Karakteristik Perpindahan Panas pada Double Pipe Heat Exchanger, perbandingan aliran parallel dan counter flow
Mustaza Ma’a
Program Studi Teknik Mekatronika Politeknik Caltex Riau email : mustaza@pcr.ac.id
Abstrak
Penelitian tentang propertis fluida yang mengalir pada proses pemanasan dan pendinginan sangat penting di teknologi industri makanan dan minuman, baik secara kimiawi maupun farmasi. Penelitian ini dikaji secara eksperimen dengan menggunakan Double Pipe Heat Exchanger, karena murah, konstruksi sederhana dan tidak membutuhkan permukaan perpindahan panas yang besar. Fluida yang mengalir menggunakan air, diatur parallel dan counterflow. Variasi debit aliran dingin adalah 10; 13,3; 16,7 dan 20 lpm dengan temperatur 32oC dan laju aliran 0,17 kg/s s/d 0,33 kg/s. Sedangkan aliran panas 6,7; 10;
13,3; 16,7 dan 20 lpm dengan temperatur 60oC dan laju aliran 0,11 kg/s s/d 0,33 kg/s. Hasil yang didapatkan dari penelitian ini pada aliran parallel dengan nilai cr 0,5 kJ/s.K menghasilkan effectiveness () 31,42% dan NTU 0,43. Sedangkan untuk counterflow dengan nilai cr yang sama menghasilkan effectiveness () 31,99% dan NTU 0,42.
Kata kunci: karakteristik perpindahan panas, Double Pipe Heat Exchanger, aliran parallel, counterflow Abstract
Research on the properties of the fluid flowing in the heating and cooling processes are very important in the food and beverage industry technology, either by chemical or pharmaceutical. This research studied experimentally using a Double Pipe Heat Exchanger, because it is cheap, simple construction and does not require a large heat transfer surface. Using water flowing fluid, set parallel and counterflow. Cold flow variation is 10; 13.3; 16.7 and 20 lpm with 32oC temperature and flow rate of 0.17 kg /s - 0.33 kg/s.
Meanwhile, heat flow 6.7, 10, 13.3; 16.7 and 20 lpm with a temperature of 60°C and flow rate of 0.11 kg/s - 0.33 kg s. The results obtained from this study on the flow parallel to the value of cr 0.5 kJ/sK produces effectiveness () - NTU 31.42% and 0.43. As for the counterflow with the same value of cr
produce effectiveness () - NTU 31.99% and 0.42.
Keywords: heat transfer characteristics, Double Pipe Heat Exchanger, parallel flow, counterflow
1 Pendahuluan
Perkembangan industri pengolahan kimia, pembangkit listrik, pengkondisian udara dan sebagainya telah banyak melakukan perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida lainnya [1,2]. Alat yang digunakan untuk melakukan proses perpindahan energi panas tersebut salah satunya adalah Double Pipe Heat Exchanger. Dipilihnya alat tipe ini dikarenakan konstruksi yang dimiliki oleh Double Pipe Heat Exchanger ini sederhana, cukup murah untuk dibuat, dan dibandingkan dengan tipe lain, jumlah ruang yang ditempati umumnya lebih tinggi dibandingkan dengan tipe lainnya[2]. Alat penukar kalor tipe pipa ganda merupakan peralatan perpindahan panas yang sesuai dalam aplikasi – aplikasi yang tidak membutuhkan permukaan perpindahan panas yang besar[3].
Penelitian dengan menggunakan Double Pipe Heat Exchanger ini telah banyak dilakukan, baik secara eksperimental maupun secara numerik. Hasil dari penelitian memperlihatkan tren pada efektifnes – NTU menyerupai tren yang dihasilkan oleh berbagai referensi lainnya. Nilai cr yang dihasilkan pada 0,5 dan 1 memperlihatkan tren yang
menyerupai teoritis[4]. Aliran yang dibangun menghasilkan koefisien perpindahan panas yang non uniform disepanjang tabung[4,5]. Perhitungan untuk efektifnes berdasarkan koefisien perpindahan panas overall rata – rata dan terdapat deviasi dari prediksi secara teoritis[4,5]. Penelitian dengan menggunakan metoda LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) juga telah dilakukan. Hasilnya koefisien perpindahan panas overall 711 W/m2K dan LMTD sebesar 48oC[6].
