Studi Pengaruh Beban Panas terhadap Karakteristik Perpindahan Panas pada Heat Exchanger Vertical Channel Ary Bachtiar Krishna Putra dan Prabowo Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa Jurusan Teknik Mesin FTI ITS Kampus ITS Keputih Sukolilo Abstrak Pengaruh dari perubahan beban panas terhadap karakteristik laju perpindahan panas konveksi bebas dari heat exchanger jajaran dua belas silinder dalam vertical channel dikaji dalam penelitian ini. Karakteristik gaya apung pada jajaran silinder ini dipengaruhi perubahan beban panas pada heat exchanger yang didapatkan dari perubahan laju alir massa oli panas. Uji eksperimental di laboratorium perpindahan panas dilakukan untuk mendapatkan laju perpindahan panas total heat exchanger. Uji eksperimental dilakukan pada gap ratio (b = S/d) 2.1 dan 4.2, dan pada laju alir massa oli panas bervariasi dari.14 kg/s,.28 kg/s,.42 kg/s. Simulasi pola aliran udara yang melintasi jajaran silinder pada berbagai beban panas didapatkan dari studi numerik dengan menggunakan software CFD Fluent 6. Hasil eksperiment menunjukkan bahwa laju perpindahan panas total heat exchanger semakin tinggi dengan semakin besarnya beban panas untuk gap ratio yang sama. Simulasi pola aliran memperlihatkan profil wake pada downstream silinder semakin kecil dengan semakin besarnya beban panas. Hal ini dikarenakan semakin tingginya temperatur permukaan silinder pada beban panas yang semakin besar, mengakibatkan semakin besar pula gaya apung yang terjadi.. Kata kunci : beban panas, gaya apung, konveksi bebas, vertical channel. Kondensor merupakan salah satu alat penukar panas pada suatu sistim refrigerasi yang kecil (refrigerator) berfungsi untuk melepaskan panas ke udara sekeliling sehingga refrigerant dapat terkondensasi. Penukar panas ini biasanya terletak pada bagian belakang refrigerator model lama dan merupakan susunan kawat dan pembuluh (tube) yang bersinggungan langsung dengan udara sekeliling sehingga panas dapat mengalir. Dari sisi geometri kawat (wire) yang dilekatkan pada tube berfungsi sebagai sirip untuk memperluas penampang demi meningkatan laju perpindahan panas. Selain itu secara mekanis kawat berfungsi untuk memperkuat konfigurasi tube yang dibuat berlekuk-lekuk. Penukar panas sekarang ini terletak didalam body pada bagian sisi kanan dan kiri plat vertikal refrigerator sehingga kelihatan lebih kompak. Setengah permukaan jajaran tube dimasukkan ke dalam isolator (stryrofoam), sedangkan bagian yang lain berkontak langsung dengan udara dalam enclosure kemudian ditutup rapat dengan plat vertikal. Fenomena perpindahan panas rangkaian tube dalam enclosure sangat dipengaruhi hambatan thermal sisi udara, dimana udara hanya bersirkulasi dalam enclosure sehingga performan perpindahan panas sangat tidak optimal. Secara umum, laju perpindahan panas rangkaian jajaran silinder yang berada didalam enclosure sangat dipengaruhi hambatan thermal sisi udara. Dimana udara hanya berputar-putar di dalam enclosure, sehingga performan perpindahan panasnya tidak optimal. Pada penelitian ini sisi atas dan bawah enclosure dibuka sehingga dimungkinkan terjadinya pertukaran udara, sehingga hambatan thermal sisi udara akan menurun, sehingga diharapkan performan perpindahan panasnya akan naik Interaksi termal antara silinder isotermal dan isotermal enclosure pada angka Rayleigh, 63
