Studi Numerik Pengaruh Konfigurasi Pipa Pada Susunan Pipa Staggered Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Aliran Fluida

SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534

Studi Numerik Pengaruh Konfigurasi Pipa Pada Susunan Pipa Staggered Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Aliran Fluida Nina Yunindra1, Ary Bachtiar Khrisna Putra2 Program Studi Teknik Mesin, Pascasarjana, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya e-mail: [email protected]

ABSTRAK Studi numerik ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas dan aliran fluida dari susunan pipa hasil modifikasi pada pipa heat exchanger yang tersusun secara staggered. Modifikasi dilakukan dengan mempersempit jalur lintasan aliran fluida. Hal tersebut dilakukan untuk mengurangi kerusakan pipa pada heat exchanger yaitu dengan mengurangi gaya drag pada susunan pipa yang menerima gaya dinamik terbesar dengan mempertahankan perpindahan panasnya agar tetap optimal. Karakteristik perpindahan panas dapat diketahui dari distribusi bilangan Nusselt (Nu) lokal dan nilai laju perpindahan panas, sedangkan karakteristik aliran uap diketahui dari distribusi koefisien pressure (CP) lokal dan nilai koefisien drag (CD). Pemodelan pada penelitian ini dilakukan secara 2 dimensi dengan menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD) komersial. Untuk karakteristik aliran, nilai total koefisien drag pada susunan pipa modifikasi turun sebanyak 25,6% bila dibandingkan dengan koefisien drag total pada susunan pipa aktual, yang diikuti pula dengan penurunan nilai koefisien drag pada pipa yang menerima gaya dinamik terbesar. Untuk karakteristik perpindahan panas, total laju perpindahan panas pada susunan pipa modifikasi mengalami penurunan sebesar 11%. Angka tersebut lebih kecil bila dibandingkan dengan persentase pada penurunan koefisien drag total. Kata kunci: Heat Exchanger, gaya drag, bilangan Nusselt, koefisien drag, koefisien pressure, Computational Fluid Dynamic

ABSTRACT This numerical study was carried out to investigate heat transfer and flow characteristics of fluid from the tube arrangement modified in heat exchanger with staggered arrangement. Modification was conducted by narrowing the passage of fluid flow. It was done to reduce the damage of heat exchanger tube by reducing the drag force on the tube arrangement that receives the largest dynamic forces with still maintain the optimum heat transfer. Heat transfer characteritics can be determined from the distribution of Nusselt number (Nu) and the value of the local heat transfer rate, while the flow characteristics can be determined from the distribution of pressure coefficient (CP) and the local drag coefficient (CD). Modeling in this study was conducted in two dimensions (2D) by using Computational Fluid Dynamics as a numerical program. For flow characteristics, the total value of the drag coefficient in the pipe arrangement modofication decrease as much as 25.6% of the drag coefficient in the actual arrangement of the pipe, which is followed by decreasing the drag coefficient on the pipe that receives the largest dynamic forces. For the heat transfer characteristics, the total heat transfer rate in the pipe arrangement modification decrease 11%. It is smaller than the percentage of reduction in the total drag coefficient. Keywords: Heat Exchanger, drag force, Nusselt number, drag coefficient, pressure coefficient, Computational Fluid Dynamic

Pendahuluan Pada industri pembangkit listrik, khususnya Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) yang siklus kerjanya menerapkan siklus Rankine, 2 jenis heat exchanger termasuk peralatan utama dalam siklus tersebut yaitu boiler dan kondensor. Heat exchanger memiliki peranan sangat penting dalam SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

3


menciptakan kinerja pembangkit listrik yang handal. Penurunan kinerja heat exchanger dapat mengakibatkan penurunan efisiensi PLTU secara keseluruhan. Pada salah satu pembangkit listrik milik pemerintah, berdasarkan hasil performance test di akhir tahun 2013 hingga awal tahun 2014, diketahui terdapat penurunan kinerja pada salah satu jenis heat exhanger yaitu kondensor (tipe shell and tube). Penurunan kinerja tersebut berupa penurunan nilai perpindahan panas dan terdapat noise yang cukup tinggi. Hal ini dimungkinkan terjadi karena kondisi aliran turbulen yang tinggi pada kondensor sehingga mengakibatkan nilai pressure drop dan vibrasi yang cukup tinggi pada susunan pipa kondensor tersebut. Serangkaian aktifitas pemeliharaan telah dilakukan untuk mengetahui penyebab turunnya kinerja kondensor tersebut. Hasil yang didapatkan adalah terdapat beberapa kerusakan pipa yang ditemukan pada lokasi yang bervariasi, sebagian besar berlokasi di area susunan pipa yang menerima gaya dinamik terbesar karena aliran fluida yang cukup besar (disebut dengan daerah kritis, seperti terlihat pada Gambar 1).

