INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA DESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) Mirza Quanta Ahady Husainiy 2408100023 Dosen Pembimbing Dr. Gunawan Nugroho, ST. MT.
Latar Belakang Shell and Tube Heat Exchanger Baffle Baffle Helix Investigasi Karakteristik Aliran Dan Perpindahan Panas
Permasalahan Bagaimana menginvestigasi hasil komparasi Helical Baffle dan segmental Baffle pada desain Heat Exchanger tipe Shell dan Tube menggunakan CFD?
Tujuan Tujuan dari dilakukannya penelitian ini adalah untuk melakukan investigasi hasil komparasi antara Helical Baffle dan segmental Baffle pada desain Heat Exchanger tipe Shell dan Tube dengan metode Komputasi Dinamika Fluida (CFD).
Dimensi Objek Penelitian Spesifikasi Diameter tube luar Diameter tube dalam Dimensi / Ukuran 0.019 m 0.015 m Jumlah tube 208 Jumlah laluan tube Diameter shell Panjang shell Jarak inlet outlet Tebal baffle one pass tube 0.5 m 6 m 5.2 m 0.03 m Diameter inlet outlet 0.16 Shell type Tube type Susunan tube Jenis layout Tube pitch one pass shell floating tube tubesheet type staggered triangular pitch 0.025 m Fluida Spesifikasi Laju alir massa Temperatur inlet Temperature outlet Tekanan inlet Massa jenis Viskositas Viskositas wall Panas spesifik Konduktivitas fluida Dimensi / Ukuran Air 96.72736 kg/s 300 K 312 K 2.94 bar.g 994.91 kg/m3 7.76e -4 N.s/m2 5.47e -4 N.s/m2 4178 J/kg.K 0.615 W/m.k Prandtl number 5.27 Material Steel Spesifikasi Dimensi / Ukuran Fluida sisi shell Air Solid shell Steel Laju alir massa shell 96.50958 kg/s Temperature inlet 313 K Tekanan inlet 7.84 bar.g Massa jenis 992.67 kg/m3 Viskositas 6.95 x 10^-4 N.s/m2 Konduktivitas 0.628 W/m.k Prandtl Number 4.62 Konduktivitas material 27.7 W/m.k
Perhitungan parameter Objek Penelitian Kecepatan Fluida Variasi Baffle Debit aliran (m 3 /h) u s (m/s) Segmental Baffle 50 0.35629 80 0.570064 100 0.71258 120 0.855096 150 1.068869 Helical Baffle 7 0 50 0.711511 80 1.138417 100 1.423022 120 1.707626 150 2.134533 Helical Baffle 13 0 50 0.410543 80 0.6568689 100 0.8210861 120 0.9853033 150 1.2316291 INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS Presented PADA ByDESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Model Geometri - GAMBIT
Meshing Geometri Variasi Baffle Jumlah elemen Worst element Single Segmental 175.984 0.853825 Helical 7 0 162.192 0.967187 Helical 13 0 155.278 0.969693 Pemodelan INVESTIGASI Respon Getaran KARAKTERISTIK Torsional dan Lateral PERPINDAHAN Pada Sistem PANAS Propulsi PADA Kapal DESAIN Jenis Propulsors HELICAL Fixed BAFFLE Pitch PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS Propeller (CFD)
Boundary Condition Inlet Inlet Shell Tube Baffle Outlet Spesifikasi Batas Velocity inlet Wall Adiabatik Wall heat fluks Wall Adiabatik Outflow Outlet
Solving Viscous Model Energy Equation K-epsilon standart Model Geometri Steady 3 dimensi, Segreaged Material Property Keadaan Fluid: Water Liquid (Air) Solid :Steel Steady Batas Iterasi Maksimum 1000 Velocity Magnitude 1.068 m/s Turbulence Kriteria Konvergensi Iterasi Specification Method: Intensity and Length scale Turbulent intensity : 2,73% Turbulent length scale: 0,56 Continuity 1e-06 x-velocity 1e-05 y-velocity 1e-05 z-velocity 1e-05 energy 10-6 Discretization pressure: second order momentum: second order upwind T. kinetic energy: second order T. Dissipation Rate: second order Energy: second order upwind
Verifikasi dengan Hasil Eksperimen Perbandingan Pressure Drop Simulasi vs Eksperimen Zhang 2011
KONTUR TEMPERATUR Segmental Baffle Helical Baffle 13 o Helical Baffle 7 o Tshell in Tshell out : 313 K : 306 K Tshell in Tshell out : 313 K : 306 K Tshell in Tshell out : 313 K : 303 K
