Pengaruh Helical Turbulator Terhadap Efektifitas Double Pipe Heat Exchanger

(1)

Pengaruh

Helical Turbulator

Terhadap

Efektifitas

Double Pipe Heat Exchanger

Mufid*), Windi Zamrudy, Bambang Widiono

Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Malang, Jl. Soekarno Hatta No. 9 Malang *E-mail: [email protected]

ABSTRAK

Saat ini kebutuhan akan energi di dunia terus meningkat, sejalan dengan semakin tumbuhnya industri untuk menopang kehidupan manusia. Namun kenaikan kebutuhan energi tersebut tidak diimbangi dengan bertambahnya sumber energi, sehingga harga energi semakin mahal. Untuk meminimalisir kebutuhan energi, maka perlu dicari sumber-sumber energi alternatif baru, terutama sumber energi baru dan terbarukan. Disamping itu perlu dilakukan pengelolaan energi yang lebih baik, sehingga kebutuhan energi dunia bisa dikurangi. Heat exchanger memiliki pipa luar stainless steel dengan diameter dalam (Do) 3,5 inc, ketebalan pipa (To) 1,5 mm, dan panjang pipa (Lo) 790mm dan pipa dalam (Di) 1 3/8 inc, ketebalan(Ti) 0,6 mm, dan panjang pipa (Li) 920mm, .dengan air dingin dan air panas yang digunakan sebagai fluida uji di sisi shell dan tabung. Helical turbulator dari besi (mild steel) dengan dimensi geometris jarak antar elemen sebesar 50 mm berdiameter dalam (Di) 5/16 inc dan diameter luar(Do) 1 5/16 inc dengan panjang 750mm

dimasukkan dalam inner tube dari heat exchanger. Air panas memasuki tabung dengan variasi flowate mulai 400 l/jam sampai 900 l/jam, sedangkan flowrate air dingin konstan 900 l/jam. Hasil penelitian dengan disisipkannya helical turbulator pada heat exchanger akan mengakibatkan peningkatan laju perpindahan kalor dibandingkan plain tube. Helical turbulator sebagai turbulator juga mengakibatkan peningkatan efektifitas termal heat exchanger lebih besar dari pada plain tube.

Kata kunci: Heat Exchanger, Helical Turbulator, Efektifitas

1. PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi industri yang demikian pesatnya akhir-akhir ini menyebabkan kebutuhan akan energi meningkat dengan tajam. Sebagian besar kebutuhan akan energi tersebut dipenuhi dari sumber energi fossil yaitu minyak bumi yang ketersediaannya di alam semakin lama semakin menipis. Hal tersebut berdampak pada berkurangnya pasokan bahan bakar, sehingga harga bahan bakar di pasaran dnia cenderung menjadi tinggi.

Untuk mengatasi permasalahan-permasalahan tersebut, perlu dilakukan manajemen energi yang lebih baik dengan cara: mengupayakan penggunaan peralatan industri yang lebih hemat energi, mengoptimalkan pemanfaatan energi panas yang terbuang dari peralatan-perlatan industri, mencari sumber-sumber energi alternatif baru yang ada di alam, mengembangkan peralatan-peralatan industri yang lebih efisien, dan meningkatkan efisiensi peralatan industri yang sudah ada.

Salah satu bentuk upaya peningkatan efisiensi pemindahan energi di industri adalah dengan mengatur parameter-parameter dari peralatan industri yang digunakan. Beberapa cara diantaranya adalah mengubah tipe aliran fluida, mengubah area penerimaan energi, dan mengkondisikan temperatur fluida kerja. Faktor perubahan parameter yang berpengaruh dalam proses engineering baik di Power Plant Industry, Production Processing utility, dll sangat penting, karena pengaturan tersebut akan menentukan kualitas produk yang dihasilkan [11].

