PENGARUH JUMLAH SUDU
STATIC RADIAL FIN
TERHADAP
LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN
PRESSURE DROP
PADA
ALAT PENUKAR KALOR
Ardian Reza; Rudy Soenoko; Djoko Sutikno. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya
Jalan MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia E-mail : rezadestianto@yahoo.co.id
ABSTRAK
Heat exchanger merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur (Cengel, 2003:569). Pada perkembangan saat ini telah dikembangkan berbagai jenis heat exchanger. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl. Pengaruh static radial fin terhadap laju perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada heat exchanger jenis double tube dapat mengganggu pola aliran dari fluida yang mengalir ke saluran pipa dalam, sehingga meningkatkan intensitas turbulensi dan meningkatkan laju perpindahan kalor pada pipa.Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh jumlah sudu static radial fin terhadap laju perpindahan kalor dan pressure drop pada pada alat penukar kalor.
Dalam penelitian ini digunakan 3 (tiga) macam variasi sudu, yaitu 2 sudu, 3sudu dan 4 sudu. Laju aliran fluida (air) panas di bagian pipa dalam diteliti mulai dari 400 l/jam, 500 l/jam,600 l/jam, 700 l/jam, 800 l/jam, 900 l/jam dan laju aliran air dingin di bagian pipa luar konstan 900 l/jam. Data hasil pengujian dari masing-masing variasi dibandingkan data tanpa turbulator, secara keseluruhan mengalami peningkatan kalor dan peningkatan pada pressure drop. Dengan peningkatan kalor yang tertinggi pada static radial fin dengan jumlah sudu 4 (empat) yaitu sebesar 6884,341W dan pressure drop tertinggi pada static radial fin dengan jumlah sudu 4 (empat) yaitu sebesar 982,021 N/m2
Kata kunci : Static radial fin , heat exchanger, heat transfer rate, pressure drop.
PENDAHULUAN Latar belakang
Energi merupakan hal yang sangat penting untuk pengembangan industri dan itu merupakan isu yang penting akhir-akhir ini yaitu mengenai penghematan energi, tidak hanya di Indonesia, tetapi juga di seluruh dunia. Pemanfaatan energi secara ekonomis adalah cara yang efektif untuk mengurangi permasalahan energi. Salah satunya adalah alat heat exchanger
yang sering digunakan di dalam dunia industri perlu inovasi untuk meningkatkan efisiensinya. Heat exchanger adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan energi kalor. Proses perpindahan panas yang terjadi adalah pada dua atau lebih jenis fluida dengan temperatur yang berbeda. Pada perkembangan yang ada dibutuhkan perpindahan panas secara
tepat dan efisien dengan pengaturan temperatur (T) dan debit (Q) yang diinginkan. Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan laju aliran perpindahan kalor adalah dengan mengunakan turbulator. Dalam aplikasi
heat exchanger di lapangan banyak permasalahan yang masih ditimbulkan, misalnya laju perpindahan kalor yang ditransfer oleh heat exchanger kurang baik. Untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan membuat aliran turbulen dalam pipa sehingga pada heat
exchanger mampu mentransfer kalor
dengan baik. Efek dari adanya turbulator pada heat exchanger itu sendiri adalah mempengaruhi perbedaan kecepatan antar lapisan fluida sehingga menimbulkan vortex
dalam aliran, dengan timbulnya vortex
bilangan Reynold (Re) dan diikuti dengan peningkatan angka Nusselt (Nu) sehingga akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi pada aliran fluida.
Untuk menambah kajian dari penelitian yang ada diatas mengenai jenis turbulator yang digunakan, belum ada penelitian yang menggunakan static radial fin sebagai turbulator untuk meningkatkan laju perpindahan kalor pada heat exchanger. Untuk itu perlu adanya penelitian tentang pengaruh jumlah sudu static radial fin terhadap laju perpindahan kalor. Static radial fin
memiliki kelebihan dimana sirip atau
fin memiliki sudut kemiringan tertentu serta jumlah sudu yang dapat disesuaikan, yang diharapkan dapat membuat gerakan acak nantinya.
TINJAUAN PUSTAKA Penelitian Sebelumnya
Hosni (2003) melakukan penelitian yang dilakukan dengan membandingkan empat jenis turbulator dengan aliran berlawanan (counter flow). Turbulator yang digunakan adalah Fin tanpa sudut, spiraled rod, twisted strip dan angular disk.