64 Jurnal Teknik Mesin, Volume 4, Nomor 3, September 24 Ra = 1 4 diteliti oleh Newport [2]. Penelitian ini menggunakan metode numerik untuk mengamati distribusi temperatur dan angka Nuselt, Nu pada udara disekitar silinder dan dinding konveksi enclosure. Sedangkan untuk memverifikasi hasil numerik digunakan metode eksperimental dengan interferometer jenis Michelson dan Mach-Zehnder. Hasil eksperimen dan numerik menunjukkan persamaan pada distribusi temperatur disekitar silinder. Enclosure dengan sudut yang tajam menyebabkan aliran menjadi stagnan sehingga angka Nuselt pada lokasi tersebut berkurang. Prabowo [3] melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas dua silinder yang ditempatkan secara inline dalam ducting. Penelitian ini mengamati pengaruh dari perubahan angka Reynold, angka Rayleigh modifikasi dan jarak antar dua silinder terhadap karakteristik perpindahan panas, baik dilakukan secara eksperimen dan numeric. Hasil penelitian menunjukkan karakteristik perpindahan panas pada silinder kedua sangat dipengaruhi oleh jarak antar silinder. Penelitian yang dapat memperlihatkan pengaruh perubahan temperatur udara bebas dalam saluran (open channel), terhadap angka Nuselt diteliti oleh Davies [1]. Dari penelitian yang dilakukan oleh Davies terlihat bahwa perubahan temperatur udara bebas berpengaruh terhadap angka Nuselt. Semakin tinggi temperatur udara bebas dalam saluran semakin rendah angka Nuselt. Adanya dinding konveksi yang melingkupi dapat merubah karakteristik aliran dan perpindahan panas dari fluida yang melewati jajaran silinder tersebut. Aliran udara akan terakselerasi karena mengikuti profil silinder dan pengaruh dari pengecilan penampang karena adanya dinding. Perubahan beban panas tentunya akan merubah karakteristik aliran yang melintasi silinder tersebut, sehingga akan mempengaruhi karakteristik perpindahan panas pada jajaran silinder tersebut. Penelitian yang mengkaji perpindahan panas pada jajaran silinder yang dipengaruhi oleh beban panas dalam saluran vertikal belum ada. Penelitian ini mengamati pengaruh perubahan beban panas dengan memvariasikan laju alir oli panas pada alat penukar panas jenis jajaran silinder didalam vertical channel terhadap karakteristik perpindahan panas konveksi alamiah pada jajaran silinder tersebut, yang dilakukan secara eksperimental dan numerik di Laboratorium Perpindahan Panas Jurusan Teknik Mesin ITS. Metode Eksperimental Model uji yang diteliti berupa jajaran dua belas silinder horizontal terbuat dari tembaga yang disusun secara inline, dengan jarak spasi antar silinder, l = 4 mm, diameter silinder, d = 9.53 mm, tinggi channel, H = 55 mm terbuat dari aluminium, dan jarak antar dinding konveksi, S, bervariasi dari 2 mm dan 4, dan selanjutnya ditampilkan dalam parameter gap ratio, b = dan 4.2. Dinding sebelah kiri diisolasi, sedangkan dinding sebelah kanan dibiarkan kontak langsung dengan udara luar atau disebut sebagai dinding konveksi. Sisi bawah dan atas channel dibiarkan terbuka. Oli panas dari tangki thermostatic dialirkan melewati flowmeter sebelum memasuki kedua belas jajaran silinder dengan temperatur dijaga konstant sebesaer 7 C. Untuk mendapatkan beban panas yang bervariasi, laju alir oli panas, moil, bervariasi diset mulai dari.14 kg/s,.28 kg/s dan.42 kg/s. Temperatur udara bebas di dalam laboratorium dijaga tetap sebesar 29 C. Besarnya beban panas dari alat penukar panas didapatkan dari besarnya laju alir massa oli panas yang mengalir melalui alat penukar panas dan selisih temperatur oli masuk dan keluar alat penukar panas, q = m oil.cp.(t oilin T oilut ). Temperatur oli panas dijaga konstan dengan menggunakan heater listrik yang dikontrol oleh thermostat. Tangki tempat penampungan oli panas atau tangki termostatik dijaga adiabatik dengan dilapisi isolator. Heater juga ditempatkan didalam tangki ini. Temperatur oli panas sebelum masuk, T oilin dan sesudah keluar alat penukar panas, T oilout diukur dengan menggunakan termocouple tipe K. Laju alir massa oli panas diukur dengan rotameter untuk fluida panas. Untuk mendapatkan karakteristik perpindahan panas dari jajaran silinder, tidak semua temperatur permukaan seluruh jajaran silinder diukur, hanya jajaran ke-1, ke-5, ke-9 dan ke-12, (Gambar 2) dengan menggunakan Termocouple tipe K. Temperatur dari dinding konveksi juga diukur sebanyak empat titik, titik yang pertama sejajar dengan posisi jajaran