(2)

Pengembangan terhadap heat exchanger dilakukan dalam upaya untuk mengatasi permasalahan-permasalahan seperti: laju perpindahan kalor, faktor gesekan, pola aliran fluida kerja, jenis material heat exchanger, efektifitas perpindahan kalor, jenis heat exchanger. Solusi dari permasalahan tersebut diharapkan dapat meningkatkan efisiensi perpindahan kalor pada heat exchanger karena terjadinya pengurangan pada energi yang dibutuhkan atau penurunan terhadap ukuran heat exchanger. Meningkatnya konveksi paksa akan dapat memperkecil kebutuhan energi dalam mengalirkan fluida kerja ke sistem penukar kalor [2].

Pada penelitian mengenai peningkatkan koefisien perpindahan panas dari permukaan aliran karena terjadinya peningkatan gerak turbulen pada tabung dengan menggunakan pin [14] dan pelat sirip [16], menunjukkan bahwa laju perpindahan panas semakin meningkat dengan digunakannya pin dan pelat sirip. Penggunaan turbulator berbentuk plat berpilin dengan potongan bentuk trapesium [12] atau bentuk potongan daun (louvered strip) [4] yang disisipkan ke dalam pipa dalam (inner tube) double pipe heat exchanger terbukti dapat meningkatkan laju perpindahan kalor. Selain itu turbulator bentuk sekrup helic dengan/tanpa inti [6], juga memperbesar terjadinya aliran pusaran sehingga memperbesar terjadinya aliran turbulen dan mengakibatkan perpindahan panas konveksi yang lebih baik.

Penelitian pada brazed plate heat exchanger (BPHE) dengan memvariasikan sudut chevron [8] memberikan hasil bahwa perubahan sudut chevron berdampak pada perubahan laju perpindahan panas dan penurunan tekanan dimana penurunan tekanan berbanding terbalik dengan sudut chevron. Mesh dengan berbagai diameter pitch yang berbeda yang digunakan pada pipa horisontal untuk meningkatkan perpindahan panas [13], juga terbukti dapat meningkatkan terjadinya turbulensi aliran. Mesh dengan pitch lebih kecil akan menimbulkan turbulensi yang lebih kuat.

2. TUJUAN PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh helical turbulator yang disisipkan pada tabung bagian dalam (inner tube) dari double pipe heat exchanger terhadap laju perpindahan kalor, efektifitas.

3. TINJAUAN PUSTAKA

Panas dilepas oleh air panas dalam pipa dalam (inner tube) heat exchanger,

dapat dirumuskan seperti pada persamaan (1).

(1) ) .( . _ph _h_,_out _h_,_in h h m C T T Q     

dimana adalah laju alir massa air panas; adalah panas spesifik air panas;

dan adalah temperatur outlet dan inlet air panas.

Panas yang diserap oleh air dingin dalam pipa annulusnya, dapat dirumuskan seperti pada persamaan (2).

(2) ) .( . _pc _c_,_out _c_,_in c c m C T T Q     

dimana adalah laju alir massa air dingin; adalah panas spesifik air dingin; dan adalah temperatur outlet dan inlet air dingin.

Laju perpindahan kalor menyeluruh pada heat exchanger, dirumuskan seperti pada persamaan (3).

(3)

(3) . .As Tlm U Q  

dengan U adalah koefisien perpindahan panas menye-luruh; adalah luas permukaan perpindahan panas menyeluruh; adalah log mean temperatur

difference.

Besar log mean temperature different (LMTD) dapat dirumuskan seperti pada persamaan (4). (4) ) / ln( ₁ ₂ 2 1 T T T T T_lm        dengan: in c out h out c in h T dan T T T T T₁ _,  _,  ₂  _,  _, 

Koefisien perpindahan panas menyeluruh (overall heat transfer coefficient) pada double tube heat exchanger, U dapat dirumuskan seperti pada persamaan (5).

(5) . 1 . . 2 ) / ln( 1 1 0 0 s i o i i A A h L k D D A h U          

Angka Nusselt untuk aliran turbulen melalui pipa halus ditentukan menurut persamaan Dittus-Boelter [10] seperti dirumuskan pada persamaan (6).

