Pemanfaatan Software Heat Transfer Research Inc. (HTRI) dalam Perancangan Double Pipe Heat Exchanger

Proses perancangan pada penelitian ini terbagi menjadi dua metode yaitu perancangan dengan perhitungan manual dan perancangan dengan software HTRI. Pertama, desain heat exchanger dilakukan secara manual mulai dari perhitungan hingga gambar desain. Seiring berjalannya waktu, berbagai software pendukung mulai bermunculan, yang bertujuan untuk membantu proses perancangan heat exchanger.

Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dirancang alat penukar kalor dengan tipe pipa ganda (double pipe). Perancangan dilakukan dengan menggunakan dua metode yaitu perhitungan dengan tangan dan menggunakan software HTRI (Heat Transfer Research Inc.). Mengetahui perbandingan koefisien perpindahan panas keseluruhan hasil desain yang dihitung secara manual dengan hasil keluaran software HTRI.

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah jenis heat exchanger yang dirancang adalah heat exchanger twin-pipe dengan mengacu pada standar desain TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Tujuan Penelitian

Ruang Lingkup Penelitian

Sistematika Penulisan

DASAR TEORI

Perpindahan Kalor

Konduksi
Konveksi
Radiasi

Konduksi didefinisikan sebagai proses perpindahan kalor dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat yang bersuhu lebih rendah dalam suatu medium (padat, cair, gas) atau antara dua media melalui kontak langsung. Secara sistematis, persamaan dan ilustrasi perpindahan panas konduksi satu dimensi dalam kondisi stasioner ditunjukkan pada persamaan (2.1) dan Gambar 2.1 di bawah ini (Cengel & Ghajar, 2015). Dimana pada persamaan ini laju perpindahan kalor 𝑄̇()*+ dinyatakan dalam satuan Watt, luas 𝐴 dalam satuan m2 dan gradien suhu +0+1 dalam satuan K.

Menurut perpindahan fluidanya, perpindahan kalor secara konveksi terbagi menjadi dua cara, yaitu konveksi bebas (natural convection) dan konveksi paksa (forced convection). Dalam persamaan ini, laju perpindahan panas 𝑄̇()*2 dinyatakan dalam satuan watt, permukaan konveksi 4 dalam satuan m2, suhu permukaan 𝑇4 dan suhu cairan 𝑇7 dalam satuan K. Faktanya adalah kalor proses transfer dengan radiasi paling cepat dan tidak ada redaman dalam ruang hampa (Cengel & Ghajar, 2015).

Nilai maksimum perpindahan panas oleh radiasi yang dapat dipancarkan oleh suatu permukaan diberikan oleh hukum Stefan-Boltzmann, yang ditunjukkan pada persamaan (2.3) di bawah ini (Cengel & Ghajar, 2015).

Heat Exchanger

Heat Exchanger Berdasarkan Proses Perpindahan Kalor yang
Heat Exchanger Berdasarkan Profil Konstruksi Permukaan
Heat Exchanger Berdasarkan Arah Aliran Fluidanya
Heat Exchanger Berdasarkan TEMA (Tubular Exchangers

Perpindahan panas pada boiler tidak terjadi secara alami karena fluida kerja dipanaskan dengan batubara, sehingga perpindahan panas terjadi dari fluida dengan temperatur rendah ke fluida dengan temperatur tinggi. Heat exchanger diklasifikasikan ke dalam berbagai jenis yang akan dibahas secara singkat pada sub-bab di bawah ini. Sedangkan alat penukar kalor dengan tipe kontak tidak langsung berarti sekurang-kurangnya terdapat dua jalur atau lebih dari satu tempat mengalirnya fluida, dalam artian pada saat perpindahan kalor antar fluida tidak akan terjadi kontak (Septian et al., 2021).

2021), berdasarkan konstruksi permukaannya, heat exchanger banyak digunakan pada industri shell and tube dan plate. Shell and tube heat exchanger adalah alat penukar panas dengan dua atau lebih pipa utama (tube) dan ditutup dengan selongsong (shell). Heat exchanger pipa ganda yang akan dirancang pada penelitian ini juga merupakan heat exchanger shell and tube dengan hanya satu bagian tube.

Sedangkan plate heat exchanger merupakan jenis heat exchanger yang terdiri dari pelat-pelat tipis yang membentuk saluran yang dilalui fluida kerja (Putra, 2012). Tergantung pada arah aliran fluida, ada dua konfigurasi aliran pada penukar panas shell and tube, yaitu aliran paralel dan aliran balik. Biasanya fenomena ini ditampilkan dalam bentuk grafik perbandingan antara panjang penampang heat exchanger dan perubahan temperatur.

Putra (2012) dalam bukunya “Heat Exchanger” menyatakan bahwa TEMA mengembangkan sistem notasi untuk klasifikasi bagian shell and tube heat exchanger. Namun, perlu juga dicatat bahwa ada tipe khusus penukar panas shell and tube yang tersedia secara komersial dengan tipe front head dan back head yang berbeda dari standar TEMA.

