Karakteristik Perpindahan Panas dan Pressure Drop pada Alat Penukar Kalor tipe Pipa Ganda dengan aliran searah Mustaza Ma’a1) Ary Bachtiar Krishna Putra2) 1) Mahasiswa Program Pasca Sarjana Teknik Mesin ITS Surabaya, email: mu s t a za ma a @ g ma i l . com 2) Dosen Teknik Mesin ITS Surabaya, email:
[email protected]
Abstrak – Pada teknologi industri makanan, minuman, proses kimia dan farmasi, propertis fluida yang tepat terutama pada proses pemanasan dan pendinginan tersebut sangat penting. Alat penukar kalor tipe pipa ganda banyak diaplikasikan pada industri ini karena konstruksinya sederhana, murah dan tidak membutuhkan permukaan perpindahan panas yang besar. Penelitian ini dikaji secara eksperimental tentang perpindahan panas dan pressure drop pada Alat Penukar Kalor tipe Pipa Ganda. Fluida yang digunakan adalah air, untuk fluida dingin maupun fluida panas. Fluida yang mengalir pada alat penukar kalor ini diatur secara searah atau paralel flow. Debit aliran divariasikan pada 5 kecepatan aliran untuk fluida panas 6,7; 10; 13,3; 16,7; dan 20 lpm dan 4 variasi kecepatan aliran untuk fluida dingin 10; 13,3; 16,7; dan 20 lpm. Temperatur masuk pada fluida panas diuji pada 60oC dan fluida dingin pada 32oC. Laju aliran massa pada fluida panas dari 0,11kg/s s/d 0,33 kg/s dan pada fluida dingin dari 0,17 kg/s s/d 0,33 kg/s. Hasil yang didapatkan pada penelitian ini bahwa nilai dari Reynolds number memiliki pengaruh terhadap nilai Nusselt Number dan pressure drop. Variasi debit aliran akan berpengaruh terhadap nilai efektifnes. Pada nilai cr sebesar 0,5 kJ/s.K menghasilkan nilai efektifnes sebesar 31,42% dan NTU sebesar 0.48 ms/kJ. Kata Kunci: karakteristik perpindahan panas, penurunan tekanan, penukar kalor, pipa ganda, aliran searah. 1. PENDAHULUAN Alat penukar kalor merupakan salah satu alat penunjang produksi yang berfungsi untuk melaksanakan perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida lain. Alat ini banyak digunakan dalam beberapa industri seperti pembangkit listrik, pabrik pengolah kimia, peralatan pengkondisi udara, refrigerator, dan lain sebagainya [1]. Jenis dan ukuran alat penukar kalor ini banyak, tergantung dari kebutuhan yang ditentukan oleh pemakai. Salah satu jenisnya adalah tipe pipa ganda, aliran fluida panas mengalir melalui pipa bagian dalam dan aliran fluida dingin mengalir melalui pipa bagian luar. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas dari aliran fluida yang
bertemperatur tinggi menuju ke fluida yang bertemperatur rendah. Alat Penukar Kalor tipe Pipa Ganda adalah salah satu tipe alat penukar kalor yang memiliki konstruksi sederhana, cukup murah untuk dibuat dan dibandingkan dengan tipe lain, jumlah ruang yang ditempati umumnya lebih tinggi dibandingkan dengan tipe lainnya. Alat penukar kalor tipe pipa ganda merupakan peralatan perpindahan panas yang sesuai dalam aplikasi – aplikasi yang tidak membutuhkan permukaan perpindahan panas yang besar [2]. 2. TUJUAN Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor tipe pipa ganda ini dengan aliran searah. Selain itu penelitian ini juga untuk mengetahui karakteristik pressure drop yang terjadi pada aliran yang mengalir pada alat penukar kalor tipe pipa ganda ini yang alirannya searah. 3. METODE DAN MATERIAL Untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas dari alat penukar kalor, perlu dilakukan uji coba alat penukar kalor tipe pipa ini dengan jalan temperatur fluida panas diatur dengan menggunakan termostat pada alat penukar kalor tersebut pada 60oC. Termostat ini berfungsi sebagai switch yang dapat mengatur heater agar dapat memanaskan tangki panas sesuai dengan temperatur yang telah diatur sebelumnya. Sedangkan pada fluida dingin diambil dari tangki reservoir dan keluaran fluida dingin dari alat penukar kalor tersebut dibuang keluar, sehingga temperatur di dalam tangki dingin dapat menjaga temperatur fluida dingin pada temperatur kerja 32oC. Aliran yang mengalir pada alat penukar kalor tipe konsentris ini dibuat searah atau paralel. Dilakukan variasi debit aliran pada 5 kecepatan aliran untuk fluida panas, yakni pada 6,7 lpm, 10 lpm, 13,3 lpm, 16,7 lpm dan 20 lpm. Serta 4 variasi kecepatan aliran untuk fluida dingin, yakni pada 10 lpm, 13,3 lpm, 16,7 lpm dan 20 lpm.