2 Tujuan Penelitian
Dilakukan penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan perbandingan karakteristik perpindahan panas yang terjadi pada Double Pipe Heat Exchanger dengan menggunakan aliran parallel dan counterflow. Pada akhir penelitian ini didapatkan nilai efektifnes – NTU aliran parallel dan counterflow serta tren koefisien perpindahan panas konveksi h sepanjang tabung pipa.
3 Metoda Penelitian
Sebuah alat Double Pipe Heat Exchanger diletakkan pada peralatan pengujian. Alat tersebut terbuat dari dua pipa stainless steel dengan panjang 1,02 m. Diameter tabung dalam yang digunakan adalah 0,0127 m sedangkan diameter tabung luar yang digunakan adalah 0,0254 m. Dimensi dari alat Double Pipe Heat Exchanger secara keseluruhan dapat dilihat dari Tabel 1.
Tabel 1 Dimensi Double Pipe Heat Exchanger
No Deskripsi Dimensi (m)
1 Diameter inner tabung dalam 0,0107 2 Diameter outer tabung dalam 0,0127 3 Diameter inner tabung luar 0,0234 4 Diameter outer tabung luar 0,0254 5 Panjang Alat Penukar Kalor 1,02
Peralatan pengujian yang dilakukan pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1.
Pada peralatan pengujian ini menggunakan dua bak penampung. Bak dingin untuk menampung fluida dingin. Dan bak panas untuk menampung fluida panas. Untuk menghasilkan panas pada fluida di bak panas digunakan heater yang temperaturnya diatur dengan menggunakan thermostat. Fluida panas dijaga pada temperatur 60oC. Sedangkan fluida dingin didapatkan dari tangki reservoir dimana fluida dingin berkisar pada temperatur 32oC melalui katup K7.
Keluaran fluida dingin langsung dibuang keluar dari sistem. Hal ini dilakukan agar temperatur fluida dingin tetap terjaga.
Untuk melihat debit aliran yang mengalir pada fluida panas dan dingin dipasang Rotameter. Rotameter 1 dipasang setelah Pompa 1 digunakan pada fluida panas. Sedangkan Rotameter 2 dipasang setelah Pompa 2 digunakan pada fluida dingin. Pengaturan debit aliran yang mengalir pada sistem digunakan pipa bypass dengan katup K1 untuk fluida panas dan katup K2 untuk fluida dingin, yang dapat mengalirkan kembali fluida ke bak penampungan.
Fluida panas diatur untuk dapat bersirkulasi di dalam sistem. Sedangkan fluida dingin diatur agar tidak bersirkulasi di dalam sistem untuk menjaga temperatur fluida.
Untuk mendapatkan nilai tekanan yang mengalir di dalam sistem digunakan 4 unit Pressure Gauge yang masing – masing diletakkan pada masukan dan keluaran Double Pipe Heat Exchanger. Sedangkan nilai temperatur dapat dilihat pada layar LCD di control panel yang dihubungkan ke 9 unit thermocouple. Untuk mengetahui nilai temperatur pada masukan fluida panas digunakan thermocouple Thi, dan nilai temperatur pada keluaran fluida panas digunakan thermocouple Tho. Sedangkan nilai temperatur untuk fluida dingin baik masukan
maupun keluaran menggunakan thermocouple Tc1 dan TC2, tergantung aliran yang mengalir pada sistem tersebut dalam kondisi parallel atau counterflow. Untuk mengukur temperatur yang terjadi disepanjang permukaan tabung Double Pipe Heat Exchanger, dipasang 5 unit thermocouple pada bagian luar anulus.
Agar aliran yang mengalir didalam sistem tersebut menjadi aliran parallel, maka katup K3 dan K6 dibuka. Sedangkan katup K4 dan K5 ditutup. Pada kondisi tersebut aliran fluida panas dipompa mengalir dari bak panas masuk ke alat Double Pipe Heat Exchanger melalui Rotameter 1. Dan keluar dari alat kembali bersirkulasi masuk ke dalam bak panas. Sedangkan aliran fluida dingin dipompa mengalir dari bak dingin melalui Rotameter 2, masuk ke alat Double Pipe Heat Exchanger melalui katup K3 dan dibuang keluar sistem melalui katup K6.