Gambar 2.4 di bawah ini merupakan jenis heat exchanger berdasarkan perpindahan kalor yang terjadi

HTRI (Heat Transfer Research Inc.)

METODOLOGI PENELITIAN

Diagram Alir Penelitian

Proses Perancangan dengan Hitung Manual
Proses Perancangan dengan HTRI
Reynolds Number
Prandtl Number
Nusselt Number
Heat Transfer Coefficient
Overall Heat Transfer Coefficient

Namun, variabel utama yang harus dicari adalah sama untuk kedua bagian, yaitu Bilangan Reynolds, Bilangan Nusselt, dan Koefisien Perpindahan Panas. Koefisien perpindahan panas keseluruhan akan didapatkan pada hasil desain dengan perhitungan manual dan hasil software HTRI. Kedua nilai ini akan dibandingkan, ditentukan apabila penyimpangan dari kedua nilai keseluruhan koefisien perpindahan kalor ≤ 30%, maka hasil keluaran dari software HTRI dapat dikatakan valid dengan desain hasil dengan perhitungan manual.

Dalam persamaan ini, bilangan Reynolds 𝑅𝑒 tidak berdimensi, kerapatan aliran fluida 𝜌 dalam satuan kg/m3, kecepatan aliran fluida 𝑣 dalam satuan m/s, diameter pipa 𝑑 dalam satuan m, dan viskositas fluida dinamis adalah 𝜇 dalam satuan Pas. Dalam persamaan ini, bilangan Prandtl 𝑃𝑟 tidak berdimensi, viskositas dinamis fluida 𝜇 dalam satuan Pa.s, panas spesifik 𝑐Q dalam satuan J/kgK, dan konduktivitas termal aliran fluida 𝑘 dalam satuan W /mK. Dalam persamaan ini, bilangan Nusselt 𝑁𝑢 tidak berdimensi, koefisien perpindahan panas ℎ dinyatakan dalam satuan W/m2K, diameter pipa 𝑑 dalam satuan m, dan konduktivitas termal aliran fluida 𝑘 dalam satuan W/ mK.

Dalam persamaan (2.2), koefisien perpindahan panas ℎ adalah konstanta proporsionalitas menurut hukum pendinginan Newton. Persamaan ini bisa mirip dengan persamaan (2.1), tetapi koefisien perpindahan panas adalah koefisien yang berbeda dari konduktivitas termal 𝑘 sebagai konstanta proporsionalitas dalam hukum Fourier. Untuk mendapatkan nilai koefisien perpindahan panas, Anda dapat menggunakan persamaan (3.3) yang dimodifikasi menjadi persamaan (3.5) di bawah ini.

Dalam persamaan ini, koefisien perpindahan panas ℎ dinyatakan dalam satuan W/m2K, bilangan Nusselt tak berdimensi 𝑁𝑢, diameter pipa 𝑑 dalam satuan m, dan konduktivitas termal aliran fluida 𝑘 dalam satuan W/mK. Koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah resistansi termal yang dibentuk oleh berbagai lapisan dalam suatu sistem. Koefisien perpindahan panas keseluruhan yang digunakan dalam menghitung laju perpindahan panas keseluruhan analog dengan koefisien perpindahan panas konveksi.

Secara singkat, koefisien perpindahan panas keseluruhan merupakan hasil gabungan dari koefisien perpindahan panas pada beberapa lapisan, dalam kasus penelitian ini adalah bagian shell dan tube. Dalam persamaan ini, koefisien perpindahan panas keseluruhan 𝑈 dinyatakan dalam satuan W/m2K. Koefisien perpindahan panas untuk tabung ℎ

Input yang Diberikan pada HTRI

PEMBAHASAN

Perancangan dengan Hitung Manual

Tube Heat Transfer Coefficient
Shell Heat Transfer Coefficient
Overall Heat Transfer Coefficient

Dalam persamaan ini, laju perpindahan panas adalah 𝑞 dalam satuan kW, laju aliran massa propana adalah 𝑚̇Q•)Q>*> dalam satuan kg/s, kapasitas panas propana adalah 𝑐Q Q•)Q>*> .. dalam satuan kJ/kgK, maka suhu dimasukkan dalam propana 𝑇Z ; dan suhu keluar propana 𝑇Z ) dalam satuan K. Dengan bantuan aplikasi Refprop, nilai Q Q•)Q>*> pada suhu 333 K adalah 1,7752 kJ/kgK. Lemmon et al, 2018) Jadi hasil perhitungannya adalah. Selisih persamaan (4.2) adalah penggunaan suhu yaitu suhu keluar air 𝑇( ) dan suhu masuk air 𝑇(. Hasil suhu keluar air pada percobaan pertama digunakan untuk menghitung dan dijadikan sebagai suhu rata-rata input air, seperti yang ditunjukkan pada persamaan (4.3) di bawah ini.