Krishna Putra, Studi Pengaruh Beban Panas 65 silinder ke-1, titik kedua sejajar dengan jajaran silinder ke-5, titik ke-3 sejajar dengan jajaran silinder ke-9, dan titik ke-4 sejajar dengan jaaran silinder ke-12. Sedangkan untuk mengetahui panas yang diserap oleh udara pendingin dilakukan pengukuran temperatur udara sebelum masuk channel, T udin dan keluar channel, T udout. merupakan beban panas dari alat penukar panas, sedangkan kalor yang dibuang oleh dinding konveksi adalah : q dinkonv = q konv = h. A (T s2 - T 2 ) Sedangkan kalor yang terbuang melalui udara pendingin adalah : q loss = q ud = ṁ ud Cp, ud. (T ud,in T ud,out ) Untuk mengetahui effectiveness dari heat exchanger : ε = q oil q max Metode Numerik Model yang akan dianalisa mengikuti model uji eksperimental tetapi didekati dengan model 2 dimensi, yaitu potongan tepat di tengah span dari model uji heat exchanger Gambar 1. Model Analisa Heat Exchanger (Gambar 3). Pembuatan meshing (grid) pada model merupakan aspek yang penting karena dapat menentukan keakurasian dan kemampuan konvergen pada saat post processing. Maka metode meshing yang dipakai adalah : 1. Ukuran grid yang semakin kecil didaerah dekat permukaan silinder, hal ini diupayakan agar bisa mengikuti perubahan properti fluida yang sangat tinggi didaerah dekat permukaan (boundary layer). Model dari grid berbentuk quadrilateral map. 2. Ukuran grid dibuat semakin besar diluar daerah tersebut, hal ini untuk menghemat memory dari komputer dan konvergensi dapat cepat tercapai. Tepat didownstream maupun upstream dari tiap silinder bentuk dari grid berupa triangular pave, hal ini timbul karena perbedaan ukuran grid pada daerah dekat silinder yang sangat kecil dan grid setelah upstream yang dibuat lebih besar. Sedangkan didaerah yang lainnya model grid tetap berbentuk quadrilateral map. Gambar 2. Model Eksperimen Setelah proses meshing dilaksanakan maka selanjutnya didefinisikan boundary condition Dari kesetimbangan energi : pada model computation domain. Boundary q oil = qkonv + qradiasi = qloss + q condition pada model computation domain dinkonv (1) sebagai berikut : dimana : 1. Sisi inlet didefinisikan mempunyai q oil = ṁ f Cp, f (T f,in T f,out ) boundary condition Pressure Inlet guna (2)
66 Jurnal Teknik Mesin, Volume 4, Nomor 3, September 24 mendapatkan kondisi yang alami dalam dalam pemodelan numerik. 2. Sisi outlet didefinisikan mempuyai boundary condition Pressure Out. 3. Setiap tube didefinisikan mempunyai boundary condition Isothermal Wall, dimana data temperatur diperoleh dari hasil eksperimen. 4. Dinding Isolasi didefinisikan mempunyai boundary condition Insulation Wall. 5. Dinding Konveksi didefiniskan mempunyai boundary condition Convection Wall, dengan penentuan heat transfer coefficient didapatkan dari data eksperimen. 4. Density dari udara pendingin didekati dengan metode Boussinesq. Tabel 1. Metode Diskritisasi dan α Tabel 2. Material Properti Gambar 3. Domain Numerik dan Model Grid Proses selanjutnya adalah preprocessing dengan software CFD-Fluent 6.. Beberapa tahap dalam preprocessing : 1. Persamaan yang digunakan Segregated solution method, pada pendekatan penyelesaian persamaan ini diselesaikan secara sekuensial karena bentuk persamaan adalah nonlinier maka dibutuhkan itarasi berulang-ulang sehingga mencapai konvergen. 