PENGARUH DIAMETER INNER-HELICAL FIN TERHADAP CHARACTERISTIC OF PERFORMANCE COUNTER FLOW HEAT EXCHANGER

Transkripsi

1 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : ISSN X PENGARUH DIAMETER INNER-HELICAL FIN TERHADAP CHARACTERISTIC OF PERFORMANCE COUNTER FLOW HEAT EXCHANGER 1) ) ) Muhamad Bula, Slamet Wahyudi, Nurkhlis Hamidi 1). Mahasiswa Prg. Magister Dktr JurusanTeknik Mesin Universitas Brawijaya ). Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya Jl. MT Haryn N.167 Malang ) Hp : ) bulamuhamad@yah.c.id Abstract The study f energy cnservatin using the head exchanger with different fin shapes have been carried ut, including research n the cunter flw exchanger using a helical spiralshaped fin is placed n the inner pipe. The prblem lies in the acquisitin f the influence f the diameter f the helical fin t the characteristic f perfrmance cunter flw exchanger. The diameter f the helical fin which the test is 8 mm, 1 mm and 16 mm. The bjective is achieved, the effect f the diameter f the helical fin characteristic f perfrmance cunter flw exchanger in the increase f ht water discharge 400 liters / hur, 500 liters / hur, 600 liters / hur, 700 liters / hur, 800 liters / hr and 900 liters / hur. Methd f design f experiments with labratry-scale experiments using a set-up equipment duble tube exchanger is the methd used. The results btained, the highest effectiveness fr all types f helical fins fund n discharge 400 liters / h with the rder frm highest t lwer the effectiveness f internal diameter f 1 mm reached 17.66%, diameter f 8 mm effectiveness reaches 15:56% and the internal diameter f 16 mm effectiveness f achieving 14.9%. Fr the plain tube efektiftas btained 11:48%. Keywrds : exchanger, the diameter f the helical fin, ht water discharge, effectiveness PENDAHULUAN Penelitian tentang pemenuhan energi dunia seg diarahkan pada temuan energi alternatif diantaranya penelitian knservasi energi. Berbagai penelitian knservasi energi yang dilakukan saat ini adalah dengan meningkatkan laju perpindahan kalr menggunakan exchanger. Heat exchanger merupakan alat penukar kalr yang tujuan utamanya mentransferkan kalr dari satu fluida ke fluida lain. Fluida yang biasa digunakan adalah air atau gas. Energi yang dibawah leh air atau gas ditransferkan melewati dinding pelat atau pipa untuk mendapatkan laju perpindahan kalr efektifitas exchanger sesuai yang diinginkan. Untuk mendapatkan kinerja exchanger yang lebih efektif, maka perlu dilakukan pengujian terhadap parameterparameter pendukung seperti fin. Fin adalah 100 alat yang ditempatkan pada bagian pipa dalam exchanger yang berfungsi untuk mendefrmasi aliran memperluas daerah perpindahan kalr. Salah satu jenis fin yang biasa digunakan adalah helical fin yang berbentuk spiral. Parameter-parameter yang mendukung kinerja helical fin yaitu jarak pitch, jenis material, sudut kemiringan, diameter dalam helical fin. Eksperimen terhadap pengaruh pemasangan helical screw tipe 17 mm dengan diameter inti 5 mm dengan jarak helical screw dengan diameter inti 4 mm dilakukan leh Eiamsa-ard & Prmvnge [1]. Hasil yang diperleh, terjadi peningkatan angka Nusselt rata-rata sebesar 30 % sampai dengan 340 % dari duble plain tube tanpa turbulatr, peningkatan efisiensi exchanger mencapai 1.00 sampai dengan Nuntapahn & Kiatsirirat [] melakukan eksperimen terhadap pengaruh pemasangan helical fin terhadap kefisien