Dimana suhu air masuk 𝑇(; dan suhu air keluar pada percobaan pertama adalah 𝑇( ) Q9•()v>>* i dalam satuan K. Langkah selanjutnya adalah menghitung rata-rata suhu air masuk dan keluar menggunakan persamaan (4.4) di bawah Pada persamaan ini laju perpindahan kalor 𝑞 dalam satuan kW, koefisien perpindahan kalor total 𝑈 dalam satuan W/m2K, luas perpindahan kalor adalah 𝐴 dalam satuan m2 dan logaritma beda suhu rata-rata ∆𝑇 '"0" dalam satuan K.

Semua variabel yang diperlukan dalam persamaan (4.5) diperoleh sehingga total luas perpindahan panas Langkah pertama yang harus dilakukan adalah menghitung luas permukaan tabung dengan persamaan luas lingkaran sederhana yang ditunjukkan pada persamaan (4.7) di bawah ini. Dimana pada persamaan (4.7), luas permukaan pipa 𝐴

Langkah selanjutnya adalah menghitung laju alir volume, yang dilakukan dengan membagi laju alir massa dengan densitas rata-rata propana, yang ditunjukkan pada persamaan (4.8). Dimana pada persamaan ini laju aliran volume v dalam satuan m3/s, laju aliran massa propana 𝑚̇Q•)Q>*> dalam satuan kg/s, dan massa jenis rata-rata propana adalah 𝜌•><> • •><> Q•)Q>*> dalam kg/m3. Laju aliran volume propana yang dihasilkan digunakan kembali untuk mendapatkan laju aliran propana dengan membagi laju aliran volume dengan luas pipa, yang dihitung menggunakan persamaan (4.9) di bawah ini. Langkah pertama adalah menghitung bilangan Reynolds menggunakan persamaan (3.1). Dimana nilai rata-rata densitas propana 𝜌•><>••><> Q•)Q>*> dan rata-rata viskositas propana dinamis 𝜇•><>••><> Q•)Q>*> diperoleh dari Tabel 4.2.

Dimana nilai konduktivitas termal rata-rata propana 𝑘•><>••><> Q•)Q>*> diperoleh dari Tabel 4.2. Diameter hidrolik pada penelitian ini dihitung dengan membagi luas heat exchanger dengan 4 kali keliling, selanjutnya ditunjukkan pada persamaan (4.10) di bawah ini (Cengel & Ghajar, 2015). Dimana pada persamaan ini, diameter hidrolik 𝑑Z , diameter dalam tabung

Oleh karena itu, jika persamaan (4.11) digunakan untuk membandingkan hasil koefisien perpindahan panas keseluruhan dari hasil perhitungan dengan hasil asumsi berdasarkan Tabel 4.4, diperoleh simpangan

Perancangan dengan Software HTRI

Berikut adalah perbandingan koefisien perpindahan panas total hasil perhitungan manual dengan hasil keluaran HTRI yang akan dijelaskan prosedurnya pada subbab 4.2. Dalam dua menu ini, jenis dan sifat kedua fluida kerja harus diatur. Ada banyak jenis setting yang dapat digunakan, namun setting yang dipilih pada penelitian ini adalah menggunakan database yang dimiliki oleh HTRI, gambaran menu ini ditunjukkan pada Gambar 4.5.

Pada menu ini input yang diberikan adalah dimensi heat exchanger mulai dari diameter hingga tipe heat exchanger berdasarkan standar TEMA. Jenis berdasarkan TEMA yang digunakan dalam penelitian ini adalah AFP, untuk gambaran notasinya dapat dilihat pada Gambar 2.9. Menu Geometri merupakan menu terakhir dalam memasukkan data pada penelitian ini, menu lainnya tidak perlu diisi, kecuali data hasil perhitungan tangan kurang atau tidak lengkap.

Dari hasil perancangan terlihat bahwa koefisien perpindahan panas total yang diperoleh adalah 213,38 W/m2K. Dari nilai tersebut, dibandingkan dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan menggunakan persamaan (4.11), penyimpangan dari.

Pembahasan

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Nilai koefisien perpindahan panas total pada desain dengan perhitungan manual adalah 221,53 W/m2K, dibandingkan dengan nilai yang diasumsikan, hasil ini memiliki penyimpangan sebesar 26,15%. Hasil deviasi yang didapatkan antara nilai koefisien perpindahan panas total hasil desain dengan perhitungan manual dengan software HTRI dinilai sangat baik karena berada jauh di bawah nilai deviasi target ≤ 30%.

Saran

Basis data referensi standar NIST 23: sifat termodinamika dan transportasi cairan referensi-REFPROP, Versi 10.0, Institut Standar dan Teknologi Nasional. Analisis Perancangan Heat Exchanger Tipe Double Tube Cocurrent dan Counterflow: Array.