Ardiansyah (2011) melakukan penelitian eksperimental terhadap pengaruh sudut static mixer terhadap laju perpindahan panas dan pressure drop pada counter flow heat exchanger, hasil penelitian tersebut didapatkan bahwa dengan adanya pemasang penghalang dengan variasi sudut static
menyebabkan terjadinya peningkatan laju perpindahan kalor jika dibandingkan tanpa penghalang. Disamping itu peningkatan sudut static mixer berbanding lurus dengan faktor gesekan sehingga akan meningkatkan kehilangan tekanan.
Ridho (2012) melakukan penelitian tentang pengaruh jarak peletakan static radial fin terhadap unjuk kerja heat exchanger jenis
counter flow. Hasil penelitian tersebut
didapatkan bahwa semakin dekat peletakan static radial fin dengan sisi masuk maka laju perpindahan kalor akan meningkat, sedangkan pressure
drop meningkat pada pemasangan jarak
static radial fin 750mm dari sisi masuk pipa.
Energi kalor
Energi kalor merupakan energi yang menunjukkan tingkatan kecepatan gerak acak dari suatu molekul atau suatu atom. Dalam hal ini, kalor berpindah dari permukaan suatu sistem yang bersuhu tinggi ke sistem yang temperaturnya lebih rendah sehingga tingkat energi kalor suatu benda diindikasikan dengan temperatur benda tersebut.
Untuk laju dari energi kalor sendiri dapat dinyatakan sebagai berikut:
Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran laminar adalah aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan dengan gerakan yang teratur. Aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan membentuk garis-garis alir yang tidak berpotongan satu sama lain. Hal tersebut ditunjukkan oleh percobaan Osborne Reynold. Pada laju aliran rendah, aliran laminer tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran. Aliran ini mempunyai bilangan Reynold lebih kecil dari 2300 (Cengel, 2002 :422).
lapisan-lapisan fluida tidak terlihat lagi sehingga aliran fluida dibayangkan sebagai bongkahan-bongkahan fluida. Pergerakan dari bongkahan-bongkahan fluida tersebut terjadi secara acak, sehingga proses perpindahan momentum dan massa terjadi secara makroskopis. Untuk aliran turbulen, nilai bilangan Reynold adalah : Re > 4000 (Cengel, 2002: 422). Sebelum terjadi aliran turbulen, aliran akan mengalami proses transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen.
Vortex
Vortex adalah pusaran yang
merupakan efek dari aliran rotasional dimana viskositas berpengaruh di dalamnya dapat berupa aliran free vortex atau forced vortex. Gerakan partikel fluida yang berputar disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan antar lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan sehingga menimbulkan gaya-gaya yang menyebabkan puntiran.
Angka Reynold
Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viskos dari suatu fluida. Secara matematis besarnya angka Reynold dapat dirumuskan sebagai berikut
Dimana :
Re = Reynold Number
= Kecepatan aliran ( m/s )
L = Karakteristik panjang atau
geometri (m) ( m )
= Kinematic Viscosity ( m²/s ) ( m²/s )
Angka Prandlt (Pr)
Angka prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas
hidrodinamika dengan lapisan batas
thermal.
Dimana :
Pr = Prandtl Number
α = Difusivitas thermal ( m/s² ) Cp = Panas jenis pada tekanan konstan
( J/kg .K )
v = Kinematic Viscosity ( m²/s )
μ = Absolute Viscosity ( Kg/m.s )
k = Thermal Conductivity (W/m. K)
Angka Nusselt (Nu)
Angka Nusselt merupakan angka yang didapat dari pengukuran eksperimental, yang terdiri dari angka
Reynold, Prandtl dan konstanta yang harganya tergantung pada geometri saluran dan sifat aliran.
Dimana :
Nu = Nusselt Number
k = Thermal Conductivity (W/m. K )
h = Koefisien perpindahan kalor konveksi ( W/m² ºC )
δ = Geometri profil penampang fluida ( m )
Dimana Untuk aliran dalam pipa adalah sebagai berikut :
Aliran laminar
Dimana :
Nu = Nusselt Number
L = Panjang pipa ( m)
= viskositas dinamik temperatur
bulk ( Kg.m/s )
= viskositas dinamik temperatur permukaan( Kg.m/s )
Aliran turbulen
Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Alat penukar kalor adalah yang digunakan untuk memindahkan kalor dari satu fluida ke fluida yang lain. Aplikasi dari Heat Exchanger ini sangat luas antara lain untuk sistem pendinginan di industri, pembangkit tenaga listrik. Dalam penukar kalor yang paling sederhana, fluida panas dan fluida dingin bercampur langsung. Dalam kebanyakan penukar kalor yang kedua, fluida itu terpisah oleh suatu dinding.
