Studi Eksperimental Tentang Pengaruh Aliran Fluida Pada Pipa Spiral Terhadap Laju Perpindahan Panas Budi Utomo Kukuh Widodo Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS Abstrak Karakteristik alat penukar panas selain dipengaruhi bentuk geometri dan konfigurasi, juga dipengaruhi oleh jenis alat penukarpanas tersebut. Untuk mengetahui karakteristik sesungguhnya dari suatu alat penukar panas perlu dilakukan uji coba model. Uji eksperimental terhadap Spiral Plate Heat Exchanger dilakukan dengan cara memvariasikan laju aliran massa fluida pada kedua sisi aliran fluidanya, dimana fluida panas yang digunakan berupa oil dari jenis Thermia Oil B, sedangkan fluida dingin yang digunakan adalah air. Model Spiral Plate Heat Exchanger yang akan diuji mempunyai spesifikasi sebagai berikut: diameter core 0,2 m; lebar plat 0,155 m; channel spacing 0, 015 m, dan panjang plat 3,39 m dengan kapasitas panas maksimum 3 KW. Dari studi eksperimen terhadap alat penukar panas jenis Spiral Plate Heat Exchanger diperoleh effectiveness (ε) peralatan terbesar adalah 0, 562 untuk debit air pendingin 900 liter/jam dan fluida panas 150 liter/jam, dan terkecil adalah 0,06 untuk debit air pendingin 150 liter/jam dan fluida panas 500 liter/jam pada temperatur setting 95 0C. Kata kunci: karakteristik alat penukar panas, spiral plate, heat exchanger, laju aliran massa.
Spiral plate heat exchanger dibuat dari dua buah plat datar yang relatif panjang, yang diberi jarak secara terpisah dan dibuat sedemikian rupa membentuk spiral yang sepusat. Jarak antara plat atau celah yang terbentuk dibuat sama dengan memberi skat (spacer stud) sepanjang plat tersebut. Kedua celah tempat fluida mengalir ditutup dan secara bergantian celah tersebut di las pada kedua sisi plat spiral (Gambar 1).
pengelasan, seperti: carbon steel, stainless steel, hastelloy B dan C, nikel dan campuran tembaga. Plat spiral heat exchanger umumnya di desain untuk tekanan maksimal pada setiap lintasan, dimana pada setiap lintasan tersebut akan mempunyai tekanan kerja sesuai dengan yang.direncanakan, sehingga ketebalan dari plat pembentuk spiral ini juga merupakan faktor penentu. Karena bentuknya yang melingkar, maka tiap laluan mempunyai jari-jari yang berbeda. Umumnya alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada tekanan kerja maksimum sebesar 150 psi. Pembuatan spiral plate heat exchanger dapat dilengkapi dengan tutup (cover) untuk tiga jenis aliran, sebagai berikut: 1. Masing-masing fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya, seperti terlihat pada Gambar 2a. 2. Satu fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya, sedangkan fluida yang lain mengalir secara aksial melintasi spiral (Gambar 2b).
Gambar 1. Aliran spiral pada kedua sisi laluan. Spiral plate heat exchanger dibuat dari beberapa bahan yang dapat dikerjakan dengan pengerjaan dingin (cold worked) dan 23
24 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002
3.
Satu fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya, sedangkan fluida yang lain merupakan kombinasi antara aksial dan spiral flow (Gambar 2c).