(6) 10.000 Re 160 Pr 0,7 Pr . Re . 023 , 0 0,8           n Nu

dengan n = 0,4 ( untuk pemanasan ) dan 0,3 ( untuk pendinginan ); Re adalah angka Reynolds; Pr adalah angka Prandt.

Angka Nusselt untuk aliran turbulen melalui pipa dengan turbulator berupa helical fin ditentukan menurut persamaan Eiamsa-ard (2006), seperti yang dirumuskan pada persamaan (7):

(7) Pr . Re . 0215 , 0 0,9143 13  Nu

Angka Reynold adalah perbandingan antara gaya inersia/kinetik dengan gaya viskos dalam aliran fluida [11], Re dapat dirumuskan seperti persamaan (8).

(8) . . Re   v D_h 

dengan Dh adalah diameter hidrolis (m); v adalah kecepatan rata-rata fluida (m/s);

 adalah koefisien viskositas dinamik(Pa.s);  adalah densitas fluida (kg/m3). Perbandingan antar ketebalan relatif dari kecepatan dengan lapisan batas termal merupakan sebuah parameter tak berdimensi yang dinamakan Angka Prandtl, Pr yang dirumuskan seperti pada persamaan (9).

(9) . Pr k C_p    _ 

dengan v adalah difusivitas momentum (m2/s);  adalah difusivitas panas (m2/s);

 adalah koefisien kekentalan dinamik (kg/m.s); Cp adalah kalor spesifik fluida (joule/kg °C); k adalah konduktivitas termal (watt/m 0C).

Hubungan efektifitas dengan NTU dan rasio kapasitas (c) untuk counter flow heat exchanger dapat dirumuskan seperti drumuskan pada persamaan (10).









(10) ) 1 ( exp . 1 ) 1 ( exp 1 c NTU c c NTU        

dengan NTU adalah number of thermal unit; c adalah rasio kapasitas.

(4)

(11) ) ( . . min min p s s C m A U C A U NTU  _

dengan U adalah koefisien perpindahan kalor menyeluruh; As adalah luas permukaan perpindahan panas menyeluruh; Cmin adalah kapasitas kalor minimum fluida.

Rasio kapasitas adalah perbandingan antara kapasitas minimum dengan kapasitas maksimum fluida, c yang dapat dirumuskan seprti pada persamaan (12).

(12) max min C C c 4. METODEPENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di laboratorium Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang. Penelitian diawali dengan melakukan kalibrasi terhadap flowmeter. Kemudian dilanjutkan dengan mengalirkan fluida panas di pipa dalam (inner tube) dan fluida dingin di annulus. Flowrate fluida panas divariasikan sedangkan fluida dingin dibuat konstan. Kemudian penelitian diulang dengan memasukkan

helicalturbulator ke dalam inner pipe.

Gambar 4.1. Helical Turbulator

Untuk menentukan laju perpindahan kalor digunakan beda temperatur LMTD (logaritmic mean thermal difference), sedangkan perhitungan efektifitas heat exchanger menggunakan NTU-Efektifitas.

5. HASILPENELITIANDANPEMBAHASAN

5.1. Data

Tabel 5.1.1 Data hasil pengujian plain tube double pipe heat exchanger untuk debit fluida panas 400 ltr/jam

Data Flowrate (L/h) Tcin Tcout Thin Thout

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 400 900 24,1 25,5 50,6 47,5 2 400 900 24,1 25,5 50,6 47,5 3 400 900 24,1 25,5 50,6 47,4 4 400 900 24,1 25,5 50,6 47,4 5 400 900 24,1 25,4 50,5 47,4

(5)

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 500 900 24,7 26,2 50,6 47,7 2 500 900 24,7 26,2 50,5 47,7 3 500 900 24,7 26,2 50,5 47,7 4 500 900 24,8 26,2 50,5 47,6 5 500 900 24,8 26,2 50,4 47,6

