Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio terhadap Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas pada Susunan Setengah Tube Heat Exchanger dalam Enclosure R. Djailani, Prabowo Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo Surabaya 60111
Abstrak Penelitian ini mengkaji pengaruh gap ratio (S/d) terhadap karakteristik aliran dan perpindahan panas konveksi alamiah susunan setengah tube heat exchanger dalam enclosure dengan 12 array silinder isothermal yang tersusun vertikal secara numerik. Gap ratio (S/d) divariasikan antara 0.52 – 4.2 dengan beban panas tetap. Pada S/d = 0.52 - 1.05, penambahan gap ratio mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas total yang cukup signifikan. Sedangkan penambahan gap ratio dari S/d = 1.05 - 4.2 terhadap penurunan laju perpindahan panas total tidak lagi signifikan. Kecepatan tangensial udara melintasi silinder paling tinggi terjadi pada gap ratio terkecil, S/d = 0.52. Pada gap ratio ini kecepatan tangensial mencapai harga minimum pada Φ= 900, hal ini karena sangat kecilnya gap antara silinder dengan dinding konveksi sehingga menghambat aliran udara yang akan melintasinya. Untuk gap ratio yang semakin besar kecepatan tangensial justru mencapai harga maksimum pada Φ= 900. Distribusi bilangan Nusselt lokal,Nuφ semakin rendah dengan semakin tingginya gap ratio. Kata Kunci: Konveksi Alamiah, Heat Exchanger, Enclosure, Gap Ratio, Laju Perpindahan Panas.
boundary condition yang berbeda daripada penelitian ini. Newport [2], melakukan kajian dengan silinder isothermal tunggal didalam cubical enclosure, dengan mengkondisikan semua dinding sebagai dinding konveksi.
Fenomena perpindahan panas konveksi alamiah banyak diaplikasikan dalam berbagai sistem penukar kalor misalnya pada sistem pendinginan pada reaktor nuklir, proses pendinginan alat elektronik, pembuangan kalor pada kondensor untuk refrigerator baik pada sistem dengan kapasitas yang besar maupun kecil merupakan suatu tema kajian yang cukup menarik. Karena pada sistem tersebut pindahan kalor cukup sensitif terhadap perubahanperubahan yang kecil sekalipun, baik perubahan dimensi geometri maupun kondisi sekeliling dengan proses yang fenomenal. Penelitian ini mengkaji modifikasi penempatan jajaran tube Heat exchanger yang dibenamkan setengah diameter kedalam stryrofoam seperti pada Gambar 1. Karakteristik perpindahan panas dan aliran secara konveksi alami dari permukaan luar tube ke udara dalam enclosures dikaji secara numerik. Beberapa kajian sebelumnya menyangkut fenomena perpindahan panas secara konveksi baik pada udara bebas maupun pada ruangan tertutup (enclosure) telah dilakukan dengan
Gambar 1. Posisi Tube dalam enclosure
27
28 Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
Prabowo dan Kikuchi [3] melakukan kajian secara eksperimen dan numerik yang terfokus pada interaksi forced convection dan natural convection terhadap pengaruh jarak longitudinal antar silinder pada susunan silinder horizontal sebagai sumber panas yang ditempatkan didalam channel. Sadeghipur dan Ashegi [4], Tanda dan Tagliafio[5] juga melakukan penelitian secara eksperimental untuk fenomena perpindahan panas konveksi dari suatu sumber panas pada udara terbuka juga memberikan gambaran tentang pengaruh jarak antar silinder terhadap fenomena perpindahan panas pada permukaan silinder di ruangan terbuka. Velusamy [6] melakukan kajian secara numerik yang difokuskan pada interaksi permukaan radiasi dengan natural convection turbulen dalam enclosure, dengan mengkondisikan kedua dinding vertical enclosure sebagai dinding isothermal dengan temperature yang berbeda (hot wall and cold wall) tanpa menggunakan tube sebagai sumber panas melainkan dengan pemanasan langsung pada kedua dinding vertikal. Dari beberapa penelitian diatas maka dapat dinyatakan bahwa fenomena laju perpindahan perpindahan dalam suatu enclosure dipengaruhi oleh dimensi, geometri tube, jumlah silinder dalam enclosure, jarak pith antara silinder, dimensi dan geometri silinder dalam enclosure, gap ratio, beban