2 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : perpindahan kalr (h) laju perpindahan kalr (Q). Aliran fluida pada exchanger berbentuk crssflw dengan hasil yang diperleh berupa peningkatan nilai laju perpindahan kalr sangat tergantung pada ketinggian helical fin. Murugesan at al [3], melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan kalr pengaruh pressure drp dari aliran turbulen dalam tabung. Plat berpilin berbentuk trapesium, berfungsi sebagai turbulatr ditempatkan pada bagian dalam tabung. Data exchanger tanpa plat berpilin sebagai pembanding. Hasil yang diperleh, laju perpindahan kalr meningkat sangat signifikan seiring dengan meningkatnya angka Nusselt sebesar 1.37 kali untuk pilinan 6.0. Angka Nusselt yang diperleh lebih besar dari pada jenis exchanger tanpa turbulatr yang hanya mencapai 1.7 kali untuk pilinan 4.4. Kenaikan laju perpindahan kalr mencapai 7 % hingga 41.8 % untuk pilinan Faktr gesekan yang diperleh lebih besar daripada exchanger tanpa turbulatr dengan rasi pilinan 4.4 adalah.85 kali, segkan 6.0 mencapai 1.97 kali. Berbagai macam penelitian yang telah dikemukakan menunjukan aya peningkatan kinerja exchanger, walaupun terjadi peningkatan pada nilai pressure drp. Penelitian ini dilakukan dengan alasan agar uap yang terbuang leh air panas pada pipa dalam exchanger dapat dimanfaatkan kembali untuk meningkatkan temperatur air dingin yang mengalir malalui pipa luar exchanger. Penelitian ini bertujuan mengetahui besar pengaruh diameter dalam helical fin terhadap characteristic f perfrmance cunter flw exchanger. Helical fin ditempatkan pada pipa bagian dalam exchanger yang dapat mendrng terjadinya turbulensi hingga mempengaruhi naiknya angka Reynlds seiring dengan naiknya angka Nusselt, laju perpindahan kalr aktual, pressure drp, faktr gesekan, efektifitas exchanger. DASAR TEORI Ketidakhrizntalan aliran merupakan efek yang ditimbulkan dari penempatan helical fin pada pipa dalam exchanger. 101 ISSN X Aliran yang masuk kedalam pipa dalam menjadi turbulen hingga menyebabkan naiknya angka Reynlds seiring dengan naiknya angka Nusselt. Untuk menentukan knstanta angka Nusselt dengan prfil aliran yang telah terbentuk pada pipa dalam digunakan persamaan Ditus Belter [4] yaitu :.....(1) Dengan Pr adalah angka Prandatl antara 0.7 sampai dengan 160 untuk angka Renlds lebih dari Nilai ekspnen n untuk aliran panas 0.40, untuk aliran dingin Angka Reynlds sebagai perbandingan gaya inersia/kinetik dengan gaya visks dalam aliran ditentukan dengan:......() dengan : Dh adalah diameter hidraulik pipa (m), v kecepatan aliran (m/s), densitas fluida 3 (kg/m ), visksitas dinamik aliran (kg/m.s), Ac luas penampang aliran (m ) P perimeter basah (m),. Perpindahan kalr pada exchanger terjadi dari fluida air panas ke fluida air dingin yang dibatasi leh dinding pipa bagian dalam yang masing-masing fluida dinyatakan dengan [4] : 1. Untuk fluida air dingin...(3). Untuk fluida air panas. (4) Dengan sebagai laju aliran massa fluida panas dingin (kg/s), panas spesifik fluida panas pada tekanan knstan, adalah temperatur keluar masuk fluida dingin ( C), merupakan temperatur keluar masuk fluida panas ( C). Perpindahan kalr air dingin ( ) Perpindahan kalr air panas memiliki satuan J/s atau Watt. Bentuk persamaan kalr menyeluruh dinyatakan dengan [4] :....(5)