2. Upwind Differencing digunakan karena konsisten dalam menghitung flux yang mengalir melalui muka sel, koefisien dari persamaan diskrit selalu positif sehingga sesuai dengan persyaratan 3. Digunakan metode SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equation) untuk penyelesaian persamaan gabungan tekanan dan kecepatan. Pada Postprocessing ditentukan dulu nilai awal dari tekanan, kecepatan dan temperatur untuk mempercepat konvergensi (Tabel 3). Selain itu ditentukan dulu residual monitor. Didalam residual monitors terdapat kriteria konvergensi yang sangat dipengaruhi oleh karakteristik aliran untuk menyelesaikan persamaan kontinuitas pada aliran konveksi alamiah. Residual monitors yang digunakan dalam simulasi numerik ini diperlihatkan dalam Tabel 4. Tabel 3 Tabel 4
Krishna Putra, Studi Pengaruh Beban Panas 67 Hasil Penelitian Gambar 4 menunjukkan bahwa laju perpindahan panas total pada heat exchanger semakin tinggi dengan semakin meningkatnya beban panas. Laju perpindahan panas pada heat exchanger juga meningkat dengan semakin besarnya gap ratio. Laju Perpindahan Panas (W) Laju Perpindahan Panas Vs Massflow Oli Panas 1 8 6 4 2,1,2,3,4 Massflow Oli (Kg/s) S/d = 4.2 Gambar 4. Grafik Laju Perpindahan Panas Jajaran Silinder pada Data eksperimen menunjukkan dengan semakin meningkatnya beban panas maka temperatur dinding konveksi rata rata semakin tinggi (Gambar 5). Dengan temperatur dinding konveksi yang lebih tinggi maka beda temperatur dinding dengan temperatur udara sekeliling akan menjadi lebih besar. Beda temperatur yang besar ini akan meningkatkan bilangan Rayleigh sehingga laju perpindahan panas dari dinding konveksi ke udara bebas semakin meningkat, seperti yang ditunjukkan Gambar 6. Temperatur (C) Distribusi Temperatur Plat pada Moil Bervariasi, 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Posisi moil =.42 kg/s moil =.28 kg/s moil =.14 kg/s Gambar 5. Grafik Distribusi Temperatur Plat Konveksi pada Panas yang dilepas oleh plat konveksi semakin naik pada massflow oli / beban panas yang semakin tinggi. Besarnya panas yang dilepas oleh plat konveksi jauh lebih rendah jika dibandingkan dengan panas yang dilepas oleh udara. Kenaikan laju alir panas plat konveksi semakin drastis pada kenaikan massflow oli dari moil =.28 kg/s sampai ke moil =.42 kg/s. Sebaliknya panas yang diserap udara pada mulanya mengalami kenaikan dari moil =.14 kg/s menuju moil =.28 kg/s, lalu kemudian mengalami penurunan pada moil =.28 kg/s sampai moil =.42 kg/s (Gambar 7). Laju Perpindahan Panas (W) 2 15 1 5 Laju Perpindahan Panas Plat Konveksi Variasi Massflow Oli.1.2.3.4.5 Massflow Oli (Kg/s) S/d = 3.15 S/d = 4.2 Gambar 6. Grafik Laju Perpindahan Panas Plat/Dinding Konveksi pada L aju P erp indahan Panas (W ) 1 8 6 4 2 Laju Perpindahan Panas Udara Variasi Massflow Oli.1.2.3.4.5 Massflow Oli (Kg/s) S/d = 3.15 S/d = 4.2 Gambar 7. Grafik Laju Perpindahan Panas Udara Hasil simulasi pada jajaran silinder bawah yaitu silinder ke-1 dan 2 menunjukkan pola aliran yang hampir sama meskipun mengalami beban panas yang berbeda (Gambar 8). Hal ini karena temperatur masuk oli panas dijaga tetap meskipun terjadi perubahan beban panas, sehingga temperatur silinder ke-1 dan 2 tidak mengalami perubahan yang berarti. Gaya buoyant yang terjadi pada daerah tersebut hampir tidak berubah meskipun terjadi perubahan beban panas.