Gambar 1. Area susunan pipa penerima gaya dinamik terbesar Selain menerima beban tumbukan yang tinggi karena aliran fluida yang besar, aliran fluida dari turbin juga dapat menimbulkan vibrasi pada pipa kondensor disekitar daerah tersebut dan dalam jangka waktu tertentu akan dapat menyebabkan gesekan antar pipa sehingga terjadi kerusakan pipa. Pada daerah kritis ini juga terjadi pressure drop yang sangat tinggi, tepatnya pada daerah susunan pipa bentuk segitiga baris pertama dan kedua (disebut dengan pipa kritis) yang terkena tumbukan langsung akibat aliran fluida yang mengalir secara downward yang melintas pada daerah susunan pipa dengan jarak transversal antar pipa yang cukup lebar yang terletak diatas susunan pipa bentuk segitiga tersebut. Berdasarkan permasalahan tersebut, maka dilakukan analisa terhadap karakteristik perpindahan panas dan aliran fluida diluar pipa yang mengalir secara crossflow yang terjadi pada heat exchanger dengan model geometri susunan pipa yang sama seperti ditunjukkan pada Gambar 1 dengan asumsi fluida kerja dianggap satu fase. Kemudian untuk solusinya dilakukan modifikasi susunan pipa yaitu mempersempit jalur lintasan aliran fluida dengan cara memindahkan beberapa pipa yang ada dibagian paling bawah ke jalan aliran fluida yang menuju pipa kritis yang disusun secara vertikal mengikuti bentuk susunan pipa yang ada sebelumnya. Hal tersebut bertujuan untuk mengurangi gaya drag (FD) pada susunan pipa yang menerima gaya dinamik terbesar dengan mempertahankan perpindahan panasnya agar tetap optimal. Dalam hal ini nilai gaya drag (FD) dapat direpresentasikan dengan nilai koefisien drag (CD). Karakteristik perpindahan panas baik untuk susunan pipa aktual maupun modifikasi dapat diketahui dari analisa distribusi bilangan Nusselt (Nu) lokal pada pipa pipa kritis dan nilai laju perpindahan panas total, sedangkan karakteristik aliran fluidanya dapat diketahui dari distribusi koefisien pressure (CP) lokal pada pipa kritis dan nilai koefisien drag (CD) total. Modifikasi tersebut dilakukan dengan tidak menambah atau mengurangi luas perpindahan panas dari susunan pipa heat exchanger aktual. Beberapa penelitian dijadikan referensi untuk mengetahui dan menganalisa karakteristik perpindahan panas dan aliran fluida. Buyruk [1] melakukan penelitian tentang pengaruh perubahan SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

4


jarak transversal dan jarak longitudinal antar pipa pada aliran fluida melintasi tube banks. Hasil yang diperoleh adalah bahwa distribusi lokal Nusselt number untuk barisan pipa pertama adalah sangat mirip dengan distribusi yang dihasilkan pada konfigurasi single tube untuk Reynold number yang sama. Selain itu, distribusi pressure coefficient lokal pada single tube juga dianalisa dalam penelitian ini. Tekanan statik lokal maksimum terjadi pada titik stagnasi dan semakin turun saat menjauhi titik stagnasi. Raouf et al. [8] juga melakukan simulasi dengan CFD untuk mengetahui detil dari perpindahan panas dari berbagai rezim aliran baik pada single cylinder maupun pada tube banks dengan jenis yang umumnya dipakai dalam heat exchanger. Sebagian dari hasil penelitian ini menyatakan bahwa maksimum Nusselt number terjadi pada titik stagnasi pada sudut θ ≈ 0° atau 360°, sedangkan minimum Nusselt number untuk aliran dengan Reynolds number tinggi terjadi pada range sudut θ ≈ 117° sampai 138°. W.A. Khan et al. [4] terhadap perpindahan panas dari aliran melintang pada tube banks baik tersusun secara in-line maupun staggered dengan kindisi batas keduanya adalah isotermal. Hasil kajian analitik tersebut adalah koefisien heat transfer rata-rata untuk tube banks pada aliran melintang tergantung pada jarak longitudinal dan jarak transversal, bilangan Reynolds dan bilangan Prandtl. Selain itu, susunan pipa yang compact mengindikasikan kecepatan perpindahan panasnya lebih tinggi dibandingkan dengan yang jarak pipanya lebih lebar.

Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan metode pemodelan dengan simulasi numerik, yaitu menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD) komersial dengan tahapan sebagai berikut: Membuat domain komputasi dan meshing Membuat kondisi periodik Mendefinisikan karakteristik material, kondisi batas dan kondisi operasi Menghitung solusi numerik dengan menggunakan pressure based solver dan k-epsilon (k-ε) viscous model  Mengolah dan menganalisa data hasil simulasi CFD    

Detil Model dan Meshing Tahapan ini dilakukan dengan menggunakan software CFD komersial dengan 2 (dua) domain komputasi yang dibuat secara 2D (2 dimensi) sebagai berikut: 1. Domain Komputasi 1

Gambar 2. Susunan pipa aktual SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

5


2. Domain Komputasi 2

Gambar 3. Susunan pipa modifikasi

Grid yang digunakan pada pemodelan ini adalah jenis meshing element Tri – Pave dan digunakan pada semua domain komputasi (domain komputasi 1 dan 2).

Grid Independency Dalam pemodelan ini dilakukan simulasi pada beberapa ukuran mesh untuk menemukan grid independency. Berikut ini adalah hasilnya: Tabel 1. Grid independency

Grafik 1. Jumlah Nodes dan Total CD

Dari Tabel 1 dan Grafik 1 dapat diketahui bahwa mulai nilai mesh 0,0025 sudah tidak terjadi perubahan atau perbedaan yang signifikan dengan nilai mesh berikutnya yang lebih kecil (independent). Oleh sebab itu, mesh 0,0025 ini dijadikan ukuran mesh untuk seluruh domain komputasi pada penelitian ini.

Kondisi Periodik Dibuat zona periodik karena terdapat daerah yang berulang seperti domain komputasi 1 pada kondisi heat exchanger aktual. Zona periodik berada disebelah kanan dan kiri model. Kondisi periodik ditentukan dengan tipe specify pressure gradient dan upstream bulk temperature sama dengan temperatur uap yaitu 312°K.

Karakteristik Material, Kondisi Batas dan Kondisi Operasi Tipe material fluid adalah water vapor (H2O) dan tipe material solid adalah Titanium (Ti) untuk seluruh domain komputasi dengan asumsi properties konstan sebagai berikut: SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

6


 Water vapor (H2O), temperatur konstan yaitu 312°K. - Density : 0,5542 kg/m3 - Cp : 2014 (J/kg.K) - Thermal Conductivity : 0,0261 (W/m.K) - Viscosity : 1,34 x 10-5 (kg/m.s)

 Titanium, temperatur 305°K. - Density : 4850 (kg/m3) - Cp : 544,25 (J/kg.K) - Thermal Conductivity : 7,44 (W/m.K) - Electrical Conductivity : 2.381.000 (1/ohm.m)

Kondisi batas untuk domain komputasi pada penelitian ini adalah sebagai berikut: Tabel 2. Kondisi batas domain komputasi yang diterapkan dalam Fluent

Batas Inlet Outlet Dinding pipa Dinding kanan dan kiri (shell) Daerah diluar pipa