Gambar 1. Eksperimen Apparatus
Alat Penukar Kalor tipe pipa ganda ini dibuat dari pipa dengan bahan stainless steel. Panjang Alat Penukar Kalor yang dibuat ini adalah 1,02 m. Dengan tabung dalam berdiameter 0,0127 m dan tabung luar berdiameter 0,0254 m. Dimensi alat penukar kalor tipe pipa ganda ini dapat dilihat dari tabel 1. Tabel 1. Dimensi Alat Penukar Kalor No 1 2 3 4 5
Deskripsi Diameter inner tabung dalam Diameter outer tabung dalam Diameter inner tabung luar Diameter outer tabung luar Panjang Alat Penukar Kalor
Dimensi (m) 0,0107 0,0127 0,0234 0,0254 1,02
Untuk membuat aliran pada sistem ini menjadi aliran searah, dibuka K3 (Katub 3) dan K6 (Katub 6). Sedangkan K4 (Katub 4) dan K5 (Katub 5) ditutup. Pada aliran searah, fluida panas yang berada pada Bak Panas, dipompa masuk ke Alat Penukar Kalor melalui Rotameter 1, dan bersirkulasi kembali ke Bak Panas. Variasi debit aliran fluida panas diatur dengan menggunakan K1 (Katub 1). Fluida dingin yang berada pada tangki dingin dipompa masuk ke alat penukar kalor melalui Rotameter 2, dan keluar dari sistem ke pembuangan. Suplai fluida dingin didapat dari Tangki Reservoir dengan membuka K7 (Katub 7). Variasi debit aliran fluida dingin dapat diatur dengan menggunakan K2 (Katub 2). Untuk dapat membaca temperatur pada Alat Penukar Kalor tersebut dipasang 9 unit termokopel tipe-K yang dihubungkan ke display. Thi adalah termokopel yang dipasang pada jalur masuk tabung konsentris
bagian dalam untuk membaca temperatur masuk fluida panas. Sedangkan Tho dipasang pada jalur keluar tabung untuk membaca temperatur keluar fluida panas. Untuk aliran searah atau paralel, maka Tc1 yang dipasang pada jalur masuk tabung konsentris bagian luar digunakan untuk membaca temperatur masuk fluida dingin. Sedangkan Tc2 yang dipasang pada jalur keluar tabung untuk membaca temperatur keluar fluida dingin. Untuk membaca temperatur dinding tabung konsentris bagian luar dipasang 5 termokopel yang disusun dengan jarak tertentu. Alat lain yang digunakan pada eksperimen apparatus ini adalah Rotameter 1 yang berfungsi untuk membaca kecepatan aliran fluida panas dan Rotameter 2 untuk membaca kecepatan aliran fluida dingin. Selain itu juga terdapat 4 unit Pressure Gauge yang berfungsi untuk membaca tekanan pada jalur masuk dan keluar pada masing – masing aliran fluida. 3.1. Persamaan dan simbol Untuk aliran fluida yang mengalir dalam Alat Penukar Kalor tipe konsentris ini laju perpindahan panas yang terjadi dapat dinyatakan sebagai : (1) Koefisein perpindahan panas konveksi yang terjadi dapat dinyatakan sebagai berikut : (2)
Dimana Ts adalah temperatur permukaan lokal yang nilainya diambil dari termokopel yang diletakkan pada dinding tabung luar. Sedangkan Tm adalah temperatur rata – rata pada aliran. Bilangan Nusselt yang terjadi pada alat penukar kalor ini dapat dinyatakan sebagai : ⁄
(3)
∆
(8)
3.3 Metode Efektifnes – NTU Metode dengan menggunakan Efektifnes _ NTU ini lebih efektif jika dipakai untuk mengetahui unjuk kerja atau performansi dari Alat Penukar Kalor. Efektifnes adalah rasio dari jumlah aktual perpindahan panas terhadap perpindahan panas maksimum yang terjadi pada Alat Penukar Panas [5].
