BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang Heat exchanger (alat penukar kalor) adalah sebuah alat yang digunakan untuk memfasilitasi perpindahan kalor antara dua fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperatur (Cengel, 2003). Alat penukar kalor sangat berguna untuk mendinginkan atau memanaskan suatu sistem dan banyak digunakan di berbagai jenis industri seperti industri perminyakan, plant pembangkit listrik, otomotif, alat berat, industri petrokimia dan bahkan juga digunakan di berbagai keperluan rumah tangga seperti pemanas air untuk mandi, pendinginan atau pemanasan udara dalam ruangan, sistem refrigerasi, dan lain sebagainya. Seiring dengan perkembangan zaman, teknologi menjadi semakin maju dan mendorong manusia untuk dapat memodifikasi alat penukar kalor sehingga menghasilkan alat penukar kalor yang tidak hanya lebih ringkas dari segi bentuk geometri dan murah dari segi biaya perawatan namun juga mempunyai unjuk kerja yang lebih baik dan lebih efisien. Indikator efisiensi unjuk kerja alat penukar kalor dapat dilihat dari perbandingan rasio laju perpindahan kalor yang dihasilkannya dengan daya pemompaan yang dibutuhkan. Unjuk kerja sebuah alat penukar kalor dapat dilihat salah satunya pada nilai perpindahan kalor yang dihasilkannya. Nilai perpindahan kalor pada suatu alat penukar kalor dapat ditingkatkan dengan berbagai metode. Metode yang dapat dilakukan untuk meningkatkan nilai perpindahan kalor dapat dikelompokkan ke dalam tiga metode yaitu aktif, pasif, dan kombinasi. Metode aktif membutuhkan daya (power) dari luar seperti surface vibration atau fluid vibration untuk meningkatkan nilai perpindahan kalor, sedangkan metode pasif telah diidentifikasi oleh Bergles et al (1993) dalam 14 teknik, contohnya menggunakan modifikasi pada permukaan dan bentuk geometri dari alat penukar kalor atau menyisipkan swirl-flow devices seperti twisted tape insert ke dalam pipa alat penukar kalor. Metode pasif banyak digunakan untuk meningkatkan nilai perpindahan kalor karena lebih mudah dan lebih murah dalam hal pelaksanaannya. Salah satu metode 1

2 2 pasif yang banyak digunakan adalah penambahan sisipan terpilin atau twisted tape insert. Twisted tape insert yang disisipkan ke dalam pipa alat penukar kalor adalah salah satu metode pasif yang dapat digunakan untuk meningkatkan nilai perpindahan kalor dengan berfungsi menjadi swirl-flow generator pada aliran dalam pipa. Cara ini dapat menstimulasi aliran untuk membentuk swirl (pusaran) pada pipa yang menyebabkan terjadinya turbulensi aliran laminar dan memberikan efek pengadukan fluida yang dapat mengganggu dan mengurangi ketebalan lapis batas aliran (boundary layer) yang pada akhirnya akan meningkatkan nilai perpindahan kalor. Hal ini selaras dengan yang dijelaskan S. Eiamsa (2014) pada penelitiannya bahwa penambahan twisted tape insert pada alat penukar kalor menyebabkan peningkatan nilai perpindahan kalor yang tinggi, sebab dapat meningkatkan turbulensi aliran secara tangensial dan radial. Berbagai penelitian tentang pengaruh penambahan sisipan terpilin ke dalam pipa alat penukar kalor juga telah banyak dilakukan. Rasyid (2016), Usman (2011), Naphon (2006), Eiamsa dan Kiatkittipong (2014), dan peneliti-peneliti lainnya telah melakukan riset mengenai peningkatan nilai perpindahan kalor dari alat penukar kalor dengan menggunakan sisipan terpilin. Hasil dari penelitian-penelitian tersebut memperlihatkan bahwa penambahan sisipan terpilin pada pipa alat penukar kalor dapat meningkatkan nilai perpindahan kalor secara signifikan. Teknik ini memiliki beberapa keuntungan, yaitu harga manufaktur relatif lebih murah, proses manufaktur lebih mudah, serta perawatannya yang mudah. Peningkatan nilai perpindahan kalor dari alat penukar kalor juga dapat dilakukan dengan menggunakan fluida kerja yang memiliki konduktivitas thermal yang tinggi seperti fluida nano. Fluida nano adalah istilah yang dikemukakan oleh Choi (1995) untuk mendeskripsikan sebuah jenis fluida baru berbasis nanotechnology yang memiliki sifat termofisis yang superior dibandingkan dengan fluida dasarnya. Choi (1995) mengembangkan nanopartikel dan menemukan bahwa terjadi peningkatan konduktivitas termal fluida jika nanopartikel seperti TiO2 dilarutkan kedalam fluida dasar perpindahan kalor seperti air, oli mesin, dan Ethylene Glycol (EG). Penelitian yang dilakukan Sundar dan Sharma (2009), Wongcharee dan Smith (2011), Chandrasekar et al. (2011), Suresh et al. (2012),

