finned tube he simulation
DESCRIPTION
Simulasi perpindahan panas pada fin di finned tube heat exchanger.TRANSCRIPT
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 1
TK 4063
Topik-Topik Pilihan Komputasi Proses B
Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam
Penggunaannya
Fajar Sidiq*
Institut Teknologi Bandung, Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Kimia, Indonesia
I N F O A R T I K E L
Sejarah Artikel :
Dikumpulkan pada tanggal 22 Mei
2015
Kata kunci :
A B S T R A K
2015
1. Pendahuluan
Heat Exchanger merupakan suatu peralatan yang
digunakan untuk melakukan peristiwa pertukaran
panas dari aliran panas ke aliran dingin. Kedua aliran
tersebut dapat memiliki konfigurasi yang searah
maupun berlawanan arah, tergantung pada hasil
pertukaran panas yang diinginkan. Selain itu, kedua
aliran tersebut dapat dipertemukan secara langsung
maupun dapat dipisahkan dengan suatu bagian
pemisah yang biasanya terbuat dari logam tertentu.
Ditambah lagi, kedua aliran tersebut dapat
dipertemukan hanya satu kali, maupun lebih dari satu
kali. Dalam pembahasan perancangan air cooled heat
exchanger, beberapa konfigurasi tersebut perlu
diperhatikan.
Menurut Walas (2005), prinsip-prinsip dasar
dalam merancang heat exchanger, antara lain:
1. Pada bagian tube, biasanya berisi fluida yang
lebih bersifat korosif, bertekanan tinggi, serta
mudah menyebabkan fouling maupun
scaling,
2. Pada bagian shell, biasanya berisi fluida yang
memiliki viskositas tinggi dan fluida yang
akan terkondensasi,
3. Beda tekan yang diperbolehkan untuk
proses penguapan yaitu 1.5 psi, sedangkan
untuk proses yang lainnya 3-9 psi,
4. Diperlukan heat teansfer coefficient sebagai
tebakan awal dalam proses perancangan,
dan tergantung pada jenis fluida yang akan
dipertukarakan panasnya.
Air cooled heat exchanger merupakan jenis alat
penukar panas yang memanfaatkan udara sekitar
sebagai fluida pendingin. Udara memilki kapasitas
panas yang sangat kecil jika dibandingkan dengan
menggunakan fluida pendingin lainnya seperti air.
Kapasitas panas udara sekitar 1,005 kJ/kg.K,
sedangkan air memiliki kapasitas panas sebesar
4,183 kJ/kg.K. Selain itu konduktivitas termal yang
dimiliki udara juga lebih rendah daripada jenis-jenis
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 2
fluida pendingin lainnya. Kondisi fisik tersebut
menyebabkan diperlukan perancangan khusus pada
alat penukar panas yang menggunakan fluida
pendingin berupa udara.
Upaya untuk meningkatkan kemampuan
pertukaran panas oleh udara adalah dengan
memberikan luas pertukaran panas yang lebih. Salah
satu wujud yang dilakukan adalah memberikan
tambahan permukaan pada pipa di alat penukar
panas. Permukaan tambahan tersebut biasa disebut
dengan fin. Wujud pipa yang sudah diberikan
tambahan fin berbentuk lingkaran pada umumnya
dapat dilihat pada Gamabar 1. Skema umum air
cooled heat exchanger dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 1. Bentuk geometri circular finned tube.
Gambar 2. Skema umum air cooled heat exchanger.
2. Metode Pemodelan dan Simulasi
Pada paper ini akan dibahas mengenai finned
tube yang akan digunakan untuk berbagai kegunaan.
Pada penggunaannya air cooled heat exchanger dapat
digunakan dalam berbagai aplikasi, antara lain untuk
pendinginan air, pendinginan senyawa organik ringan,
pendinginan senyawa organik berat, pendinginan gas,
dan pengkondensasian uap. Perbedaan yang terdapat
pada berbagai aplikasi tersebut adalah overall heat
transfer coefficient-nya. Simulasi yang akan
dibangun hanya akan memodelkan sebagian bentuk
finned tube pada air cooled heat exchanger. Pada
simulasi ini bentuk penampang melintang finned
tube beserta ukurannya dapat dilihat pada Gambar
3.
Gambar 3. Penampang melintang finned tube dengan ukuran tebal pipa 3 mm, panjang pipa 20 mm, tebal fin 1
mm, dan tinggi fin 5 mm.
2.1. Pemodelan Fisik Finned Tube
Basis perancangan yang digunakan untuk
memodelkan finned tube adalah tiga dimensi. Finned
tube dibangun dengan jumlah fin sebanyak tiga buah
dengan jarak masing-masing fin sama. Bahan yang
digunakan untuk finned tube ini adalah Steel AISI
4340. Model fisik finned tube dapat dilihat pada
Gambar 4. Sedangkan untuk sifat fisik dari bahan
material yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar 4. Bentuk geometri tiga dimensi finned tube.