3 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : Dengan U sebagai kefisien perpindahan kalr menyeluruh (W/m. C), adalah luas penampang luar pipa bagian dalam (m ) Tlm merupakan perbedaan temperatur rata rata lgaritmik ( C) yang masing-masing ditentukan dengan [4] :......(6) (7)... (8) dengan : D merupakan diameter luar pipa dalam (m), Li adalah panjang pipa dalam (m). Faktr gesekan pada pipa dalam dipengaruhi leh besarnya pressuer drp gesekan antara fluida dengan dinding pipa helical fin hingga mempengaruhi kinerja pmpa. Untuk menentukan besarnya nilai faktr gesekan digunakan persamaan [5] : (9) Welty at al. [6], metde analisis efektifitas panas yang memiliki hubungan dengan Number f Transfer Units (NTU) merupakan metde rasi transfer panas sesungguhnya dalam exchanger terhadap transfer panas maksimum yang mungkin akan terjadi jika luas permukaan infinit tersedia dengan kapasitas rasi rata-rata ditentukan dnegan persamaan [7] :....(11) NTU merupakan angka tak berdimensi ditentukan dengan persamaan [7] : (1) dengan : merupakan luas area perpindahan kalr menyeluruh (m ), adalah diameter dalam pipa bagian dalam (m). Efektiftas pada Heat Exchanger diperleh dengan [7] : (13) 10 ISSN X METODE PENELITIAN Penelitian yang dilakukan menggunakan metde eksperimental dengan rancangan percbaan berskala labratrium menggunakan duble tube exchanger bertempat di Labratrium Mesin Fluida Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang. Peralatan penelitian digambarkan pada gambar 1 dengan bentuk helical fin dengan psisi terletak pada pipa bagian dalam exchanger digambarkan pada gambar. Bentuk aliran yang mengalir pada sistem duble tube exchanger adalah cunter flw. Air panas dingin dipmpakan dari reservirnya melewati debit meter. Debit meter berfungsi untuk mengukur jumlah debit air yang masuk ke dalam duble tube exchanger. Pada sisi masuk keluar air panas dingin terdapat thermchuple LM35 yang berfungsi untuk mengukur temperatur air dingin panas yang dapat dilihat pada indikatr display digital. Pada pipa bagian dalam exchanger terdapat helical fin. Air panas akan keluar melalui sisi keluar pipa bagian dalam masuk kembali ke dalam reservirnya. Di dalam reservir air panas terdapat er, berfungsi untuk mengknversikan energi listrik menjadi energi panas. Air dingin dipmpakan menuju pipa bagian luar exchanger, di pipa tersebut air dingin akan menerima panas yang ditransferkan leh air panas melalui dinding pipa bagian dalam. Air dingin akan keluar kembali menuju reservirnya. Helical fin merupakan spesimen uji dengan diameter dalam dijadikan sebagai variabel utama penelitian. Helical fin ada tiga jenis dengan diameter dalam helical fin (di) divariasikan yaitu 8 mm, 1 mm 16 mm. Diameter luar helical fin (d) knstan, menempel pada dinding pipa bagian dalam. Ukuran diameter luar helical fin (d) dengan diameter dalam pipa bagian dalam (Di) sama yaitu 3. mm dengan panjang pipa bagian dalam (Li) yaitu 1100 mm panjang pipa bagian luar (L) adalah 1000 mm. Tebal helical fin (t) mm dengan jarak pitch (P) 5 mm.

4 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : ISSN X Gambar 1 - Skema Instalasi Peralatan Penelitian Gambar - Bentuk Helical Fin pada Pipa Bagian dalam Heat Exchanger Variabel terkntrl adalah variabel yang nilainya ditentukan knstan atau tidak berubah. Variabel ini terdiri dari : 1. Debit fluida air dingin knstan sebesar 900 liter/jam debit air panas divariasikan dari 400 liter/jam sampai dengan 900 liter/jam dengan kenaikan rata-rata sebesar 100 liter/jam Temperatur reservir panas pengujian dikndisikan knstan pada 50 C dengan tleransi ± 1 C. 3. Temperatur reservir air dingin dikndisikan knstan pada 7 C dengan tleransi ± 1 C. Prses pengambilan data dilakukan sebanyak tiga kali pengulangan untuk tiap

