Studi Eksperimental Koefisien Perpindahan Kalor Dan Fenomena Aliran Pada Double Pipe Heat Exchanger Dengan Variasi Diameter Outsert

Ditya Farhaz Putra Effanda, Ir. Indro Pranoto, S.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN.Eng.

2023 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Peningkatan perpindahan kalor pada double pipe heat exchanger dapat dilakukan dengan beberapa cara. Salah satunya caranya dengan metode pasif berupa penggunaan turbulator pada bagian saluran pipa. Turbulator tersebut berfungsi sebagai alat perekayasa aliran sehingga fluida yang mengalir mengalami perubahan arah dan kecepatan aliran. Penggunaan turbulator menghasilkan aliran fluida yang lebih turbulen dibandingkan saluran tanpa turbulator. Turbulator dapat digunakan pada bagian tube side dan shell side. Peningkatan kalor pada shell side akan meningkatkan performa keseluruhan perpindahan kalor pada heat exchanger.

Penelitian dilakukan dengan maksud mengetahui pengaruh penggunaan turbulator berupa outsert yang dipasang melingkar pada permukaan heater atau pada sisi annulus saluran heat exchanger terhadap performa perpindahan kalor konveksi dan fenomena aliran yang terjadi. Penelitian dilakukan secara eksperimental dengan melakukan modifikasi geometri tubular heater plain tube dengan menggunakan outsert. Proses penelitian terdiri dari pengambilan data dan visualisasi aliran. Pengambilan data menggunakan termokopel tipe-k dan pressure transducer sebagai sensor. Visualisasi aliran menggunakan kamera slow-motion dan bantuan cairan gliserin. Outsert yang digunakan terbuat dari plat tembaga tebal 1mm dengan ukuran diameter 18, 24, dan 30 mm serta jarak pitch 40 mm. Eksperimen dilakukan dengan variasi diameter outsert, debit aliran fluida, dan daya heater. Debit aliran yang digunakan dari 2 ; 2,5 ; dan 3 GPM dengan daya heater dari 400 hingga 600 W. Fluida kerja yang digunakan berupa akuades.

Hasil dari penelitian didapatkan bahwa penggunaan outsert akan meningkatkan kemampuan perpindahan kalor dibandingkan pada plain tube. Ukuran diameter outsert yang semakin besar meningkatkan permukaan efektif perpindahan kalor sehingga coefficient heat transfer dan bilangan Nusselt yang dihasilkan semakin lebih besar. Dengan kenaikan diameter outsert menjadi 24 dan 30 mm meningkatkan bilangan Nusselt sebesar 25?n 39% dibandingkan dengan outsert 18 mm. Peningkatan debit aliran meningkatkan energi kinetik aliran sehingga aliran menjadi lebih turbulen dan meningkatkan perpindahan kalor. Kenaikan debit dari 2 hingga 3 GPM meningkatkan koefisien perpindahan kalor sebesar 18,5?n 26,7%. Peningkatan daya heater tidak menunjukkan pengaruh signifikan terhadap perpindahan kalor yang terjadi. Fenomena aliran yang terbentuk dianalisis secara visual untuk setiap variasi diameter outsert dan debit aliran. Terbentuk pola aliran aksial dan radial akibat penggunaan outsert, semakin besar diameter outsert maka aliran lebih didominasi oleh aliran radial. Dominasi aliran radial meningkatkan pencampuran aliran. Peningkatan debit aliran mengakibatkan kecepatan aliran radial yang lebih tinggi sehingga proses perpindahan kalor akan berjalan lebih cepat.

Heat transfer enhancement in a double pipe heat exchanger can be done in several ways. One of them is the passive method of using turbulator in the pipe channel. The turbulator functions as a flow engineering tool so that the flowing fluid changes direction and flow velocity. The use of turbulator produces fluid flow that is more turbulent than channels without turbulator. Turbulator can be used on the tube side and shell side. Increased heat on the shell side will increase the overall performance of heat transfer in the heat exchanger.

The research was conducted with the intention of knowing the effect of using a turbulator in the form of an outsert mounted circularly on the surface of the heater or on the annulus side of the heat exchanger channel on convection heat transfer performance and flow phenomena that occur. The research was conducted experimentally by modifying the geometry of the plain tube tubular heater by using outsert. The research process consists of data collection and flow visualization. Data collection uses k-type thermocouples and pressure transducers as sensors. Flow visualization uses a slow-motion camera and glycerin liquid assistance. The outsert used are made of 1mm thick copper plate with diameter sizes of 18, 24, and 30 mm and pitch distance of 40 mm. Experiments were conducted with variations in outsert diameter, fluid flow rate, and heater power. The flow rate used was from 2; 2.5; and 3 GPM with heater power from 400 to 600 W. The working fluid used is aquadest.

The results of the research found that the use of outserts will increase the heat transfer capability compared to the plain tube. The larger diameter of the outsert increases the effective heat transfer surface so that the heat transfer coefficient and Nusselt number produced are greater. With an increase in outsert diameter of 24 and 30 mm, the Nusselt number increases by 25% and 39% compared to the 18 mm outsert. Increasing the flow discharge increases the kinetic energy of the flow so that the flow becomes more turbulent and increases heat transfer. The increase in discharge from 2 to 3 GPM increased the heat transfer coefficient by 18.5% and 26.7%. The increase in heater power did not show any significant effect on the heat transfer. The flow phenomena formed were visually analyzed for each variation of outsert diameter and flow discharge. Axial and radial flow patterns are formed due to the use of outserts, the larger the outsert diameter, the more radial flow is dominated. The dominance of radial flow increases flow mixing. Increased flow discharge results in higher radial flow velocity so that the heat transfer process will run faster.

Kata Kunci : Turbulator, Outsert, Heat Exchanger, Aliran Radial, Fenomena Aliran