Analisis Koesien Perpindahan Panas Konveksi dan Distribusi Temperatur Aliran Fluida pada Heat Exchanger Counterow Menggunakan Solidworks

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227. Analisis Koesien Perpindahan Panas Konveksi dan Distribusi Temperatur Aliran Fluida pada Heat Exchanger Counterow Menggunakan Solidworks Dwi Arif Santoso. Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma Jl. Margonda 100 Depok, 16424 E-mail : d.arif29@gmail.com. Abstrak. Counterow Heat exchanger merupakan alat penukar kalor yang digunakan untuk memindahkan panas dari uida yang bertemperatur lebih tinggi menuju uida yang bertemperatur lebih rendah. Nilai koesien perpindahan panas dipenaruhi oleh karakteristik aliran. Tujuan penelitian ini menganalisis nilai koesien perpindahan panas konveksi dan mengetahui distribusi temperatur pada heat exchanger tipe counterow menggunakan solidworks. Dua buah pipa digunakan dengan pipa air panas diameter 28,5 cm, pipa pendingin diameter 87,5 cm dan panjang pipa 120 cm yang digunakan pada penelitian. Perubahan temperature dikontrol pada temperatur air panas 85 C, air pendingin 17 ºC, dan air normal 32 ºC. Debit aliran dijaga konstan. Hasil menunjukan penurunan temperatur air panas 5 C dan air dingin 3 C. Nilai koesien perpindahan panas dipengaruhi oleh variasi temperatur dan debit aliran. Kata Kunci : Heat Exchanger, distibusi aliran, laju aliran massa, temperatur air, koesien konveksi, bilangan nusselt, bilangan prandtl, bilangan reynold. Pendahuluan Tujuan. Perpindahan tabung. menggunakan. heat exchanger. untuk. mengontrol sistem atau substansi temperatur dengan. menambah. ergi termal. yang dari. menghilangkan. Heat exchanger. digunakan uida. atau. untuk. yang. en-. merupakan alat. memindahkan. bertemperatur. lebih. panas tinggi. menuju temperatur lebih rendah. Keuntungan utama dari penukar panas pipa ganda dioperasikan dalam pola berlawanan arah (. ow ),. counter-. yang merupakan pola aliran yang pal-. ing esien. akan memberikan koesien perpindahan panas tertinggi keseluruhan untuk desain penukar panas pipa ganda. Juga menukar panas. pipa. ganda. dapat. tinggi dan temperatur.. menangani. tekanan. Analisis koesien per-. pindahan panas konveksi dan distribusi temper-. heat exchanger countersolidworks. Penukar panas. atur aliran uida pada. ow. menggunakan. mayhew.. yang. dipelajari. dihitung oleh. dalam. regers. dan. Mereka mengamati bahwa bahkan. untuk alat uap panas, temperatur yang tinggi seragam dinding tidak diperoleh terutama disebabkan oleh distribusi kondensat uap atas permukaan coil. bangkan. Pada aliran sepenuhnya dikem-. dalam. acurved. pipa. dengan. uks. panas yang seragam untuk jumlah temperatur besar. Aliran dan temperatur dipela jari dengan eksperimen. Mereka menganggap bahwa aliran dibagi menjadi dua bagian, lapisan batas kecil dekat dinding pipa dan wilayah inti besar yang membuat aliran yang tersisa.. Tinjauan Pustaka Pengertian Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didenisikan berpin-. adalah perangkat di mana energi ditransfer dari. dahnya. satu cairan lain permukaan penampang.. lainnya.. Hal. panas. melingkar. energi. dari. Dalam. suatu. daerah. mempelajari. ke. daerah. perpindahan. ini berbeda untuk Penukar panas tradisional,. panas tidak hanya mencoba untuk menjelaskan. khususnya Penukar panas shell and tube.. bagaimana suatu energi dapat berpindah dari. 161.

