Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

EFEKTIFITAS PERPINDAHAN PANAS PADA DOUBLE PIPE HEATEXCHANGER DENGAN GROOVE

Putu Wijaya Sunu*, Daud Simon Anakottapary dan Wayan G. SantikaDepartment of Mechanical Engineering, Bali State Polytechnic, Badung-Bali, Indonesia.

Email: wijayasunu@pnb.ac.id*, daudsanakottapary@pnb.ac.id,wayan.santika@pnb.ac.id

AbstrakPerpindahan panas pada double pipe heat exchanger dengan groove diteliti dengan metodeeksperimen di laboratorium. Penelitian ini bertujuan untuk mengungkap fenomena groovedalam proses perpindahan panas pada heat exchanger. Fluida yang digunakan sebagaifluida panas dan fluida dingin dalam penelitian ini adalah air. Pola aliran fluida padapenukar kalor pipa konsentris ini adalah parallel flow. Laju aliran fluida panas divariasikanuntuk mengetahui pengaruhnya terhadap efektifitas perpindahan panas. Selain ituditentukan juga approach temperatur yang didefinisikan sebagai beda temperatur pada sisikeluar fluida panas dan dingin pada penukar kalor. Laju aliran fluida panas yangdigunakan adalah 27.1, 25.1, 23.8, 22.0, 19.8 l/mnt. Sedangkan laju aliran fluida dinginditahan konstan pada 27.1 l/mnt. Groove ditempatkan pada dinding tube yaitu di ruangannulus antara tube dan shell dengan dimensi 0.4 x 40 mm. Temperatur fluida panas yangdigunakan adalah 50 ± 10C sedangkan temperatur fluida dingin adalah 30 ± 10C. Data hasilpengukuran pada penukar kalor dengan ber-groove dibandingkan dengan data hasilpengukuran pada penukar kalor tanpa groove (smooth pipe). Diperoleh peningkatanefektifitas perpindahan panas maksimum akibat pemasangan groove sebesar 29.5%.Peningkatan volume flowrate akan meningkatkan kecepatan aliran fluida. Peningkatankecepatan fluida akan meningkatkan bilangan Re. Hal ini akan meningkatkan keacakanfluida, meningkatkan perpindahan momentum sehingga efektifitas perpindahan panascenderung meningkat. Approach temperature pada penukar kalor ber-groove mengalamipenurunan sebesar 37.9%. Semakin besar volume flowrate maka nilai approachtemperature semakin kecil. Penurunan approach temperature heat exchanger menandakanproses heat transfer yang semakin baik dimana temperatur keluar fluida panas mendekatitemperatur keluar fluida dingin. Pemasangan groove pada ruang annulus meningkatkandaerah resirkulasi. Groove berfungsi sebagai vortex generator sehingga mampu mengoyakthermal boundary layer. Boundary layer yang semakin tipis akan mengurangi hambatantermal perpindahan panas. Hal ini juga meningkatkan proses pencampuran fluida sehinggalaju perpindahan panas meningkat. Selain itu pemasangan groove juga meningkatkan luaspermukaan panas serta menurunkan bobot heat exchanger itu sendiri.

Kata kunci: Groove, heat exchanger, efektifitas perpindahan panas, approach temperature

Pendahuluan

Heat exchanger/ penukar kalor adalahperalatan yang berfungsi memindahkanpanas dari dua fluida kerja yang memilikiperbedaan temperatur. Heat exchangermemiliki pemakaian yang luas dalam

berbagai proses termal di industri sepertidi industri kimia, perminyakan, RHVAC,transportasi dan lainnya. Diantarabanyak jenis heat exchanger, jenis pipakonsentris merupakan yang palingsederhana. Heat exchanger jenis ini

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

memiliki kemudahan dalam perawatankarena desain yang sederhana, sangatsesuai untuk tekanan dan suhu tinggi.

Untuk mendapatkan perpindahanpanas yang maksimal pada heatexchanger pipa konsentris, makadiperlukan perancangan heat exchangeryang baik serta ukuran dimensi yangsesuai. Salah satu parameter penting yangdapat meningkatkan efektivitas heatexchanger adalah luasan penampangpanas. Banyak teknik yangdikembangkan terkait dengan permukaanpanas. Salah satunya adalah groove.Pemasangan groove meningkatkan luaspanas, menghemat space, dan jugamenurunkan bobot heat exchanger itusendiri.