5 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : data pada saat temperatur air panas yang ditunjukkan leh display digital benar-benar steady. Data hasil pengujian disajikan dalam bentuk tabel grafik. HASIL DAN PEMBAHASAN Data yang dihasilkan dari pengujian terdiri dari data plain tube, yaitu data tanpa helical fin data yang menggunakan helical fin dengan diameter dalam helical fin (di) 8 mm, 1 mm 16 mm. Dari data yang diperleh selanjutnya dibuat grafik hubungan antara kenaikan debit air panas dengan nilai pressure drp, kenaikan air panas dengan daya pmpa, kenaikan debit air panas dengan laju perpindahan kalr aktual, kenaikan debit air panas dengan angka Reynlds, angka Reynlds dengan angka Nusselt, angka Reynlds dengan faktr gesekan kenaikan debit air panas dengan efektifitas. Gambar 3 menunjukkan bahwa pressure drp mengalami peningkatan paling tinggi diperleh pada helical fin diameter dalam 8 mm. Helical fin diameter dalam 8 mm pada debit 900 liter/jam mencapai N/m terendah pada diameter dalam 16 mm pada debit 400 liter/jam sebesar N/m. Helical fin diameter dalam 1 mm, perlehan nilai pressure drp terendah N/m pada debit 400 liter/jam tertinggi N/m pada debit 900 liter/jam. Untuk plain tube, nilai pressure drp lebih kecil dari yang menggunakan helical fin. Terbesar pada debit 900 liter/jam terkecil pada debit 400 liter/jam dengan masing masing sebesar N/m N/m. Gambar 3 Grafik Pengaruh Diameter InnerHelical Fin Plain Tube terhadap Perlehan Nilai Pressure Drp(N/m )di tiap Debit Air Panas 104 ISSN X Gambar 4 merupakan pengaruh penggunaan helical fin plain tube terhadap daya pmpa yang dibutuhkan untuk mengatasi pressure drp yang terjadi di tiap debit air panas. Daya pmpa cenderung meningkat paling besar terdapat pada helical fin diameter dalam 8 mm. Gambar 4 Grafik Pengaruh Diameter InnerHelical Fin Plain Tube terhadap Daya Pmpa (watt) di Tiap Debit Air Panas Untuk helical fin diameter dalam 8 mm merupakan spesimen dengan kebutuhan daya pmpa paling tinggi mencapai Watt dengan nilai pressure drp paling besar diantara yang lainnya yaitu N/m. Diameter dalam 1 mm mencapai Watt, diameter dalam 8 mm mencapai Watt, plain tube sebesar Watt dengan nilai pressure drp masing-masing mencapai N/m, N/m N/m. Akibat dari aya helical fin pada pipa dalam exchanger, maka akan mempengaruhi nilai laju perpindahan kalr aktual efektifitas yang digambarkan pada gambar 5. Gambar 5 Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin Plain Tube terhadap Perlehan Laju Perpindahan Kalr Aktual (j/s) di tiap Debit Air panas

6 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : Laju perpindahan kalr aktual paling besar terdapat pada helical fin diameter dalam 1 mm mencapai J/s pada debit 900 liter/jam. Dengan debit yang sama, helical fin diameter dalam 8 mm, 16 mm, plain tube masing-masing hanya mencapai J/s, J/s J/s. ISSN X dalam 8 mm bila dibandingkan dengan helical fin diameter dalam 1 mm 16 mm. Pada plain tube perlehan nilai faktr gesekan paling tinggi bila dibandingkan dengan seluruh helical fin. Tertinggi mencapai dengan angka Reynlds mencapai seperti terdapat pada tabel 6. Untuk semua helical fin, faktr gesekan paling tinggi pada diameter dalam 16 mm yaitu dengan angka Reynlds mencapai , kemudian diameter dalam 1 mm yaitu dengan angka Reynlds terendah pada diameter dalam 8 mm yaitu dengan angka Reynlds mencapai Gambar 6 Grafik Pengaruh Diameter InnerHelical Fin Plain Tube terhadap Perlehan Angka Reynlds dengan Peningkatan Angka Nusselt Gambar 6 menunjukkan perlehan angka Reynlds tertinggi terdapat pada seluruh helical fin bila dibandingkan dengan plain tube. Ini dikarenakan aliran fluida air panas pada pipa dalam bertubrukan dengan helical fin membentuk lakan-lakan turbulensi hingga meningkatkan angka Reynlds. Pada plain tube, walaupun terjadi turbulensi tetapi sangat kecil, karena tidak ada penghalang yang menghalangi pergerakan