PENGARUH KETEBALAN INNER-HELICAL FIN TERHADAP CHARACTERISTIC OF PERFORMANCE PADA HEAD EXCHANGER

Transkripsi

1 PENGARUH KETEBALAN INNER-HELICAL FIN TERHADAP CHARACTERISTIC OF PERFORMANCE PADA HEAD EXCHANGER Isak Usman 1), Slamet Wayudi 2), Bambang Dwi Argo 2) 1). Maasiswa Prog. Magister dan Doktor JurusanTeknik Mesin Universitas Brawijaya 2). Staf Pengajar Prog. Magister dan Doktor Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jl. MT Haryono No.167 Malang Hp : ) isak_usman1974@yaoo.o.id 1) Abstrat Effet of inner-elial fin on te rate of eat transfer and flow frition fator in a double pipe eat exanger (double tube eat exanger) to make a split and disrupt te flow pattern of a streamlined flow of te fluid flowing in te pipe setion in te (inner tube) tat ause turbulene (moleule-moleule level of randomness good fluid) tat an inrease te eat transfer ratein te te pipe. Inner-elial fin as a varied tikness of 1 mm, 22 mm and 3 mm are mounted on te pipe were te inside diameter of te inner-elial fin attaed to te wall in te inner pipe. Hot water disarge on te inner pipe ditelitil ranging from 400 to 900 liters / wit interval inrease in 100 liter / our and te volumetri flow rate of old water on te outer tube (outer tube) is kept onstant 900 liters / our. Te test results of ea inner-elial fin tikness ompared wit te test results witout te inner-elial fin (plain tube) and obtained te overall eat transfer rate as inreased 60 to 65% of te plain tube, eat exanger effetiveness of to 63, 64% and frition fator of to of te plain tube. Keywords : Inner-elial fin, Heat exanger, rate of eat transfer, frition fator PENDAHULUAN Penggunaan energi yang berlebian pada suatu peralatan dan sikap manusia yang kurang rama akan ketersedian sumber energi menuntut kepada kita untuk diari terobosan-terobosan baru sebagai pengganti sumber energi takterbarukan. Energi angin, energi air, energi gelombang air laut merupakan beberapa onto energi alternative yang diarapkan mampu mengurangi ketergantungan penduduk dunia teradap energi takterbarukan yang pada suatu saat akan abis. Sala satu ara untuk mengurangi ketergantungan ini, seperti dengan melakukan inovasi-inovasi baru dari peralatan penukar panas seingga diperole penukar panas yang mempunyai efektivitas yang tinggi. Besarnya laju perpindaan panas konveksi dipengarui ole besarnya keepatan aliran fluida. Semakin epat aliran fluida, maka bilangan Reynolds akan meningkat pula begitu juga bilangan Nusselt yang nilainya berbanding lurus dengan besarnya laju perpindaan panas konveksi [1,2,3,4]. Inovasi-inovasi yang dilakukan teradap perpindaan panas dari penukar panas bertujuan untuk mengatasi masala seperti laju perpindaan panas, faktor gesekan, pola aliran fluida, luas permukaan perpindaan panas, daya pompa, serta jenis material apa yang digunakan untuk memindakan panas pada penukar panas. Pengembangan penelitian tentang karakteristik perpindaan panas dalam pipa dengan pemasangan pengalang inti berulir (wit ore) maupun pengalang berulir (witout ore) ini tela dilakukan ole beberapa peneliti, di mana asil penelitian menunjukkan terjadi peningkatan efisiensi 1,00 sampai 1,17 dan Nusselt Number ratarata 2,3 sampai 3,4 dari double plain tube (tanpa turbulator) [5]. Penelitian tentang perpindaan panas dan karakteristik koefisien gesek di dalam double pipe eat exanger dengan pemasangan louvered strip ke dalam pipa bagian dalam Jika dibandingkan dengan plain tube, pemasangan louvered strip ke dalam pipa 108

