Pengaruh Variasi Jarak Pitch Helical Tur

(1)

PENGARUH VARIASI JARAK PITCH HELICAL TURBULATOR

TERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR PADA DOUBLE TUBE HEAT

EXCHANGER

A’rasy Fahruddin

Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Sidoarjo

ABSTRAK

Peningkatan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor merupakan salah satu alternatif untuk menghamat kebutuhan energi dalam dunia industri. Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan kalor yang sederhana tanpa memperbesar dimensi alat yaitu dengan penggunaan helical turbulator. Suatu upaya untuk mengoptimalkan penggunaan

helical turbulator adalah dengan mencari jarak pitch yang tepat. Dengan jarak pitch yang tepat maka akan didapat laju perpindahan kalor yang tinggi.

Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah true experimental research yaitu dengan melakukan penelitian eksperimen yang diamati secara langsung. Pengambilan data temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopeldan ditampilkan nilainya oleh termometer digital. Penelitian ini menggunakan variabel bebas berupa variasi jarak pitch helical turbulator (25 mm; 40 mm; 60 mm). Variabel terikatnya adalah laju perpindahan kalor. Pada penelitian ini tiap pengujian dilakukan pengambilan data temperatur sebanyak tiga pengulangan.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin rapat jarak pitch helical turbulator, maka semakin tinggi laju perpindahan kalor yang terjadi. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27% menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helicalturbulator.

KEY WORDS

heat exchanger, jarak pitch., helical turbulator, dan laju perpindahan kalor.

1. Pendahuluan

Alat penukar kalor merupakan alat yang cukup banyak digunakan dalam dunia industri. Alat ini di gunakan untuk menaikkan atau menurunkan temperatur fluida yang kemudian digunakan untuk berbagai keperluan dan berbagai proses yang terjadi dalam dunia industri, seperti untuk pemanas air sebelum masuk ketel uap, sebagai kondensor, dan sebagainya. Peningkatan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor menjadi masalah penting karena banyaknya proses dalam industri yang membutuhkan kalor dan masalah efisiensi.[1] Pengetahuan tentang ilmu perpindahan kalor dibutuhkan untuk merekayasa desain alat penukar kalor yang mempunyai efektivitas yang tinggi serta dimensi yang relatif lebih kecil yang pada akhirnya dapat menghemat energi dan memperkecil biaya investasi.

2. Isi

2.1 Heat Exchanger

Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Salah satu jenis dari alat penukar kalor yang memiliki sederhana konstruksi adalah Concentric tube annulus heat exchanger,[2] alat penukar kalor yang terdiri dari pipa kecil (inner tube) yang terletak dalam pipa yang lebih besar (outer tube) seperti terlihat pada gambar dibawah ini.

(2)

Sedangkan menurut arah alirannya ada alat penukar kalor aliran searah, berlawanan arah, dan arah melintang. Dalam penelitian ini dipilih alat penukar kalor aliran berlawanan arah (counterflow heat exchanger), yaitu alat penukar kalor dengan arah aliran fluida dingin berlawanan dengan arah aliran fluida panas dengan saluran yang berbeda. Pada alat penukar kalor tipe ini, suhu akhir fluida dingin yang keluar dapat melampaui suhu keluaran fluida panas karena terdapat perpindahan kalor yang efektif sepanjang pipa. Keuntungan yang lain dari tipe ini adalah diperlukan luas permukaan yang lebih kecil dibandingkan dengan aliran searah (parallel flow).[3]

Gambar 2. Counterflow heat exchanger [3]

Perpindahan kalor maksimum dari penukar kalor diperoleh dari energi yang dilepas oleh fluida yang memiliki suhu panas sama dengan energi yang diserap fluida yang bersuhu dingin. Beda suhu maksimum pada alat penukar kalor adalah selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin, maka fluida yang memiliki beda suhu maksimum adalah fluida yang memiliki nilai

m

¿

.

c

minimum yaitu pada sisi masuk. Sehingga rumusan perpindahan kalor maksimum dapat dituliskan sebagai berikut.[4][5]

q

maks

=(

m

¿

.

c

)

min

.