Gambar 2. Jenis spiral plate heat exchanger berdasarkan alirannya Untuk aliran dimana masing-masing fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya, rakitan spiral plate-nya memiliki tutup pada kedua sisinya. Dan dalam susunan tersebut fluida biasanya mengalir dengan arah yang berlawanan, yaitu dengan mengalirkan fluida dingin pada sekelilingnya sehingga mengalir kearah pusat, sedangkan fluida panas dimasukkan pada pusat tersebut sehingga mengalir kearah sekelilingnya. Model heat exchanger tersebut dapat ditopang dengan salah satu poros, yaitu vertikal atau horisontal. Hal tersebut diaplikasikan secara luas dalam penggunaan antar fluida (liquid to liquid service) dan untuk berbagai macam gas atau pengembun uap jika volumenya tidak terlalu besar untuk luasan aliran maksimum 72 sq. in. Untuk aliran dimana satu fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya sedang fluida yang lain mengalir secara aksial melintasi spiral, rakitan spiral plate-nya mempunyai tutup
kerucut (conical covers), piringan penutup atau extension dengan flat cover. Dalam desain tersebut, laluan untuk aliran aksial dibuka kedua sisinya dan saluran dari aliran spiral di las pada kedua sisinya. Model spiral plate heat exchanger tersebut layak digunakan, dimana terdapat perbedaan volume yang besar dari dua fluida kerjanya. Peralatan ini dapat diaplikasikan untuk pemakaian antar fluida (liquid to liquid service), pemanasan atau pendinginan gas, pengembunan uap, atau pendidihan kembali (reboiler). Hal ini dapat dibuat dengan satu atau lebih laluan pada bagian aksial. Dan ini dapat disangga dengan poros dari salah satu spiral yang vertikal atau horisontal. Untuk kombinasi aliran dimana satu fluida mengalir mengikuti bentuk spiralnya sedangkan fluida yang lain merupakan kombinasi antara aksial dan spiral flow, rakitan spiral flow-nya mempunyai tutup kerucut yang membagi fluida kedalam masing-masing laluan. Spiral plate tersebut ditutup pada bagian atasnya, dimana fluida mengalir pada bagian pusat dari rakitan. Flat cover pada bagian bawah menguatkan cairan yang mengalir secara spiral sebelum meninggalkan heat exchanger. Model tersebut diatas paling sering digunakan untuk mengembunkan uap, dimana uap pertama mengalir secara aksial sampai volumenya cukup berkurang untuk pengembunan terakhir dan agak dingin dalam aliran spiral. Spiral plate heat exchanger memberikan banyak keuntungan yang lebih daripada shell and tube heat exchanger: 1. Aliran satu laluan membuatnya ideal untuk pendinginan atau pemanasan sludge (endapan), dimana endapan ini dapat diproses dalam spiral pada kecepatan yang rendah sebesar 2 ft/sec. Untuk menghilangkan spacer studs memungkinkan bagi heat exchanger untuk menggunakan fluida yang mempunyai serat yang cukup tinggi. 2. Distrusi fluida yang baik untuk aliran satu laluan. 3. Pada spiral plate heat exchanger umumnya terjadinya kerak (fouls) lebih kecil jika dibandingkan dengan shell and tube heat exchanger, karena aliran fluida didalam
Kukuh Widodo, Studi Eksperimental Tentang
spiral plate adalah turbulen. Dan apabila terjadi kerak sangat mudah untuk membersihkannya dengan cara mengalirkan cairan kimia kedalam spiral plate heat exchanger. 4. Exchanger tersebut disesuaikan untuk pemanasan atau pendinginan fluida viscous (viscous fluid) karena rasio L/D lebih rendah daripada tubular exchanger. Sehingga transfer panas untuk aliran laminar pada spiral plate heat exchanger lebih tinggi. 5. Dengan kedua fluida mengalir secara spiral, aliran dapat berlawanan arah walaupun tidak secara nyata dengan cara menaikkan atau menurunkan debit dari fluida kerja. Dan karena diameternya yang senantiasa berbeda, maka untuk setiap lintasan mempunyai heat transfer yang berbeda. Pada peralatan ini faktor koreksi dapat dipakai, tetapi kemungkinannya sangat kecil karena pada umumnya tidak diketahui berapa besarnya. 6. Spiral plate heat exchanger menghindari problem yang ditimbulkan dari peningkatan beda temperatur dalam non cyclic service. 7. Dalam aliran aksial daerah aliran yang besar menghasilkan penurunan tekanan yang rendah, dimana hal ini akan bermanfaat pada saat terjadi pengembunan pada kondisi vakum. 8. Spiral plate heat exchanger ini mempunyai dimensi yang sangat kecil dengan luas perpindahan panas 2.000 sq.ft., diameter 58 in dan lebar plat 72 in. Kekurangan dari jenis spiral plate heat exchanger ini yaitu pada penambahan tekanan, karena jika melampaui batas tekanan yang ditentukan, maka spiral plate heat exchanger ini akan mengalami problema sebagai berikut: 1. Perbaikan untuk spiral plate heat exchanger cukup sulit. Kebocoran tidak dapat ditambal seperti pada shell and tube heat exchanger. Akan tetapi kemungkinan terjadinya kebocoran dalam spiral tersebut lebih kecil karena dibuat dari plat yang pada umumnya lebih tebal daripada dinding pipa pada shell and tube heat exchanger. Jika spiral plate tersebut memerlukan perbaikan, maka harus dilakukan pembukaan tutup pada spiral
2.