2 bagian dalam penukar panas dapat meningkatkan bilangan Nusselt rata-rata dan kerugian gesek berturut-turut 2,63 dan 2,33 (pemasangan seara aliran fluida) serta 2,84 dan 4,13 (pemasangan berlawanan a ra aliran fluida) [6]. Dengan menambakan inner-elial fin pada alat penukar panas diarapkan dapat memperbesar luas permukaan perpindaan panas pada penukar panas, juga dapat mempengarui pola aliran fluida dan dapat membentuk pusaran (vortex). Keepatan akan mempengarui perampuran fluida yang menyebabkan aliran menjadi aak yang pada akirnya laju perpindaan panas pada penukar panas pun meningkat. Atas dasar inila, dipandang perlu untuk melakukan penelitian untuk mengetaui pengaru keepatan aliran fluida teradap arateristi of performane dari eat exanger dengan pemasangan inner-elial fin dan dengan tanpa inner-elial fin sebagai pembanding. Dalam penelitian ini tujuan yang ingin diapai adala untuk mengetaui bagaimana pengaru ketebalan inner-elial fin yang dipasang kedalam pipa dalam eat exanger teradap laju perpindaan panas, efektivitas penukar panas, dan faktor gesekan dengan tanpa pemasangan inner-elial fin (plain tube). DASAR TEORI Bilangan Nusselt rata-rata dan faktor gesekan didasarkan pada diameter dalam pipa uji. Besarnya panas yang diserap ole air dingin di anulus, Q dapat ditulis sebagai [2,7,8] Q dengan : m p, m T T... (1) p T,in & T, out,out,in = laju aliran massa air dingin(kg/s), = kalor spesifik air (J/kg. 0 C) = temperatur masuk dan keluar air dingin ( 0 C) Panas yang disuplai (dil epaskan) dari air panas, Q dapat diitung ole [2,7,8] Q p, m T T... (2),in,out di mana: m = laju aliran massa air panas (kg), = panas spesifik air panas(j/kg. 0 C) p T,in & T, out = temperatur masuk dan keluar air panas ( 0 C) Panas yang dilepaskan ole air panas melalui pipa bagian dalam (inner tube) arus lebi besar dari panas yang diserap ole air dingin. Dengan demikian untuk mengitung koefisien perpindaan panas keseluruan, U digunakan nilai rata-rata dari laju perpindaan panas yang disuplai air panas dan laju perpindaan panas yang diserap ole air dingin. Q ave Q Q 2 (3) Untuk fluida yang mengalir di dalam penukar panas pipa konsentik, koefisien perpindaan panas keseluruan dapat diitung dari [3,4] dengan Q Ave U A s T LMTD A s D L i..(4) Untuk tabung pipa yang berbentuk konsentik dan anulus Nusselt number (Nu) dapat diitung dari persamaan Dittus- Boelter [1,7,8] atau D Nu k 0,8 0,023Re k D Nu Pr n.(5) Untuk anulus, diameter idrolik, diperole dari: D D o D i D Konduktivitas termal lokal, k dari fluida dapat ditentukan dari sifat-sifat fluida berdasarkan temperatur bulb. Sedangkan untuk bilangan Reynolds ditentukan dari [1,7,8] 109

3 u D Re....(6) Dimana ρ dan µ masing-masing adala kerapatan dan viskositas dinamik fluida. Faktor gesekan, f dapat diitung dari [9,11] P f 2 L u D 2 METODE PENELITIAN Peralatan Penelitian Penelitian yang dilakukan ini menggunakan alat penukar panas pipa ganda (double tube eat exanger) seperti terliat pada Gambar 1, di mana pipa bagian luar (outer tube) terbuat dari baan stainless steel yang berdiameter dalam 72 mm dan pipa bagian dalam ( inner tube) yang panjangnya 1,1 m dari baan tembaga yang berdiameter dalam dan luar masing-masing 23,2 dan 25,4 mm. 3 Fluida yang digunakan pada pipa bagian luar maupun pada pipa bagian dalam penukar panas adala air, di mana air panas mengalir berlawanan ( ounter flow) ara dengan air dingin. Dalam penelitian ini kerugian panas akibat gesekan dan radiasi ke lingkungan diabaikan. Penurunan tekanan ( pressure drop) pada pipa bagian dalam diukur dengan menggunakan manometer pipa (U). Air dingin yang dialirkan kedalam pipa luar dengan debit yang konstan, yakni 900 l/jam yang temperaturnya dijaga konstan 24 0 C. Sedangkan untuk pipa dalam dialirkan air dengan laju volumetri bervariasi dari 400 l/jam sampai 900 l/jam dengan