Gambar 1: Jenis aliran pada heat exchanger (a) parallel flow dan (b)
counter flow
Sumber : Cengel, 2003: 668
Analisa Perpindahan Kalor
Suhu fluida-fluida di dalam penukar kalor pada umumnya tidak konstan, tetapi berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu kalor berpindah dari fluida yang panas ke fluida yang lebih dingin. Maka dari itu untuk tahanan termal yang konstan, laju aliran kalor akan berbeda-beda sepanjang lintasan penukar kalor karena bergantung pada beda suhu antara fluida panas dan dingin pada penampang tertentu. Perbedaan temperatur pada alat penukar kalor tidak dapat ditentukan dengan mudah sehingga ada beberapa analisa yang dapat digunakan untuk mempermudah menentukan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor. Secara umum perpindahan kalor pada tipe double tube heat exchanger terdiri dari perpindahan kalor secara konduksi (menitik beratkan pada pipa) dan perpindahan kalor secara konveksi (antar fluida dengan pipa).
Koeffisien Perpindahan Kalor Menyeluruh
Suatu alat penukar kalor pada umumnya terdapat dua fluida yang memiliki beda temperatur yang dipindahkan oleh dinding sehingga akan terjadi tiga proses perpindahan kalor yaitu proses perpindahan kalor konveksi yang terjadi antara fluida dengan permukaan bagian dalam pipa dari pipa dalam (inner tube), perpindahan kalor konduksi yang terjadi dari permukaan dalam hingga permukaan luar dari pipa dalam (inner tube), serta proses perpindahan kalor konveksi antara fluida yang terdapat pada pipa luar (outer tube) dengan permukaan luar dari pipa dalam (inner tube). Dijelaskan lebih detail pada gambar 1.
Gambar 2 : Hambatan thermal pada
concentric double tube heat exchanger Sumber : Çengel Heat Transfer A Practical Approach (2003:671)
(Cengel,2003:672 )
Dimana:
Sehingga:
U = Koeffisien perpindahan kalor menyeluruh ( W/m².ºC)
LMTD adalah beda temperatur rata-rata di sepanjang pipa. Pada kasus
heat exchanger dengan arah aliran
counter flow kita bayangkan bahwa perbedaan suhu antar fluida panas dan fluida dingin sangat besar pada sisi masuk dan berkurang suhunya pada sisi keluar. Suhu pada fluida panas akan berkurang dan suhu pada fluida dingin akan naik. Namun sepanjang apapun
heat exchanger, suhu pada fluida dingin tidak akan pernah melebihi suhu fluida panas.
Gambar 3: Persamaan ΔT1 dan ΔT2 pada counterflow heat exchanger Sumber : Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, 2003: 682
Sehingga didapat dari penurunan dan integrasi rumus untuk analisa
=Temperatur fluida panas masuk dan keluar(ºC)
= temperatur fluida dingin dan keluar(ºC)
Pressure Drop
Penurunan tekanan pada suatu aliran yang disebabkan oleh gesekan pada dinding atau kerugian antara fluida dengan saluran. Pada alat penukar kalor, semakin tinggi pressure drop
atau penurunan tekanan akan menyebabkan semakin tinggi daya yang dibutuhkan oleh pompa untuk mengalirkan fluida. Losses atau kerugian yang terjadi pada aliran fluida dapat dibagi menjadi 2 yaitu (major losses) yang mana jenis kerugian ini disebabkan karena adanya faktor gesekan yang dimiliki oleh dinding sedangkan (minor losses) adalah jenis kerugian yang yang disebabkan oleh instalasi saluran seperti kelokan, siku, sambungan, katup dll.Penurunan tekanan yang terjadi pada alat penukar kalor dapat dirumuskan :
Static radial fin
Turbulator atau pengahalang pada alat penukar kalor seperti contohnya
turbulator jenis alur (internal fin) merupakan teknik pengembangan pasif
heat exchnger.
Pada penelitian yang akan dilakukan, modifikasi yang dilakukan adalah dengan pemasangan static radial fin pada pipa. Static radial fin adalah salah satu turbulator yang dapat mengakibatkan gerakan molekul fluida akan semakin acak setelah melewatinya.