(

T

_hmasuk

−

T

_cmasuk

)

2.2 Perpindahan Panas Konveksi

Koefisien perpindahan kalor konveksi bukanlah properti dari fluida. Hasil penelitian terdahulu mengungkapkan bahwa parameternya tergantung dari semua variabel yang menyebabkan konveksi seperti bentuk permukaan, gerakan fluida, properti fluida (viskositas, konduktifitas termal, densitas, panas jenis) dan besarnya kecepatan fluida. Gerakan fluida yang turbulen menjadi salah satu faktor yang dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi. Karena dalam proses perpindahan kalor konveksi perputaran atau pencampuran fluida yang telah panas dengan fluida yang masih dingin adalah salah satu bagian dari proses terjadinya konveksi. Sehingga semakin banyak perputaran seperti olakan atau

vortex dalam aliran turbulen maka semakin banyak konveksi yang terjadi.

Gambar 3. Proses terjadinya perpindahan kalor konveksi [6]

2.3 Turbulator

Turbulator merupakan suatu penghalang yang dipasang pada saluran dengan tujuan mengganggu aliran fluida, sehingga akan tercipta aliran sekunder (secondary flow). Alat ini akan meningkatkan laju perpindahan kalor konveksi dengan cara menciptakan pusaran (vortex) di dalam saluran. Pencampuran antara fluida bertemperatur rendah dengan fluida yang bertemperatur lebih tinggi akan terjadi akibat adanya vortex tersebut, sehingga akan meningkatkan laju perpindahan kalor. Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari pemasangan turbulator. Mäkiharju et al (2003) telah meneliti pengaruh pemasangan helical turbulator pada counter flow heat exchanger dan menyimpulkan bahwa koefisien perpindahan kalor menyeluruh akan meningkat dengan semakin banyaknya kawat turbulator yang digunakan dan semakin kecilnya presentase propylene glycol dalam fluida pemanas. Sedangkan Pethkool et al (2006) telah meneliti tentang ”Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat Exchanger” dan menghasilkan kesimpulan bahwa efek dari penambahan turbulator ini membuat angka Nusselt meningkat menjadi 246% dari kondisi normal (tanpa turbulator) dan faktor gesek meningkat menjadi 167%. Penelitian-penelitian di atas menunjukkan bahwa pemasangan turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor.

(3)

1

12 Helical turbulator

3

5 6 7 8

9

11 2

4 10

13

14 15

Gambar 4. Garis-garis aliran melewati sebuah silinder [7]

Helical turbulator merupakan alat yang digunakan untuk mengubah orientasi aliran fluida di dalam suatu medium, seperti terlihat pada gambar 5. Helical Turbulator dipasang pada pipa bagian luar, sehingga akan terjadi aliran sekunder (secondary flow) dalam aliran tersebut. Aliran sekunder dalam aliran utama akan menyebabkan terjadinya vortex yang merupakan awal dari terjadi turbulensi dalam aliran. Dan adanya vortex tersebut akan meningkatkan difusivitas pusaran pada fluida, sehingga akan meningkatkan transfer kalor.

Selain menyebabkan terjadinya vortex, turbulator juga meningkatkan koefisien kerugian dari aliran fluida. Peningkatan koefisien kerugian dalam suatu aliran fluida akan menyebabkan meningkatnya pressure drop dari aliran fluida tersebut.

Gambar 6. Helical Turbulator

2.4 Metode Penelitian

Dalam penelitian ini variabel bebas yang digunakan adalah jarak pitch dari helical turbulator. Jarak pitch dari helical turbulator divariasikan sebesar 25 mm, 40 mm, dan 60 mm. Helical turbulator selalu dipasang pada posisi sedemikian rupa sehingga helical turbulator terdistribusi secara merata di sepanjang permukaan bagian luar pipa dalam. Sedangkan instalasi penilitian dapat dilihat pada gambar di bawah.

(4)

Keterangan gambar:

1. Digital Thermometer

2. Manometer

3. Pompa untuk air panas 4. Penampung air panas

5,6,7 dan 8. Thermocouple

9 dan 10. Flowmeter

11. Pompa untuk air dingin 12. Penampung air dingin 13. Heater

14. Magnetic contactor

15. Thermocontroller

2.5 Hasil dan Pembahasan

Penggunaan helical turbulator dapat meningkatkan laju perpindahan kalor. Peningkatan laju perpindahan kalor disebabkan karena dengan pemasangan helical turbulator aliran fluida pendingin akan mengalami perubahan garis aliran. Arah aliran akan terbagi menjadi dua, yaitu searah panjang pipa dan searah puntiran helical turbulator. Adanya dua arah aliran yang berbeda tersebut memungkinkan terjadinya olakan diantara keduanya. Bila olakan ini telah menjadi pusaran maka aliran akan menjadi turbulen. Aliran yang turbulen memungkinkan laju perpindahan kalor yang terjadi akan lebih besar. Karena pada aliran turbulen, pusaran yang terjadi akan mengakibatkan pencampuran antara fluida yang lebih panas pada daerah dekat pipa dalam dengan fluida yang lebih dingin pada daerah yang lebih luar. Semakin kecil jarak pitchhelical turbulator akan menyebabkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada alat penukar kalor cenderung meningkat. Peningkatan laju perpindahan kalor ini disebabkan karena semakin kecil jarak pitchhelical turbulator yang dipasang pada permukaan luar pipa dalam akan meningkatkan jumlah olakan sehingga turbulensi juga meningkat.