Penelitian yang dilakukan [1] menelitiheat transfer pada longitudinal groove,hasilnya menunjukan peningkatan faktortermal sebesar 1.4 s/d 2.2 pada heatexchanger dengan groove. [2]mengungkap peningkatan heat transferakibat kekasaran permukaan. Mengubahstruktur permukaan merupakan bentukdari kontrol aliran secara pasif untukmeningkatkan proses perpindahan panasdan transfer momentum. [3] menelitipengaruh jumlah groove terhadappressure drop pada internal flow. [4]meneliti perpindahan panas padacorrugated surface heat exchanger pipakonsentris, hasilnya perubahan konturpermukaan memberikan efek yangsignifikan terhadap karakteristik panasdan gesekan. [5] meneliti tentang groove

pada internal flow, didapat groovemeningkatkan friction factor.

Kinerja mesin penukar kalor dapatdilihat dari efektifitas perpindahanpanasnya dan NTU. Namun secarasederhana dapat dilakukan denganmengukur beda temperatur pada keduasisi outlet heat exchanger yang disebuttemperature approach. Semakin rendahapproach temperature menandakanproses perpindahan panas yang semakinbaik. Penelitian mengenai heat exchangersangat banyak dilakukan namun yangkhusus meneliti penukar kalor jenis pipakonsentris masih sangat jarang. Ruangannulus diantara pipa konsentris jarangmendapat perhatian. Ruang annulusmenjadi unik karena perpindahan panasdan aliran fluida yang terjadi diantarapipa bagian luar dan pipa bagian dalampenukar kalor. Penambahan groove akanmeningkatkan luas permukaan panasselain itu groove meningkatkankekasaran permukaan yang akanmempengaruhi karakteristik perpindahanpanas. Oleh karena itu penelitian iniberfokus pada fenomena perpindahanpanas di ruang annulus akibatpenambahan groove.

Metode Penelitian

Secara skematis instalasi penelitiantersaji pada gambar 1.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

Gambar 1. Instalasi penelitian

Experiment setup penelitian ini terdiridari penukar kalor pipa konsentrisdengan circumference rectangulargroove pada dinding luar pipa bagiandalam. Penukar kalor ini memilikipanjang 1 m dan diameter pipa dalam19.4 mm, diameter pipa luar 38.1 mm.Groove yang digunakan memilikidimensi 0.4 x 40 mm. Untukmensirkulasikan fluida panas dan dingindalam sistem ini digunakan 2 buahpompa yang distabilkan menggunakanstabilizer dengan laju aliran maksimum27.1 l/min. Laju aliran yang digunakandalam penelitian ini adalah 27.1, 25.1,23.8, 22.0, 19.8 l/mnt pada fluida panas,yang diperoleh dengan mengatur bukaancontrol valve dan diukur menggunakanflow meter. Pada fluida dingin laju alirandipertahankan konstan pada 27.1 l/mnt.

Pola aliran parallel flow digunakandalam penukar kalor ini, yang mana sisimasuk fluida panas mengalami kontakdengan sisi masuk fluida dingin dan sisikeluar fluida panas mengalami kontakdengan sisi keluar fluida panas.

Temperatur sisi masuk fluida panasadalah 50±10C dan temperatur sisi masukfluida dingin adalah 30±10C.

Instrumen pengukuran temperaturmenggunakan termokopel yang dipasangpada masing-masing sisi masuk dankeluar fluida panas dan dingin penukarkalor. Termokopel dihubungkan dengandata logger untuk mendigitalisasi datasehingga dapat direkam oleh komputerselama 750 menit. Data hasil pengukurandigunakan untuk menghitung persentaseperubahan approach temperature,efektifitas perpindahan panas dan NTUakibat pemasangan groove.

