SIMULASI PERANCANGAN THERMOHIDROLIK PADA ALAT PENUKAR PANAS JENIS RECUPERATOR EXTENDED SURFACE

SIMULASI PERANCANGAN THERMOHIDROLIK PADA ALAT PENUKAR PANAS JENIS RECUPERATOR EXTENDED SURFACE Cokorda Prapti Mahandari Laboratorium Fisika Dasar, Universitas Gunadarma Jl. Akses UI Kelapa Dua, Cimanggis Depok E-mail: [email protected]

Abstrak Proses perancangan alat penukar panas secara manual yang menimbulkan kesalahan karena kendala kejenuhan dan paralaks saat proses plotting data thermofisis dan karakteristik permukaan (j dan f), dapat diatasi dengan menyelesaikan persamaan matematisnya secara simultan dan iteratif. Proses perancangan alat penukar panas dapat dilakukan dengan menyelesaikan persamaan matematis tersebut dengan bantuan aplikasi perangkat lunak komputer visual dengan tampilan antar muka yang berbasis pada lingkungan Windows. Dalam penulisan ini dikembangkan metodologi perancangan alat penukar panas berupa tahapan algoritma simulasi rating dan simulasi sizing sebagai langkah awal dalam penyusunan program komputernya. Tahapan algoritma perancangan alat penukar panas dijadikan dasar untuk menyusun bahasa pemrograman Turbo Pascal dengan bahasa kompilernya Borland Delphi sehingga diperoleh perangkat lunak visual sebagai alat bantu perancangan thermohidrolik.Analisa perancangan didasarkan pada metode Effectiveness-Number Transfer Unit (NTU). Penyelesaian perancangan thermohidrolik dari alat penukar panas dengan program ini memiliki beberapa utilitas meliputi variasi jenis fin sesuai standard Kays-London maupun autodisain, jenis material permukaan dan jenis fluida yang digunakan sebagai parameter analisa sizing dan rating. Dengan aplikasi ini penyelesaian perancangan thermohidrolik alat penukar panas dapat dieksekusi secara cepat, akurat dan dapat mengubah kriteria perancangan. Pengembangannya masih dapat dilakukan dengan menambahkan variasi jenis fluida, jenis permukaan, dan perancangan mekaniknya. Kata Kunci : perancangan, alat penukar panas, simulasi

1.

Pendahuluan

Sejak menggulirnya isu global akan menipisnya cadangan energi fosil di dunia dewasa ini, mendorong pengguna energi terutama yang mengkonsumsi energi dalam skala besar untuk segera mengantisipasinya dengan membenahi sistem thermalnya. Banyak langkah yang di tempuh seperti rekayasa pemanfaatan energi lain sebagai energi alternatif pengganti energi fosil dengan lompatan energi yang canggih. Respon dalam bidang thermal adalah maraknya kembali perhatian akan pentingnya alat penukar panas (heat exchanger). Terobosan yang dilakukan adalah dengan rekayasa alat penukar panas sebagai Heat Recovery Equipment. Alat ini dipakai untuk memanfaatkan kembali energi residu yaitu energi panas yang terbuang ke atmosfir Pada proses perancangan alat penukar panas, analisa thermohidrolik baik rating dan sizing secara klasik dilakukan secara manual grafis yang berbasis pada kondisi permukaannya. Bila hasil analisa kurang bisa diterima dari batasan perencanaan maka perancang akan mencoba pada permukaan yang lain. Sedangkan setiap proses analisa ini selalu melibatkan plotting data thermofisis dan karakteristik permukaan. Selain itu juga melibatkan penyelesaian persamaan matematis secara simultan dan iterative. Proses analisa melalui simulasi program komputer memiliki urgensi sebagai alternatif mendapatkan hasil perancangan yang cepat dan akurat. Untuk itu dibutuhkan pemahaman langkahlangkah perancangan yang akan dibuat dalam tahapan algoritma sederhana sebelum diterjemahkan dalam bahasa program yang sesuai. B-83