Untuk mendapatkan aliran counterflow yang mengalir didalam sistem, maka katup K4 dan K5 dibuka, sedangkan katup K3 dan K6 ditutup. Pada kondisi ini aliran fluida panas mengalir sama seperti aliran parallel. Namun aliran fluida dingin mengalir setelah dipompa melalui Rotameter 2 masuk ke alat Double Pipe Heat Exchanger melalui katup K5. Keluar dari sistem melalui katup K4 ke pembuangan.
Gambar 1 Eksperimen Aparatus.
3.1 Persamaan dan simbol
Laju perpindahan panas dan koefisien perpindahan panas konveksi yang terjadi pada aliran yang mengalir di alat Double Pipe Heat Exchanger, dapat dinyatakan sebagai berikut :
(1)
(2)
Untuk mendapatkan nilai Tm, maka temperatur rata – rata pada aliran yang mengalir dalam Double Pipe Heat Exchanger harus didapatkan. Nilai Ts dalam persamaan ini adalah temperatur pada permukaan lokal, yang didapat dari thermocouple yang disusun dengan jarak tertentu, pada dinding luar anulus.
Bilangan Nusselt dan bilangan Reynolds yang terjadi pada alat Double Pipe Heat Exchanger ini dapat dinyatakan sebagai berikut :
(3)
(4)
Sehingga dari persamaan diatas maka didapatkan nilai bilangan Nusselt dan bilangan Reynolds yang terjadi pada aliran di dalam alat Double Pipe Heat Exchanger ini.
Berikut adalah simbol – simbol yang digunakan dalam persamaan dan maksud dari simbol tersebut adalah sebagai berikut :
Nomenclatur
A : luas permukaan tabung (m2) D : diameter tabung (m)
h : koefisien perpindahan panas (W/m2K) k : konduktifitas termal (W/mK)
L : panjang penukar kalor (m)
TLMTD : Beda temperatur rata-rata log (K atau C) q : laju perpindahan panas (W)
U : koefisien perpindahan panas overall (W/m2K)
T1 : beda temperatur masuk (K)
T2 : beda temperatur keluar (K)
: density (kg/m3)
: viskositas dinamis (kg/m.s)
3.1. Metoda Logarithmic Mean Temperature Difference (TLMTD)
Metoda Logarithmic Mean Temperature Difference adalah metoda yang sering digunakan dalam perancangan dan perhitungan unjuk kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger, dengan menggunakan perbedaan temperatur rata – rata secara logaritmik yang terjadi [2,4]. Nilai TLMTD didapatkan dari perbedaan temperatur rata – rata masuk, T1, dan perbedaan temperatur rata – rata keluar, T2, yang dibandingkan dengan nilai logaritmik perbandingan dua nilai tersebut. Persamaannya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
(5)
Sehingga nilai laju perpindahan panas yang terjadi pada aliran dari alat Double Pipe Heat Exchanger ini, dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
(6)
Dalam menggunakan persamaan 5 dan 6 ini, diperlukan beberapa asumsi yang dibuat, seperti berikut :
1. Kondisi tunak.
2. Konduksi yang terjadi hanya berlangsung satu dimensi ke arah radial pipa.
3. Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa.
4. Perpindahan panas yang terjadi hanya diantara kedua pipa saja.
5. Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan.