Untuk bilangan Reynolds dinyatakan dari : 4 ⁄
Untuk mendefenisikan unjuk kerja Alat Penukar Kalor ini terlebih dahulu diketahui laju perpindahan panas maksimum (qmax) yang dimungkinkan oleh penukar kalor tersebut [5].
Nomenclatur A : luas permukaan tabung (m2) D : diameter tabung (m) h : koefisien perpindahan panas (W/m2K) k : konduktifitas termal (W/mK) L : panjang penukar kalor (m) TLMTD : Beda temperatur rata-rata log (K atau C) q : laju perpindahan panas (W) U : koefisien perpindahan panas overall (W/m2K) T1 : beda temperatur masuk (K) T2 : beda temperatur keluar (K) : density (kg/m3) : viskositas dinamis (kg/m.s)
Jika Cc < Ch , maka Jika Cc > Ch , maka
Untuk semua Alat Penukar Kalor nilai efektifnes dapat dinyatakan sebagai :
Metode yang sering digunakan untuk perancangan dan perhitungan unjuk kerja peralatan penukar kalor [3]. ∆
(5)
Dimana Harga TLMTD adalah perbedaan temperatur rata – rata logaritmik yang didapat dari perbedaan temperatur masuk, T1, dan perbedaan temperatur T2, dengan persamaan [4]: ∆
∆ ∆ ∆
,
(12)
Number of Transfer Unit (NTU) juga merupakan bilangan tanpa dimensi dan didefenisikan sebagai : (13) Dimana Cmin diperoleh untuk nilai yang terkecil dari: (14) Atau (15) 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
(6)
Untuk mendapatkan harga TLMTD diperlukan asumsi sebagai berikut : 1. Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa. 2. Konduksi hanya berlangsung satu dimensi ke arah radial pipa. 3. Perpindahan panas hanya terjadi antara kedua fluida saja. 4. Kondisi tunak. 5. Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan. Untuk penukar kalor dengan aliran paralel berlaku : ∆
(10) (11)
Efektifnes merupakan bilangan tanpa dimensi dan harus berada pada batas 0 ≤ ≤ 1.
3.2 Metode Beda Temperatur Rata – rata Logaritmik (TLMTD)
∆
(9)
(4)
(7)
Hasil dari penelitian ini mengungkapkan bahwa laju perpindahan panas dan penurunan tekanan pada Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini disajikan pada gambar 2 dan 3. Laju perpindahan panas yang dihasilkan pada percobaan ini ditunjukkan pada gambar 2. Dapat dilihat pada gambar 2 bahwa tren yang dihasilkan pada percobaan ini memiliki tren yang sama seperti yang dihasilkan Warakorm [1], dimana peningkatan bilangan Nusselt rendah, pada saat bilangan Reynolds tersebut kecil. Namun pada saat bilangan Reynolds lebih besar maka peningkatan bilangan Nusselt menjadi lebih tinggi.
