studi eksperimen analisa performa compact heat exchanger ... · exchanger tipe circular tube...

4
1 Abstrak — Harga minyak dunia cenderung mengalami peningkatan dalam beberapa tahun terakhir sehingga manusia berfikir untuk memanfaatkan setiap penggunaan minyak bumi. Dengan berkembangnya teknologi saat ini waste energy yang berupa gas hasil pembakaran pada engine dapat dimanfaatkan menjadi bentuk energi lain menggunakan heat recovery system. Pada tugas akhir ini dilakukan desain sebuah heat exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy yang berupa exhaust gas . Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan kecepatan kecepatan exhaust gas yang melewati heat exchanger, yaitu 0.4 m/s, 0.3 m/s, dan 0.2 m/s. Exhaust gas yang digunakan memiliki temperatur 280 o C. Pada tugas akhir ini didapatkan desain compact heat exchanger dengan dimensi panjang 0.38 m, lebar 0.45 m, dan tebal 0.04m. Setelah dilakukan pengujian hasil terbaik yang didapat adalah heat exchanger dapat menyerap panas sebesar 3.09 KWatt, selain itu heat exchanger memiliki effectiveness sebesar 0.457, NTU sebesar 0772, dan overall heat transfer coefficient sebesar 6.72 W/m 2 K . Kata Kunci — Compact heat exchanger, Waste energy, Heat recovery system. I. PENDAHULUAN alam beberapa tahun kebelakang harga minyak dunia mengalami kenaikan yang cukup tinggi. Sehingga perusahaan-perusahaan yang menggunakan bahan bakar non-subsidi harus mengeluarkan biaya lebih dalam proses produksinya. Selain itu Perusahaan Listrik Negara (PLN) juga menggunakan bahan bakar minyak untuk memproduksi listrik pada Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Pada PLTD ini memiliki daya yang relative kecil jika dibandingkan dengan pembangkitan jenis lain. Maka dari itu untuk meningkatkan kapasitas pembangkitan pada PLTD dapat menggunakan waste heat recovery system. Waste heat recovery system sendiri merupakan proses yang digunakan untuk memanfaatkan kembali panas yang terbuang pada sebuah sistem yang menghasilkan waste heat sehingga dapat dimanfaatkan kembali [1]. Pada PLTD yang menghasilkan panas akibat pembakaran yang terjadi pada ruang bakar yang kemudian panas tersebut dibuang melalui muffler. Waste heat recovery system menggunakan heat exchanger yang digunakan untuk menangkap panas exhaust gas yang merupakan hasil dari pembakaran pada engine sehingga temperatur exhaust gas yang keluar dari muffler akan lebih rendah. Untuk memanfaatkan panas yang berada pada muffler engine dapat dilakukan dengan berbagai cara antara lain dengan penambahan turbocharger, TEG, dan Rankine Cycle. Rankine Cycle yang diterapkan untuk memanfaatkan panas pada muffler engine dilakukan perubahan pada fluida kerjanya yang awalnya menggunakan air diganti dengan fluida organic karena memiliki temperatur penguapan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan air sehingga baik jika digunakan untuk memanfaatkan waste heat pada muffler engine. Siklus Rankine yang menggunakan fluida organic sebagai fluida kerjanya ini biasa disebut dengan Organic Rankine Cycle [2]. A. Manfaat Penelitian Enegi panas yang terbuang melalui muffler engine dapat diambil dan diubah menjadi bentuk energi yang lain sehingga dapat memaksimalkan penggunaan bahan bakar dan sebagai solusi untuk pemanfaatan waste energy. Selain itu pemanfaatan waster heat dapat mengurangi polusi temperatur karena temperature yang keluar dari engine akan lebih kecil yang diakibatkan bannyak panas yang diserap oleh heat exchanger pada heat recovery system. II. METODE PENGUJIAN A. Perancangan Compact Heat Exchanger Dalam penelitian ini dilakukan desain compact heat exchanger. Berikut ini merupakan data awal yang digunakan utuk mendesain compact heat exchanger : Tabel 1. Data awal perancangan Heat exchanger Setelah didapatkan data awal yang dipergunakan untuk merancang heat exchanger seperti pada tabel 1 diatas, maka dapat dilajutkan dengan merancang compact heat exchanger circular tube countinous plate fin dengan susunan tube aligned. Urutan perancangan heat exchanger tersebut dapat dilihat dari gambar 1. Berikut ini : Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger Circular Tubes Continous Plate Fin Untuk Pemanfaatan Waste Energy Rachmadi Gewa S., Ary Bachtiar K.P. Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] D

