155 342 1 PB1

Document Details:
 add to bookmark | report abuse
ISSN 1979-4657
87 JURNAL ILMU FISIKA (JIF), VOL 8 NO 2, SEPTEMBER 2016
STUDI EKSPERIMEN KARAKTERISTIK SHELL-AND-TUBE
HEAT EXCHANGER DENGAN VARIASI JENIS BAFFLE
DAN JARAK ANTAR BAFFLE
Teguh Hady Ariwibowo*, Prima Dewi Permatasari,
Novan Ardhiyangga, Sugit Triyono
Program Studi Sistem Pembangkit Energi, DTME
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Kampus PENS, Sukolilo, Surabaya 60111
*)
e-mail : teguhhady@pens.ac.id
ABSTRAK
Shell-and-Tube Heat Exchanger merupakan jenis penukar kalor yang banyak digunakan di
pembangkit dan pengolahan minyak. Namun, peningkatan performa penukar kalor ini perlu
dilakukan dengan cermat karena alirannya yang kompleks didalam shell. Penelitian ini mengkaji
peningkatan performa dalam bentuk koefisien perpindahan panas total dan efektivitas dengan
melakukan variasi jenis baffle (single segmental dan triple segmental) dan baffle spacing (5 cm
dan 10 cm) menggunakan pendekatan eksperimen dan numerik. Penukar kalor diuji pada laju
massa 0,033; 0,066; 0,099; 0,133; dan 0,166 kg/s. Pada variasi jenis baffle, hasil eksperimen
menunjukkan single segmental menghasilkan koefisien perpindahan panas total dan efektivitas
yang lebih baik dari pada triple segmental dengan nilai koefisien perpindahan panas total
maksimal 301 W/m
2
.K pada 0,166 kg/s dan efektivitas maksimal 0,5 pada 0,033 kg/s. Sedangkan,
pada variasi baffle spacing, hasil eksperimen menunjukkan baffle spacing 5 cm menghasilkan
koefisien perpindahan panas maksimal 651 W/m
2
.K saat laju massa 0,166 kg/s sedangkan baffle
spacing ini hanya munjukkan performa yang lebih besar dari baffle spacing 10 cm ketika laju
massa 0,133 kg/s. Hasil simulasi menunjukkan turbulensi aliran yang besar pada sisi shell
mengakibatkan distribusi temperatur merata sehingga mempengaruhi koefisien perpindahan panas
total.
Kata Kunci : Shell-and-Tube Heat Exchanger , baffle spacing, jenis baffle, koefisien perpindahan
panas total, efektivitas, CFD.
ABSTRACK
Shell-and-Tube Heat Exchanger is sort of heat exchanger commonly applied in power plants and
oil refineries. However, improved performance of this equipment requires being carried out
cautiously because of flow ramification inside shell. This study examines performance
improvement in total heat transfer coefficient and effectiveness by variations in type of baffles
(single and triple segmental) and baffle spacing (5 cm and 10 cm) using experimental and
numerical approach. Heat exchanger was assessed at mass rate 0,033; 0,066; 0.099; 0.133; and
0.166 kg/s. In variations of type of baffles, experimental outcome presented single segmental
baffle brought about better total heat transfer coefficient and effectiveness than the triple
segmental baffle maximum total heat transfer coefficient 301 W/m2.K at 0.166 kg/s and maximum
effectiveness 0.5 in 0.033 kg/s. Meanwhile, the baffle spacing variations, experimental results
depicted baffle spacing 5 cm produced maximum total heat transfer coefficient of 651 W/m2.K at
mass rate 0.166 kg/s while baffle spacing 5 cm was solely performed better than the baffle spacing
10 cm at mass rate 0.133 kg/s. The simulation results illustrated that turbulent flow inside shell
resulting in uneven temperature distribution which contributed on total heat transfer coefficient
increment.
Key Words : Shell-and-Tube Heat Exchanger , baffle spacing, sort of baffle, total heat transfer
coefficient increment, effectiveness, CFD.
ISSN 1979-4657
JURNAL ILMU FISIKA (JIF), VOL 8 NO 2, SEPTEMBER 2016 88
1. PENDAHULUAN
Shell-and-tube heat exchanger (STHX) banyak diaplikasikan di industri seperti
pembangkit listrik, kilang minyak, pengolahan makanan dsb. Master, dkk (2003)
menyatakan bahwa lebih dari 35-40% penukar kalor adalah tipe STHX dikarenakan
kekuatan konstruksi geometri, kemudahan perawatan dan peluang upgrade. Baffle
merupakan komponen penting dari STHX. Selain berfungsi menyuport tube bundle,
baffle membentuk aliran pada sisi shell. Jenis baffle yang paling banyak dipergunakan
adalah segmental baffle yang memaksa aliran di dalam sisi shell mengalir zigzag untuk
meningkatkan perpindahan panas namun dengan konsekuensi pressure drop tinggi
Sekarang, Tipe penukar kalor ini banyak dikembangkan dan mungkin masih umum
dipergunakan sebagai STHX (Bell 1981; Bell 1986; Bell 1988; Bell 2004). Koefisien
perpinpindahan panas sisi shell lebih kompleks daripada sisi tube dikarenakan banyak
faktor yang mempengaruhi (Serth, 2007).