Gambar 4: static radial fin masing masing 2 sudu, 3 sudu dan 4 sudu
METODOLOGI PENELITIAN Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan adalah metode penelitian eksperimental nyata (true experimental
research). Jenis penelitian ini
digunakan untuk menguji pengaruh dari suatu perlakuan atau desain baru terhadap proses.
Skema Alat Penelitian
Skema alat penelitian dari alat penukar kalor yang digunakan dapat di ilustrasikan pada gambar 8 berikut ini.
1. Pompa air panas. 2. Pompa air dingin. 3. Debit meter air panas. 4. Debit meter air dingin.
5. LM35 untuk sisi masuk air panas.
6. LM35 untuk sisi keluar air panas.
7. LM35 untuk sisi keluar air dingin.
8. LM35 untuk sisi masuk air dingin.
9. Thermocuple air panas. 10.Kran pengatur air panas. 11.Kran pembuangan air panas. 12.Kran pengatur debit air dingin. 13.Kran pembuangan air dingin. 14.Manometer.
15.Kontrol panel. 16.Display digital. 17.Reservoir air panas. 18.Reservoir air dingin. 19.Pemanas (heater). 20.Pipa fluida dingin. 21.Pipa fluida panas.
22.Static radial fin .
Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah alat penukar kalor double tube dengan spesifikasi :
1. Pipa dalam (inner tube) adalah pipa dari bahan tembaga paduan CEM ASTM B88 TYPE M dengan diameter dalam 25,4 mm, tebal 1 mm, dan panjang pipa (L) 1000 mm.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Grafik Hubungan Antara Debit Air Panas dan Jumlah sudu Static Radial Fin dengan Laju Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor
.
Dari grafik di atas terlihat bahwa laju perpindahan kalor terkecil terjadi pada debit 400 liter/jam dengan variasi tanpa static radial fin yaitu sebesar 1852,948 Watt. Pada debit yang sama dengan menggunakan variasi jumlah sudu static radial fin berturut-turut 2 sudu, 3 sudu, dan 4 sudu, masing-masing laju perpindahan kalor meningkat menjadi 2858,555 Watt, 3114,771 Watt, dan 3480,511 Watt. Meningkatnya laju perpindahan kalor ini menunjukkan bahwa penggunaan
static radial fin berpengaruh terhadap laju perpindahan kalor jika dibandingkan tanpa static radial fin.
Pada alat penukar kalor tanpa
static radial fin, tidak terjadi perubahan arah aliran fluida panas, di mana arah aliran fluida adalah sama sepanjang pipa yaitu searah sumbu aksial pipa, sehingga pada fluida panas hanya terjadi kecepatan aksial saja dan besarnya nilai kecepatan aksial adalah sama dengan kecepatan fluida saat masuk ke dalam pipa air panas. Karena pada pipa hanya terjadi kecepatan aksial saja, maka perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi tidak terlalu besar, selain itu besarnya kecepatan total fluida adalah sama dengan kecepatan aksial. Sedangkan pada alat
penukar kalor dengan static radial fin, arah aliran fluida di sekitar static radial fin berubah arah alirannya, sehingga aliran fluida mempunyai komponen kecepatan aksial, radial dan tangensial. Setelah melewati static radial fin, fluida panas tetap memiliki komponen kecepatan aksial, radial dan tangensial. Di mana, besar dari kecepatan radial dan tangensial pada fluida lebih besar dari pada tanpa menggunakan static radial fin. Hal ini mengakibatkan perpindahan kalor secara konveksi fluida di dalam pipa akan lebih besar dari pada tanpa menggunakan static radial fin.
