanofluids,” Int.  J.  Heat  Mass  Transf. , vol. 67, pp. 398–403, 2013.
[7]  X.  Fang,  “International  Journal  of  Heat and  Mass  Transfer  A  new  correlation  of flow  boiling  heat  transfer  coefficients based  on  R134a  data,” Int.  J.  Heat  Mass
Transf. , vol. 66, pp. 279–283, 2013.
[8]  N. Jamshidi, M. Farhadi, D. D. Ganji, and K. Sedighi, “Experimental analysis of heat transfer  enhancement  in  shell  and  helical tube heat exchangers,” Appl.  Therm. Eng. , vol. 51, no. 1–2, pp. 644–652, 2013.
[9]  S.  B,  “International  Journal  of  Heat  and Mass Transfer Analysis of fouling factor in district  heating  heat  exchangers  with parallel  helical  tube  coils,” Int.  J.  Heat
Mass Transf. , vol. 57, pp. 9–15, 2013.
[10]  J.  Fernández-seara,  C.  Piñeiro-pontevedra, and J. A. Dopazo, “On the performance of a  vertical  helical  coil  heat  exchanger  .
Numerical model and experimental validation,” Appl. Therm. Eng. , vol. 62, no.
2, pp. 680–689, 2014.
[11]  B.  K.  Hardik,  P.  K.  Baburajan,  and  S.  V Prabhu, “International Journal of Heat and Mass Transfer Local heat transfer coefficient  in  helical  coils  with  single phase flow,” Int. J. Heat Mass Transf. , vol.
89, pp. 522–538, 2015.
[12]  B. Bezyan, S. Porkhial, and A.  Aboui, “3-
D  simulation  of  heat  transfer  rate  in geothermal pile-foundation heat exchangers  with  spiral  pipe  con  fi guration,” Appl.  Therm.  Eng. ,  vol.  87,  pp.
655–668, 2015.
[13]  S.  Battu,  “A  Brief  Review  on  Forced Convection  Through  Helical  Coil  Heat Exchangers,” Int.  J.  Innov.  Res.  Sci. Technol. ,  vol.  2,  no.  12,  pp.  178–181,
2016.
[14]  X.  Niu,  S.  Luo,  L.  Fan,  and  L.  Zhao, “Numerical  simulation  on  the  flow  and heat transfer characteristics in the one-side heating  helically  coiled  tubes,” Appl.
Therm. Eng. , vol. 106, pp. 579–587, 2016.
[15]  F.  Bozzoli,  L.  Cattani,  and  S.  Rainieri, “International  Journal  of  Heat  and  Mass Transfer  Effect  of  wall  corrugation  on local  convective  heat  transfer  in  coiled tubes,” Int. J. Heat Mass Transf. , vol. 101, pp. 76–90, 2016.
[16] H. Ito, Friction factors for turbulent flow in curved pipes, Trans. Am. Soc. Mech. Eng. D81 (1959) 123–134
[17]  G.F.C.  Rogers,  Y.R.  Mayhew,  Heat transfer  and  pressure  loss  in  helically
coiled  tubes  with  turbulent  flow,  Int.  J. Heat  Mass  Transfer  7  (1964)  1207–1216 [18]    A.  Cioncolini,  L.  Santini,  An experimental  investigation  regarding  the laminar  to  turbulent  flow  transition  in helically  coiled  pipes,  Exp.  Thermal  Fluid Sci. 30 (2006) 367–380 [19]  R.  Gupta,  R.K.  Wanchoo,  T.R.M.J.  Ali,
Laminar flow in helical coils: a parametric study,  Ind.  Eng.  Chem.  Res.  50  (2011) 1150–1157 [20] Choi. Kwang, Taek. Jong. Two-Phase  Flow  Boiling  Heat  Transfer  of
R-410A  and  R-134A  in  Horizontal  Small Tubes. 2011 [21]  Ilham.  M.  Penentuan  Kombinasi  Diameter
Pipa, Diameter Koil Dan Laju Aliran Yang
Menghasilkan Koefisien Perpindahan
Panas  Tertinggi  Pada  Penukar  Panas  Jenis
Koil. 2016
[22]  Hulwani.  Zati.  D.  Efek  Perubahan  Bentuk Pipa  Dari  Pipa  Lurus  Menjadi  Pipa  Koil Terhadap  Koefisien  Perpindahan  Panas
Konveksi Dari Pipa Ke Lingkungan. 2016