Kinerja STHX dipengaruhi oleh beberapa parameter. Beberapa parameter tersebut
adalah efektivitas dan koefisien pepindahan panas. Beberapa cara untuk meningkatkan
performa ini adalah menggunakan tipe baffle serta mengatur jarak antar baffle (baffle
spacing). Šoljic dkk. (2009) membandingkan karakter aliran dengan menggunakan
beberapa baffle, baffle tersebut adalah tipe single segmental dan triple segmental. Hasil
penelitian ini adalah triple segmental baffle memiliki nilai vortex shedding frequency
lebih rendah dari pada single segmental baffle. Nilai vortex shedding frequency ini
mempengaruhi besar vibrasi di STHX. Disamping itu, baffle tipe triple segmental
menghasilkan penurunan tekanan yang lebih rendah dari pada single segmental baffle.
Ardhiyangga dkk (2016) yang mengamati karakteristik aliran didalam STHX dengan
pendekatan simulasi numerik 1-Dimensi menggunakan software HTRI serta
menyimpulkan bahwa terjadi peningkatan koefisien perpindahan panas sisi shell dan
efektivitas jika meningkat jika laju massa ditingkatkan. Sedangkan, pengamatan HTRI
juga dilakukan oleh Triyono dkk (2016) untuk mengamati pengaruh baffle spacing
terhadap koefisien perpindahan panas total STHX menyimpulkan bahwa pada rasio heat
capacity yang sama (C*= 1) didapatkan baffle spacing yang lebih pendek menghasilkan
koefisien perpindahan panas total lebih besar dari pada baffle spacing lebih jauh. Tetapi,
penggunaan pendekatan metode 1-Dimensi tidak mampu memaparkan secara jelas
turbulensi aliran yang mempengaruhi performa perpindahan panas.
Oleh karena itu, penelitian ini mengamati pengaruh jenis baffle dan jarak antar baffle
terhadap kinerja serta karakteristik aliran dalam STHX secara eksperimen serta
menggunakan metode numerik Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk
menyimulasikan secara 3-Dimensi yang hanya untuk mengetahui kondisi aliran yang ada
di dalam STHX serta mengorelasikannya dengan hasil eksperimen. Untuk variasi jenis
baffle, baffle yang digunakan adalah single segmental dan triple segmental.
2. METODE PENELITIAN
2.1. Penyetingan STHX dan alat pengujian
Penilitian ini dilakukan melakukan uji eksperimen STHX pada laju massa 0,033; 0,066;
0,099; 0,133; dan 0,166 kg/s di Laboratorium Termofluida Program Studi Sistem
Pembangkit Energi DTME Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Adapun Spesifikasi
STHX yang digunakan sebagai berikut diameter internal shell 16 cm, panjang shell 50
cm, panjang header 10 cm, diameter luar tube ½ in, jumlah tube 30, tebal tube 2 mm,
ISSN 1979-4657
89 JURNAL ILMU FISIKA (JIF), VOL 8 NO 2, SEPTEMBER 2016
jumlah segmental baffle 4 (single segmental), jumlah segmental baffle 10 (triple
segmental). Bahan shell terbuat dari stainless steel agar tidak mudah korosi sedangkan
material pada tube menggunakan tembaga karena konduktivitas termal yang tinggi
sehingga dapat mempercepat proses perpindahan panas. Baffle terbuat dari aluminium
untuk mempermudah proses fabrikasi. Gambar 1 menunjukkan variasi baffle spacing
dengan baffle cut sebesar 25%. Baffle spacing yang dipilih yaitu 5 cm dan 10 cm.