3 3 Budi Kristiawan (2016), dan Bekti Suroso dkk (2016) menyelidiki secara eksperimental untuk mencari koefisien perpindahan kalor dalam pipa yang menggunakan fluida nano. Semua penelitian-penelitian tersebut menunjukkan bahwa koefisien perpindahan kalor meningkat ketika digunakan fluida nano sebagai fluida kerja dibandingkan dengan koefisien perpindahan kalor ketika menggunakan fluida dasar sebagai fluida kerja. Nilai perpindahan kalor juga makin meningkat seiring dengan meningkatnya fraksi volume fluida nano yang digunakan. Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan peneliti lainnya dapat diketahui bahwa metode penggunaan twisted tape insert dan fluida nano tersebut tidak lepas dari kekurangan. Penambahan twisted tape insert dalam pipa akan menambah pressure drop sehingga mempengaruhi daya pemompaan yang dibutuhkan. Semakin turbulen dan semakin tinggi debit aliran fluida dalam pipa penukar kalor, pressure drop yang terjadi akan semakin besar. Penggunaan fluida nano juga membuat kenaikan nilai pressure drop yang terjadi di dalam aliran pipa sehingga pompa membutuhkan daya pemompaan yang lebih tinggi untuk memompa fluida nano dibandingkan fluida dasarnya. Hal ini menyebabkan penurunan efisiensi unjuk kerja penukar kalor. Daya pemompaan adalah besar energi yang diberikan pompa pada fluida kerja agar dapat dialirkan melalui pipa-pipa penukar kalor. Penelitian melalui studi eksperimental ini perlu dilakukan untuk mendapat informasi mengenai pengaruh penggabungan penggunaan fluida nano dan sisipan terpilin terhadap nilai perpindahan kalor, pressure drop, faktor gesekan, dan daya pemompaan yang dihasilkan serta kondisi operasi paling efisiennya sehingga hasilnya dapat digunakan sebagai informasi dan database untuk penelitianpenelitian selanjutnya. Pada penelitian ini kondisi operasi yang paling efisien diindikasikan dengan kondisi operasi yang memiliki nilai perpindahan kalor tertinggi dengan daya pemompaan terendah Rumusan Masalah Penggunaan alat penukar kalor yang sangat luas dalam berbagai bidang menimbulkan dorongan untuk semakin meningkatkan unjuk kerja alat penukar kalor menjadi lebih efisien. Penelitian yang akan dilakukan saat ini adalah studi

4 4 eksperimental unjuk kerja alat penukar kalor yang ditinjau dari berbagai pengaruh aspek : bilangan Reynolds aliran fluida pada pipa dalam alat penukar kalor, sisipan twisted tape, variasi twist ratio dari twisted tape, serta penggunaan fluida nano sebagai fluida kerja pada alat penukar kalor dengan variasi fraksi volume yang digunakan Batasan Masalah Dalam penelitian yang dilaksanakan dengan eksperimen ini, penulis memberikan beberapa batasan masalah sebagai berikut : 1. Fouling factor diabaikan. 2. Perpindahan kalor antara seksi uji dengan lingkungan diabaikan. 3. Temperatur dinding luar pipa dalam dianggap konstan. 4. Nilai cos φ aliran listrik diasumsikan 1, cos φ = Aliran fluida nano di pipa dalam dianggap sudah terbentuk (fully developed). 1.4.Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui : 1. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja heat exchanger. 2. Pengaruh penggunaan twisted tape insert terhadap unjuk kerja heat exchanger. 3. Pengaruh twist ratio dari twisted tape insert terhadap unjuk kerja heat exchanger. 4. Pengaruh penggunaan fluida nano dengan variasi fraksi volume terhadap unjuk kerja heat exchanger. 5. Kondisi operasi heat exchanger paling efisien Manfaat Penelitian Penelitian eksperimental ini diharapkan dapat menghasilkan data yang berguna dan berkontribusi positif terhadap perkembangan teknologi alat penukar kalor untuk semakin melangkah mendekati alat penukar kalor dengan unjuk kerja yang lebih efisien. Selain itu, hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi referensi peneliti lain yang ingin mengembangkan alat penukar kalor dengan metode yang serupa.

5 Sistematika Penulisan Tahapan-tahapan penulisan yang dilakukan dibahas dalam beberapa bab penulisan sebagai berikut: BAB I Memuat tentang pendahuluan yang mencakup latar belakang, tujuan, manfaat, rumusan masalah, batasan masalah, dan sistematika penulisan. BAB II Memuat tinjauan pustaka berupa hasil penelitian terdahulu tentang penukar kalor dengan twisted tape insert dan fluida nano. BAB III Memuat teori-teori dasar tentang perpindahan kalor, penukar kalor dan persamaan-persamaan yang digunakan. BAB IV Membahas metodologi penelitian yang dilakukan. BAB V Membahas dan menganalisis hasil penelitian secara detil berdasarkan tujuan dan batasan masalah yang sudah ditetapkan. BAB VI Memuat penutup yang terdiri dari kesimpulan dan saran.