Analisis Perhitungan Data Hasil Simulasi Tshell out Variasi Baffle u s (m/s) T out (K) Segmental Baffle 0.35629 306.4218 0.570064 306.4463 0.71258 306.673 0.855096 306.8653 1.068869 306.9608 Helical Baffle 7 0 0.711511 302.5327 1.138417 302.9088 1.423022 303.1447 1.707626 303.1762 2.134533 303.6014 Helical Baffle 13 0 0.410543 306.5606 Heat Transfer Rate (Q) 0.6568689 306.795 0.8210861 306.6159 0.9853033 306.5125 1.2316291 306.9581
Variasi Baffle Debit aliran (m 3 /h) Segmental Baffle 50 2.915404211 80 2.922614678 100 2.988817499 120 3.04455719 150 3.072116861 Helical Baffle 7 0 50 1.649312139 80 1.787714518 100 1.871908126 120 1.883041749 150 2.030239032 Helical Baffle 13 0 50 2.956049946 80 3.024246618 100 2.972211606 120 2.942014766 150 3.071325036
Variasi Baffle u s (m/s) Q (W) Segmental Baffle 0.35629 535076.21 0.570064 854989.7 0.71258 1055681.5 0.855096 1253526.2 1.068869 1558651 Helical Baffle 7 0 0.711511 647087 1.138417 1018004 1.423022 1258921 1.707626 1508524 2.134533 1848919 Helical Baffle 13 0 0.410543 531078.6 0.6568689 838920 0.8210861 1058967 0.9853033 1277907 1.2316291 1558889
Display Kontur dengan Distance (L) T Segmental (K) T Helical 7 0 (K) T Helical 13 0 (K) L 1 (0.3) 310.83 309.97 310.70 L 2 (0.6) 309.14 307.54 309.93 L 3 (0.9) 308.57 305.11 308.40 L 4 (1.2) 307.44 303.89 307.63 L 5 (1.4) 306.96 303.60 306.95
KONTUR KECEPATAN Segmental Baffle Helical Baffle 13 o Helical Baffle 7 o V in V out : 1.068 m/s : 1.28 m/s V in V out : 1.23 m/s : 1.64 m/s V in V out : 2.13 m/s : 3.44 m/s
Analisis hubungan dengan Bilangan Reynolds Variasi Baffle u s (m/s) Re Segmental Baffle 0.35629 11590.62725 0.570064 18545.0036 0.71258 23181.2545 0.855096 27817.50541 1.068869 34771.88176 Helical Baffle 7 0 0.711511 23146.49 1.138417 37034.38 1.423022 46292.98 1.707626 55551.57 2.134533 69439.47 Helical Baffle 13 0 0.410543 13355.56 0.6568689 21368.9 0.8210861 26711.13 0.9853033 32053.36 1.2316291 40066.69
Kontur Turbulensi
ANALISIS Heat Transfer Coefficient Variasi Baffle u s (m/s) U (W/m 2. K) Segmental Baffle 0.35629 292835.7 0.570064 466763.1 0.71258 563560.8 0.855096 656926.1 1.068869 809502.9 Helical Baffle 13 0 0.711511 1702836 1.138417 2903720 1.423022 3760022 1.707626 4532308 2.134533 5989248 Helical Baffle 7 0 0.410543 2504827 0.6568689 4048042 0.8210861 5021913 0.9853033 5998621 1.2316291 7639204
ANALISIS PRESSURE DROP Variasi Baffle u s (m/s) Segmental Baffle 0.35629 22.91197 0.570064 36.65916 0.71258 45.82395 0.855096 54.98874 1.068869 68.73592 Helical Baffle 7 0 0.711511 45.75522 1.138417 73.20836 1.423022 91.51045 1.707626 109.8125 2.134533 137.2657 Helical Baffle 13 0 0.410543 26.40084 0.6568689 42.24135 0.8210861 52.80169 0.9853033 63.36203 1.2316291 79.20253
KESIMPULAN 1. Karakteristik aliran fluida dan perpindahan panas adalah bilangan Reynolds (Re), koefisien perpindahan panas konveksi (U) dan pressure drop (ΔP) optimal pada debit aliran fluida (q) = 150 m 3 /h dan minimum pada q = 50 m 3 /h. 2. Pada peningkatan debit aliran fluida (q) karakteristik aliran fluida dan perpindahan panas semakin meningkat yaitu pada ketiga variasi tipe baffle, bilangan Reynolds (Re) dan pressure drop (ΔP) meningkat sebesar 200 %, sedangkan peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi (U) sebesar U = 204.97%. 3. Pada helical baffle dengan variasi sudut baffle 7 0 dan 13 0 koefisien perpindahan panas konveksi akan meningkat seiring dengan penurunan sudut baffle pada debit aliran yang sama, meskipun secara keseluruhan koefisien perpindahan panas konveksi pada dua tipe helical baffle tersebut lebih besar daripada tipe segmental baffle. 4. Besarnya debit aliran dan luasan permukaan perpindahan panas pada sisi shell berbanding lurus terhadap pressure drop yang diterapkan pada helical baffle dengan sudut baffle kecil (7 0 dan 13 0 ), semakin besar debit aliran dan luasan permukaan perpindahan panas maka semakin besar pula pressure drop pada sisi shell helical baffle.