3.
4.
25
sehingga memperlihatkan pengelasan dari rakitan spiral tersebut. Tetapi untuk memperbaiki bagian dalam dari spiral tersebut sangat sukar. Spiral plate heat exchanger sering tidak digunakan jika terjadi siklus temperatur yang berulang-ulang. Jika digunakan dalam siklus temperatur maka desain mekanik tersebut kadang-kadang harus diubah dengan menggunakan cukup banyak tekanan lebih tinggi. Full faced gasket dari compressed asbestos tidak umum digunakan untuk siklus temperatur karena pembesaran plat spiral dipotong dengan gasket sehingga hasilnya melampaui batas dan dalam kasus yang sama akan terjadi pengikisan terhadap cover. Spiral plate heat exchanger tersebut biasanya tidak digunakan apabila selama pengoperasian terjadi pengerakan yang besar. Untuk itu digunakan spacer studs agar tidak terjadi pengerakan. Untuk aliran aksial-spiral, perbedaan temperatur harus dikoreksi. Untuk aliran cross flow diperlukan conventional correction.
Short cut rating Metode short cut rating untuk spiral plate heat exchanger tergantung pada teknik yang sama untuk shell and tube heat exchanger (yang telah disepakati oleh Lord, Minton dan Slusser). Pada mulanya metode tersebut mengkombinasikan dalam satu hubungan persamaan empiris klasik untuk koefisien perpindahan panas film dengan persamaan keseimbangan panas dan dengan hubungan yang menggambarkan ukuran dari heat exchanger. Hasil dari keseluruhan persamaan tertuang dalam 3 kelompok yang terpisah, yang mengandung unsur-unsur yang menghubungkan sifat fisik dari fluida, bentuk dan fungsi (cara kerja) dari alat penukar panas serta desain mekanik atau susunan dari permukaan perpindahan panas. Kelompok tersebut kemudian dikalikan bersama-sama dengan faktor numerik untuk memenuhi hasil yang sama dengan fraksi dari total driving force atau log mean temperatur
26 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002
difference (∆Tm atau LMTD), dimana masingmasing elemen dipecah dalam tahanan termal. Ketika penjumlahan dari masing-masing tahanan sama dengan 1, maka desain percobaan dapat diasumsikan sesuai untuk perpindahan panas. Secara fisik penjumlahan dari penurunan temperatur terhadap tahanan termal adalan sama dengan total ∆Tm. Penurunan tekanan dari kedua bagian aliran fluida harus diperiksa untuk memastikan bahwa keduanya sesuai dengan batas yang telah ditetapkan. Biasanya beberapa percobaan diperlukan untuk memastikan keseimbangan antara perpindahan panas dan penurunan tekanan. Methodologi Untuk mengetahui karakteristik alat penukar panas pipa spiral ini, maka metode yang akan dilakukan adalah metode eksperimental dengan melakukan pengukuran effectiveness sebagai fungsi dari NTU dan pressure drop (∆p) fungsi debit fluida pendingin. Adapun alat uji pipa spiral yang dimaksud dirancang sebagai berikut: Spiral Plate Heat Exchanger dirancang dengan kondisi sebagai berikut: DATA AWAL Flow rate, kg/jam Inlet temp. 0 C Outlet temp. 0 C Viscositas, cp Specific heat, kJ/kg.K Specific gravity, (SG)
HOT SIDE 168
COLD SIDE 142
80
28
50
45
1,5.10-2
5,5.10-4
2,1438
4,18
0,85
0,998