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 3
Tabel 1. Sifat fisik material finned tube
Name Value Unit
Heat capacity at constant pressure
475[J/(kg*K)] J/(kg*K)
Density 7850[kg/m^3] kg/m^3
Thermal conductivity 44.5[W/(m*K)] W/(m*K)
2.2. Skenario Model Termal pada
Finned Tube
Pada persoalan ini, persamaan yang digunakan
adalah perpindahan panas pada padatan saja, dengan
mangabaikan efek perpindahan panas dalam fluida.
Persamaan yang digunakan adalah,
(1)
Persamaan 1 tersebut merupakan persamaan yang
berlaku pada seluruh domain finned tube. Pada
persamaan tersebut hanya persamaan suku kedua
saja yang akan berlaku pada persoalan-persoalan
berikutnya, karena pada persamaan suku pertama
merupakan persamaan yang berlaku untuk kondisi
pada fluida.
Bagian-bagian yang akan dilakukan simulasi
memiliki kondisi batas tertentu dan sifat termal
tertentu, sifat-sifat termal yang akan berlaku antara
lain, perpindahan panas konveksi, perpindahan panas
radiasi, serta insulasi. Pembagian bagian pada finned
tube dapat dilihat pada Gambar 5. Persamaan yang
berlaku untuk sifat-sifat termal tersebut dirangkum
pada Tabel 2.
Tabel 2. Sifat termal perpindahan panas.
Nama Persamaan
Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan Panas Radiasi
Insulasi
2.3. Kondisi Batas dan Variasi Heat
Coefficient
Perpindahan panas yang terjadi pada sisi dalam
dan sisi luar pipa terdapat perbedaan. Pada sisi
dalam hanya perpindahan panas secara konveksi
yang terjadi, sedangkan pada sisi luar terdapat
tambahan perpindahan panas secara radiasi dengan
asumsi nilai emisivitas dari bahan sebesar 0,8. Selain
itu pada bagian luar pipa diasumsikan hanya selalu
menggunakan fluida pendingin berupa udara dan
kecepatan udara yang tetap, sehingga dapat
diasumsikan nilai overall heat transfer tetap, yaitu
sebesar 20 W/m2.K. Pada bagian sisi dalam pipa,
akan diasumsikan terdapat beberapa persoalan yang
berbeda, yaitu perbedaan pada jenis fluida yang
akan didinginkan, sehingga akan menyebabkan
perbedaan nilai overall heat transfer coefficient pada
dalam pipa. Variasi yang digunakan antara lain,
a. Pendinginan Senyawa Organik Ringan, Overall
Heat Trensfer Coefficient = 50 W/m2.K
b. Pendinginan Gas (10-30 bar), Overall Heat
Trensfer Coefficient = 200 W/m2.K
c. Pendinginan Air, Overall Heat Trensfer
Coefficient = 300 W/m2.K
2.4. Pemodelan Mesh di Finned Tube
Gambar 5. Pembagian sifat termal pada finned tube (a) panas radiasi dan konveksi (b) panas konveksi, dan (c) insulasi
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 4
Diperlukan untuk melakukan pembagian bagian-
bagian kecil pada saat melakukan simulasi
menggunakan software berbasis Computational Fluid
Dynamics. Pembagian bagian tersebut dapat dilihat
pada Gambar 6. Pembagian tersebt memberikan
bangun tetrahedral dan segitiga, dengan ukuran
rata-rata bagian memiliki volume sebesar 0,6799
mm3.
Gambar 6. Pemodelan mesh pada finned tube.
3. Hasil dan Pembahasan
Pada simulasi yang dilakukan suhu lingkungan di
daerah dalam pipa diasumsikan sebesar 300 oC. Untuk
udara yang dilakukan untuk mendinginkan memiliki
nilai suhu sebesar 30 oC. Dari hasil simulasi ketiga
variasi yang telah dilakukan dapat dihasilkan hasil
yang akan dibahas pada sub-bab berikut.
3.1. Pendinginan Senyawa Organik
Ringan
Pendinginan senyawa organik ringan memiliki
nilai overall heat transfer coefficient pada umumnya,
yaitu 50 W/m2.K. Hal ini memiliki nilai paling rendah
daripada aplikasi finned tube yang lainnya. Hasil
temperatur pada sepanjang finned tube dapat dilihat
pada Gambar 7. Nilai temperatur pada dinding pipa
baik luar maupun dalam memiliki nilai yang jauh
lebih rendah daripada 300oC. yaitu sekitar 100 oC.
Pada perpindahan panas secara konveksi dan radiasi
oleh udara dapat menyebabkan perpindahan panas
oleh fluida di dalam tidak terlalu baik di dalam pipa.