METODOLOGI PENELITIAN
LAMPIRAN Variasi q (m3/h) S (m2) V (m/s) Tso (K) T lmtd (K) Ts (K) Qs (W) f SGHE HBHE 13 HBHE 7 50 0.038982 0.35629 306.4218 2.915404 6.57825 378923.21 0.005522 80 0.038982 0.570064 306.4463 2.922615 6.55368 604012.67 0.003451 100 0.038982 0.71258 306.673 2.988817 6.32703 728904.66 0.002761 120 0.038982 0.855096 306.8653 3.044557 6.13474 848102.3 0.002301 150 0.038982 1.068869 306.9608 3.072117 6.03918 1043614.4 0.001841 50 0.033831 0.410543 306.5606 2.95605 6.43945 370927.99 0.004792 80 0.033831 0.656869 306.795 3.024247 6.20496 571873.28 0.002995 100 0.033831 0.821086 306.6159 2.972212 6.38406 735474.79 0.002396 120 0.033831 0.985303 306.5125 2.942015 6.48746 896864.37 0.001997 150 0.033831 1.231629 306.9581 3.071325 6.04193 1044089.6 0.001597 50 0.01952 0.711511 302.5327 1.649312 10.46735 602944.84 0.002765 80 0.01952 1.138417 302.9088 1.787715 10.09116 930040.61 0.001728 100 0.01952 1.423022 303.1447 1.871908 9.85535 1135384.3 0.001382 120 0.01952 1.707626 303.1762 1.883042 9.82379 1358098.1 0.001152 150 0.01952 2.134533 303.6014 2.030239 9.39862 1624150.2 0.000922 Variasi SGHE HBHE 13 HBHE 7 Re Nu P (Pa) 11590.6 22.911973 27 10620.57 97 18545.0 36.659158 04 16928.57 36 23181.2 45.823947 55 20439.23 95 27817.5 54.988737 05 23825.41 54 34771.8 68.735921 82 29359.06 92 13355.5 26.400844 65 90845.12 72 21368.9 42.241351 03 146814.4 56 26711.1 52.801689 29 182134.8 45 32053.3 63.362027 55 217558.1 34 40066.6 79.202534 94 277058.8 17 23146.4 45.755224 89 61758.48 73 37034.3 73.208359 82 105312.2 57 46292.9 91.510449 78 136368.5 46 55551.5 109.81253 74 164377.8 94 69439.4 137.26567 67 217218.1 42 U (W/m2.K) Q (W) 292835.74 535076.21 91 13 466763.13 854989.70 84 46 563560.77 1055681.5 42 39 656926.08 43 1253526.2 809502.85 1558651.0 13 18 2504827.3 531078.60 62 23 4048041.7 838920.00 51 79 5021913.3 1058966.6 86 06 5998620.7 1277907.2 43 37 7639203.7 1558888.6 93 28 1702835.8 647087.02 08 46 2903720.0 1018003.6 19 72 3760021.7 1258921.3 66 6 4532308.1 1508524.1 79 12 5989247.5 26 1848918.9