Gambar 8. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Dingin

Dari gambar 8 terlihat bahwa laju kalor terkecil pada fluida dingin terjadi pada variasi tanpa helical turbulator yaitu sebesar 1478,7 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, laju kalor meningkat menjadi 2446,5 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 40 mm, laju kalor meningkat menjadi 2872,6 Watt. Sedangkan dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3103,9 Watt. Peningkatan daya ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor, dimana semakin kecil jarak pitch maka laju perpindahan kalornya akan semakin besar.

Gambar 9. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas

(5)

menjadi 2776,2 Watt. Sedangkan penggunaan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3300,6 Watt. Peningkatan daya ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator juga akan meningkatkan laju perpindahan kalor fluida panas, meskipun pada aliran fluida panas tidak dipasang helical turbulator. Peningkatan ini terjadi karena pengaruh peningkatan laju kalor pada fluida dingin. Panas yang terkumpul pada dinding pipa panas lebih mudah terserap fluida dingin.

Gambar 10. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas

Dari gambar 10 terlihat bahwa efektifitas heat exchanger meningkat dengan penggunaan helicalturbulator. Dan semakin kecil jarak pitch semakin besar pula efektifitasnya. Pada variasi tanpa helical turbulator efektifitas sebesar 10,66%. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, efektifitas meningkat menjadi 17,64%. Sedang penggunaan

helical turbulator jarak pitch 40 mm, efektifitas meningkat menjadi 20,71%. Menggunakan helical turbulator jarak pitch

25 mm, efektifitas meningkat menjadi 22,38%. Sehingga laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27% menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan

pitch 25 mm dibanding tanpa helicalturbulator.

Pengggunaan helical turbulator menyebabkan olakan pada fluida pendingin sehingga pendinginan akan lebih cepat karena panas terserap merata ke dalam fluida pendingin. Helicalturbulator dengan jarak pitch yang makin pendek akan menyebabkan olakan semakin banyak, sehingga laju pendinginan juga makin besar.

3. Penutup

Penelitian tentang penggunaan helicalturbulator pada heat exchanger telah dibahas oleh Makiharju, Simo, et al. Beliau meletakkan pada bagian dinding dalam pipa panas. Sedangkan pada penelitian ini, helicalturbulator diletakkan pada dinding luar pipa panas sehingga yang mengalami olakan adalah fluida dingin. Peletakan helicalturbulator pada dinding luar juga meningkatkan laju perpindahan kalor. Selain itu akan memudahkan dalam pemasangan.

Semakin rapat jarak pitch helical turbulator yang dipasang pada alat penukar kalor, maka akan meningkatkan laju perpindahan kalor. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27% menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helicalturbulator.

Daftar Pustaka

[1] Mäkiharju, Simo, et al, Augmented Heat Transfer in Counterflow Heat Exchangers with Helical Turbulators,

Lappeenranta University of Technology, Fin-53851, Lappeenranta, Finland, 2003.

[2] Pethkool, Somsak dan Promvonge, Pongjet, Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat Exchanger; The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)”21-23 November 2006, Bangkok, Thailand.

[3] Cengel, Yunus A, Heat Transfer A Practical Approach: 2nd_edition_{(New York, McGraw-Hill Companies Inc, 2003)}

[4] Cengel, Yunus A. dan Robert H. Turner, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences: 1st_Edition_(NewYork,

McGraw-Hill Companies Inc, 2001)

[5] Holman, J.P, Perpindahan Kalor: Edisi kelima (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1991)

[6] Convection, tersedia: http://www.ghaley.com/Images/Convection_cells.gif (26 Oktober 2008) [7] Kreith, Frank, Prinsip-prinsip Perpindahan Kalor: Edisi Ketiga (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1997)

[8] Oslon, Reuben M dan Steven J. Wright, Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik (Jakarta, Gramedia Pustaka Utama, 1993)