Definisi Velocity inlet Outflow Wall Periodic Water vapor

Nilai v = 37 m/s T = 305°K T = 312°K

Formulasi solver yang digunakan pada penelitian ini adalah segregated (pressure based) dengan model 2D pada kondisi steady. Pada formulasi pressure based, persamaan-persamaan yang digunakan diselesaikan secara bertahap dan terpisah satu sama lain. Pendekatan yang digunakan adalah memecahkan suatu medan variabel tunggal dengan mempertimbangkan seluruh sel pada waktu yang sama. Selanjutnya memecahkan medan variabel berikutnya dengan tetap mempertimbangkan seluruh sel pada waktu yang sama, dan begitu seterusnya. Karena persamaan diferensial umum adalah non linier, diperlukan beberapa kali iterasi untuk menyelesaikan setiap persamaan sampai solusi yang konvergen diperoleh. Model viscous pada pemodelan ini menggunakan model turbulent k-epsilon (k-ε) standard. Kestabilan, ekonomis (dari sisi komputasi), dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis aliran turbulen (Paul et al.,[6]) membuat model k-ε sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Kondisi operasi ditentukan sesuai dengan tekanan operasi aktual yaitu tekanan vakum pada 93192,08 Pascal (699,48 mmHg).

Hasil dan Pembahasan Kontur tekanan statik, kecepatan, dan temperatur statik

Gambar 4. Kontur tekanan statik susunan pipa aktual

Gambar 5. Kontur kecepatan susunan pipa aktual

Gambar 6. Kontur temperatur statik susunan pipa aktual

Dapat dilihat dari gambar 4, terdapat tekanan yang cukup tinggi pada susunan pipa bentuk segitiga baris pertama dan kedua. Hal ini yang menyebabkan jajaran pipa tersebut disebut dengan pipa kritis. Dengan memindahkan pipa pada barisan paling bawah ke jalur aliran fluida diatas susunan pipa bentuk segitiga, maka akan mempersempit jalur tersebut. Dengan demikian, kecepatan aliran fluida yang melintasi jalur tersebut akan naik (dapat dilihat pada kontur kecepatan gambar 8) dan tekanannya akan turun (Fox et al.,[2]). Sehingga pada saat aliran fluida sampai pada jajaran pipa kritis, beban tumbukan SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

7


pada pipa kritis akan berkurang karena tekanannya berkurang. Hal tersebut dapat dilihat pada kontur tekanan statik (gambar 7), dimana bila dibandingkan dengan kondisi aktual (gambar 4), tekanan pada jajaran pipa kritis telah berkurang. Berkurangnya tekanan statik pada pipa kritis tersebut menyebabkan gaya drag pada pipa kritis juga berkurang. Berkurangnya gaya drag dapat direpresentasikan dengan berkurangnya nilai CD. Nilai total CD untuk susunan pipa aktual adalah sebesar 4.922 dan turun sebesar 25,6% (nilai total CD untuk susunan pipa modifikasi adalah 3.66) pada susunan pipa modifikasi. Disisi lain, terjadi penurunan total laju perpindahan panas pada susunan pipa hasil modifikasi, yaitu total laju perpindahan panas turun sebesar 11% bila dibandingkan dengan total laju perpindahan panas pada susunan pipa aktual, dimana nilai total laju perpindahan panas pada susunan pipa aktual adalah sebesar 58612,937 Watt sedangkan pada susunan pipa modifikasi adalah sebesar 51913,43 Watt. Persentase penurunan total laju perpindahan panas tersebut lebih kecil bila dibandingkan dengan persentase penurunan CD total.

Gambar 7. Kontur tekanan statik susunan pipa modifikasi

Gambar 8. Kontur kecepatan susunan pipa modifikasi

Gambar 9. Kontur temperatur statik susunan pipa modifikasi

Distribusi Local Pressure Coefficient

Grafik 2. Distribusi local pressure coefficient pipa baris pertama (pipa 21) pada susunan pipa aktual

Grafik 3. Distribusi local pressure coefficient pipa baris pertama (pipa 20) pada susunan pipa modifikasi

Distribusi local pressure coefficient pada daerah kritis diamati pada salah satu pipa kritis yaitu pipa 21 pada susunan pipa aktual (gambar 10) dan pipa 20 pada susunan pipa modifikasi (gambar 11). Analisa dilakukan pada pipa kritis karena barisan pipa tersebut yang menerima gaya dinamik terbesar akibat aliran fluida yang mengalir secara downward diatasnya. Pada susunan pipa modifikasi, di pipa kritis inilah yang diharapkan terdapat penurunan nilai CD agar kerusakan pipa di daerah kritis dapat diminimalisasi.

SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

8


Grafik 4. Distribusi local pressure coefficient pada satu pipa (Qiu et al.,[7])

Berdasarkan hasil simulasi, nilai CD pada pipa 21 adalah sebesar 0.0295 sedangkan pada pipa 20 adalah sebesar 0.0196. Dengan demikian terdapat penurunan CD sebesar 33,6% pada susunan pipa modifikasi baris pertama yang berarti berkurangnya beban tumbukan karena gaya drag sehingga kerusakan pipa pada daerah tersebut dapat diminimalisasi. Penurunan CD tersebut karena pada saat aliran fluida sampai pada pipa di daerah kritis, tekanannya telah turun akibat dari peningkatan kecepatan aliran fluida pada jalur yang dipersempit. Trend grafik distribusi CP lokal pada pipa 21 (grafik 2) dan pipa 20 (grafik 3) hampir sama dengan trend grafik distribusi CP lokal pada penelitian Qiu et al. Pada grafik distribusi local CP baik untuk pipa 21 maupun pipa 20, nilai CP maksimum tidak tepat berada pada posisi 0° seperti yang ditunjukkan pada grafik 4 (Qiu et al.,[7])). Hal tersebut disebabkan oleh pergeseran titik stagnasi (tidak tepat pada 0°). Titik stagnasi diketahui bergeser karena nilai CP maksimum pada grafik 2 dan grafik 3 tidak tepat berada pada 0°. Posisi dimana CP bernilai maksimum merupakan posisi dari titik stagnasi. Disebut dengan titik stagnasi karena pada titik stagnasi inilah kecepatan fluida nilainya nol, dimana aliran fluida pada kecepatan tinggi harus berhenti sesaat sebelum menumbuk pipa, sehingga tekanannya mancapai maksimum (Muizzudin,[5]). Selain itu pergeseran titik stagnasi tersebut juga dapat dilihat dari vector kecepatan yang ditunjukkan pada gambar 12 dan gambar 13. Pada vektor kecepatan tersebut terlihat bahwa aliran tegak lurus yang sampai pada pipa silinder dengan kecepatan paling rendah yaitu 0 m/s (tekanan maksimum) tidak tepat berada pada posisi 0°, tetapi berada pada posisi 50° (untuk pipa 21) dan 45° (untuk pipa 20) dari posisi 0° yang berada di bagian atas pipa. Pergeseran titik stagnasi tersebut dipengaruhi oleh arah aliran fluida yang mengarah kekiri, mengikuti bentuk susunan pipa yang menyerupai diffuser sebelum menumbuk pipa kritis.

Pipa 21

Pipa 20

Gambar 10. Posisi pipa 21 pada susunan pipa aktual

Gambar 11. Posisi pipa 20 pada susunan pipa modifikasi

Jika dibandingkan dengan kondisi aktual, distribusi lokal CP baik pada pipa 20 (grafik 3) memiliki kesamaan trend dengan distribusi lokal CP pada pipa aktualnya, khususnya sama untuk posisi CP SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

9


maksimum, CP minimum dan posisi titik separasinya. Sedangkan untuk perbedaannya adalah sebagai berikut:  Titik minimum pada distribusi CP pipa 20 tidak simetri. Terlihat pada grafik 3, nilai CP minimum yang kedua lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai CP minimum yang pertama, dimana CP minimum mengindikasikan kecepatan maksimum berada pada posisi tersebut. Kondisi tidak simetri tersebut dikarenakan kecepatan fluida pada posisi 290° lebih tinggi bila dibandingkan dengan kecepatan fluida pada posisi 120°, sehingga tekanan pada posisi 290° akan lebih rendah bila dibandingkan dengan tekanan pada posisi 120°. Hal tersebut bersesuaian dengan nilai Nusselt number (penjelasan detil dapat dilihat pada poin pembahasan karakteristik perpindahan panas), dimana pada distribusi local Nusselt number, nilai Nu pada posisi 290° lebih tinggi bila dibandingkan dengan nilai Nu pada posisi 120°, karena kecepatan fluida lebih tinggi pada posisi 290°.  Nilai CP maksimum pipa 20 lebih kecil bila dibandingkan dengan kondisi aktual (CP maksimum pipa 20 adalah sebesar 0,5 dan CP maksimum pipa 21 (aktual) adalah 1). Hal tersebut karena adanya halangan dari pipa P16 yang berada sejajar tepat diatas pipa pipa 20, sehingga tekanan fluida yang menumbuk pipa PIPA 20 tidak sebesar tekanan fluida bila tidak terhalang oleh P16.  Rentang CP pipa 20 lebih kecil bila dibandingkan dengan rentang CP pada pipa 21 (aktual). Hal tersebut mengindikasikan bahwa tekanan rata-rata disetiap titik pada permukaan pipa pipa 20 lebih kecil daripada tekanan rata-rata disetiap titik pada permukaan pipa 21 (aktual). Maka hal itu sesuai dengan tujuan modifikasi yaitu menurunkan drag pada pipa kritis. Bila dihubungkan dengan nilai CD dimana hubungan antara koefisien drag dan koefisien tekanan adalah sebagai berikut (Munson dkk. jilid 2): ................................................ (1) Maka nilai CD akan berbanding lurus dengan nilai CP sesuai luasannya. Jika dilihat pada grafik 3, luasan grafik pipa 20 lebih kecil bila dibandingkan dengan luasan grafik pipa 21 (aktual, grafik 2). Hal tersebut sesuai dengan nilai CD pada pipa 20 yang memang lebih rendah bila dibandingkan dengan nilai CD pada pipa 21 (aktual).

Distribusi Local Nusselt Number

Grafik 6. Distribusi local nusselt number pipa baris pertama (pipa 21) pada susunan pipa aktual

Grafik 7. Distribusi local nusselt number pipa baris pertama (pipa 20) pada susunan pipa modifikasi

Trend grafik hasil simulasi pada pipa 21 dan pipa 20 hampir sama dengan trend grafik 4.10 yang merupakan hasil penelitian dari Raouf et al. [8] untuk distribusi Nu pada single tube. Pada grafik 6, nilai Nu pada pipa 21 lebih besar jika dibandingkan dengan nilai Nu pada pipa 20 (grafik 7). Nilai Nu pada SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

10


pipa 20 turun sebesar 26.3% bila dibandingkan dengan kondisi aktual (nilai Nu pada pipa 21 adalah sebesar 325,969 dan nilai Nu pada pipa 20 adalah sebesar 240.254). Penurunan Nu tersebut merupakan penurunan nilai perpindahan panas secara konveksi yang sangat dipengaruhi oleh gradien kecepatan dan intensitas turbulensi disekitar pipa. Untuk distribusi Nu lokal pipa 21, penebalan lapisan batas laminer terjadi sangat cepat hingga sudut θ ≈ 50° (nilai Nu lokal minimum pertama). Penebalan lapisan batas laminer terjadi sangat cepat karena aliran fluida adalah supercritical yaitu aliran yang sangat turbulen. Pada titik minimum pertama tersebut fluida mengalami transisi menuju turbulen yang ditandai dengan meningkatnya nilai Nu hingga mencapai nilai maksimum dalam kondisi sudah turbulen pada sudut θ ≈ 70°. Hal tersebut sesuai dengan grafik variasi local Nusselt number yang diambil dari literatur Incropera and DeWitt [3], dimana untuk aliran supercritical, nilai Nu lokal tertinggi memang bukan berada di titik stagnasi namun berada pada saat lapisan batas turbulen telah berkembang. Setelah itu, Nu lokal mengalami penurunan hingga mencapai nilai minimum kedua pada sudut θ ≈ 204° sehubungan dengan titik separasi yang terjadi pada aliran turbulen, yang kemudian nilai Nu akan kembali naik karena adanya reattachment aliran didaerah wake. Posisi titik stagnasi pada grafik distribusi Nu lokal pipa 21 ini tidak sama dengan posisi titik stagnasi pada grafik distribusi CP lokalnya. Hal tersebut karena pada kasus perpindahan panas, nilai Nu dapat dipengaruhi oleh gradien kecepatan dan intensitas turbulensi aliran di sekitar pipa. Perpindahan panas melewati berkas pipa (tube bundle) bergantung sebagian besar pada pola aliran serta derajat turbulensinya (Muizzudin,[5]).

Grafik 8. Distribusi local nusselt number pada single tube (Raouf et al,[8])

Untuk distribusi Nu lokal pipa 20, penebalan lapisan batas laminer yang sangat cepat terjadi hingga sudut θ ≈ 42° (nilai Nu lokal minimum pertama). Kemudian fluida mengalami transisi menuju turbulen yang ditandai dengan meningkatnya nilai Nu hingga mencapai nilai maksimum dalam kondisi sudah turbulen pada sudut θ ≈ 60°. Setelah itu, Nu lokal mengalami penurunan hingga mencapai nilai minimum kedua pada sudut θ ≈ 192° sehubungan dengan titik separasi yang terjadi pada aliran turbulen, yang kemudian nilai Nu akan kembali naik karena adanya reattachment aliran di daerah wake.

Gambar 12. Velocity vector disekitar pipa 21 pada susunan pipa aktual

Gambar 13. Velocity vector disekitar pipa 20 pada susunan pipa modifikasi


11


Kesimpulan Hasil simulasi menunjukkan bahwa berdasarkan kontur tekanan pada susunan pipa aktual, terdapat tekanan yang cukup tinggi pada pipa kritis sehingga daerah tersebut dinamakan dengan daerah kritis. Modifikasi susunan pipa dengan mempersempit jalur lintasan aliran fluida dilakukan dengan tujuan untuk mengurangi gaya drag (FD) pada pipa kritis tersebut dengan mempertahankan perpindahan panasnya agar tetap optimal. Hasilnya adalah total koefisien drag (CD) yang merupakan representasi dari FD pada susunan pipa modifikasi turun sebesar 25,6% dari total CD pada susunan pipa aktual. Hal tersebut diikuti dengan penurunan CD sebesar 33,6% pada pipa kritisnya yang berarti berkurangnya beban tumbukan karena gaya drag sehingga kerusakan pipa pada daerah tersebut dapat diminimalisasi. Disisi lain, terjadi penurunan total laju perpindahan panas pada susunan pipa hasil modifikasi, yaitu turun sebesar 11% bila dibandingkan dengan total laju perpindahan panas pada susunan pipa aktual. Sedangkan pada pipa kritisnya, nilai Nusselt number pada susunan pipa hasil modifikasi turun sebesar 26.3% dibandingkan dengan kondisi aktual. Persentase penurunan total laju perpindahan panas lebih kecil bila dibandingkan dengan persentase penurunan koefisien drag, sehingga laju perpindahan panas pada susunan pipa hasil modifikasi dapat dikatakan masih optimal.

Daftar Pustaka

1. Buyruk, E., Heat Transfer and Flow Structures Around Circular Cylinders in Cross-Flow, Tr.J. of Engineering and Environmental Science, Tubitak, Turkey, 1997.

2. Fox, Robert.W., Pritchard, Philip.J., McDonald, Alan.T., Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley and Sons, New York, 2008.

3. Incropera, F.P., DeWitt, D.P., Fundamental of Heat and Mass Transfer, John Wiley and Sons, New York, 2001. 4. Khan, W.A., Culham, J.R., Yovanovich M.M., (2006), Convection Heat Transfer from Tube Banks in Crossflow: Analytical Approach, Department of Mechanical Engineering, University of Waterloo, Canada.

5. Muizzuddin, Mohd.Adib., Predicting Turbulent Flow in a Staggered Tube, Fakulti Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Malaysia, 2007.

6. Paul, S.S., Ormiston, S.J., Tachi, M.F., Experimental and Numerical Investigation of Turbulent Cross-flow in a Staggered Tube Bundle, Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of Manitoba, Canada, 2007.

7. Qiu Y et al., Effects of Splitter plate and Reynolds Number on the Aerodynamic Loads Acting on a Circular Cylinder, Harbin China, 2014.

8. Raouf, A.M.A., Galal, M., Khalil, E.E., Heat Transfer Past Multiple Tube Banks: A Numerical Investigation, Faculty of Engineering, Cairo University, Cairo, 2010.


12

Studi Numerik Pengaruh Konfigurasi Pipa Pada Susunan Pipa Staggered Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas dan Aliran Fluida

Recommend Documents