Upload: vodung

Post on 22-Apr-2019

253 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger ... · exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy

1

Abstrak — Harga minyak dunia cenderung mengalami peningkatan dalam beberapa tahun terakhir sehingga manusia berfikir untuk memanfaatkan setiap penggunaan minyak bumi. Dengan berkembangnya teknologi saat ini waste energy yang berupa gas hasil pembakaran pada engine dapat dimanfaatkan menjadi bentuk energi lain menggunakan heat recovery system. Pada tugas akhir ini dilakukan desain sebuah heat exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy yang berupa exhaust gas . Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan kecepatan kecepatan exhaust gas yang melewati heat exchanger, yaitu 0.4 m/s, 0.3 m/s, dan 0.2 m/s. Exhaust gas yang digunakan memiliki temperatur 280oC. Pada tugas akhir ini didapatkan desain compact heat exchanger dengan dimensi panjang 0.38 m, lebar 0.45 m, dan tebal 0.04m. Setelah dilakukan pengujian hasil terbaik yang didapat adalah heat exchanger dapat menyerap panas sebesar 3.09 KWatt, selain itu heat exchanger memiliki effectiveness sebesar 0.457, NTU sebesar 0772, dan overall heat transfer coefficient sebesar 6.72 W/m2K .

Kata Kunci — Compact heat exchanger, Waste energy, Heat recovery system.

I. PENDAHULUAN

alam beberapa tahun kebelakang harga minyak dunia mengalami kenaikan yang cukup tinggi. Sehingga

perusahaan-perusahaan yang menggunakan bahan bakar non-subsidi harus mengeluarkan biaya lebih dalam proses produksinya. Selain itu Perusahaan Listrik Negara (PLN) juga menggunakan bahan bakar minyak untuk memproduksi listrik pada Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD). Pada PLTD ini memiliki daya yang relative kecil jika dibandingkan dengan pembangkitan jenis lain. Maka dari itu untuk meningkatkan kapasitas pembangkitan pada PLTD dapat menggunakan waste heat recovery system. Waste heat recovery system sendiri merupakan proses yang digunakan untuk memanfaatkan kembali panas yang terbuang pada sebuah sistem yang menghasilkan waste heat sehingga dapat dimanfaatkan kembali [1]. Pada PLTD yang menghasilkan panas akibat pembakaran yang terjadi pada ruang bakar yang kemudian panas tersebut dibuang melalui muffler. Waste heat recovery system menggunakan heat exchanger yang digunakan untuk menangkap panas exhaust gas yang merupakan hasil dari pembakaran pada engine sehingga temperatur exhaust gas yang keluar dari muffler akan lebih rendah. Untuk memanfaatkan panas yang berada pada muffler engine dapat dilakukan dengan berbagai cara antara lain dengan penambahan turbocharger, TEG, dan Rankine

Cycle. Rankine Cycle yang diterapkan untuk memanfaatkan panas pada muffler engine dilakukan perubahan pada fluida kerjanya yang awalnya menggunakan air diganti dengan fluida organic karena memiliki temperatur penguapan yang lebih rendah jika dibandingkan dengan air sehingga baik jika digunakan untuk memanfaatkan waste heat pada muffler engine. Siklus Rankine yang menggunakan fluida organic sebagai fluida kerjanya ini biasa disebut dengan Organic Rankine Cycle [2]. A. Manfaat Penelitian

Enegi panas yang terbuang melalui muffler engine dapat diambil dan diubah menjadi bentuk energi yang lain sehingga dapat memaksimalkan penggunaan bahan bakar dan sebagai solusi untuk pemanfaatan waste energy. Selain itu pemanfaatan waster heat dapat mengurangi polusi temperatur karena temperature yang keluar dari engine akan lebih kecil yang diakibatkan bannyak panas yang diserap oleh heat exchanger pada heat recovery system.