Hasil dan Pembahasan

Data awal yang diambil adalahtemperatur sisi masuk dan keluar penukarkalor dengan groove. Data yangdiperoleh kemudian dibandingkandengan kondisi tanpa groove sehinggadapat diketahui besar perubahanapproach temperature. Besarnyaperubahan approach temperature tersajipada gambar 2.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

Gambar 2. Approach Temperature

Gambar 2 menunjukan hubunganflowrate fluida panas terhadap approachtemperature pada penukar kalor. Titiksegiempat berwarna merah mewakilipenukar kalor ber-groove sedangkanyang berwarna biru adalah penukar kalortanpa groove. Pada gambar 2 terlihat nilaiapproach temperature menurun secaraeksponensial seiring dengan peningkatanflowrate pada penukar kalor dengangroove maupun tanpa groove. Nilaiapproach temperature pada penukarkalor ber-groove lebih rendah

dibandingkan penukar kalor tanpagroove. Persentase penurunan approachtemperature pada masing-masingflowrate mulai 10.6% sampai dengan37.8%. Fenomena ini menandakan prosesheat transfer yang semakin baik.

Gambar 3 memperlihatkan hubunganflowrate fluida panas terhadap efektifitasperpindahan panas. Semakin tinggi lajualiran volume maka efektifitas cenderungmeningkat pada penukar kalor ber-groove maupun tanpa groove.

Gambar 3. Efektifitas Perpindahan Panas Penukar Kalor Pipa Konsentris

29.5%

10.6%

37.8%

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

Efektifitas perpindahan panas padapenukar kalor dengan groove lebih tinggidibandingkan tanpa groove. Efektifitasperpindahan panas merupakanperbandingan antara kalor aktual dankalor maximum yang ditransfer penukar

kalor. Besarnya efektifitas perpindahanpanas sangat dipengaruhi oleh bedatemperatur masuk dan keluar, baik padasisi fluida panas maupun dingin. Semakinbesar beda temperatur makaefektifitasnya akan meningkat.

Gambar 4. NTU penukar kalor pipa konsentris

Gambar 4 menyajikan hubunganflowrate terhadap NTU. Semakin besarlaju aliran volume maka nilai NTUcenderung meningkat. Karakteristik NTUsangat ditentukan oleh overall heattransfer koefisien dan luas permukaanpanas. Penambahan groove secaralangsung meningkatkan luas bidangpanas heat exchanger sehingga nilaiNTU penukar kalor ber-groove lebihtinggi dibandingkan tanpa groove.Penambahan groove akan meningkatkankeacakan aliran fluida. Fenomena iniakan meningkatkan konveksi momentumdan energi transfer pada lapisan fluida.

Kesimpulan

Penambahan groove pada daerahannulus peralatan penukar kalor jenisdouble pipe akan menurunkan approachtemperature sebesar 10.6% sampai37.8%. Efektivitas perpindahan panas

dan NTU meningkat akibat pemasangaangroove. Groove meningkatkan luaspermukaan panas, meningkatkankeacakan aliran dan meningkatkantransport energi secara keseluruhan.

Daftar Pustaka

[1] Aroonrat, K., Jumpholkul, C.,Leelaprachakul, R., Dalkilic, A.S.,Mahian, O. and Wongwises, S.Heat transfer and single-phase flowin internally grooved tube.International Communication inHeat and Mass Transfer. 42 (2013)62-68.

[2] Katoh, K., Choi, K.S.,Azuma, T.Heat-transfer enhancement andpressure loss by surface roughnessin turbulent channel flows.International Journal of Heat andMass Transfer. 43 (2000) 4009-4017.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-54

[3] Putu Wijaya Sunu., ING Wardana,A.A. Sonief, Nurkholis Hamidi..The effect of wall groove numberson pressure drop in pipe flows. Int.J. Fluid Mech. Resch. 42(2) (2015)119 – 130.

[4] Hamed Sadighi Dizaji, SamadJafarmadar, Farokh Mobadersani.Experimental studies on heattransfer and pressure dropcharacteristics for NewArrangements of Corrugaed Tubesin a Double Pipe Heat Exchanger.International Journal of ThermalSciences. 96 (2015) 211 – 220

[5] Putu Wijaya Sunu, ING Wardana,AA Sonief, Nurkholis Hamidi,.Flow Behavior and Friction Factorin Internally Grooved Pipe Wall.Advanced Studies in TheoreticalPhysics 8(14) (2014), 643-647.