Proceedings, Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2002) Auditorium Universitas Gunadarma, Jakarta, 21 – 22 Agustus 2002

B-84

Pembuatan tahapan algoritma perancangan alat penukar panas dapat dibuat dengan terlebih dahulu melakukan studi pustaka tentang dasar-dasar perpindahan panas, thermodinamika, mekanika fluida, perancangan alat penukar panas kompak (compact heat exchanger) serta pengenalan bahasa pemrograman komputer. Tahapan algoritma disusun dengan mempertimbangkan kemungkinan kemudahan pemakaian rumus analitis dari setiap tabel maupun grafik data thermofisis dan karakteristik permukaan untuk diimplementasikan pada bahasa pemrograman. Perencanaan alat penukar panas dibatasi pada perencanaan thermal dan hidraulik dengan tidak membahas masalah tegangan thermal, ekspansi thermal, biaya, bagian pengumpul fluida (header), ketidakseragaman aliran, korosi, dan lain sebagainya. Demikian pula asumsi kondisi operasi penukar panas pada kondisi tunak. Kerugian panas ke lingkungan, perubahan energi potensial dan energi kinetik, diabaikan. Pada jenis rekuperator sedikit kemungkinan adanya energi tersimpan sehingga fluida yang mengalir didalamnya dapat dianggap tidak akan mengalami perubahan fase. Simulasi perencanaan penukar panas tidak melibatkan proses optimasi disain. Dalam hal tersebut keputusan atas rancangan yang terbaik terletak pada pengguna dari hasil simulasi.

2.

Studi pustaka

Penukar panas jenis rekuperator dibedakan menjadi 2 golongan yaitu berdasarkan pengaturan aliran dan berdasarkan permukaan geometrisnya. Berdasarkan pengaturan aliran, umumnya alat penukar panas jenis rekuperator dirancang untuk aliran melintang atau cross flow. Jenis ini dibedakan menjadi 2 yakni yang kedua fluidanya bercampur dan yang hanya salah satu fluida bercampur. Sedangkan berdasarkan permukaan geometrisnya penukar panas ini terbagi menjadi 3 kelompok besar, yaitu yang permukaannya tubular atau tanpa sirip, tubular bersirip (finned tube) dan yang plat bersirip (plate fin). Penukar panas rekuperator permukaan tubular tanpa sirip dibedakan menjadi 2 yakni : aliran normal pada konfigurasi circular tube dan aliran dalam circular tube dan flattened circular tube. Penukar panas finned tube, berdasarkan pengaturan finnya dibedakan menjadi 2 yaitu yang konfigurasi berseling (stagered) dan konfigurasi sebaris (in-line). Sedangkan dari bentuk permukaan siripnya, penukar panas finned tube dibedakan menjadi 3 yakni : circular /radial fin pada circular tube, flat tube dengan continous fin, dan circular tube dengan continous fin. Penukar panas permukaan plat bersirip (plate fin) dibedakan menjadi 7 jenis yakni : plane triangular fin, plane rectangular fin, wavy fin, offset strip fin, pin fin, multilouver fin dan round perforated fin. Kays dan London memberikan kontribusi dasar secara umum mengenai simbol geometris pada masing-masing sisi fluida alat penukar panas sebagai berikut : Dh = diameter hidrolik laluan fluida (m, ft) A = luasan perpindahan panas total (m2, ft2) Ao = luas alir bebas minimum/free flow area (m2, ft2) Afr = luas muka frontal (m2, ft2) L = panjang alir (m, ft) V = volume total (m3, ft3) α = rasio luasan perpindahan panas total terhadap volume total (m2/m3, ft2/ft3) β = rasio luasan perpindahan panas total pada salah satu sisi penukar panas terhadap volume antar plat pada sisi tersebut (m2, ft2) σ = porositas atau rasio Ao terhadap Afr (tanpa dimensi) Af/A = rasio luasan fin terhadap luasan perpindahan panas total pada salah satu sisi Sedangkan simbol-simbol geometri untuk tiap jenis penukar panas dengan ragam siripnya mengacu pada simbol baku yang dapat diperoleh pada buku acuan perancangan penukar panas (Heat Exchanger Design Hand Book).