Hal ini diakibatkan dari nilai overall heat transfer
coefficient yang kecil berdampak pada nilai
perpindahan panas yang kecil pula.
Gambar 7. Temperatur permukaan finned tube pada pendinginan senyawa organik.
Nilai panas yang keluar pada bagian-bagian
finned tube juga menjadi hal yang perlu untuk
diperhatikan. Hal ini terkait dengan perawatan dan
umur dari finned tube. Semakin tinggi nilai panas
yang keluar melalui luas tersebut, maka daerah
tersebut dapat menjadi daerah yang rentan
terhadap kebocoran maupun patah. Hasil distribusi
nilai heat flux pada permukaan finned tube dapat
dilihat pada Gambar 8. Dapat dilihat bahwa terdapat
daerah pada pangkal fin memiliki nilai heat flux yang
paling besar.
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 5
3.2. Pendinginan Gas
Pendinginan gas memiliki nilai overall heat
transfer coefficient pada umumnya, yaitu 200
W/m2.K. Hal ini memiliki nilai paling rendah daripada
aplikasi finned tube yang lainnya. Hasil temperatur
pada sepanjang finned tube dapat dilihat pada
Gambar 9. Nilai temperatur pada dinding pipa baik
luar maupun dalam memiliki nilai yang sedikit lebih
rendah daripada 300oC. yaitu sekitar 180 oC. Pada
perpindahan panas secara konveksi dan radiasi oleh
udara dapat menyebabkan perpindahan panas oleh
fluida di dalam tidak terlalu baik di dalam pipa. Hal ini
diakibatkan dari nilai overall heat transfer coefficient
yang besar berdampak pada nilai perpindahan panas
yang lebih besar dari sebelumnya.
Gambar 9. Temperatur permukaan finned tube pada pendinginan gas.
Nilai panas yang keluar pada bagian-bagian
finned tube juga menjadi hal yang perlu untuk
diperhatikan. Hal ini terkait dengan perawatan dan
umur dari finned tube. Semakin tinggi nilai panas
yang keluar melalui luas tersebut, maka daerah
tersebut dapat menjadi daerah yang rentan
terhadap kebocoran maupun patah. Hasil distribusi
nilai heat flux pada permukaan finned tube dapat
dilihat pada Gambar 10. Dapat dilihat bahwa
terdapat daerah pada pangkal fin memiliki nilai heat
flux yang paling besar.
3.3. Pendinginan Air
Pendinginan air memiliki nilai overall heat
transfer coefficient pada umumnya, yaitu 300
W/m2.K. Hal ini memiliki nilai paling rendah daripada
aplikasi finned tube yang lainnya. Hasil temperatur
pada sepanjang finned tube dapat dilihat pada
Gambar 11. Nilai temperatur pada dinding pipa baik
luar maupun dalam memiliki nilai yang sedikit lebih
rendah daripada 300oC. yaitu sekitar 200 oC. Pada
perpindahan panas secara konveksi dan radiasi oleh
udara dapat menyebabkan perpindahan panas oleh
fluida di dalam tidak terlalu baik di dalam pipa. Hal
ini diakibatkan dari nilai overall heat transfer
coefficient yang besar berdampak pada nilai
perpindahan panas yang lebih besar dari sebelumnya
lagi.
Gambar 8. Heat flux permukaan finned tube pada pendinginan senyawa organik
Gambar 10. Heat flux permukaan finned tube pada pendinginan gas.
-
Fajar Sidiq, Analisis Heat Flux dan Temperatur pada Finned Tube di Berbagai Macam Penggunaannya Halaman 6
Nilai panas yang keluar pada bagian-bagian
finned tube juga menjadi hal yang perlu untuk
diperhatikan. Hal ini terkait dengan perawatan dan
umur dari finned tube. Semakin tinggi nilai panas yang
keluar melalui luas tersebut, maka daerah tersebut
dapat menjadi daerah yang rentan terhadap
kebocoran maupun patah. Hasil distribusi nilai heat
flux pada permukaan finned tube dapat dilihat pada
Gambar 12. Dapat dilihat bahwa terdapat daerah
pada pangkal fin memiliki nilai heat flux yang paling
besar.
Kesimpulan Dari simulasi yang telah dilakukan, maka diperoleh:
a. Nilai temperatur pada variasi yang paling besar
adalah pendinginan pada air, sedangkan paling
rendah adalah pendinginan senyawa organik.
Nilai overall heat transfer coefficient paling besar
akan menyebabkan nilai temperatur yang tinggi
pula
b. Nilai perpindahan panas per satuan luas yang
paling besar juga sangat dipengaruhi oleh nilai
overall heat transfer coefficient.
c. Bagian finned tube yang paling rawan terhadapa
situasi kebocoran adalah bagian pangkal.
Gambar 11. Temperatur permukaan finned tube pada pendinginan air.
Gambar 12. Heat flux permukaan finned tube pada pendinginan air