INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA DESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

(1)

INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA DESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Mirza Quanta Ahady Husainiy

2408100023 Dosen Pembimbing

Dr. Gunawan Nugroho, ST. MT.

(2)

Presented By

Harry Mills / PRESENTATIONPRO

Latar Belakang

INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA DESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Baffle

Baffle Helix

Investigasi Karakteristik Aliran Dan Perpindahan Panas

Shell and Tube Heat Exchanger

(3)

Permasalahan

Bagaimana menginvestigasi hasil komparasi Helical Baffle dan segmental Baffle pada

desain Heat Exchanger tipe Shell dan Tube

menggunakan CFD?

(4)

Presented By

Tujuan

Tujuan dari dilakukannya penelitian ini adalah untuk

melakukan investigasi hasil komparasi antara Helical

Baffle dan segmental Baffle pada desain Heat

Exchanger tipe Shell dan Tube dengan metode

Komputasi Dinamika Fluida (CFD).

(5)

Dimensi Objek Penelitian

Spesifikasi Dimensi / Ukuran

Diameter tube luar 0.019 m

Diameter tube dalam 0.015 m

Jumlah tube 208

Jumlah laluan tube one pass tube

Diameter shell 0.5 m

Panjang shell 6 m

Jarak inlet outlet 5.2 m

Tebal baffle 0.03 m

Diameter inlet outlet 0.16 Shell type one pass shell Tube type floating tube tubesheet

type

Susunan tube staggered

Jenis layout triangular pitch

Tube pitch 0.025 m

Fluida sisi shell Air

Solid shell Steel

Laju alir massa shell 96.50958 kg/s

Temperature inlet 313 K

Tekanan inlet 7.84 bar.g

Massa jenis 992.67 kg/m3

Viskositas 6.95 x 10^-4 N.s/m2

Konduktivitas 0.628 W/m.k

Prandtl Number 4.62

Fluida Air

Laju alir massa 96.72736 kg/s

Temperatur inlet 300 K

Temperature outlet 312 K Tekanan inlet 2.94 bar.g

Massa jenis 994.91 kg/m3

Viskositas 7.76e -4 N.s/m2 Viskositas wall 5.47e -4 N.s/m2 Panas spesifik 4178 J/kg.K Konduktivitas

fluida

0.615 W/m.k

Prandtl number 5.27

Material Steel

Konduktivitas material

27.7 W/m.k

(6)

Presented By

Perhitungan parameter Objek Penelitian

Kecepatan Fluida

Variasi Baffle Debit aliran (m³/h)

u_s(m/s)

Segmental Baffle 50 0.35629

80 0.570064

100 0.71258

120 0.855096

150 1.068869

Helical Baffle 7⁰ 50 0.711511

80 1.138417

100 1.423022

120 1.707626

150 2.134533

Helical Baffle 13⁰ 50 0.410543

80 0.6568689

100 0.8210861

120 0.9853033

150 1.2316291

(7)

Model Geometri - GAMBIT

(8)

Presented By

Meshing Geometri

Pemodelan Respon Getaran Torsional dan Lateral Pada Sistem Propulsi Kapal Jenis Propulsors Fixed Pitch Propeller INVESTIGASI KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA DESAIN HELICAL BAFFLE PENUKAR PANAS TIPE SHELL AND TUBE BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Variasi Baffle Jumlah elemen Worst element

Single Segmental 175.984 0.853825

Helical7⁰ 162.192 0.967187

Helical13⁰ 155.278 0.969693

(9)

Boundary Condition

Spesifikasi Batas

Inlet Velocity inlet

Shell Wall Adiabatik

Tube Wall heat fluks

Baffle Wall Adiabatik

Outlet Outflow

Inlet

Outlet

(10)

Presented By

Solving

Viscous Model • Energy Equation

• K-epsilon standart Model Geometri Steady 3 dimensi , Segreaged Material Property Fluid: Water Liquid (Air)

Solid :Steel

Keadaan Steady

Batas Iterasi Maksimum 1000

Velocity Magnitude 1.068 m/s

Turbulence Specification Method:

Intensity and Length scale Turbulent intensity : 2,73%

Turbulent length scale: 0,56

Kriteria Iterasi

Konvergensi

• Continuity 1e-06

• x-velocity 1e-05

• y-velocity 1e-05

• z-velocity 1e-05

• energy 10^-6 Discretization • pressure: second order

• momentum: second order upwind

• T. kinetic energy: second order

• T. Dissipation Rate: second order

• Energy: second order upwind

(11)

Verifikasi dengan Hasil Eksperimen

Perbandingan Pressure Drop Simulasi vs Eksperimen Zhang 2011

(12)

Presented By

KONTUR TEMPERATUR

Segmental Baffle Helical Baffle 13

^o

Helical Baffle 7

^o

Tshell in : 313 K

Tshell out : 306 K Tshell in : 313 K

Tshell out : 306 K Tshell in : 313 K Tshell out : 303 K

(13)

Analisis Perhitungan Data Hasil Simulasi

Variasi Baffle us (m/s) Tout (K)

Segmental Baffle 0.35629 306.4218

0.570064 306.4463

0.71258 306.673

0.855096 306.8653

1.068869 306.9608

Helical Baffle7⁰ 0.711511 302.5327

1.138417 302.9088

1.423022 303.1447

1.707626 303.1762

2.134533 303.6014

Helical Baffle13⁰ 0.410543 306.5606

0.6568689 306.795

0.8210861 306.6159

0.9853033 306.5125

1.2316291 306.9581

Tshell out

Heat Transfer Rate (Q)

(14)

Presented By

Harry Mills / PRESENTATIONPRO Variasi Baffle Debit aliran (m³/h)

Segmental Baffle 50 2.915404211

80 2.922614678

100 2.988817499

120 3.04455719

150 3.072116861

Helical Baffle7⁰ 50 1.649312139

80 1.787714518

100 1.871908126

120 1.883041749

150 2.030239032

Helical Baffle13⁰ 50 2.956049946

80 3.024246618

100 2.972211606

120 2.942014766

150 3.071325036

(15)

Variasi Baffle us (m/s) Q (W)

0.570064 854989.7

0.71258 1055681.5

0.855096 1253526.2

1.068869 1558651

Helical Baffle7⁰ 0.711511 647087

1.138417 1018004

1.423022 1258921

1.707626 1508524

2.134533 1848919

Helical Baffle13⁰ 0.410543 531078.6

0.6568689 838920

0.8210861 1058967

0.9853033 1277907

1.2316291 1558889

(16)

Presented By

Display Kontur dengan Distance (L)

T Segmental (K) T Helical 7

⁰

(K) T Helical 13

⁰

(K)

L

₁

(0.3) 310.83 309.97 310.70

L

₂

(0.6) 309.14 307.54 309.93

L

₃

(0.9) 308.57 305.11 308.40

L

₄

(1.2) 307.44 303.89 307.63

L

₅

(1.4) 306.96 303.60 306.95

(17)

KONTUR KECEPATAN

V in : 1.068 m/s

V out : 1.28 m/s V in : 1.23 m/s

V out : 1.64 m/s V in : 2.13 m/s

V out : 3.44 m/s

Segmental Baffle Helical Baffle 13

^o

Helical Baffle 7

^o

(18)

Presented By

Analisis hubungan dengan Bilangan Reynolds

Variasi Baffle u_s(m/s) Re

0.570064 18545.0036

0.71258 23181.2545

0.855096 27817.50541 1.068869 34771.88176

Helical Baffle7⁰ 0.711511 23146.49

1.138417 37034.38

1.423022 46292.98

1.707626 55551.57

2.134533 69439.47

Helical Baffle13⁰ 0.410543 13355.56

0.6568689 21368.9

0.8210861 26711.13

0.9853033 32053.36

1.2316291 40066.69

(19)

Kontur Turbulensi

(20)

Presented By

ANALISIS Heat Transfer Coefficient

Variasi Baffle u_s(m/s) U (W/m². K)

0.570064 466763.1

0.71258 563560.8

0.855096 656926.1

1.068869 809502.9

Helical Baffle13⁰ 0.711511 1702836

1.138417 2903720

1.423022 3760022

1.707626 4532308

2.134533 5989248

Helical Baffle7⁰ 0.410543 2504827

0.6568689 4048042

0.8210861 5021913

0.9853033 5998621

1.2316291 7639204

(21)

ANALISIS PRESSURE DROP

Variasi Baffle us (m/s)

0.570064 36.65916

0.71258 45.82395

0.855096 54.98874

1.068869 68.73592

Helical Baffle7⁰ 0.711511 45.75522

1.138417 73.20836

1.423022 91.51045

1.707626 109.8125

2.134533 137.2657

Helical Baffle13⁰ 0.410543 26.40084

0.6568689 42.24135

0.8210861 52.80169

0.9853033 63.36203

1.2316291 79.20253

(22)

Presented By

KESIMPULAN

1. Karakteristik aliran fluida dan perpindahan panas adalah bilangan Reynolds (Re), koefisien perpindahan panas konveksi (U) dan pressure drop (ΔP) optimal pada debit aliran fluida (q) = 150 m

³

/h dan minimum pada q = 50 m

³

/h.

2. Pada peningkatan debit aliran fluida (q) karakteristik aliran fluida dan perpindahan panas semakin meningkat yaitu pada ketiga variasi tipe baffle, bilangan Reynolds (Re) dan pressure drop (ΔP) meningkat sebesar 200 %, sedangkan peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi (U) sebesar U = 204.97%.

3. Pada helical baffle dengan variasi sudut baffle 7

⁰

dan 13

⁰

koefisien perpindahan panas konveksi akan meningkat seiring dengan penurunan sudut baffle pada debit aliran yang sama, meskipun secara keseluruhan koefisien perpindahan panas konveksi pada dua tipe helical baffle tersebut lebih besar daripada tipe segmental baffle.

4. Besarnya debit aliran dan luasan permukaan perpindahan panas pada sisi shell berbanding lurus

terhadap pressure drop yang diterapkan pada helical baffle dengan sudut baffle kecil (7

⁰

dan 13

⁰

),

semakin besar debit aliran dan luasan permukaan perpindahan panas maka semakin besar pula

pressure drop pada sisi shell helical baffle.

(23)

(24)

Presented By

METODOLOGI PENELITIAN

(25)

Variasi q (m3/h) S (m2) V (m/s) Tso (K) T_lmtd(K) Ts (K) Qs (W) f

SGHE

50 0.038982 0.35629 306.4218 2.915404 6.57825 378923.21 0.005522 80 0.038982 0.570064 306.4463 2.922615 6.55368 604012.67 0.003451 100 0.038982 0.71258 306.673 2.988817 6.32703 728904.66 0.002761 120 0.038982 0.855096 306.8653 3.044557 6.13474 848102.3 0.002301 150 0.038982 1.068869 306.9608 3.072117 6.03918 1043614.4 0.001841

HBHE 13

50 0.033831 0.410543 306.5606 2.95605 6.43945 370927.99 0.004792 80 0.033831 0.656869 306.795 3.024247 6.20496 571873.28 0.002995 100 0.033831 0.821086 306.6159 2.972212 6.38406 735474.79 0.002396 120 0.033831 0.985303 306.5125 2.942015 6.48746 896864.37 0.001997 150 0.033831 1.231629 306.9581 3.071325 6.04193 1044089.6 0.001597

HBHE 7

50 0.01952 0.711511 302.5327 1.649312 10.46735 602944.84 0.002765 80 0.01952 1.138417 302.9088 1.787715 10.09116 930040.61 0.001728 100 0.01952 1.423022 303.1447 1.871908 9.85535 1135384.3 0.001382 120 0.01952 1.707626 303.1762 1.883042 9.82379 1358098.1 0.001152 150 0.01952 2.134533 303.6014 2.030239 9.39862 1624150.2 0.000922

Variasi

Re Nu P (Pa)

U

(W/m2.K) Q (W)

SGHE

11590.6

27 10620.57

22.911973 97

292835.74 91

535076.21 13 18545.0

04 16928.57

36.659158 36

466763.13 84

854989.70 46 23181.2

55 20439.23

45.823947 95

563560.77 42

1055681.5 39 27817.5

05 23825.41

54.988737 54

656926.08

43 1253526.2 34771.8

82 29359.06

68.735921 92

809502.85 13

1558651.0 18

HBHE 13

13355.5

65 90845.12

26.400844 72

2504827.3 62

531078.60 23 21368.9

03 146814.4

42.241351 56

4048041.7 51

838920.00 79 26711.1

29 182134.8

52.801689 45

5021913.3 86

1058966.6 06 32053.3

55 217558.1

63.362027 34

5998620.7 43

1277907.2 37 40066.6

94 277058.8

79.202534 17

7639203.7 93

1558888.6 28

HBHE 7

23146.4

89 61758.48

45.755224 73

1702835.8 08

647087.02 46 37034.3

82 105312.2

73.208359 57

2903720.0 19

1018003.6 72 46292.9

78 136368.5

91.510449 46

3760021.7 66

1258921.3 6 55551.5

74 164377.8

109.81253 94

4532308.1 79

1508524.1 12 69439.4

67 217218.1

137.26567 42

5989247.5

26 1848918.9