air panas. Aliran bersifat aksial mengikuti bentuk pipa. Angka Nusselt tertinggi untuk semua jenis helical fin terdapat pada helical fin diameter dalam 8 mm mencapai dengan perlehan angka Reynlds , diameter dalam 1 mm mencapai dengan perlehan angka Reynlds untuk diameter dalam 16 mm diperleh dengan angka Reynlds mencapai Pada debit yang sama untuk plain tube angka Nusselt mencapai 14.5 dengan perlehan angka Reynlds sebsar Faktr gesekan pada gambar 7 mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya angka Reynlds paling rendah terdapat pada helical fin diameter 105 Gambar 7 Grafik Pengaruh Diameter InnerHelical Fin Plain Tube Terhadap Perlehan Angka Reynlds dengan Penurunan Nilai Faktr Gesekan Nilai efektifitas pada gambar 8 menunjukkan terjadi penurunan seiring dengan meningkatnya angka Reynlds. Efektiftas tertinggi terdapat pada debit 400 liter/jam dengan perlehan efektifitas dari yang tertinggi ke yang rendah yaitu diameter dalam 1 mm sebesar % dengan perlehan angka Reynlds mencapai , untuk diameter dalam 8 mm mencapai % dengan perlehan angka Reynlds sebesar untuk diameter dalam 16 mm efektifitas mencapai 14.9 % dengan angka Reynlds sebesar Untuk plain tube, efektifitas yang diperleh % dengan angka Reynlds mencapai

7 Jurnal Rekayasa Mesin Vl.1, N. 3 Tahun 010 : ISSN X 4. Plain tube : efektifitas mencapai %, laju perpindahan kalr aktual sebesar N/m dengan perlehan angka Reynlds , angka Nusselt 64.9, pressure drp N/m, daya pmpa 0.01 Watt faktr gesekan DAFTAR PUSTAKA Gambar 8 Grafik Pengaruh Diameter InnerHelical Fin Plain Tube terhadap Perlehan Angka Reynlds dengan Nilai Efektifitas (%) KESIMPULAN Kesimpulan yang diperleh setelah dilakukan pembahasan adalah perlehan efektifitas tertinggi terdapat pada debit 400 liter/jam untuk semua jenis helical fin plain tube dengan urutan mulai dari spesimen yang memperleh efektifitas tertinggi sebagai berikut : 1. Helical fin 1 mm : efektifitas mencapai %, laju perpindahan kalr aktual sebesar N/m dengan perlehan angka Reynlds , angka Nusselt 73.99, pressure drp N/m, daya pmpa Watt faktr gesekan Helical fin 8 mm : efektifitas mencapai %, laju perpindahan kalr aktual sebesar N/m dengan perlehan angka Reynlds , angka Nusselt 78.3, pressure drp N/m, daya pmpa Watt faktr gesekan Helical fin 16 mm : efektifitas mencapai 14.9 %, laju perpindahan kalr aktual sebesar N/m dengan perlehan angka Reynlds , angka Nusselt 70.43, pressure drp N/m, daya pmpa Watt faktr gesekan [1] Eiamsa-ard, S. & Prmvnge, P. (006). Heat Transfer Characteristic in a Tube Fitted With Helical Screw-Tape With/Withut Cre-Rd Insert. ASEAN Jurnal n Science and Technlgy fr Develpment, Bangkk : Department f Mechanical [] Nuntaphan, A. & Kiatsirirat, T. (007). Air-Side Heat Transfer Cefficient f Thermsyphn Heat Pipe With Spiral Fin. ASEAN Jurnal n Science and Technlgy fr Develpment, Bangkk : Department f Mechanical Engineering. [3] Murugesan, P., Mayilsamy, K., Suresh, S. & Srinivasan, P. S. S. (009). Heat Transfer and Pressure Drp Characteristics f Turbulen Flw Ain a Tube Fitted With Trapezidal-Cut Twisted Tape Insert (Vl. 1). Internatinal Jurnal f Academic Research. (I) : 1. [4] Cengel, Y. A. (00). Heat Transfer a Partical Apprach with EES CD, New Yrk : McGraw-Hill Science Engineering.. [5] Kester, R. A. (00). Perpindahan Kalr, Jakarta : Penerbit Salemba Teknika. [6] Welty, J. R., Wicks C. E., Wilsn G. R. (004). Dasar-Dasar Fenmena Transprt, Jakarta : Penerbit Airlangga. [7] Incrpera, F. P. & DeWitt, D. P. (1996). Fundamentals f Heat and Mass Transfer, New Yrk, Chichester, Brisbane, Trnt, Singapre : Jhn Wiley & Sns.