Berdasarkan desain spiral plate heat exchanger standar, maka dari perhitungan data diatas, diperoleh dimensi spiral plate heat exchanger yang akan diuji sebagai berikut: Diameter core (Dcore) : 0,2 m Lebar plat : 0,155 m Channel spacing(Ds) : 0,0125 m Panjang plat : 3,93 m
Set-up alat uji Alat uji yang digunakan
Gambar 3. Skema peralatan uji
Analisa hasil dan diskusi Gambar 4 s/d 6 menunjukkan hubungan antara effectiveness (ε) dengan NTU untuk harga Cr = 0,1; 0,2; dan 0,3, dimana dibandingkan antara effectiveness teoritis dan hasil eksperimental. Sedangkan Gambar 7 adalah merupakan gabungan dari ketiga gambar tersebut. Secara umum hasil perbandingan menunjukkan bahwa antara teoritis dan eksperimental menunjukkan kecenderungan yang sama, dimana ε mengalami kenaikan bila NTU meningkat.
Gambar 4. Hubungan effectiveness terhadap mNTU pada Cr = 0,1
Kukuh Widodo, Studi Eksperimental Tentang
Gambar 5. Hubungan effectiveness terhadap mNTU pada Cr = 0,2
Gambar 6. Hubungan effectiveness terhadap mNTU pada Cr = 0,3
Gambar 7. Hubungan effectiveness terhadap NTU pada variasi harga Cr Dari Gambar 7 dapat dibuktikan bahwa pada harga Crasio minimum dicapai keefektifan peralatan yang tinggi karena fluida dingin mampu menyerap lebih banyak energi panas yang dilepaskan oleh fluida panas akibat laju aliran massa fluida panas sangat lambat. Sebaliknya pada harga Crasio maksimum keefektifan peralatan akan turun. Pada grafik hasil percobaan terlihat kenaikan harga NTU diikuti oleh peningkatan harga efectiveness
27
sehingga qaktual peralatan masih dapat bertambah dengan naiknya harga NTU. Pada harga Crasio dan effectiveness yang sama dari grafik hasil percobaan terhadap spiral plate heat exchanger, harga NTU hasil percobaan lebih besar daripada harga NTU secara teoritis. Dari sini dapat disimpulkan bahwa NTU peralatan tinggi akibat dimensi spiral plate heat exchanger lebih besar dari luas permukaan perpindahan panas secara teoritis, sedangkan qaktual yang didapatkan tidak mampu menaikkan effectiveness peralatan lebih tinggi lagi. Untuk meningkatkan laju perpindahan panas, maka dapat dilakukan hal-hal berikut ini: Memperbesar luas permukaan perpindahan panas (A).Dengan memperbesar luas permukaan perpindahan panas, maka jumlah panas yang dapat dipindahkan oleh fluida panas akan lebih besar, sehingga kemampuan peralatan juga akan bertambah besar. Dalam percobaan kali ini alternatif memperbesar luas permukaan perpindahan panas tidak dapat dilakukan karena didesain untuk tidak dapat lagi dirubah. Memperkecil harga Cmin. Memperkecil harga Cmin dapat dilakukan dengan mengganti fluida panas dengan fluida yang mempunyai panas spesifik yang lebih kecil dari thermia oil B dari produk Shell. Memperbesar aliran fluida pendingin (Qc). Dengan memperbesar debit aliran fluida pendingin (Qc) maka harga koefisien perpindahan panas konveksi (h) akan naik sehingga koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) juga akan naik, akan tetapi dengan bertambahnya debit fluida pendingin akan berakibat beda temperatur fluida akan semakin kecil sehingga diperlukan alat pengukur temperatur dengan akurasi pembacaan yang lebih tinggi. Analisa hubungan antara drop pressure dengan debit fluida pendingin. Gambar 8 s/d 10 menunjukkan hubungan antara drop pressure sepanjang pipa spiral terhadap debit aliran fluida pendingin, dimana dibandingkan antara perhitungan teoritis dengan hasil eksperimental, berturut-turut