panas yang masuk, temperarur operasional, fluida kerja, material yang digunakan, boundary condition dan lain sebagainya. Penelitian sebelumnya secara umum lebih terfokus pada jarak antar silinder maupun pengkondisian dinding vertikal maupun horisontal enclosure, maka pada penelitian ini dilakukan kajian yang lebih terfokus pada pengaruh jarak dinding vertikal terhadap heat exchanger susunan tube ½ diameter dalam enclosure dengan jarak antar silinder konstan, yang dinyatakan dalam parameter tanpa dimensi S/d (GapRatio) yaitu perbandingan antara jarak dinding vertikal dengan diameter silinder (d). Metode Penelitian Studi numerik ini dilakukan dengan membuat model uji yang disesuaikan dengan dimensi dan geometri pada studi eksperimen
yang ditunjukkan pada Gambar 2 dengan menggunakan software Fluent 6.0. Meshing dilakukan dengan struktur grid quadrilateral map yang lebih kecil didaerah dekat permukaan silinder dan ukuran grid yang lebih besar diluar daerah tersebut . Pemberian boundary condition pada komponen-komponen model yaitu setiap silinder didefenisikan sebagai wall isothermal dengan temperatur masing-masing silinder didapat dari hasil eksperimen berupa temperature permukaan silinder (Ttube). Kedua dinding vertikal didefenisikan sebagai wall, dimana dinding sebelah kiri dikondisikan sebagai dinding adiabatis, sedang dinding sebelah kanan dinding konveksi, dimana besarnya koefisien konveksi didapatkan dari hasil eksperimen. Kedua dinding horizontal didefinisikan sebagai wall dengan kondisi batas sebagai dinding adiabatis setebal 0.05 m .
a) Komputational (b) Struktur grid Domain Gambar 2. Komputational Domain dan Struktur Grid Analisa dan Diskusi Peningkatan gap ratio (S/d) menghasilkan laju perpindahan panas yang semakin kecil, dimana peningkatan S/d>2.1 penurunan laju perpindahan panas sudah semakin landai, seperti ditunjukkanan pada Gambar 3.
Prabowo, Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio
29
Laju perpindahan panas Vs gap ratio (NUMERIK) 35
HEAT (W)
30 m=0.0014kg/s
25 20 15 10 5 0.52
1.05
2.1
3.15
4.2
GAP RATIO (b)
Gambar 3. Heat Tansfer (qtot) Total Fenomena laju perpindahan panas didalam enclosure dapat dijelaskan dengan karakter aliran fluida pendingin didalam enclosure yang ditunjukkan dengan Contour Distribusi Temperatur pada Gambar 4. Contour tersebut menunjukkan bahwa perubahan (S/d) mengakibatkan terjadinya perubahan kualitas contur yang ditandai dengan perubahan pola maupun kerapatannya. Semakin besar gap ratio kontur temperatur di daerah dekat silinder dan dinding adiabatis semakin renggang, yang berarti aliran udara didaerah tersebut relatif stagnan. Hal ini berakibat pada semakin kecilnya laju perpindahan panas konveksi dari permukaan silinder. Silinder dengan elevasi yang berbeda menunjukkan bahwa dengan semakin tinggi posisi silinder dalam enclosure maka contour temperatur didalam enclosure semakin rapat. Hal ini karena adanya tambahan momentum aliran dari thermal plume silinder yang ada dibawahnya.
(a). Silinder 1-2
(b). Silinder 11-12 Gambar 4. Contour Temperatur Selain itu termal plume mengakibatkan selisih temperatur (Tt − T∞1 ) semakin kecil pula. Kondisi demikian juga memberi gambaran bahwa jumlah silinder dalam enclosure merupakan salah satu faktor yang menentukan karakter laju perpindahan panas. Fenomena perpindahan panas yang terjadi pada setiap silinder tidak terlepas dari kondisi silinder dibawahnya dimana plume silinder yang lebih rendah menentukan selisih temperatur udara yang melintasi silinder diatasnya. Fenomena aliran udara untuk setiap silinder dapat dijelaskan dengan distribusi kecepatan tangensial yang ditunjukkan pada Gambar 5. Variasi S/d menunjukkan distribusi kecepatan tangensial (Vθ) pada permukaan silinder khususnya pada S/d = 0.52, terlihat kecepatan tangensial minimum terjadi pada φ = 900 , hal ini karena kecilnya gap antara dinding konveksi dengan tube sehingga tidak ada aliran yang melaluinya. Kondisi tersebut berbeda pada S/d>0.52. Dimana pada sudut tersebut kecepatan tangensial udara mencapai maksimum.