II. METODE PENGUJIAN A. Perancangan Compact Heat Exchanger

Dalam penelitian ini dilakukan desain compact heat exchanger. Berikut ini merupakan data awal yang digunakan utuk mendesain compact heat exchanger :

Tabel 1. Data awal perancangan Heat exchanger

Setelah didapatkan data awal yang dipergunakan untuk merancang heat exchanger seperti pada tabel 1 diatas, maka dapat dilajutkan dengan merancang compact heat exchanger circular tube countinous plate fin dengan susunan tube aligned. Urutan perancangan heat exchanger tersebut dapat dilihat dari gambar 1. Berikut ini :

Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger Circular Tubes Continous Plate Fin Untuk Pemanfaatan Waste

Energy

Rachmadi Gewa S., Ary Bachtiar K.P. Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

D

Page 2: Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger ... · exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy

2

Start

Th,I = 280oC

Tc,o = 120.4oCTc,I = 27oC

ṁ exhaust gas = 0.4838 kg/s

ṁ air = 0.01024 kg/s

Menentukan Luas Frontal Heat Exchanger

Menentukan Tipe Fin Heat Exchanger

Menghitung q desain

������� = ṁ��� �ℎ�,� − ℎ�,��

Menghitung Th,o������� = ṁ�� ℎ���� ��� ���� ℎ���� ��� ��ℎ,� − �ℎ,��

Menghitung UAdesain

������� = ��∆�����

Mendapatkan UAdesain

Menghitung diameter hidrolik Menghitung Re

�ℎ = 4�

� �� =

4ṁ

�����

Menghitung G udara

� =ṁ

����

Re < 2300Nu = 4.36

Re > 2300

�� = 0.023��0.8��0.3

Koefisien Konveksi

ℎ = ���

Menghitung Re

�� = ��ℎ

Staton Number tube dan Fin

������ = 1.13�1�2�����0.3 ����� = �����

�� = ��

����

Koefisien Konveksi Tube dan Fin

�� = �����

Nilai Lc

�� = ���

2−

2� +

2

Nilai Ap

�� = ���

mLc

��� = �ℎ

����

12

��32

Efisiensi fin

���� = ������

1

��=

1

ℎ� ��+

1

���� �� ℎ�

��ℎ����� − ��������

��ℎ�����< 0.1

Dimensi HE:Panjang tube , Jumlah

tube, Bentuk susunan tube, Panjang Fin ,

Jumlah Fin, Tebal Fin

END B. Metode Penelitian

Berikut berupa skema penelitian yang digunakan secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2 . Skema instalasi pengujian compact heat exchanger

Keterangan gambar : A. Tangki air B. Gear pump C. Pressure gauge D. Gate valve E. Flowmeter air F. Burner G. Anemometer digital H. Thermocouple air in I. Thermocouple air out J. Thermocouple exhaust gas in K. Thermocouple exhaust gas out L. Standard exhaust fan M. Compact heat exchanger yang dianalisa N. Ducting

Cara kerja alat pada gambar 1 bermula pada air yang berada didalam tangki penyimpanan air yang dihisap oleh gear pump dan dialirkan masuk menuju compact heat exchanger yang telah didesain. Air yang dipompa oleh gear pump tadi akan melewati compact heat exchanger yang kemudian akan menuju surrounding. Selama melewati heat exchanger air tersebut akan dikenai proses pemanasan dari burner yang berada didalam ducting sehingga air yang sebelum masuk heat exchanger memiliki temperatur rendah setelah keluar dari heat exchanger memiliki temperature yang tinggi