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 600 900 24,6 26,3 50,7 48,1 2 600 900 24,6 26,3 50,6 48,1 3 600 900 24,6 26,3 50,6 48,1 4 600 900 24,6 26,3 50,6 48 5 600 900 24,6 26,3 50,6 48

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 700 900 24,8 26,6 50,8 48,4 2 700 900 24,8 26,6 50,8 48,4 3 700 900 24,8 26,6 50,8 48,4 4 700 900 24,8 26,6 50,8 48,4 5 700 900 24,8 26,7 50,9 48,4

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 800 900 24,1 26,3 50,3 47,8 2 800 900 24,2 26,3 50,3 47,8 3 800 900 24,2 26,3 50,3 47,8 4 800 900 24,2 26,3 50,4 47,8 5 800 900 24,2 26,2 50,4 47,9

(6)

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 900 900 24,3 26,6 50,2 47,8 2 900 900 24,3 26,6 50,2 47,7 3 900 900 24,3 26,6 50,2 47,7 4 900 900 24,3 26,5 50,1 47,7 5 900 900 24,4 26,5 50,1 47,7

Tabel 5.1.7 Data hasil pengujian double pipe heat exchanger menggunakan

helical turbulator untuk debit fluida panas 400 ltr/jam

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 400 900 24,6 26,7 50,8 46 2 400 900 24,6 26,7 50,8 46 3 400 900 24,5 26,6 50,7 46 4 400 900 24,6 26,6 50,7 46,1 5 400 900 24,6 26,6 50,7 46,1

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 500 900 24,3 27,0 50,8 46,2 2 500 900 24,4 26,9 50,7 46,2 3 500 900 24,4 26,9 50,7 46,1 4 500 900 24,4 26,9 50,7 46,3 5 500 900 24,4 26,8 50,7 46,3

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 600 900 24,7 27,2 50,8 47,1 2 600 900 24,6 27,1 50,7 47,1 3 600 900 24,6 27 50,7 47 4 600 900 24,6 27 50,7 47 5 600 900 24,6 27 50,6 47

(7)

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 700 900 24,7 27,4 50,8 47,3 2 700 900 24,7 27,3 50,8 47,3 3 700 900 24,6 27,3 50,7 47,2 4 700 900 24,6 27,3 50,7 47,2 5 700 900 24,6 27,2 50,7 47,2

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 800 900 24,6 27,6 50,7 47,4 2 800 900 24,6 27,6 50,7 47,4 3 800 900 24,6 27,5 50,6 47,4 4 800 900 24,7 27,6 50,6 47,3 5 800 900 24,7 27,5 50,5 47,4

Hot Cold ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) ( 0C ) 1 900 900 24,4 27,5 50,4 47,2 2 900 900 24,4 27,5 50,4 47,2 3 900 900 24,4 27,5 50,3 47,1 4 900 900 24,4 27,5 50,3 47,1 5 900 900 24,4 27,6 50,2 47,1 5.2. Pembahasan

Berdasarkan analiasa data yang dihasilkan dari penelitian, digambarkan dalam grafik yang menunjukkan hubungan antara flowrate fluida panas terhadap laju perpindahan kalor pada heat exchanger dengan dan tanpa helical turbulator, serta grafik hubungan antara flowrate fluida panas terhadap efektifitas double pipe heat exchanger dengan dan tanpa helical turbulator.