kenaikan interval 100 l/jam dan temperatur reservoirnya dijaga konstan 50 0 C. Spesimen uji inner-elial fin terbuat dari baan plat besi dengan variasi ketebalan 1 mm, 2 mm, dan 3 mm. Ukuran dan bentuk inner-elial fin seperti pada Gambar Gambar 2 - Inner-Helial Fin Gambar 1 - Skema Peralatan Penelitian, Ket. Gambar: 1 Inner-elial fin; 2 Double tube eat exanger; 3,4,5 & 6 LM35;7 Manometer; 8 Control panel; 9 Display digital; 10&11 Debit meter; 12&13 Ball valve; 14 Termoouple tipe K; 15 & 16 Reservoir air panas dan air dingin; 17 & 18 Pompa Prosedur Penelitian Dalam penelitian ini air dimasukkan ke dalam reservoir air panas dan air dingin. Selanjutnya dilakukan kalibrasi debit air panas l/jam dan air dingin 900 l/jam. Air pada reservoir air panas dipanaskan dengan eater ingga suunya menapai 50 0 C. Air yang ada di reservoir air panas selanjutnya dipompa untuk dialirkan ke pipa bagian dalam ( inner tube) sampai kondisi steady pada temperatur 50 0 C (T,in ). 110

4 Kemudian air pada reservoir air dingin pada suu 24 0 C ( T,in ) dialirkan ke dalam pipa luar (outer tube) melalui pompa air dingin. Dengan demikian akan terjadi perubaan temperatur air panas keluar ( T,out ) dan temperatur air dingin keluar ( T,out ). Perubaan temperatur T,in ; T,out ; T,in ; dan T,out akan terbaa pada display digital dan perbedaan ketinggian air pada pipa bagian dalam akan terukur di manometer. Selanjutnya dilakukan penatatan dan pengambilan data sebanyak 5 kali dengan pengulangan 3 kali dari temperatur T,in ; T,out ; T,in ; dan T,out serta perbedaan ketinggian manometer ( z). Prosedur penelitian ini dilakukan pada plain tube dan penukar panas dengan pemasangan inner-elial fin untuk setiap debit air 400, 500, 600, 700, 800, dan 900 l/jam. Gambar 3 - Variasi Dibit Air Panas teradap Laju Perpindaan Panas HASIL DAN PEMBAHASAN Dari asil penelitian pemasangan innerelial fin dengan variasi ketebalan ke dalam pipa bagian dalam penukar panas pipa ganda, Gambar 3 menunjukan bawa terjadi peningkatan laju perpindaan panas rata-rata (Q eat exanger ) seiring dengan naiknya variasi debit air panas yakni sebesar 60% untuk ketebalan inner-elial fin 1 mm, 62% untuk inner-elial fin 2 mm, dan 65% untuk innerelial fin 3 mm dibanding laju perpindaan panas rata-rata tanpa pemasangan innerelial fin (plain tube). Terjadinya kenaikan laju perpindaan panas ini diakibatkan ole akumulasi dari kenaikan koefisien perpindaan panas keseluruan ( U) yang ditunjukan pada Gambar 4, pengaru perubaan temperatur akibat penampuran fluida yang dapat mempengarui properties fluida tersebut ( T LMTD ) serta pengaru penambaan luas permukaan perpindaan panas (A s ). Kenaikan laju perpindaan panas ini juga disebakan ole gerakan menampurnya fluida akibat dari terjadinya peningkatan debit air panas dan adanya ambatan ( inner-elial fin) yang dilalui ole aliran fluida (air panas) yang menyebabkan turbulensi dapat terjadi pada bilangan Reynolds yang lebi renda. Gambar 4 - Variasi Dibit Air Panas teradap Koefisien Perpindaan Panas Keseluruan Pemasangan inner-elial fin pada pipa dalam (inner tube) pada penukar panas pipa ganda akan memperkeil luas bebas aliran yang dilalui fluida dan berdasarkan ukum kontinuitas maka keepatan aliran akan bertamba pada area yang mengeil. Keepatan fluida yang meningkat ini akan menyebabkan lapisan batas termal menipis seingga akan mengganggu ketaanan fluida teradap meningkatnya gaya geser yang diberikan. Keepatan aliran fluida yang meningkat juga dapat menimbulkan gerak fluida semakin aak dan saling berinteraksi antara fluida dan dinding pipa yang mengakibatkan menurunnya viskositas fluida. Keepatan aliran fluida ini akan meningkatkan kontak termal antara dinding pipa dan inner-elial fin dengan fluida yang mengalir yang menimbulkan tekanan lokal yang berbeda-beda seingga mengakibatkan aliran fluida berpusar sepanjang elial fin. Gerakan fluida yang berpusar ini akan memperbesar bilangan Nusselt (Gambar 5) dan seara langsung dapat memperbesar koefisien perpindaan 111

