finned tube he simulation

6
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

Upload: fajar-sidiq

Post on 17-Sep-2015

243 views

Category:

Documents


3 download

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