68 Jurnal Teknik Mesin, Volume 4, Nomor 3, September 24 Gambar 8. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-1 dan 2 (Gap Ratio, ) dengan Pada jajaran silinder yang lebih tinggi misalnya silinder ke-5 dan 6, hasil simulasi menunjukkan adanya sedikit perbedaan pola aliran (Gambar 9). Semakin besarnya beban panas semakin tinggi pula temperatur silinder pada daerah tersebut, sehingga gaya bouyant yang terjadi semakin besar. Besar wake yang terjadi pada downstream silinder semakin kecil karena pengaruh thermal plume yang semakin dominan dengan semakin tingginya beban panas. Demikian pula yang terjadi pada jajaran silinder atas yaitu silinder ke-11 dan 12, pengaruh dari thermal plume semakin dominan pada beban panas yang semakin tinggi (Gambar 1). Gambar 1. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-11 dan 12 (Gap Ratio, ) dengan Pada gap ratio yang lebih besar yaitu S/d = 4.2 terlihat bahwa pengaruh dari thermal plume terhadap karakteristik aliran sangat dominan. Akselerasi aliran udara yang terjadi pada celah antara dinding dan silinder semakin kecil dengan semakin besarnya celah, sehingga pola aliran udara lebih dipengaruhi oleh besarnya gaya bouyant yang terjadi. Pola aliran udara pada Gambar 11, 12 dan 13 hampir sama dengan pola aliran udara yang melintasi jajaran silinder pada ruang terbuka. Gambar 11. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-1 dan 2 (Gap Ratio, S/d = 4.1) dengan Gambar 9. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-5 dan 6 (Gap Ratio, ) dengan
Krishna Putra, Studi Pengaruh Beban Panas 69 mengalami penurunan untuk m oil >.28 kg/s. 5. Panas yang dibuang plat/dinding konveksi semakin dominan pada laju air massa / massflow oli yang semakin tinggi. 6. Pengaruh thermal plume pada pola aliran udara yang melintasi silinder semakin dominan pada kenaikan beban panas dan gap ratio. Gambar 12. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-5 dan 6 (Gap Ratio, S/d = 4.1) dengan Gambar 13. Simulasi Pola Aliran pada Silinder ke-11 dan 12 (Gap Ratio, S/d = 4.1) dengan Kesimpulan Dari hasil pengujian eksperimental dan numerik, maka penulis menarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Peningkatan beban panas atau laju alir massa / massflow oli dari hasil eksperimen menunjukkan bahwa laju perpindahan panas dari heat exchanger pada gap ratio, S/d tetap mengalami kenaikan yang cukup signifikan. 2. Semakin besar gap ratio semakin tinggi laju perpindahan panas dari heat exchanger. 3. Laju Perpindahan Panas yang dilepas oleh plat / dinding konveksi semakin tinggi dengan semakin besarnya beban panas. 4. Laju Perpindahan Panas yang diserap oleh udara semakin tinggi pada kenaikan beban panas atau massflow oli dari m oil =.14 kg/s sampai m oil =.28 kg/s, kemudian Referensi [1] Davies, M.R.D., 2, On Gaseous Free Convection Heat Transfer With Well- Defined Boundary Conditions, Journal of Heat Transfer ASME, Vol. 122. [2] Newport, D.T., 21, On The Thermal Interaction Between an Isothermal Cylinder and Its Isothermal Enclosure for Cylinder Rayleigh Numbers of Order 1 4, Journal of Heat Transfer ASME, Vol. 123. [3] Prabowo, 2, Combined Forced and Free Convection Around Two In-Line Cylinder in Cross Flow, Hiroshima University. Notasi Cp, f Cp, ud h k L ṁ f Kalor spesifik fluida panas, J/kg.k Kalor spesifik udara pendingin, J/kg.k koefisien konveksi, W/m 2 k konduktifitas termal, W/m.k Tinggi plat / dinding konveksi, m Laju alir massa oli, kg/s ṁ ud Laju alir udara pendingin, kg/s ε Effectiveness dari H.E q oil Laju perpindahan panas oli, W q konv Laju perpan konveksi tube, W q radiasi Laju perpan radiasi tube, W q loss =q ud Laju perpan oleh udara, W q dinkonv Laju perpan yang dilepas dinding, W Ra L Rayleigh Number T f,in Temperatur oli masuk, K T f,out Temperatur oli keluar, K T s Temperatur plat/dinding bagian luar,k Temperatur udara luar, K T 2