Simulasi Perancangan Thermohidrolik Pada Alat Penukar Panas Tipe Recuperator Extended Surface Dengan Borland Delphi

3.

B-85

Tahapan algoritma perancangan

Tahapan algoritma perancangan penukar panas dibedakan menjadi 2 jenis berdasarkan permasalahannya yaitu rating problem dan sizing problem. Rating problem dipergunakan untuk menyelesaikan permasalahan dengan ukuran geometris penukar panas telah diketahui. Sedangkan sizing problem untuk memperoleh ukuran geometris dari penukar panas dengan informasi thermal yang telah diketahui. 3.1.

Rating problem Tahapan algoritma simulasi rating problem dinyatakan sebagai berikut : 1. Input informasi proses 2. Input dan atau pilih informasi mekanik 3. Hitung properti geometri permukaan kedua sisi Properti geometri yang dihitung adalah : Luasan heat transfer ( A) Luasan alir bebas minimum ( Ao) Luasan frontal (Afr) Volume ( V) Porositas (σ) Diameter hidrolik (Dh) Rasio Af/A dan atau β Khusus untuk konstruksi standar maka parameter α, β, σDh dan Af/A tidak dihitung karena telah ditampilkan dalam informasi mekanik saat pemilihan kode desain standar. Untuk parameter lain dihitung sebagai berikut : Afr = L1 L2 (1) Khusus penukar panas plat sirip konstruksi standar

β 1 .b1

α1 =

b1 + b2 + a β .Dh σ1 = 1 1 4

V = L1 L2 L3 A1 = V α1 4. Estimasi harga effectiveness, saran R.K. Shah estimasi awal ε pada harga 0,75 5. Prediksi temperatur outlet iterasi pertama

Tc, o = Tc, i + ε o(Th, i − Tc , i ) Th, o = Th, i + ε o(Th, i − Tc , i )

(2) (3) (4) (6)

(7) (8)

6. Hitung temperatur bulk rata-rata

Tc, i + Tc, o 2 Th, i + Th, o Th, m = 2 Tc, m =

(9) (10)

7. Evaluasi sifat thermofisis fluida pada kedua sisi 8. Hitung kecepatan massa maksimum (G)

G=

m m = Ao σ . Afr

(11)


B-86

9. Hitung Reynold Number

Re =

ρV max .Dh G.Dh = μ μ

(12)

10. Korelasikan karakteristik permukaan ( j dan f ) 11. Hitung koefisien konveksi kedua sisi

h = jG.Cp. Pr −2 / 3

(13)

atau

h=

Nu.k Dh

(14)

12. Hitung temperatur dinding kedua sisi

q hc. Ac q Tw, co = Tc, o + hc. Ac q Tw, hi = Th, i − hh . Ah q Tw, ho = Th, o − hh . Ah

Tw, ci = Tc , i +

(15) (16) (17) (18)

13. Hitung temperatur dinding rata-rata

Tw, m =

Tw, c + Tw, h 2

(19)

14. Cek kondisi batas analisa bila melibatkan fluks panas konstan maka koreksi j dan f 15. Evaluasi konduktivitas thermal material 16. Hitung efisiensi fin

tanh( ml ) ml 2h m= k mδ

ηf =

(20) (21)

nilai l ditentukan sebagai berikut : untuk fin wavy, plain, strip dan perforated dengan bentuk laluan rectangular : l = b/ 2 −δ (22) untuk fin plain dan louver dengan bentuk laluan triangular:

⎛1⎞ l = (b − δ ) + ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝γ ⎠

2

(23)

untuk fin pin

l = b / 2 − 2δ

(24)

dengan δ = do/2 untuk fin circular tube

l = lf + δ / 2

(25)

untuk continous fin tube

l = XT / 2 + δ / 2

(26)