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227 satu daerah ke daerah lainnya,. tetapi dapat. juga mempela jari laju perpindahan yang ter-. nakan. Hal. Ilmu perpindahan panas melengkapi hukum. pertama energi. termodinamika,. tidak. dapat. jenis. aliran. ini. didasarkan. pada. suatu. keadaan. bahwa dalam satu tabung / pipa atau dalam. Hukum. satu tempat mengalirnya air, sering terjadi pe-. bahwa. rubahan menjadi aliran yang satu menajdi ali-. mengatakan. diciptakan. mengidentikasikan. yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen.. jadi pada kondisi-kondisi tertentu.. pertama dan kedua termodinamika.. untuk. maupun. dihi-. ran yang lain.. Perubahan bentuk aliran ini. langkan tetapi hanya dapat berubah dari satu. pada umumnya tidaklah terjadi secara tiba-tiba. bentuk. ter-. tetapi memerlukan waktu, yakni suatu waktu. modinamika telah mengatur semua perubahan. yang relatif pendek dengan diketahuinya ke-. bentuk. cepatan kritis dari suatu aliran.. menjadi. energi. bentuk. secara. lain.. Hukum. kwanlitas. tetapi. tidak. juga membatasi arah perubahan bentuk itu.. ReD = 4m/(π.D.µ) ˙. Adalah perpindahan bersih panas dari suatu daerah. yang. suhunya. lebih. rendah. ke. Dimana :. suatu. ReD :. Bilangan reynold. daerah yang suhunya lebih tinggi, dikenal se-. m. : Laju aliran massa (kg/s). bagai hukum kedua termodinamika.. π. : 3.14. D : Diameter pipa (m). Heat Exchanger. µ : Viskositas dynamic (N. s/m2). Secara umum pengertian alat penukar panas. Transisi : Re = 2300 Turbulen : Re > 2300. atau. Laminar : Re < 2300. heat exchanger. (HE), adalah suatu alat. yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan. air. biasa. ing water).. sebagai. air. pendingin. (cool-. Penukar panas dirancang sebisa. mungkin agar perpindahan panas antar uida dapat berlangsung secara esien.. Pertukaran. panas terjadi karena adanya kontak, baik antara uida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung.. Bilangan Prandtl Bilangan Prandtl (Pr) merupakan suatu nilai / harga yang dipakai untuk menentukan distribusi temperatur pada suatu aliran. Selain itu bilangan prandtl merupakan perbandingan dari viskositas kinematik (v) terhadap termal diusivitas ( ).. α. Bilangan prandtl merupakan uku-. ran efektitas relatif dari momentum dan perpindahan energi secara difusi dengan kecepatan pada lapisan batas termal.. P r = v/∝ = µcp/k. Heat Exchanger Counterow. Dimana : Pr : Bilangan Prandtl V : viskositas kinematik uida (m2/s). Keuntungan utama dari penukar panas pipa. α. ganda adalah bahwa hal itu dapat dioperasikan dalam. pola. berlawanan. arah. /. cp : kalor spesik (J/kg.ºK). counterow,. μ. yang merupakan pola aliran yang paling esien.. penukar panas pipa ganda. Penukar panas pipa ganda. dapat. menangani. temperatur. arah. /. dan. Komponen konduktif diukur di bawah kondisi yang sama dengan konveksi dengan kondisi u-. bisa. tinggi. Bilangan Nusselt. Ketika beroperasi diberlawanan. counterow,. tekanan. : viskositass dinamik uida (N.s/m2). k : konduktitas kalor uida (W/m.K). Artinya, akan memberikan koesien perpindahan panas tertinggi keseluruhan untuk desain. : thermal diusivity (m2/s). beroperasi. dengan. suhu berlawanan.. ida stagnan atau tidak bergerak. Aliran panas konduksi. dan. konveksi. sifatnya. seja jar. satu. sama lainnya dan terhadap permukaan normal. Bilangan Reynold Dalam. mekanika. uida,. terhadap bidang batas.. (. bilangan. N uD = 0.023ReD 4/5).P rn. Reynolds. adalah rasio antara gaya inersia (vs ) terhadap. Dimana : ReD : Bilangan reynold. gaya. Pr : Bilangan prandtl. ρ. viskos. ( /L). μ. yang. mengkuantikasikan. n : 0.4 (untuk pemanas) 0.3 (untuk pendin-. hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi. aliran. tertentu.. Bilangan. ini. digu-. gin). 162.