= f (NTU,Cr)
Nu = f (Re) 350
70
300
60
200
Warakorm
150
Qc:0.6
100
Qc:0.8
50
Qc:1
0 1,5
3,5
5,5 Re
7,5
Qc:1.2
50 (%)
Nu
250
40
Timothy‐Cr0.5
30
Timothy‐Cr1.0
20
Cr:0.5
10
Cr:1.0
0
x 10000
0
1
2
3
NTU
Gambar 2. Hubungan bilangan Nusselt dan Reynolds Gambar 4. Efektifnes – NTU untuk aliran searah
Nilai bilangan Nusselt sesuai dengan persamaan (3) akan menghasilkan koefisien perpindahan panas, h. Dan nilai h dapat mempengaruhi nilai laju perpindahan, q sesuai dengan persamaan (2). Hal ini ditentukan akibat dari aliran turbulen dan perbedaan tekanan yang dihasilkan sepanjang arah radial pada Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini.
Thousands
P = f (Re) 20 18 16 14
P
12
Warakorm
10
Qc:0.6
8 6
Qc:0.8
4
Qc:1
2
Qc:1.2
0 1,5
3,5
5,5 Re
7,5 x 10000
Gambar 3. Hubungan Penurunan tekanan dan Reynolds
Penurunan tekanan yang terjadi pada tabung dalam Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini ditunjukkan pada gambar 3 sebagai fungsi bilangan Reynolds. Penurunan tekanan yang diambil dari Warakorm [1] juga digambarkan untuk perbandingan. Dapat dilihat bahwa penurunan tekanan yang dihasilkan dari percobaan memiliki tren yang serupa. Namun pada percobaan nilai penurunan tekanan-nya lebih tinggi, karena aliran yang dihasilkan turbulen. Semakin besar nilai bilangan Reynolds peningkatan penurunan tekanan semakin besar pula. Selanjutnya grafik Efektifnes – NTU juga dapat dihasilkan pada konfigurasi aliran searah ini. Hal ini bisa dilihat pada gambar 4. Pada grafik ini digambarkan pula ratio kapasitas (cr) yang dihasilkan oleh Timothy [4]. Nilai cr yang digambarkan adalah 0,5 dan 1,0.
Dari gambar grafik ini dapat dilihat bahwa dari hasil percobaan pada Nilai cr 0.5 dan 1,0 memiliki tren yang serupa dengan Timothy [3]. Untuk nilai cr 0.5 tren kurva yang dihasilkan lebih tinggi dari kurva pada cr 1,0. Hal ini juga ditunjukkan oleh Incropera [5]. Perhitungan untuk efektifnes didapatkan berdasarkan dari persamaan (9). Kemudian nilai NTU didapatkan dari persamaan (13). Sehingga nilai efektifnes untuk Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini dikandung dalam grafik yang disajikan pada gambar 4 ini. 5. KESIMPULAN Data eksperimen yang dihasilkan pada penelitian ini termasuk bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, Efektifnes-NTU dan penurunan tekanan, telah disajikan pada percobaan untuk Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini. Dari percobaan yang dilakukan ini, dapat disimpulkan bahwa pengaruh kenaikan bilangan Reynolds mempengaruhi besarnya kenaikan bilangan Nusselt dan penurunan tekanan yang terjadi pada Alat Penukar Kalor tipe Konsentris ini. Pada nilai cr 0,5 kJ/s.K menghasilkan efektifnes sebesar 31,42% dan NTU sebesar 0,48 ms/kJ. DAFTAR REFERENSI [1] Warakorm et al, “Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in a Double-pipe Heat Exchanger Fitted with a Tubulator”. [2] M.A Mehrabian, S.H Mansori, G.A Sheikhzadeh, “The Overall Heat Transfer Characteristics of a Double Pipe Heat Exchanger : Comparison of Experimental Data With Predictions of Standard Correlations”, IJE Transactions B:Applications, Vol 15, No 4, December 2002, hal 395-406. [3] Timothy J Rennie, Vijaya G.S. Raghava, “Eksperimenal studies of a double-pipe helical heat exchanger”, Experimental Thermal and Fluid Science, 29, 2005, hal 919-924.
[4] Timothy J Rennie, Vijaya G.S. Raghava , “Numerical studies of a double-pipe helical heat exchanger”, Applied Thermal Engineering, 26, 2006, hal 1266-1273. [5] Incropera, Frank P, Davit P Dewitt, Fundamental of Heat and Mass Transfer, Fifth edition, John Wiley and Sons, Inc, New York, 2002.