Untuk aliran parallel yang terjadi di dalam Double Pipe Heat Exchanger ini, berlaku kondisi berikut :
(7)
Dan
(8)
Sedangkan untuk kondisi counterflow, berlaku sebagai berikut :
(9)
Dan
(10)
3.2 Metoda Effectiveness – NTU ( - NTU)
Metoda Effectiveness – NTU digunakan untuk mengetahui unjuk kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger. Nilai effectiveness () didapat dari rasio antara jumlah perpindahan panas secara aktual dengan perpindahan panas maksimum yang terjadi [7]. Nilai effectiveness () merupakan bilangan tanpa dimensi yang nilainya berada pada batas 0 ≤ ≤ 1. Persamaan ini dapat dinyatakan sebagai berikut :
(11)
Unjuk kerja Double Pipe Heat Exchanger ini didefenisikan terlebih dahulu dengan mengetahui perpindahan panas maksimum (qmax) yang mungkin terjadi [7]. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:
Jika Cc < Ch , maka (12)
Jika Cc > Ch , maka (13)
Secara keseluruhan, untuk semua Heat Exchanger, nilai effectiveness () dapat dinyatakan sebagai berikut:
(14)
Nilai Number of Transfer Unit (NTU) sama seperti effectiveness () yakni merupakan bilangan tanpa dimensi yang dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :
(15)
Nilai Cmin dalam persamaan 15 ini, diperoleh untuk nilai yang terkecil dari :
(16) Atau
(17)
3.3 Hasil dan Pembahasan
Hasil dari penelitian ini mengungkapkan bahwa karakteristik perpindahan panas pada Double Pipe Heat Exchanger, dapat dilihat dari laju perpindahan panas dan koefisien perpindahan panas konveksi yang terjadi, yang ditunjukkan melalui bilangan Nusselt pada gambar 2 dan 3. Pada gambar 2 dapat dilihat bahwa tren yang dihasilkan dari aliran parallel pada penelitian ini menyerupai tren yang telah dihasilkan pada penelitian yang dilakukan oleh Warakorm[1]. Dimana dari grafik ini dijelaskan bahwa adanya kenaikan pada bilangan Reynolds mempengaruhi kenaikan bilangan Nusselt.
Gambar 2 Pengaruh Re terhadap laju perpindahan panas pada aliran parallel
Dengan kenaikan bilangan Nusselt maka mempengaruhi koefisien perpindahan panas konveksi h. Kenaikan harga pada koefisien perpindahan panas konveksi h, mempengaruhi kenaikan laju perpindahan panas q[2]. Melalui persamaan (2) dan (3) maka hal ini dapat dibuktikan. Maka dapat disimpulkan dari diskusi ini bahwa pada grafik memperlihatkan pengaruh kenaikan bilangan Reynolds akan mempengaruhi kenaikan laju perpindahan panas yang terjadi.
Gambar 3 Pengaruh Re terhadap laju perpindahan panas pada aliran counterflow
Seperti yang terjadi pada aliran parallel, pada aliran counterflow, maka dapat dilihat pada gambar 3 tentang karakteristik perpindahan panas yang terjadi pada Double Pipe Heat Exchanger ini. Dari gambar 3 memperlihatkan tentang pengaruh dari kenaikan bilangan Reynolds terhadap laju perpindahan panas, q, dan koefisien perpindahan panas konveksi, h, yang terjadi. Melalui persamaan (3), maka akan dapat dinyatakan bahwa adanya kenaikan nilai pada bilangan Nusselt akan mempengaruhi kenaikan pada koefisien perpindahan panas konveksi h. Sedangkan melalui persamaan (2) dapat dinyatakan bahwa perubahan nilai yang terjadi pada koefisien perpindahan panas konveksi h, akan mempengaruhi dari nilai laju perpindahan panas q yang terjadi.
Hasil ini juga diperlihatkan pada penelitian lain. Seperti pada penelitian Warakorm[1]. Tren yang dihasilkan pada penelitian ini juga sama. Dari tren yang dihasilkan dapat dijelaskan bahwa adanya kenaikan bilangan Reynolds yang kecil, maka akan mempengaruhi kenaikan bilangan Nusselt yang rendah pula. Namun seiring dengan kenaikan bilangan Reynolds yang besar, maka pengaruh terhadap kenaikan bilangan Nusselt, juga lebih besar. Atau bisa dapat disimpulkan bahwa, seperti pada aliran parallel, maka kenaikan laju perpindahan panas pada aliran counterflow juga dipengaruhi oleh perubahan kenaikan bilangan Reynolds. Perbedaan kecil yang terjadi pada aliran counterflow dibandingkan aliran parallel adalah, dengan debit aliran yang lebih tinggi mempengaruhi perubahan kenaikan bilangan Reynolds, sehingga untuk penelitian ini, makin tinggi debit aliran yang mengalir pada aliran counterflow, maka makin cepat mempengaruhi kenaikan laju perpindahan panas.