5 panas konveksi (Gambar 6) serta gr adien temperatur (ada pelepasan kalor yang besar ke sekitarnya) akibat dari pergerakan fluida yang memindakan energinya keluar. Gambar 5 - Variasi Dibit Air Panas teradap Bilangan Nusselt Gambar 5 menunjukan perbandingan bilangan Nusselt yang diasilkan ole penukar panas pipa ganda dengan pemasangan inner-elial fin teradap plain tube pada laju volumetrik aliran yang sama. Nampak bawa bilangan Nusselt dengan pemasangan inner-elial fin mengalami kenaikan dari plain tube di mana bilangan Nusselt elial fin dengan ketebalan 3 mm nilainya lebi besar dari elial fin ketebalan 2 mm dan 1 mm (Nu t=1mm = 148,023%; Nu t=2mm = 152,164%; dan Nu t=3mm = 156,759% dari Nu plain tube). ketebalan 1 mm, 71,833% untuk elial fin ketebalan 2 mm, dan 86,493% untuk elial fin ketebalan 3 mm. Peningkatan nilai NTU ini dipengarui ole peningkatan koefisien perpindaan panas keseluruan (U) dan bertambanya luas permukaan perpindaan panas ( A s ). Efektivitas penukar panas juga mengalami peningkatan dengan adanya pemasangan inner-elial fin pada pipa dalam penukar panas jika dibandingkan dengan plain tube seperti terliat pada Gambar 8. Besarnya peningkatan efektivitas rata-rata penukar panas dengan pemasangan elial fin ketebalan t = 1 mm, t = 2 mm, dan t = 3 mm berturut-turut adala 41,290%, 62,998%, serta 75,042% dari efektivitas rata-rata tanpa pemasangan elial fin (plain tube). Gambar 7 - Variasi Dibit Air Panas teradap NTU Gambar 6 - Variasi Dibit Air Panas teradap Koefisien Perpindaan Panas Konveksi Gambar 7 menggambarkan ubungan antara debit air panas teradap number of transfer unit (NTU) di mana NTU untuk penukar panas yang dipasangi inner-elial fin seara keseluruan mengalami peningkatan dibandingkan dengan plain tube yang besarnya 46,246% untuk elial fin Gambar 8 - Variasi Dibit Air Panas teradap Efektivitas Pengaru variasi ketebalan inner-elial fin teradap faktor gesekan pada debit air panas yang sama dapat ditunjukkan pada Gambar 9, di mana faktor gesekan mengalami penurunan seiring dengan naiknya debit air panas. Sedangkan pengaru variasi ketebalan inner-elial fin 112

6 teradap penurunan tekanan ( P) pada debit air yang sama justeru sebaliknya mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan laju aliran volumetrik air panas seperti dapat diperliatkan pada Gambar 10. Gambar 9 - Variasi Dibit Air Panas teradap Efektivitas gesekan antar fluida dengan dinding pipa dan elial fin itu sendiri juga akan bertamba besar. Penurunan faktor gesekan dan naiknya penurunan tekanan pada variasi kenaikan debit air panas ini sesuai dengan pers. (7) di mana jika keepatan meningkat maka faktor gesekan akan menurun seara parabolik begitu juga penurunan tekanan akan meningkat juga seara parabolik karena penurunan tekanan merupakan fungsi dari keepatan dipangkatkan dua. Faktor gesekan mengalami peningkatan rata-rata 74,047% untuk inner-elial fin ketebalan t = 1 mm, 72,685% untuk ketebalan t = 2 mm, dan 71,205% untuk ketebalan t = 3 mm dari plain tube. Sedangkan besarnya peningkatan rata-rata penurunan tekanan untuk inner-elial fin ketebalan t = 1 mm adala 389,179%; ketebalan t = 2 mm adala 434,379%, dan ketebalan t = 3 mm adala 560,992% dari plain tube. KESIMPULAN Kesimpulan Gambar 10 - Variasi Dibit aar Panas teradap Penurunan Tekanan Bila dibandingkan, seara