Penelitian ini terdapat kesamaan antara variasi baffle spacing dan jenis baffle yaitu pada
single segmental baffle yang memiliki baffle spacing 10 cm.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1. Pemasangan baffle pada tube bundle (a) single segmental baffle (dengan baffle
spacing 5 cm) (b) triple segmental baffle (c) baffle spacing 10 cm
Gambar 1. (a) menunjukkan hasil fabrikasi single segmental baffle yang terintagrasi
dengan tube bundle dengan nilai baffle cut sebesar 31,25 %. Jumlah baffle yang tersusun
4 buah dengan jarak antar baffle sebesar 10 cm. Gambar 1. (b) menunjukkan 3 buah
segmen baffle yang terintegrasi dengan tube bundle dengan jarak antar baffle sebesar 4,46
cm. Sudut antar tube 45
o,
tube pitch 2,5 cm, jumlah tube keseluruhan 30 buah diameter
tube bundle 16 cm. Sedangkan, Gambar 1 (a) dan (c) menjukkan jarak antar baffle 5 cm
dan 10 cm.
ISSN 1979-4657
JURNAL ILMU FISIKA (JIF), VOL 8 NO 2, SEPTEMBER 2016 90
(a)
(b)
Gambar 2. (a) Setting Alat Uji (b) Diagram Alir Proses
Eksperimen yang dilakukkan sebuah unit STHX dengan beberapa komponen pendukung,
ditunjukkan pada Gambar 2 (a) dan diagram alir proses sistem uji dapat dilihat di Gambar
2 (b). Adapun sistem pengujian unit STHX dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Sistem Penujian
No
Spesifikasi
1
Dimensi p : 170 cm diameter : 16 cm
2
a. Merk Panasonic 18 lpm dengan daya 125W ( Cold Pump)
b. Merk CNP 28 m
3
/h dengan daya 370W (Hot Pump)
3
Dimensi : 50x40x40 cm
4
Dimensi : 120x30x30 cm
5
Merk National 1,5 PK
6
1 Unit
7
Rotameter kapasitas maksimum 18 lph
8
½ inch
9
Ball valve ½ inch dan Gate valve ½ inch
10
2 Heater air, masing-masing 1,5 KW
11
Termocouple tipe K
Tahap pertama, air panas dan dingin diletakkan pada tangki terpisah. Pada tangki panas,
heater elektrik dipasang untuk menjaga teperatur air panas konstan. Heater ini
dikendalikan oleh thermocontrol sehingga temperatur air panas dapat dijaga. Begitu juga
dengan tangki dingin, evaporator sebuah air conditioning dipasang untuk menjaga
temperatur air dingin dapat dijaga. Kemudian, air panas dan dingin dipompa menuju unit
STHX. Air panas dialirkan disisi shell sedangkan air dingin dipompa disisi tube. Debit
aliran diukur menggunakan rotameter yang terpasang. Debit air yang berlebih diatur
dengan katup bypass. Debit yang terukur dikonversi ke laju aliran massa yang dihitung
dengan mengalikan massa jenis dengan debit.
2.2. Pemrosesan Data
Sebelum melakukan pemrosesan data, properti air perlu yang perlu dicari adalah Heat
capasity (c
p
), viscosity fluid (µ), Thermal conductivity (k) yang diambil sesuai dengan
ISSN 1979-4657
91 JURNAL ILMU FISIKA (JIF), VOL 8 NO 2, SEPTEMBER 2016
temperatur rata-rata sisi inlet dan outlet STHX. Kalor air dingin (q
c
) dan air panas (q
h
)
dapat dihitung menggunakan persamaan (1) dan (2).
(1)
(2)
Selanjutnya mencari log mean temperature difference (LMTD) atau bisa disebut dengan
ΔT
lm
, dengan terlebih dahulu mencari nilai correction faktor (F), Maka dapat
menggunakan persamaan 3.
(3)
Nilai F diperoleh dari persamaan berikut
(4)
Nilai S diperoleh dari persamaan (5)
(5)
Nilai α dicari dengan persamaan (6). N merupakan jumlah laluan sisi shell.
(6)
Kemudian, R dan P dihitung dengan persamaan (7) dan (8).
(7)
(8)
Dimana T
a
merupakan temperatur inlet sisi shell, T
b
merupakan teperatur outlet sisi shell,
t
a
merupakan temperatur inlet sisi tube, dan t
b
merupakan temperatur outlet sisi tube.
Sedangkan perhitungan koefisien perpindahan panas total dilakukan dengan
mengasumsikan aliran tidak mengakibatkan fouling sehingga dapat dihitung dengan
persamaan (9)
(9)
Dimana U
c
merupakan koefsien perpindahan panas total tanpa fouling, D
o
merupakan outer diameter dari tube, D
i
merupakan inner diameter dari tube, k
merupakan koefisien konduksi tube. Nilai koefisien perpindahan panas sisi tube (h
i
) dapat
dihitung dengan persamaan (10) sedangkan nilai koefisien perpindahan panas sisi shell
dihitung dengan persamaan (11). Nilai A merupakan heat transfer area.
(10)
(11)
Displaying 5 of 11 pages, to read the full document please DOWNLOAD.
Tags: