OPTIMASI KAPASITAS PENUKAR PANAS WIRE AND TUBE HEAT EXCHANGER DENGAN VARIABEL JARAK ANTAR WIRE

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

1

OPTIMASI KAPASITAS PENUKAR PANAS WIRE AND TUBE HEAT EXCHANGER DENGAN VARIABEL JARAK ANTAR WIRE Eko Prasetyo Wahyudi, R.Zainal Fatah, Prof. Dr. Ir. Ali Altway, MS dan Dr. Ir. Lili Pudjiastuti, MT.

Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak Refrigerator merupakan lemari pendingin yang banyak digunakan dalam kehidupan. Kebutuhan akan alat ini meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk. Sehingga diperlukan desain yang optimal terhadap alat ini yang dapat mndinginkan pada suhu tertentu dengan energy serendah mungkin. Untuk meningkatkan performa tersebut dapat dilakukan dengan mengganti refrigerant dengan bahan yang sesuai maupun mengubah desain dari alat penukar panas (kondensor) yang dipasang pada refrigerator. Penelitian mengenai bahan refrigerant sebagai pengganti CFC telah banyak dilakukan di Indonesia. Sedangkan untuk mengganti desain condenser wire and tube masih jarang dilakukan di Indonesia. Sehingga diperlukan studi optimasi terhadap desain dari kondenseor yang ada di pabrikan. Optimasi ini dilakukan dengan menggunakan model yang dikembangkan Bansal dan Chin (2003) untuk menghitung panas total. Model tersebut divalidasi dengan data dari hasil ekperimen. Variabel yang akan dioptimasi berupa jarak antar wire untuk memperoleh panas total persatuan massa wire and tube yang maksimal. Pada penelitian ini liquid yang digunakan adalah minyak panas dengan suhu masuk 500C. Berdasarkan hasil optimasi fref maksimal diperoleh saat jarak antar wire (pw) sebesar 2 cm. rincian mengenai kondisi fref maksimal ini adalah dw = 1,5 mm, pw = 2 cm, Qtotal = 43,113 watt, massa wire and tube = 2.258 kg, f0 = Qtotal / massa = 20.389 Watt/kg, fref = f / f0 = 1,1723. Ini berarti hanya dengan menggunakan 73% dari massa awal wire and tube dapat dipindahkan panas sebesar 88,8% dari panas total desain awal. Kata kunci : Wire And Tube Heat Exchanger, kapasitas panas permassa wire and tube, Optimasi geometri

I. PENDAHULUAN Wire and tube condenser ini sangat berperan penting dalam efisiensi kerja maupun biaya operasi mesin kulkas. Bentuk dan spesifikasi geometri alat sangat menentukan besarnya panas yang dapat dipindahkan ke lingkungan. Jarak antar wire, diameter wire, diameter tube, dan jarak antar tube pada alat merupakan parameter desain yang sering diubah-ubah untuk mendapatkan perpindahan panas yang optimum antara refrigerant dengan lingkungan. Parameter-parameter tersebut sangat besar pengaruhnya terhadap koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian luar alat. Beberapa artikel telah dipublikasikan untuk memodelkan natural konveksi wire and tube condenser. Tanda dan Tagliafico (1997) membuat hubungan untuk memprediksi

koefisien heat transfer konveksi natural pada wire and tube condenser. Mereka mengembangkan hubungan heat transfer koefisien sebagai fungsi geometri dan parameter operasi. Tagliafico dan Tanda (1997) juga membuat model wire and tube condenser yang menyertakan perpindahan panas secara natural konveksi dan secara radiasi. Mereka menggunakan persamaan semi empiris untuk menghitung koefisien heat transfer secara natural konveksi. Sedangkan untuk heat transfer secara radiasi mereka mengambangkan model teoritis untuk menghitung koefisien rata-rata heat transfer secara radiasi. Mereka memvalidasi model tersebut dengan data-data eksperimen dari delapan wire and tube condenser dengan geometri yang berbeda beda. Berkaitan dengan perpindahan panas secara radiasi mereka membuat hubungan emisivitas dengan parameter geometri. Quardir et at (2002) juga mengembangkan model wire and tube condenser untuk natural konveksi. Mereka menggunakan metode elemen terbatas dan memodelkan berbagai macam suhu ambien serta refrigerant flow rate untuk memeriksa pengaruh yang terjadi pada performance heat exchanger. Penulis mengasumsi bahwa konstan koefisien overall heat transfer adalah 10 W/m2K untuk model yang mereka gunakan. Disini mereka lebih menekankan mengenai letak terjadinya perubahan fasa pada refrigerant. Bansal dan Chin (2003) mengembangkan model computer dengan menggunakan FORTRAN untuk natural konveksi wire and tube. Mereka menggunakan metode yang sama dengan Tagliafico dan Tanda untuk memperoleh koefisien heat transfer natural konveksi maupun secara radiasi. Sedangkan model yang digunakan ialah metode elemen terbatas sebagaimana yang digunakan Quardir. Hasil permodelan tersebut kemudian difitting dengan heat load total dari condenser sebagai validasi dari permodelan tersebut. Dari hasil fitting didapat bahwa defiasi heat load adalah sebesar ± 10%. Pada penelitian ini mereka juga menggunakan parameter thermodinamika refrigerant untuk menghitung koefisien heat transfer pada bagian refrigerant. Pradeep Kumara (2011), menggunakan model yang telah ada dari Tagliafico dan Tanda (1997) melakukan optimasi terhadap wire and tube untuk meningkatkan perpindahan panas dan mengurangi biaya pembuatan condenser. Ia menemukan jumlah wire yang optimal sehingga meningkatkan perpindahan panas sebesar 32,9 % serta mengurangi biaya produksi sebesar 19 % dari desain yang sudah ada.

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

I.2 Rumusan Masalah Penelitian-penelitian yang telah dilakukan di atas mengunakan wire and tube dengan bahan tembaga dan suhu ambient rata-rata sebesar 200C. Sehingga masih perlu diadakan penelitian untuk bahan dan kondisi suhu lingkungan yang berbeda. Mayoritas pabrikan di Indonesia memakai bahan steel untuk wire and tube dan suhu lingkungan rata-rata adalah 300C. Parameter geometri yang digunakan sebagai basis oleh Bansal and Chin ialah diameter tube 4,5 mm, jarak antar tube 45 mm, diameter wire 1 mm dan jarak antar wire 4,5 mm. Sedangkan pada penelitian ini akan digunakan wire and tube dengan basis diameter tube 7,1 mm, jarak antar tube 5 cm, diameter wire 1,5 mm dan jarak antar wire 5 mm. I.3 Batasan Masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi pada hal-hal berikut: 1. Asumsi koefisien perpindahan panas baik secara konveksi maupun radiasi tiap-tiap elemen konstan. 2. Persamaan yang digunakan ialah model yang dikembangkan oleh Tagliafico dan G Tanda (1997) serta Bansal dan Chin (2003). 3. Optimasi kapasitas panas per massa wire and tube hanya dilakukan dengan variable diameter dan jarak antar wire. 4. Metode optimasi yang digunakan ialah dengan metode Hooke-Jeeves

2

Bansal dan Chin (2003). Model ini selanjutnya akan divalidasi terlebih dahulu dengan data eksperimen yang dilakukan sendiri di laboratorium perpindahan panas dan massa. Hasil yang akan divalidasi dalam penelitian ini adalah suhu tube pada elemen tertentu. Secara keseluruhan penelitian ini terdiri atas beberapa tahapan seperti yang tergambar pada diagram di bawah.

Start Permodelan dan Validasi Model Analisa dan perhitungan sesuai model Optimasi wire and tube Optimal geometri end Gambar II.1 Diagram alir langkah-langkah penelitian II.1 Eksperimen dan Validasi III.1.2 Alat Penelitian

I.4 Tujuan Penelitian Berdasarkan penelitian-penelitian terdahulu serta produksi wire and tube yang telah ada dipasaran Indonesia maka penelitian ini bertujuan untuk: 1. Melakukan permodelan dan memvalidasi model tersebut dengan data-data eksperimen yang telah ada dengan parameter geometri dan kondisi operasi yang telah disesuaikan dengan kondisi lokal. 2. Dari hasil permodelan yang telah divalidasi tersebut akan digunakan untuk mengoptimalkan geometri wire and tube terutama pada bagian diameter dan jarak antar wire sehingga diperoleh perbandingan kapasitas panas wire and tube dengan massa wire and tube yang optimal.

Untuk melakukan penelitian ini digunakan peralatan yang terdiri dari sebuah tabung terisolasi yang dilengkapi dengan coil pemanas elektrik di dalamnya. Tabung ini akan diisi oleh minyak sebagai bahan penelitian. Coil pemanas dapat diseting suhunya untuk berbagai macam variable operasi. Pompa digunakan untuk mengalirkan minyak panas dari tabung menuju wire and tube heat exchanger. Pada system perpipaan alat ini dipasang valve untuk mengatur flow rate dari minyak. Selain itu juga dipasang alat untuk mengukur spesifik gravity dari minyak. Pada wire and tube dipasang thermocouple untuk mengukur suhu pada segment-segment yang telah ditentukan. Hal ini dilakukan untuk memvalidasi model antara suhu perhitungan dengan suhu pada kondisi nyata tiap segment. Minyak keluar dari wire and tube akan direcycle kembali ke tabung pemanas melalui pipa.

II. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini bertujuan untuk melakukan optimasi terhadap kapasitas penukar panas sehingga diperoleh perbandingan kapasitas panas terhadap massa wire and tube yang optimal dengan memvariasi parameter geometri yang telah ditentukan. Dalam penelitian ini variabel parameter geometri yang digunakan ialah jarak antar wire. Model yang digunakan ialah model elemen terbatas dimana dalam satu alat wire and tube dibagi menjadi elemen-elemen kecil yang terdiri dari sebuah tube dengan panjang sama dengan pitch wire (pw) dengan 2 wire sebagai fin sepanjang pitch tube (pt). Dimana persamaan yang digunakan untuk mencari koefisien perpidahan panas scara konveksi bebas dan secara radiasi dalam penelitian ini ialah persamaan yang dikembangkan oleh Taglifico dan G Tanda (1997) serta teknik iterasi menggunakan teknik dari

Gambar II.2 Peralatan Uji Wire And Tube Condenser

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

Keterangan gambar: 1. Tabung pemanas listrik 2. Pompa 3. Valve 4. Wire and tube 5. Thermocouple suhu input 6. Thermocouple suhu output 7. Rotameter 8-16 Thermocouple wire and tube III.1.3 Validasi Validasi dilakukan dengan membandingkan suhu eksperimen pada elemen-elemen tertentu dengan suhu perhitungan pada elemen yang sama. Elemen-elemen tersebut secara model berada pada elemen no: 1, 34, 66, 99, 132, 166, 198, 231, 242, Tout. Kondisi operasi perhitungan disamakan dengan kondisi eksperimen.

3

steel dan dialiri minyak didalamnya. Berikut persamann yang digunakan serta urut-urutan dalam memproses perhitungan: Input: T liquid (K) Tebak suhu tube terluar Tto = T liquid-0.5K Tebak koefisien perpindahan panas wire hw sehingga efektiitas wire

= 0,9. dimana

bahan steel dianggap konstan Dimana konduktifitas wire pada nilai 45 W/m2K. Selanjutnya menghitung parameter geometri GP

III.2 Permodelan Pada penelitian ini akan dilakukan permodelan matematis untuk memprediksi distribusi suhu di dalam wire and tube. Persamaan yang akan diselesaikan dalam memprediksi distribusi suhu dalam wire and tube adalah sebagai berikut:

Untuk menyelesaikan persamaan tersebut akan digunakan metode finite element dimana dalam wire and tube dibagi dalam beberapa elemen yang mana dalam satu elemen suhu rata-rata fluida konstan, pada kondisi steadi state perpindahan panas hanya terjadi dari fluida elemen menuju lingkungan melalui tube dan wire. Berikut persamaan yang digunakan dalam menyelesaikan metode finite element. Satu elemen yang dimaksud dalam model ini ialah sebagaimana gambar III.3 berikut.

Gambar II.4 Parameter geometri wire and tube

Dengan nilai GP ini selanjutnya akan digunakan untuk menghitung suhu rata-rata (Tex) elemen yaitu suhu rata-rata antara suhu tube (Tt) dan wire (Tw). Tex dapat dihitung melalui persamaan berikut:

ialah suhu ambient lingkungan dan ialah suhu terluar tube. Suhu Tex ini digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas secara radiasi (hr). (3.2) merupakan konstanta boltzman 5,67 x 10-8 W K4 m dan merupakan fungsi emisifitas yang komplek. Untuk mencari nilai akan diseting konstan pada range 0.7-1 sehingga menghasilkan validasi yang baik antara hasil model dan percobaan. Untuk menghitung koefisien perpindahan secara konveksi (hc) mengikuti langkah berikut:

pw Gambar II.3 Satu Elemen Dalam Metode Finite Elemen

Untuk mengetahui besarnya perpindahan panas tiap elemen (Qele) diperlukan perhitungan terhadap koefisien transfer panas sisi luar pada wire and tube menggunakan model dari Bansal dan Chin (2003) untuk tiap elemen. Selanjutnya panas total merupakan penjumlahan dari panas yang dipindahkan tiap elemen. Suhu pada tube tiap elemen akan divalidasi dengan hasil percobaan menggunakan wire and tube yang terbuat dari

dimana

dan

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

Setelah hr dan hc diketahui selanjutnya menghitung ho dengan persamaan :

Sebagaimana eksperimen sebelumnya bahwa nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (hi) nilainya sangat besar jika dibandingkan ho yang mana artinya resistance atau tahanan bagian luar Ro lebih besar dari bagian dalam Ri. Sehingga tahanan bagian luar Ro menjadi batasan dalam perpindahan panas. Dalam penelitian ini nilai Ri akan dianggap kecil dan besarnya ialah 0.09 x Ro. Panas yang dipindahkan tiap elemen (Qele) dapat dihitung dengan persamaan berikut:

ialah 1/jumlah resistance yang ada pada Dimana elemen. Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Nilai Ao dihitung dari persamaan 2.23 Selanjutnya untuk menghitung elemen berikutnya digunakan energy balance energy liquid keluar sama dengan energy liquid masuk dikurangi dengan Qele. Dengan demikian suhu liquid pada elemen selanjutnya dapat dihitung melalui persamaan:

Setelah itu perhitungan dimulai seperti awal tadi hingga elemen yang terakhir. Dan panas total (Qtot) merupakan penjumlahan dari panas tiap elemen (Qele).

Namun sebelumnya suhu tube Tt yang ditebak diawal memerlukan koreksi menggunakan persamaan berikut:

Untuk menyelesaikan persamaan di atas, tidak dapat dilakukan penyelesaian secara eksplisit sehingga diperlukan metode iterative untuk menyelesaikan dengan menebak harga awal dari hw maupun Tt. Skema flowchart untuk menyelesaikan persamaan-persamaan di atas sudah ditunjukkan pada BAB II sebelumnya. Untuk prosedur optimasi akan digunakan factor optimasi sebagai berikut:

4

Panjang tube Diameter tube Diameter kawat Jarak antar kawat Jumlah tube Jarak antar tube .

: 57 cm : 7,1 mm : 1,5 mm : 5 mm : 10 : 4 cm

Pada penelitian ini akan dicari kondisi maksimum untuk mengoptimalkan objective function fop. Adapun desain variabel yang diatur adalah jarak antar wire (pw) sedangkan diameter tube, jarak antar tube dan diameter wire dipertahankan konstan pada 7,1 mm , 5 cm dan 1,5 mm. Jumlah tube keseluruhan ialah konstan 10 buah. Kondisi operasi yaitu fluida minyak dengan rate 0.001 kg/s. Suhu awal masuk 50oC dan suhu lingkungan 30oC.

III. HASIL DAN DISKUSI Dalam hal ini model yang digunakan divalidasi dengan percobaan yang dilakukan sendiri menggunkan seperangkat penukar panas wire and tube dengan spesifikasi sebagai berikut: Panjang tube : 45 cm Diameter tube : 5 mm Diameter kawat : 1 mm Jarak antar kawat : 5 mm Jumlah tube : 12 Panjang penukar panas : 55 cm Jarak antar tube : 5 cm Kondisi operasi: Massrate : .002 kg/s Suhu masuk : 450 C Suhu lingkungan : 300 C Selanjutunya dengan menggunakan alat tersebut akan diamati suhu pada beberapa titik seperti yang ditunjukkan pada gambar IV.1. Dari hasil pengamatan tersebut akan dijadikan sebagai validasi model yang dihitung dengan spesifikasi dan kondisi operasi yang sama.

55 cm

45cm

Dimana Qopt merupakan panas total yang dipindahkan wire and tube dan wopt ialah massa wire and tube yang akan dioptimasi. Sedangkan Q0 dan w0 merupakan kapasitas panas dan massa desain dasar dari pabrikan. Pada peneletian ini desain awal yang digunakan sebagai basis ialah wire and tube dengan spesifikasi sebagai berikut:

1 mm

5 cm

5 mm 5 mm

Gambar III.1. Skema alat percobaan dengan titik-titik yang diukur suhunya

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

Titik-titik tersebut secara model berada pada elemen no: 1, 34, 66, 99, 132, 166, 198, 231, 242, Tout. Hasil percobaan dan perhitungan disajikan dalam bentuk table sebagai berikut: Table III.1 Suhu pada elemen tertentu berdasar percobaan dan perhitungan

Elemen ke

T percobaan

T Perhitungan

1

43

43.34

34

41

42.26

66

40

41.27

99

39

40.33

132

38

39.46

166

37

38.62

198

37

37.83

231

36

37.12

242

36

36.91

Tout

35

35.53

Berdasarkan hasil pengamatan tersebut maka diperoleh perbedaan suhu model dengan suhu eksperimen rata-rata sebesar 1,068oK. Berikut profil suhu pada tiap titik berdasarkan percobaan dan perhitungan.

5

mengubah parameter-parameter geometri, diharapkan akan diperoleh panas total maksimum yang dapat dipindahkan ke lingkungan. Namun jika hanya panas total yang akan maksimalkan tentunya secara teori penambahan jumlah wire yang banyak akan meningkatkan rate perpindahan panas akibatnya material yang digunakan pada saat fabrikasi akan menjadi banyak pula. Oleh karena itu, selain rate perpindahan panas akan dipertimbangkan juga mengenai massa yang digunakan dalam pembuatan wire and tube. Dengan melakukan optimasi diharapkan wire and tube dapat memindahkan panas secara maksimal dengan massa bahan yang sesedikit mungkin. Pada penelitian ini spesifikasi serta kondisi operasi alat wire and tube yang digunakan sebagai basis untuk dioptimalkan adalah sebagai berikut. Panjang tube : 57 cm Diameter tube : 7.1 mm Diameter kawat : 1.5 mm Jarak antar kawat : 5 mm Jumlah tube : 10 Panjang penukar panas : 45 cm Jarak antar tube : 5 cm Kondisi operasi: Massrate : 0.001 kg/s Suhu masuk : 500 C Suhu lingkungan : 250 C Dengan menggunakan model yang dibuat pada penelitian, maka hasil yang diperoleh dari wire and tube basis ditabelkan sebagai berikut: Table IV.2 Qtotal, f0 wire and tube basis Hasil yang diamati Nilai Satuan Qtotal 48.7591 Watt Massa wire and tube 3.088 kg f0 = Qtotal / massa 15.7899 Watt/kg fref = f / f0 1 Berikut disajikan grafik pengaruh perubahan jarak antar wire (pw) terhadap fakor optimasi referens (fref).