keseluruan faktor gesekan untuk penukar panas yang pipa bagian dalamnya dipasangi inner-elial fin adala lebi besar dari plain tube. Begitu pula penurunan tekanan, untuk pipa dalam (inner tube) dengan pemasangan inner-elial fin penurunan tekanan yang terjadi lebi besar dari tanpa pemasangan inner-elial fin. Terjadinya peningkatan faktor gesekan dan penurunan tekanan pada penukar panas dengan pemasangan inner-elial fin disebabkan karena dengan adanya innerelial fin yang ditempatkan di dalam inner tube akan mempersempit ruang aliran yang dilalui fluida dengan demikian keepatan aliran fluida akan meningkat serta ambatan aliran fluida di dalam saluran pipa pun akan semakin besar maka dengan sendirinya Dari penelitian variasi ketebalan innerelial fin (t =1 mm, t = 2 mm, dan t = 3 mm) teradap laju perpindaan panas dan faktor gesekan diperole: 1. Seara keseluruan laju perpindaan panas di semua variasi ketebalan innerelial fin mengalami peningkatan dibandingkan dengan plain tube. Untuk inner-elial fin dengan ketebalan t = 3 mm, laju perpindaan panas dan bilangan Nusselt rata-rata mengalami peningkatan berturut-turut sebesar 148,023%, 152,164 dan 156,759% dari plain tube pada laju aliran volumetrik air panas yang sama 900 l/jam. 2. Pada debit yang sama (900 l/jam) faktor gesekan juga mengalami peningkatan. Untuk inner-elial fin dengan ketebalan t = 3 mm faktor gesekan mengalami peningkatan rata-rata 63% dari plain tube tepatnya pada f = 0,093. Saran 1. Perlu dilakukan penelitian lebi lanjut untuk aliran air panas dan air dingin 113

7 dalam ara yang sama ( parallel flow) pada penukar panas pipa ganda. 2. Dapat dilakukan penelitian lebi lanjut dengan menggunakan fluida yang berbeda (selain air). DAFTAR PUSTAKA [1] Bejan, Adrian & Kraus, Allan D., 2003, Heat Transfer Handbook, Jon Wiley and Sons, In., New Jersey. [2] Cengel, Yunus A.,2002, Heat Transfer A Pratial Approa, 2 nd edition, MGraw- Hill Companies In, New York. [3] Eiamsa-ard, Smit. Tianpong, C. Promvonge, P.,2006, Experimental Investigation of Heat Transfer and Flow Frition in a Cirular Tube Fitted wit Regularly Spaed Twisted Tape Element, International Communiations in Heat and Mass Transfer 33: [4] Eiamsa-ard, Smit. & Promvonge, P.,2007, Heat Transfer Carateristi in a Tube Fitted wit Helial Srew-Tape wit/witout Core-Rod Inserts, International Communiations in Heat and Mass Transfer 34: [5] Eiamsa-ard, Smit. Petkool, Somsak. Tianpong, Cinaruk. & Promvonge, P.,2008, Turbulent Flow Heat Transfers and Pressure Loss in a Double Pipe Heat Exanger wit Louvered Strip Inserts, International Communiations in Heat and Mass Transfer 35: [6] Eiamsa-ard, Smit. Tianpong, C. Eiamsa-ard, P. Promvonge, P., 2010, Termal Carateristi in a Heat Exanger Tube Fitted wit Dual Twisted Tape Element in Tandem, International Communiations in Heat and Mass Transfer 37: [7] Holman, J.P., 1988, Perpindaan Kalor, Edisi keenam. Terjemaan Ir. E. Jasfi, M.S., Erlangga, Jakarta. [8] Kreit, F.,1997, Prinsip Prinsip Perpindaan Panas, Edisi ketiga. Terjemaan Arko Prijono, M.S., Erlangga, Jakarta. [9] Munson, Brue R. & Young Donald F Fundamental of Fluid Meanis, 4 nd edition. New York: Jon Wiley & Sons, In. [10] Murugesan, P, 2009, Heat Transfer and Pressure Drop Carateristi of Turbulent Flow in a Tube Fitted wit Trapezoidal-Cut Twisted Tape Insert, International Journal of Aademi Resear. 1 (1): [11] Olson, R. M. & Wrigt, S. J.,1993, Dasar Dasar Mekanika Fluida Teknik, Edisi kelima. Terjemaan Alex Tri Kantjono Widodo, Gramedia Pustaka Utama.,Jakarta. [12] Reynolds, William C. & Perkins Henry C., 1991, Termodinakima Teknik, Edisi kedua. Terjemaan Filino Haraap, Erlangga Jakarta. 114