Simulasi Numerik Pengaruh Penambahan Outsert pada Alat Penukar Kalor Tipe Pipa Ganda terhadap Peningkatan Perpindahan Kalor Menggunakan Perangkat Lunak Fluent

SYAMSUR RIJAL, Prof. Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph.D.

2022 | Skripsi | S1 TEKNIK MESIN

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan outsert terhadap peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor tipe pipa ganda menggunakan simulasi numerik. Geometri penukar kalor berdiameter 40 mm untuk pipa luar dan 11 mm pipa dalam dengan panjang masing-masing 1 meter. Pipa dalam difungsikan sebagai pemanas (heater). Di dalam annulus akan dialirkan air bertemperatur 31°C. Pada selimut permukaan pipa dalam akan dibuat outsert, sejenis sirip berbentuk heliks yang berfungsi sebagai pengolak aliran di annulus. Outsert memiliki ketebalan 1 mm dengan variasi yang digunakan adalah perbedaan jarak pitch (p) sebesar 40, 60, dan 80 mm dimana heat flux dari heater akan dijaga konstan dan ketinggian outsert sama besar di setiap variasi. Variasi debit yang digunakan pada sisi annulus digunakan pada rentang 2,5 hingga 5 GPM. Simulasi menggunakan software ANSYS Fluent dengan model turbulensi k-omega SST. Fluida yang digunakan adalah air. Pada hasil simulasi dapat diketahui bahwa pola aliran yang terjadi membentuk heliks. Bentuk pola aliran ini membuat lintasan fluida lebih panjang dan membuat kecepatan rata-ratanya meningkat Koefisien perpindahan kalor konveksi meningkat seiring berkurangnya jarak pitch outsert sebesar 33,22; 46,13; dan 65,48 % jika dibandingkan dengan plain tube. Namun, penambahan outsert ini akan membuat peningkatan penurunan tekanan dan faktor gesekan pada pitch 80, 60, dan 40 masing-masing sebesar 18,22; 23,71; 29,25 % dan 4,68; 7,46; dan 16,8 kali dibandingkan plain tube. Oleh karena itu, thermal performance enhancement factor turun seiring pengurangan jarak pitch. Hasil perhitungan menunjukkan, nilai rata-rata thermal performance enhancement factor adalah 0,82; 0,8; dan 0,73 untuk pitch outsert masing-masing adalah 80, 60, dan 40. Maka dari itu, penggunaan alat penukar kalor dengan penambahan outsert baik digunakan pada debit rendah atau angka Reynold kecil. Hal ini dapat menghemat energi yang dikeluarkan oleh pompa untuk debit yang rendah.

This research aims to determine the effect of additional outsert on increasing the convection heat transfer coefficient and pressure drop on a double pipe heat exchanger using numerical simulations. The geometry of the heat exchanger is 40 mm outer pipe diameter and 11 mm for the inner pipe diameter with a length of 1 meter each. The inner pipe is used as a heater. Inside the annulus will be watered with a temperature of 31°C. On the surface of the inner tube will be made an outsert, a type of helical tape insert that works as a flow breaker in the annulus. The outsert has a thickness of 1 mm with variations used are pitch distances (p) of 40, 60, and 80 mm where the heat flux from the heater will be kept constant and the height of the outsert is the same in each. The variation of discharge used on the annulus side is in the range of 2.5 until 5 GPM. The simulation using ANSYS Fluent software with SST k-omega turbulence model. The fluid used is water. From the simulation results, that the flow pattern that occurs forms a helix. The shape of this flow pattern makes the fluid path longer and makes its average velocity increase. The convection heat transfer coefficient increases as the pitch outsert distance decreases by 33.22; 46.13; and 65.48% when compared to plain tube. However, the addition of this outsert will increase the pressure drop and the friction factor on pitches 80, 60, and 40 by 18,22; 23,71; 29,25 % respectively; and 4.68; 7.46; and 16.8 times compared to plain tube. Therefore, the thermal performance enhancement factor decreases as the pitch distance decreases. The calculation results show that the average value of the thermal performance improvement factor is 0.82; 0.8; and 0.73 for the outsert pitches are 80, 60, and 40, respectively. The used of heat exchangers with the addition of an outsert is either used at low discharge or low Reynolds number. This can save the energy expended by the pump for low discharge.

Kata Kunci : Simulasi, outsert, penukar kalor, perpindahan panas dan pola aliran