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227. Korelasi Dittus-Boelter. Tahap Perancangan. Korelasi yang khusus namun sederhana dan bi-. Mendesain alat uji dengan bagian-bagian alat. asa digunakan pada berbagai aplikasi adalah. uji. korelasi pindah panas Dittus-Boelter untuk u-. panas berupa pipa inlet, pipa outlet panas, pipa. ida dalam aliran turbulen.. aliran dan pipa aliran dingin berupa pipa inlet. Korelasi ini dapat. digunakan ketika konveksi adalah satu-satunya. yaitu. berupa. tabung. utama,. pipa. aliran. dingin, pipa outlet dingin.. cara dalam memindahkan panas, tidak ada perubahan fase, dan tidak ada radiasi yang signikan. Koreksi dari perhitungan ini ±15%. Untuk. aliran. uida. pada. pipa. Tabel 1: Dimensi. melingkar. Heat Exchanger. yang lurus dengan bilangan Reynolds antara. Panjang pipa. 997 mm. 10000 dan 120000, ketika bilangan Prandtl di. Diameter luar pipa besar. 87,5 mm. antara 0.7 dan 120, untuk titik yang jaraknya. Diameter dalam pipa besar. 84 mm. lebih dari sepuluh kali diameter pipa dan ketika. Diameter luar pipa kecil. 28,5 mm. Diameter dalam pipa kecil. 27 mm. permukaan pipa halus secara hidraulik.. h = N uD K/D Dimana : h : Koesien konveksi (W/m2.K). N uD. : Bilangan nusselt. K :Konduktitas thermal bahan (W/m.K) D : Diameter pipa (m). U = 1/(1/hi + 1/h0 ) Dimana:. U. :Total. koesien. konveksi. (W/m2.K). hi = koesien konveksi dalam (W/m2.K) h0 = koesien konveksi luar (W/m2.K) Gambar 1:. Kapasitas Panas dan Panas Spesik Sifat-sifat. air. yang. memberikan. denisi. asal. dari kalori adalah banyaknya perubahan temperatur atau. yang. dialami. melepaskan. air. waktu. sejumlah. mengambil. panas.. Heat Exchanger. Tahap Penginputan Data Pada. tahap. penginputan. data,. input. data. terbagi dalam 2 tahap, yakni :. Istilah. umum untuk sifat ini disebut kapasitas panas yang didenisikan sebagai jumlah panas yang. 1. Penginputan suhu air panas 85 ºC dengan air dingin 17 ºC.. diperlukan untuk mengubah temperatur suatu benda sebesar 1 ºC.. 2. Penginputan suhu air panas 85 ºC dengan air normal 32 ºC. q = m.cp.Δt ˙. Tahap Simulasi. Dimana : q = Energi (Watt) m. m. = la ju aliran massa (kg/s). Δt. = perubahan suhu takhir - tawal (°C). cp = kalor spesik (J/kg.K). Simulasi dilakukan dengan menggunakan aplikasi perangkat lunak solidworks, didapatkan. Metode Penelitian. output berupa parameter hasil simulasi menggunakan temperatur air panas 85 ºC dengan temperatur input air dingin 17 ºC dan 32 ºC.. Pengujian ini dilakukan menggunakan apalikasi. Simulasi dilakukan sebanyak 3 kali dalam. perangkat lunak solidworks dengan temperatur. 2 tahap, tahap pertama dalam simulasi adalah. uida panas temperatur 85 ºC. Sedangkan u-. menggunakan input temperatur air panas 85 ºC. ida kerja dingin menggunakan 17 ºC dan 32 ºC.. dengan air dingin 17 ºC. Tahap kedua dengan. Bebearapa tahap yang dilakukan, diantaranya. temperatur air panas 85 ºC dengan temperatur. yakni. air normal 32 ºC.. 163.

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227. Pembahasan Dengan menggunkan hasil yang telah dilakukan dengan. menggunakan. aplikasi. perangkat. lu-. nak solidworks, didapatkan output temperatur dari masing-masing percobaan, sehingga dengan hasil yang diperoleh bisa digunakan dalam mengehitung, bilangan reynold, bilangan nusselt, nilai kesimbangan energi panas dan nilai koesien konveksi, serta untuk menghitung niGambar 3:. lai akhir dari total koesien konveksi.. Diagram hubungan koesien kon-. veksi pada air panas dengan air dingin hi  ho vs Th. Tabel 3: Nilai koesien konveksi air panas dengan air normal. Gambar 2: Distribusi aliran temperatur 85 ºC dengan air dingin 17 ºC. Gradasi. warna. menunjukan. adanya. dis-. tribusi temperatur aliran air panas dengan air dingin mengalir secara berlawanan karena. exchanger. heat. yang digunakan tipe counterow, se-. hingga pada air panas terjadi penurunan temperatur dari 85 ºC di inlet menjadi 82 ºC di outlet, sedangkan kenaikan temperatur dari inlet 17 menjadi 22 ºC. Tabel 2: Nilai koesien konveksi air panas dengan air dingin. Gambar 4:. Diagram hubungan koesien kon-. veksi pada air panas dengan air normal hi  ho vs Th. Dengan didapatkannya hasil dari perhitungan nilai koesien konveksi pada air panas dengan air dingin, maupun nilai koesien konveksi dari nilai air panas dengan air normal.. 1/(1/hi + 1/ho) 164.

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227 Diketahui :. konveksi dipengaruhi oleh hasil dari nilai. U : Total koesien konveksi (W/m2.K). koesien konveksi.. hi : 2322,62295 (W/m2.K) 2. Nilai total koesien konveksi pada tem-. h0 : 298,731421 (W/m2.K). peratur air panas 85 ºC dengan air normal. 32. ºC adalah 320,2506665, sedan-. gkan nilai total koesien konveksi pada. Tabel 4: Hasil nilai total koesien konveksi. air. panas. 85. ºC dengan air dingin 17. ºC adalah 264,6877744.. Jika memband-. ingkan keduanya, nilai total koesien konveksi pada temperatur air panas dengan air normal lebih besar dari nilai koesien konveksi pada temperatur air panas dengan air dingin.. 3.. Counterow heat exchanger. pada pipa lu-. rus terjadi perbedaan temperatur, pada air panas di inlet bertemperatur 85 ºC dengan temperatur yang berada di outlet 82 ºC mempunyai perbedaan temperatur 3 ºC. Sedangkan di inlet pada air dingin bertemperatur 17 ºC dengan temperatur yang berada di outlet 22 ºC mempunyai perbedaan temperatur 5 ºC. Nilai temperatur di outlet pada air dingin akan didapatkan kenaikan temperatur yang lebih besar. Sedangkan pada pipa air panas di inlet. mengalami. penurunan. temperatur. di outlet.. Gambar 5: Diagram hubungan nilai total koe-. Daftar Pustaka. sien konveksi U vs Th [1] R.A. Seban, E. F. McLaughlin, Heat transfer in tube coils with laminar and turbulent ow, International Journal of heat and Dari gambar diatas terlihat bahwa dalam. Mass Transfer, 6, pp: 387-395, 1963.. kondisi temperatur air panas dengan air normal mengalami. kenaikan. nilai. yang terjadi di dalam. koesien. heat exchanger.. konveksi Karena. terjadi penurunan temperatur air panas sedangkan. temperatur. air. normal. mengalami. naikan yang masing-masing keluar pada. heat exchanger d apat. ke-. outlet. mempengaruhi naiknya. nilai total koesien konveksi.. [2] G.F.C. Rogers, Y.R. Mayhew, Heat transfer. and. tubes. pressure. with. loss. turbulent. in. helkically. ow,. coiled. International. Journal of heat and Mass Transfer, 7, pp: 1207-1216, 1964.. [3] Y.Mori,. W. Nakayama,. Study on forced. convective heat transfer in curved pipe, In-. Kesimpulan. ternational Journal of heat and Mass Transfer, 8, pp: 67-82, 1965.. Berdasarkan dari simulasi yang dilakukan, da-. [4] Holman, JP. Alih bahasa E. Jasi, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta,. pat disimpulkan bahwa :. 1995 1. Perubahan. temperatur. heat exchanger turunnya. nilai. yang. terjadi. di. mempegaruhi naik atau koesien. konveksi.. Ke-. cenderungan naiknya nilai total koesien. 165. [5] Kreith,. Frank. Arko. Prijono,. "Prinsip-. prinsip perpindahan panas", Penerbit Erlangga, Jakarta, 1997..

Jurnal Ilmiah KOMPUTASI, Volume 16 No :2, September 2017, p-ISSN 1412-9434/e-ISSN 2549-7227 [6] Cengel,. Yunus A, "Thermodynamics and. imental. Koesien. Heat Transfer, Second Edition". McGraw-. Exchange r. Hill, Inc. New York, 1997.. Skripsi, 2012.. [7] Aswinsyah Hassan, Teuku, "Kajian Eksper-. 166. Tipe. Konveksi Aliran. Universitas. pada. Counter. Gunadarma.. Heat Flow",. Jakarta,.