17. Hitung efisiensi permukaan menyeluruh

ηo = 1 −

Af (1 − η f ) A

(27)


B-87

18. Hitung konduktivitas thermal menyeluruh (U)

⎡ 1 Rf , c" Rf , h" 1 ⎤ UA = ⎢ + + Rw + + (η o A)h (η o hA)h ⎥⎦ ⎣ (η o hA)c (η o A)c

−1

(28)

dengan Rw : untuk plate fin exchanger :

Rw =

a a = Aw.kw L1 L2 Np.kw

(29)

untuk tube fin exchanger:

⎛ do ⎞ ln⎜ ⎟ ⎝ di ⎠ Rw = 2π .kw.L.Nt

(30)

19. Tentukan Cmin dan hitung rasio C (C*)

Cc = mc .Cp c Ch = mh .Cp h

(31) (32)

Tentukan Cmin dari nilai Cc dan Ch yang terkecil, kemudian hitung C* :

C* =

C min C max

(33)

20. Hitung number of transfer unit

NTU =

UA C min

(34)

21. Tentukan effektiveness actual

{ [

] }

⎡⎛ 1 ⎞ ⎤ 0 , 78 0 , 22 exp − C * (NTU ) −1 ⎥ ⎟ NTU ⎣⎝ C * ⎠ ⎦

ε = 1 − exp ⎢⎜

(35)

22. Cek effectiveness, bila melampaui nilai 80 % maka koreksi terhadap efek konduksi longitudinal 23. Tentukan temperatur outlet aktual fluida

Cmin (Th, i − Tc, i ) Ch C min (Th, i − Tc, i ) Tc.o = Tc, i + ε Cc

Th, o = Th, i − ε

(36) (37)

24. Tentukan laju heat transfer aktual

q = ε C min(Th, i − Tc, i )

(38)

25. Hitung pressure drop aktual kedua sisi

⎫ ⎛ρ ⎞ ΔP G 2 1 ⎧ A ρi 2 = + 2⎜⎜ i − 1⎟⎟ − 1 − σ 2 − Ke ⎬ ⎨ 1 − σ + Kc + f pi 2 gc Pi.ρi ⎩ Ao ρ m ⎝ ρo ⎠ ⎭

(

)

(

)

(39)

Ada dua iterasi yang harus dilakukan antara lain : a. Proses ke 4-22 dengan mengganti nilai effectiveness yang terbaru hasil proses ke 24 b. Proses ke 5-23 dengan merevisi nilai temperatur outlet hasil proses ke 23 3.2.

Sizing Problem Tahapan algoritma simulasi sizing problem adalah : 1. Input informasi proses 2. Pilih informasi mekanik 3. Hitung temperatur bulk rata-rata ( persm.10)


B-88

4. Evaluasi sifat thermofisis fluida kedua sisi 5. Hitung Rasio C ( C*) ( persm. 32 dan 33) 6. Tentukan effectiveness aktual

ε=

q C min (Th, i − Tc, i )

(40)

7. Input NTU keseluruhan 8. Tentukan NTU spesifik Untuk gas – gas exchanger

NTU 1 = 2 NTU

(41)

untuk gas – liquid exchanger

NTU 1 = 1.1 NTU

(42)

9. Hitung kecepatan massa maksimum (G) kedua sisi

ΔP Piρm ⎛ j⎞ Pi G= Fη o ⎜⎜ ⎟⎟ 2/3 R. Pr NTU ⎝f ⎠ U C min dengan F = dan R = ηo h C 2g c

10. 11. 12. 13.

dari persamaan 73 yang tidak diketahui adalah F, ηo dan j/f sehingga sebuah pendekatan prediksi direkomendasikan oleh R.L Webb antara lain : j/f ditentukan secara ball park melalui input informasi proses ho diestimasi awal pada nilai 0.8 F diprediksi pada nilai awal 0.5 Hitung Reynold Number (pers. 12) Korelasikan karakteristik permukaan (j dan f) Hitung koefisien konveksi kedua sisi (pers. 13) Hitung temperatur dinding kedua sisi

q NTU .C min q Tw, co = Tc, o + NTU .C min q Tw, hi = Th, i − NTU .C min q Tw, ho = Th, o − NTU .C min Tw, ci = Tc, i +

14. 15. 16. 17. 18. 19.

(43)

(44) (45) (46) (47)

Hitung temperatur dinding rata-rata (pers. 19) Cek kondisi batas analisa bila melibatkan fluks panas konstan maka koreksi j dan f Evaluasi konduktivitas thermal material Hitung efisiensi fin ( pers. 20s/d 26) Hitung efisiensi permukaan menyeluruh ( pers. 27) Hitung konduktivitas thermal menyeluruh (U)

1 1 = + U 1 (ηh )1

U 2 = U1

α1 α2

Rf "2

α1 α2

(η )2

α1 α + 2 (ηh )2

(48) (49)


B-89

20. Hitung sifat geometri permukaan kedua sisi

A1 = NTU

Ao1 = Afr1 = L1 =

m1 G1 Ao1

σ1

C min U1

(50) (51)

=

4 Ao1 Dh.α 1

(52)

Dh1 . A1 4 Ao1

(53)

identik untuk sisi kedua 21. Hitung tinggi core heat exchanger

L3 = Afr1 / L2

(54)

22. Hitung pressure drop aktual kedua sisi ( pers. 39) 23. Cek apakah selisih ΔP aktual dengan ΔP kebutuhan memenuhi persyaratan permintaan misalkan dengan nilai 2 % Bila tidak maka iterasi dilakukan pada proses ke 9 – 22 dengan merevisi nilai G koreksi yaitu :

⎡ ⎤ ΔP ⎢ ⎥ 2g c P1.ρ i ⎢ ⎥ Pi G=⎢ ⎛ ⎞⎥ ⎛ ⎞ ⎢ ⎜1 − σ 2 + Kc + f A ρi + 2⎜ ρi − 1⎟ − 1 − σ 2 − Ke ρi ⎟ ⎥ ⎜ ρo ⎟ Ao ρm ρo ⎟⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎜⎝ ⎝ ⎠

(

)

0.5

(55)

Dari kedua tahapan algoritma dapat terlihat banyaknya persamaan matematika yang terlibat. Iterasi juga melibatkan tahapan proses yang cukup panjang. Selain dari pada itu alternatif untuk tiap proses juga dapat melibatkan lebih dari 4 persamaan maupun 9 variasi sehingga menambah rumitnya penyusunan program. Kesulitan berikutnya adalah penentuan nilai karakteristik permukaan j dan f yang ditetapkan pada saat input informasi proses. Namun dengan pendekatan prediksi hal ini masih dapat diatasi.

4.

Eksekusi Program

Beberapa contoh eksekusi simulasi program dapat ditampilkan pada gambar-gambar berikut ini. Setelah program dipasang pada lingkungan Windows, dan di akses, langkah paling awal adalah memulai perancangan baru dengan memilih satuan perhitungan, Satuan Internasional (SI) atau Satuan British. Langkah selanjutnya adalah memasukkan data proses kondisi inlet, jenis fluida dan material permukaan seperti ditampilkan pada gambar 1.

B-90


Gambar 1. Proses memasukkan data awal . Gambar 2 menunjukkan tampilan input data mekanik untuk kondisi permukaan menurut standar Kays dan London. Sedangkan gambar 3 proses memasukkan data mekanik berupa

permukaan autodesain. Simulasi rating telah dapat dilakukan sampai output data, namun untuk simulasi sizing belum dapat dilakukan sampai selesai karena data terutama untuk pilihan fin autodesain belum tersedia.

Gambar 2. Proses input data mekanik untuk kondisi permukaan menurut standar Kays dan London


B-91

Gambar 3. Proses input data mekanik permukaan auto desain

5.

Kesimpulan

Dari hasil simulasi program ini disamping kecepatan dan keakuratan hasil perancangan beberapa kemudahan yang dapat ditampilkan antara lain: 1. Tampilan grafis dengan visual control standar library aplikasi Windows 2. Memiliki menu pilihan dan ragamnya berupa : 9 jenis fluida baik gas maupun liquid 9 jenis material permukaan penukar panas 2 versi satuan 6 variasi jenis fin standar dan 2 ragam jenis autodesain untuk penukar panas permukaan plate fin 2 variasi jenis fin standar dan 2 variasi autodesain untuk penukar panas permukaan tube fin Pengembangan program masih sangat dibutuhkan terutama untuk kondisi aliran fluida maupun perancangan mekaniknya.

6. [1] [2]

[3] [4] [5] [6] [7]

Daftar Pustaka A.C. Mueller, “Heat Exchanger Basic Thermal Design Methods,” in Hand book of Heat Transfer Application, W.M Rohsenow, J.P Harnett, 2ed, New York:McGraw Hill, 1985 B.S.V. Prasad, SMKA Gurukul, ‘Differential Methods for the Performance Prediction of Multi Stream Plate Fin Heat Exchangers,” Trans ASME Journal of Heat Transfer, pp 41-49, February 1992 C.P. Hedderich, M.D. Keller, G.N Vander Plaats, “Design and Optimization of Air Cooled Heat Exchangers,” Trans ASME Journal of Heat Transfer, pp 683-690, November 1982 D. A. Olson,”Heat Transfer in thin Compact Heat Exchanger With Circular, Rectangular, on Pin Fin Flow Passage,” Trans ASME Journal of Heat Transfer, pp 373-382, May 1992 W.M. Kay and A.L London, Compact Heat Exchangers, 2ed, New York:McGraw Hill, 1964 Ralph L Webb, “Compact Heat Exchanger”, Heat Exchanger Design Hand Book,, Kenneth J Bell, New York:Hemisphere Publishing, 1986 Ralph L Webb, Principles of Enhanced Heat Transfer, New York:John Wiley & Sons, 1994

B-92

[8] [9] [10] [11]

[12]

[13] [14] [15] [16] [17]


F.P. Incropera, D.P Dewitt, Fundamental of Heat and Mass Transfer, 3ed, Singapore: John Wiley & Sons, 1990 Robert F Boehm, Design Analysis of Thermal System, New York: John Wiley & Sons, 1987 William H. McAdams, Heat Transmission, 3ed, Tokyo:McGraw Hill, 1983 A.C. Truup, H.M Soliman, “Performance Optimization of Internally Finned Tubes for Laminar Flow Heat Exchanger, in Heat Exchanger, Theory and Practice, N AfghanTaborek, G.F. Hewitt, New York:Hemisphere Publishing, 1983 Kenichi Hashizume, “ Heat Transfer and Pressure Drop Across Finned Tube,” Hand book of Heat and Mass Transfer vol. 1 Heat Transfer Operation, Nicholas P. Cheremisinoff, Houston: Gulf Publishing, 1986 Tunggul M Sitompul, Alat Penukar Kalor, Jakarta: PT Raja Grafindo Persada, 1993 Michael J. Moran, Howard N. Saphiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, New York:John Wiley&Sons, 1988 Anthony Pranata, Tip dan Trik Pemrograman Delphi, Yogyakarta : Penerbit Andi, 1997 Djoko Pramono, Seri Penuntun Praktis Contoh Penggunaan Rutin-Rutin Program Delphi, Jakarta: PT Elex Media Komputindo, 1996 Abdul Kadir, Pemrograman Turbo Pascal untuk IBM PC Menggunakan versi 5 dan 5,5, Jakarta: PT Elex Media Komputindo, 1995

SIMULASI PERANCANGAN THERMOHIDROLIK PADA ALAT PENUKAR PANAS JENIS RECUPERATOR EXTENDED SURFACE

Recommend Documents