Pada grafik juga dapat dilihat bahwa dengan semakin banyaknya jumlah sudu pada static radial fin
mengakibatkan fluida panas mengalami perubahan garis aliran sehingga partikel-partikel fluida bergerak secara acak dan saling bercampur serta berinteraksi. Dengan semakin banyaknya jumlah sudu pada static radial fin, menyebabkan meningkatnya intensitas turbulensi pada aliran yang akan mempercepat transfer energi kalor tersebut. Gerakan fluida yang acak ini akan meningkatkan perpindahan kalor secara konveksi di pipa dalam (tube), sehingga dihasilkan beda temperatur fluida yang lebih besar pada lapisan-lapisan fluida yang saling berinteraksi melakukan perpindahan kalor tersebut,
sesuai dengan rumus =
Grafik Hubungan Antara Debit Air Panas Dan Pemasangan Static radial fin Dengan Pressure Drop Pada Alat Penukar Kalor
Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa debit fluida berpengaruh terhadap penurunan tekanan pada aliran fluida. Pada variasi yang sama semakin besar debit fluida maka penurunan tekanan akan semakin meningkat. Pada alat penuka kalor tanpa pemasangan static radial fin, penurunan tekanan pada debit 400 liter/jam adalah sebesar 96,209 N/m2, dan mengalami peningkatan hingga mencapai terbesar pada debit 900 liter/jam yaitu sebesar 240,424 N/m2. Demikian pula dengan pemasangan
static radial fin dengan sudu 2, 3 dan 4 mengalami peningkatan mulai dari nilai minimum pada volume alir 400 liter/jam hingga nilai maksimum pada volume alir 900 liter/jam. Pada volume alir yang sama, semakin meningkat dengan semakin banyaknya jumlah sudu pada static radial fin.
Penurunan tekanan yang semakin besar ini disebabkan oleh meningkatnya head losses ,yang mana terdiri dari major losses dan minor
losses. Berdasarkan rumusan
g
berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan fluida. Berdasarkan rumus
h g P. .
, penurunan tekanan
berbanding lurus dengan head losses
dan kecepatan fluida berbanding lurus
dengan debit, sehingga penurunan tekanan juga berbanding lurus dengan kuadrat debit.
Pada variasi debit, penurunan tekanan terkecil terjadi pada alat penukar kalor tanpa menggunakan
static radial fin. Penurunan tekanan terkecil dapat terjadi karena penurunan tekanan hanya disebabkan oleh major
losses saja. Sehingga penurunan
tekanan pada alat penukar kalor tanpa
static radial fin lebih kecil dibanding dengan menggunakan static radial fin
yang disebabkan oleh minor losses dan
major losses.
Sedangkan pengaruh jumlah sudu
static radial fin terhadap penurunan tekanan, lebih disebabkan oleh meningkatnya koefisien kerugian head drop sebagai akibat semakin banyaknya jumlah sudu yang dipasang pada pipa dalam (tube). Dengan semakin banyak jumlah sudu pada static radial fin, maka penghalang semakin besar dan aliran semakin terhambat sehingga kerugian semakin besar.
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Dari hasil penelitian didapatkan kesimpulan bahwa variasi jumlah sudu
static radial fin memiliki pengaruh yang nyata terhadap laju perpindahan kalor dan pressure drop:
1. Semakin banyak jumlah sudu
static radial fin akan
meningkatkan laju perpindahan kalor dan pressure drop.
2. Nilai laju perpindahan kalor dan
pressure drop yang optimal
terjadi pada static radial fin bersudu 4 yaitu laju perpindahan kalor sebesar 638,3183 Watt
drop yang rendah pada heat exchanger, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut sebagai berikut:
a. Ada penelitian lebih lanjut dengan fluida yang berbeda.
b. Perlu adanya penelitian lebih lanjut pada variasi debit lebih dari 900 liter/jam.
DAFTAR PUSTAKA
Hosni I. 2003: Comparison of Heat Transfer Enhancement Methods
in Heat Exchangers.; Fort
Wayne, USA.
Ardiansyah. 2011:Pengaruh Variasi Sudut Static Mixer terhadap Laju Perpindahan Panas dan Pressure Drop pada Counter Flow Heat Exchanger. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya, Malang.
Cengel, Yunus A. 2003:
Thermodynamics : an
engineering approach: Fifth
Edition; McGraw-Hill
Companies Inc, New York.
Cengel, Yunus A. 2002: Heat Transfer
a Practical Approach: 2nd
Edition; McGraw-Hill
Companies Inc, New York.
Fox, Robert W. 1994: Introduction to Fluid Mechanics; 5th edition; John Wiley & Sons, Inc, New York.
Holman, J.P. 1991: Heat Transfer:
Sixth Edition; McGraw-Hill
Companies Inc, New York.
Keith, Frank. 1997: Prinsip-prinsip
Perpindahan Kalor; Edisi
Ketiga; Penerbit Erlangga, Jakarta
Leinhard, John H. 2006: A Heat Transfer Textbook; 3rd Edition;
Phlogiston Press,
Massachusetts.
M. White, Frank. 2001 : Fluid
Mechanics: Fourth Edition;
McGraw-Hill Companies Inc, New York.