30 Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
b=0.52 b=1.05 b=2.10 b=3.15 b=4.20
Vt (m/s)
1.50E-04 1.00E-04 5.00E-05 0.00E+00 0
45
90
135
180
Vt (m/s)
Kecepatan tangensial udara tube-6 pada m=0.0014 kg/s b=0.52 b=1.05 b=2.10 b=3.15 b=4.20
1.00E-04 5.00E-05
0.00E+00 90 teta
135
180
(b) Silinder 6 Gambar 5. Distribusi Vθ dengan variasi S/d Distribusi Nuφ yang ditunjukkan pada Gambar 6, memperlihatkan pengaruh perubahan gap ratio S/d, terhadap nilai Nuφ untuk setiap perubahan S/d. Nilai Nuφ sangat dipengaruhi oleh karakteristik kecepatan tangensial pada silinder tersebut. Misalnya untuk S/d = 0.52 pada φ = 900 , nilai dari Nuφ paling kecil pada sudut ini, hal ini karena kecepatan tangensial udara juga mempunyai nilai minimum di daerah ini. Nusselt number udara tube-1 pada m=0.0014kg/s
Nu
100 75
b=0.52
50
b=1.05 b=2.10
25
b=3.15
0
b=4.20
0
45
90 135 180 teta
(a) Silinder 1
45
90 teta
135
180
( b ) Silinder 6 Gambar 6. Distribusi Nuφ dengan variasi S/d
(a) Silinder 1
45
b=0.52 b=1.05 b=2.10 b=3.15 b=4.20
0
teta
0
100 80 60 40 20 0
N usselt numb er ud ar a p ad a t ub e- 6 p ad a m=0 .0 0 14 kg / s
Nu
Kecepatan tangensial udara tube-1 pada m=0.0014 kg/s
Hal yang sebaliknya terjadi pada S/d > 0.52, nilai Nuφ justru mencapai nilai maksimum karena kecepatan tangensial udara pada sudut ini juga mencapai maksimum. Kesimpulan Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa Karakteristik aliran dan laju perpindahan panas heat exchanger susunan setengah diameter tube dalam enclosure dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Peningkatan gap ratio mengakibatkan laju perpindahan panas total (q) heat exchanger menurun pada S/d<1.05. Sedangkan pada S/d = 1.05 - 4.2, penambahan gap ratio terhadap q tidak lagi signifikan. 2. Pada S/d yang kecil intesitas aliran dalam gap besar dan melemah dengan penambahan S/d. Hal ini mengakibatkan kecepatan tangensial pada tube semakin rendah sehingga bilangan Nusselt dari permukaan silinder menurun. 3. Distribusi kecepatan tangensial dan bilangan Nusselt semakin turun dengan semakin tinggi posisi silinder. Referensi [1] Chouikh, R, Giuzani., et. al., 1999, "Numerical Study of the Laminar Natural Convection flow around an Array of Two Horizontal Isothermal Cylinders", Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 26 No. 3 pp. 329 - 338. [2] Newport, D.T., 2001, ”On the Thermal Interaction Between an Isothermal Cylinder and Its Isothermal Enclosure for Cylinder Rayleigh Numbers of Order
Prabowo, Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio
104”, Journal of Heat Transfer, Vol. 133 pp. 1052-1061. [3] Prabowo, and Kikuchi, 2000, ”Hysteretic Phenomena of Combine Forced and Natural Convection from Single Row of five Cylinders”, Mem. Fac. Eng. Hiroshima Univ., Vol. 49, pp. 29 - 36. [4] Sadeghipour, Sadegh, M, and Ashegi, M., 1994, ”Free Convection Heat Transfer from Arrays of Vertically Separated Horizontal Cylinders at Low Rayleigh Numbers”, Journal of Heat Transfer, Vol. 37 pp. 103-109. [5] Tanda, G, Tagliafico, 1997, ”Free Convection Heat Transfer from Wire and
31
Tube Heat Exchanger”, Journal of Heat Transfer, Vol. 119 pp. 370-372. [6] Velusamy, K, Sundarajan, 2001, ”Interaction Effect Between Surface Radiation and Turbulent Natural Convection In Square and Rectangular Enclosures”, Journal of Heat Transfer, Vol. 123 pp. 1062-1070. [7] Versteeg, H,K., dan Malasekera,W., 1995, An Introduction to Computational Fluids Dynamics, The Finite Volume Method, Longman Scientific and Technical.