(8)

Tabel 5.2.1 Data Hasil Perhitungan untuk pengujian plain double pipe heat exchanger

Tabel 5.3.2 Data Hasil Perhitungan untuk pengujian double pipe heat exchanger

dengan helical turbulator

No Flowrate air dingin, vh [L/h] Flowrate air panas, vh [L/h] Laju Perpin. Kalor Rerata,Qave [J/s] Number of Transfer Unit, NTU Efektifitas Thermal ɛ 1 900 400 1.439,939 0,12951 0,118412 2 500 1.575,589 0,11628 0,106639 3 600 1.767,113 0,10740 0,098594 4 700 1.920,147 0,09999 0,091851 5 800 2.251,143 0,10272 0,093708 6 900 2.427,380 0,09996 0,090900 No Flowrate air dingin, vh [L/h] Flowrate air panas, vh [L/h] Laju Perpin. Kalor Rerata,Qave [J/s] Number of Transfer Unit, NTU Efektifitas Thermal ɛ 1 900 400 2.152,362 0,12951 0,17914 2 500 2.604,344 0,11628 0,17213 3 600 2.531,431 0,10740 0,14088 4 700 2.791,715 0,09999 0,13310 5 800 3.008,571 0,10272 0,12606 6 900 3.267,931 0,09996 0,12200

(9)

1) Pengaruh flowrate air panas terhadap laju perpindahan kalor

Gambar 5.1. Hubungan flowrate terhadap Laju perpindahan kalor Dari gambar 5.1 dapat dilihat bahwa penyisipan helical turbulator

menyebabkan peningkatan laju perpindahan kalor dibandingkan dengan tanpa

helical turbulator. Adanya helical turbulator menyebabkan orientasi aliran fluida berubah dari axial menjadi radial, sehingga kuantitas partikel air panas yang mengalami kontak pada dinding pipa dalam (tube) bagian dalam terjadi lebih banyak, akibatnya makin banyak kalor yang dipindahkan oleh air panas ke dinding pipa. Disamping itu adanya helical turbulator yang sisi luarnya menempel pada dinding dalam pipa dalam akan menyebabkan luas permukaan perpindahan kalor semakin besar, akibatnya partikel air panas yang memindahkan kalor ke dinding melalui permukaan helical semakin banyak sehingga makin besar kalor yang dipindahkan.

Dalam hal perubahan yang dilakukan terhadap flowrate air panas, ternyata makin tinggi flowrate air panas yang digunakan mengakibatkan kenaikan laju perpindahan kalor. Hal ini disebabkan oleh semakin meningkatnya kuantitas partikel air panas yang mengalami kontak dengan dinding pipa sebelah dalam, maka semakin banyak energi kalor yang ditransferkan oleh partikel-partikel air panas ke dinding pipa.

2. Pengaruh flowrate air panas terhadap efektifitas

Berdasarkan Gambar 5.2 dapat dilihat bahwa penyisipan helical turbulator

sebagai turbulator menghasilkan peningkatan terhadap efektifitas termal heat exchanger dibandingkan dengan plain tube. Peningkatan ini diakibatkan oleh semakin besarnya laju perpindahan kalor real yang dipindahkan oleh heat exchanger yang disisipi dengan helical turbulator sebagai turbulator.

y = 3.4994x2_{+ 176.96x + 2053.6} R² = 0.9356 y = 13.586x2_{+ 108.24x + 1312} R² = 0.992 0.00 500.00 1,000.00 1,500.00 2,000.00 2,500.00 3,000.00 3,500.00 400 500 600 700 800 900 Laju Per p in d ah an Kal o r (Jo u le)

Flowrate Fluida Panas (L/h)

Plain HE

HE with Turbulator Poly. (Plain HE)

(10)

Penambahan turbulator mengakibatkan waktu tinggal air panas di dalam pipa menjadi semakin lama, sehingga akan memindahkan panas ke dinding yang lebih banyak, akibatnya efektifitas termal heat exchanger meningkat.

Gambar 5.2. Hubungan flowrate terhadap Efektifitas

Sebaliknya kenaikan flowrate air panas justru mengakibatkan menurunnya efektifitas. Hal ini terjadi disebabkan oleh semakin besarnya kapasitas kalor minimum. Kenaikan kapasitas kalor minimum diakibatkan oleh kenaikan flowrate air panas.

6. KESIMPULANDANIMPLIKASI 6.1. KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

1) Laju perpindahan kalor akan semakin besar apabila ke dalam heat exchanger ditambahkan helical turbulator.

2) Penambahan helical turbulator akan meningkatkan efektifitas heat exchanger. 6.2. IMPLIKASI

Untuk melihat pengaruh penambahan helical turbulator terhadap laju perpindahan kalor dan efektifitas, sebaiknya dilakukan penelitian dengan menggunakan helical turbulator yang memiliki kerapatan elemen yang berbeda-beda. y = 0.0015x2_{- 0.0158x + 0.1324} R² = 0.9824 y = 0.002x2_{- 0.0263x + 0.2073} R² = 0.954 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 400 500 600 700 800 900 Ef ek ti fi tas (%)

Flowrate Fluida Panas (L/h)

plain HE

HE with Turbulator Poly. (plain HE)

(11)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Amala M. Justus Selvam, Senthil Kumar P, S. Muthuraman. 2009. The characteristics of brazed plate heat exchangers with different chevron

angles. Asian Research Publishing Network (ARPN) 4(10): 19-26.

[2] Bergles, A.E. 1998, The Imperative to Enhance Heat Transfer, in: Energy

Conservation through Heat Transfer Enhancement of Heat Exchanger.

NATO Advanced Study Institute. Izmir-Turkey.

[3] Çengel, Yunus A. 2003. Heat Transfer A Practical Approach, 2nd edition. New York: Mc Graw Hill Companies Inc.

[4] Eiamsa-ard S., P. Promvonge. 2006. Heat transfer characteristics in a tube fitted with helical screw-tape with/without core-rod insert. International Communication in Heat and Mass Transfer 34: 176-185.

[5] Eiamsa-ard S., P Promvonge, Chinaruk Thiaanpong, Somsak Pethkool.

2008. Turbulent flow heat transfer and pressure loss in a double pipe heat

exchanger with louvered strip insert. International Communication in Heat and Mass Transfer 35: 120-129.

[6] Engineering data book III 5-1. Wolverine Tube Heat Transfer Data Book. Wolverine Tube Inc.

[7] URL:http://www.wlv.com/products/databook/ch2_2.pdf. 20 Nop 2010 [8] Geankoplis, Christie John. 2003, Transport Processes and Separation

Process Principle, 4th edition Pearson Professional Education..

[9] Johar Gaurav, Virendra Hasda. 2010, Experimental Studies On Heat Transfer Augmenatation Using Modified Reduced Width Twisted Tapes (RWTT) As Inserts For Tube Side Flow of Liquids, Thesis, Department of Chemical Engineering National Institute of Technology Rourkela.

[10] Kalaivanan R., R. Rathnasamy. 2010. Experimental investigation of forced convective heat transfer in rectangular micro-channels, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 5(5):21 – 26.

[11] Lunsford, Kevin M. 1998. Increasing Heat Exchanger Performance. Bryan: Texas US. Bryan Research & Engineering, Inc.

(12)

[12] Murugesan, P. K. Mayilsamy. S Suresh, PSS Srinivasan. 2009. Heat transfr and pressure drop characteristics of turbulent flowin a tube fitted with trapezoidal-cut twisted tape insert, International Journal of Academic Research 1(1): 123-128.

[13] Naga S. Sarada, A.V. Sita Rama Raju, K. Alyani Radha, 2010,

Experimental numerical analysis enhancement of heat transfer in a horizontal circular tube using mesh inserts in turbulent region, European Journal of Mechanical and Environmental Engineering 2: 3 - 16

[14] Sahiti, N. F. Durst, A. Dewan, 2005, Heat transfer enhancement by pin element, International Journal of Heat Transfer 48: 4738-4747.

[15] Shah, Ramesh K. & Sekulic, Dusan P. 2003. Fundamental of Heat

Exchanger Design. Hoboken New jersey: John Wiley & Sons Inc.

[16] Thirumarimurugan, M. T. Kannadasan, E. Ramasany. 2008. Simulation

studies on a cross flow plate turbulator heat exchanger. American Journal