Gambar III.2. Grafik validasi suhu tiap elemen

Pada kondisi ini εapp diseting pada nilai 0,8 sehingga meghasilkan hasil seperti yang terlihat pada grafik di atas. Dengan selisih suhu rata-rata yang cukup kecil yaitu 1,068oK, maka model perhitungan yang dianggap dibuat sudah cukup baik dan dapat digunakan dalam optimasi.

III.3 Optimasi Panas Total Persatuan Massa Wire and Tube Perubahan pw memberikan efek yang sangat signifikan terhadap panas total yang dapat dipindahkan oleh wire and tube. Selain berpengaruh terhadap koefisien perpindahan panas bagian luar tube ho penambahan atau pengurangan jumlah wire pada tube juga berpengaruh terhadap luas permukaan perpindahan panas. Selain jumlah wire, diameter juga berpengaruh terhadap luas perpindahan panas. Dengan

Gambar III.3 Grafik pengaruh pw terhadap Fref saat dw = 1,5 mm

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6

pada grafik nampak bahwa fref optimal dicapai pada dw=1,5 mm dan pw= 2 cm dengan nilai fref= 1,1723. Dengan panas yang dipindahkan sebesar 43,113 watt.

IV.KESIMPULAN IV.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan maka dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut: 1. Model yang digunakan untuk menghitung panas total wire and tube dapat dianggap valid dengan penyimpangan suhu rata-rata sebesar 1,068oK. 2. fref maksimal diperoleh saat jarak antar wire (pw) sebesar 2 cm. rincian mengenai kondisi fref maksimal ini adalah dw = 1,5 mm, pw = 2 cm, Qtotal = 43,113 watt, massa wire and tube = 2.258 kg, f0 = Qtotal / massa = 20.389 Watt/kg, fref = f / f0 = 1,1723 Ini berarti hanya dengan menggunakan 73% dari massa awal wire and tube dapat dipindahkan panas sebesar 88,8% dari panas total desain awal. IV.2 Saran Bila diinginkan perpindahan panas yang optimal tanpa memperhatikan massa wire and tube, maka sebagaimana penjelasan dalam bab IV jarak antar wire optimum yang menghasilkan panas terbesar adalah pw = 2 mm dan harga dw harus diseting mendekati pw namun ≠ pw. Bila diambil nilai dw = 1.5 mm maka panas total yang dipindahkan ialah sebesar Qtot = 55,43 watt. Ini berarti panas yang dipindahkan 13,68% lebih besar dari basis. DAFTAR PUSTAKA Bansal, P.K., and Chin, T.C., 2003, Modelling and optimisation of wire-and-tube condenser, International Journal of Refrigeration, Vol. 26, pp. 601-613. Hoke, J.L., Clausing, A.M., and Swofford, T.D., 1997, An Experimental Investigation of Convective Heat Transfer From Wire-On-Tube Heat Exchangers, Transactions of e ASME, Journal of Heat Transfer, Vol. 119, pp. 348-356. Lee, T.H., Yun, J.Y., Lee, J.S., Park, J.J., and Lee, K.W., 2001, Determination of airside heat transfer coefficient on wire-on-tube type heat exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 44, pp. 17671776. Lienhard, John. 2002. A Heat Transfer Text Book. Cambridge : Phlogiston Press. Tagliafico, L., and Tanda, G., 1997, Radiation and natural convection heat transfer from wire-and-tube heat exchangers in refrigeration appliances, International Journal of Refrigeration, Vol. 20, No. 7, pp. 461-469.

6

Tanda, G., and Tagliafico, L., 1997, Free Convection Heat Transfer From Wire-and-Tube Heat Exchangers, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, Vol 119, pp. 370-372. Kumara, Pradeep, 2011, Optimization Of Performance And Assessment Of Material Cost Of The Refrigerator Condenser, Master Of Science Thesis, KTH School of Industrial Engineering and Management. Schwentecker, R, 2005, Advanced to a Computer Model Used in the Simulation and Optimization of Heat Exchenger, Master Of Science Thesis, University of Maryland.