28 Jurnal Teknik Mesin, Volume 2, Nomor 1, Januari 2002
untuk kapasitas fluida panas Qh = 150 L/h; 200 L/h; 300 L/h; 400 L/h dan 500 L/h. Pada grafik dapat dilihat bahwa secara umum grafik kenaikan drop pressure terhadap kapasitas Q memberikan kecenderungan yang sama. Selebihnya memang terdapat perbedaan antara pressure drop teoritis dan percobaan, dimana grafik pressure drop percobaan lebih tinggi dibanding dengan pressure drop teoritis. Hal ini disebabkan pada perhitungan teoritis untuk menghitung pressure drop hanya dilakukan pendekatan terhadap jumlah spacer stood, dikarenakan tidak adanya standar yang menentukan jumlah spacer stood yang ada dalam spiral plate heat exchanger yang berfungsi untuk menaikkan efek turbulensi fluida kerja.
Gambar 10. Hubungan pressure drop terhadap debit fluida pendingin pada Qh = 300 L/h
Gambar 11. Hubungan pressure drop terhadap debit fluida pendingin pada Qh = 400 L/h
Gambar 8. Hubungan pressure drop terhadap debit fluida pendingin pada Qh = 150 L/h
Gambar 12. Hubungan pressure drop terhadap debit fluida pendingin pada Qh = 500 L/h
Gambar 9. Hubungan pressure drop terhadap debit fluida pendingin pada Qh = 200 L/h
Kesimpulan Dari hasil pembahasan diatas dapat disimpulkan bahwa alat penukar panas tipe spiral plate heat exchanger yang dikaji mempunyai karakteristik sebagai berikut: Harga koefisien menyeluruh maksimum (U) sebesar 103,336 W/m2 K, pada Cr =
Kukuh Widodo, Studi Eksperimental Tentang
0,1 dan minimum 26,21 W/m2 K untuk Cr = 1. Kondisi operasional maksimal tercapai pada harga Cr = 0,1 dengan Qc = 900 L/h dan Qh = 150 L/h, dimana effectiveness tertinggi sebesar 0,562, sehingga pada kondisi operasional ini dicapai qaktual peralatan tertinggi. Kondisi operasional minimum tercapai pada harga Cr = 1 dengan Qc = 150 l/j dan Qh = 500 l/j, dimana effectiveness terendah 0,06 sehingga pada kondisi operasional ini dicapai qaktual peralatan terendah. Referensi [1] Frank P. Incropera, David P. Dewitt. 1990, Fundamental of Heat and Mass Transfer, John Willey and Sons. [2] Frank Kreith, 3rd Edition, 1985, Principle of heat Transfer, Harper and Row.
29
[3] Vincent Cavaseno, 1979, Process Heat Exchange, Mc.Graw-Hill, New York. [4] Holman J.P., Jasfi E., 1988, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta. [5] Mahesh V. Bhatia, P.E., Paul N. Cheremisinoff, P.E., Heat Exchange Equipment - Process Equipment Series Volume 2, Techmonic USA. [6] HTRI Design Manual Volume 1, Heat Transfer Research, Inc. [7] HTRI Design Manual Volume 2, Heat Transfer Research, Inc. [8] Kenneth J. Bell, 1983, Heat Exchanger Design Handbook Volume 3, Hemisphere Publishing Corporation, [9] J. Taborek, G. F. Dewitt, N. 1976, Afgan, Heat Exchanger Theory and Practice, Mc.Graw-Hill, [10] Annual Book of ASTM Standard Section 5, 1986, Race Street Philadelpia PA 10103 VoL 5.01; 5.02; 5.03; 5.04, 1916