Gambar 4 Pengaruh cr terhadap – NTU aliran parallel dan counterflow
Selain karakteristik yang ditunjukkan pada gambar 2 dan 3, penelitian yang dilakukan ini juga menghasilkan unjuk kerja dari Double Pipe Heat Exchanger ini. Hal ini bisa dilihat dari gambar 4. Pada gambar 4 dapat dijelaskan bahwa terdapat tren yang sama yang dihasilkan, baik pada aliran parallel maupun counterflow. Demikian juga tren yang dihasilkan oleh penelitian yang lain. Seperti penelitian yang dilakukan oleh Rennie[4,5]. Dari grafik dapat dijelaskan bahwa perubahan pada nilai cr dan NTU, mempengaruhi perubahan nilai pada effectiveness () yang dimiliki oleh heat exchanger. Sedikit perubahan pada nilai NTU, memiliki pengaruh besar terhadap nilai effectiveness (). Seiring dengan pertambahan nilai NTU, namun nilai effectiveness () tidak mengalami kenaikan yang besar. Sehingga dapat dilihat bahwa tren grafik yang terjadi berbentuk hiperbolik.
Dengan menggunakan persamaan (11) dan (15), maka akan didapatkan nilai effectiveness () dan NTU. Pada cr 0,5 memiliki tren kurva yang lebih tinggi pada nilai effectiveness () – NTU, dibandingkan dengan nilai cr 1,0 baik pada aliran parallel, maupun pada aliran counterflow. Namun untuk perbedaan hasil pengaruh nilai cr terhadap effectiveness () – NTU, untuk aliran parallel, pada rasio kapasitas cr 0,5 kJ/s.K, menghasilkan nilai effectiveness () sebesar 31,42% dan NTU sebesar 0,43. Sedangkan pada aliran counterflow, pada nilai cr 0,5 kJ/s.K menghasilkan nilai effectiveness () sebesar 31,99% dan NTU sebesar 0,42. Dari hasil ini dapat dinyatakan bahwa pada penelitian ini, untuk aliran counterflow jika dibandingkan dengan aliran parallel, mengalami kenaikan effectiveness () sebesar 0,57% untuk nilai cr yang sama yakni 0,5 dan NTU yang tidak mengalami perubahan yang besar.
4 Kesimpulan
Dari data eksperimen yang disajikan pada penelitian ini, maka bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, rasio kapasitas cr dan NTU, telah mempengaruhi karakteristik perpindahan panas dan unjuk kerja pada alat Double Pipe Heat Exchanger ini. Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pengaruh kenaikan bilangan Reynolds akan mempengaruhi perubahan kenaikan laju perpindahan panas baik untuk aliran parallel maupun counterflow.
Pada aliran counterflow, makin tinggi debit aliran yang mengalir, makin cepat mempengaruhi laju perpindahan panas yang terjadi pada Double Pipe Heat Exchanger ini. Pada aliran parallel, nilai cr 0,5 menghasilkan effectiveness () sebesar 31,42% dan NTU sebesar 0,43. Sedangkan untuk aliran counterflow, pada nilai cr yang sama, menghasilkan kenaikan effectiveness () sebesar 0,57% menjadi 31,99% dan NTU sebesar 0,42.
5 Daftar Pustaka
[1] Warakorm et al, “Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in a Double-pipe Heat Exchanger Fitted with a Tubulator”.
[2] Mustaza Ma’a, Ary Bachtiar Krishna Putra, “Karakteristik Perpindahan Panas dan Pressure Drop pada Alat Penukar Kalor tipe Pipa Ganda dengan aliran searah”, Proceding Applied Engineering Seminar 2012, hal 18-22.
[3] Mehrabian, M.A, Mansouri S.H, and Sheikhzadeh G A, The overall heat transfer characteristics of a double pipe heat exchanger : comparison of experimental data with predictions of standard correlations, IJE Transaction B : Applications, Vol 15 No 4, December 2002, 395 – 406.
[4] Rennie, Timothy J, Raghavan, Vijaya G.S, Experimental studies of a double pipe helical heat exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science, 29 (2005) 919-924.
[5] Timothy J Rennie, Vijaya G.S. Raghava , “Numerical studies of a double-pipe helical heat exchanger”, Applied Thermal Engineering, 26, 2006, hal 1266-1273.
[6] Joshua, Folaranmi, Design and Construction of a Concentric Tube Heat Exchanger, AU J.T. 13(2): 128 – 133 (Oct 2009).