B. Perhitungan Desain Heat Exchanger

Berikut ini merupakan rumus yang digunakan dalam mendesain heat exchanger dengan menggunakan metode ΔTLMTD [3,5] : qdesain

������� = ��∆���∆��

��∆��∆��

............................................... (1)

C. Perhitungan Performa Compact Heat Exchanger Berikut ini merupakan rumus yang digunakan dalam

menghitung performa dari heat exchanger yang telah didesain [3] [4]: qaktual

���� = ṁ��� × �ℎ�,� − ℎ�,�� ...................................... (2) qmax

���� = ���� × ���,� − ��,�� ...................................... (3)

Effectiveness

� =����

���� ..................................................................... (4)

NTU ��� = grafik ............................................................ (5)

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada penelitian ekperimen compact heat exchanger circular tube continuous plate fin didapatkan dimensi dari heat exchanger yang telah didesain selain itu didapatkan beberapa grafik untuk analisa performa dari heat exchanger yang telah didesain. Tabel 2. Dimensi desain compact heat exchanger

No Data Nilai

1 Tipe Heat Exchanger

Compact Heat Exchanger Circular tube countinous plate

fin.

Page 3: Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger ... · exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy

3

2 Volume Heat Exchanger

PxLxT = 380 mmx450 mmx40 mm

3 Diameter Tube

10 mm

4 Jumlah Baris Tube

2 baris

5 Jumlah Tube tiap Baris

22.45 tube

6 ST 20 mm

7 SL 20 mm

8 Fin pitch 315/m

9 Tebal Fin 0.3 mm

10 Afr 0.170 m2

11 Nfin 119.7

12 Afin 1.728 m2

13 Atube 0.485 m2

14 Atotal 2.213 m2

15 Aair 0.536 m2

16 Afin/Atotal 0.781

17 Aff 0.105 m2

18 Aff/Afr (σ) 0.616

Gambar 3. Gambar compact heat exchanger hasil desain

Gambar 4. Grafik qair dan qexhaust gas fungsi Reynolds Number exhaust gas

Pada gambar 4 terlihat bahwa trendline grafik dari qair semakin meningkat dengan bertambahnya nilai Reynolds Number exhaust gas, sedangkan untuk qexhaust gas nilainya selalu berada diatas dari qair. Seharusnya untuk nilai qair dan qexhaustgas adalah sama. Ketidaksamaan antara nilai qair dan qexhaustgas ini dikarenakan adanya qloss akibat adanya bagian dari heat exchanger yang tidak diisolasi sehingga kalor yang seharusnya diserap oleh heat exchanger menjadi terlepas kelingkungan sekitarnya. Gambar 5. Grafik effectiveness fungsi Reynolds Number exhaust gas

Pada gambar 5 diatas ditunjukan grafik kenaikan

nilai Reynolds Number terhadap effectiveness dari heat exchanger. Dari grafik terlihat bahwa trendline dari effectiveness heat exchanger mengalami punurunan dengan bertambahnya nilai Reynolds Number exhaust gas. Hal tersebut dikarenakan dengan naiknya nilai dari Reynolds Number akan menaikan nilai dari Cmin sehingga dapat memperbesar qmax dari heat exchanger yang berakibat turunya nilai effectiveness.

Gambar 6. Grafik NTU fungsi Reynolds Number exhaust gas

Pada gambar 6 terlihat bahwa trendline grafik dari nilai NTU heat exchanger mengalami penurunan dengan bertambahnya nilai dari Reynolds Number. Penurunan nilai dari NTU tersebut diakibatkan dengan setiap kenaikan Reynolds Number akan diikuti kenaikan nilai dari minimum heat capacity yang akan mengakibatkan penurunan nilai dari NTU dengan luasan perpindahan panas heat exchanger yang sama.

Page 4: Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger ... · exchanger tipe circular tube continuous plate fin dengan susunan tube aligned yang digunakan untuk menyerap waste energy

4

Gambar 7. Grafik effectiveness fungsi NTU

Pada gambar 7 terlihat bahwa dari percobaan yang sudah dilakukan dengan variasi mass flowrate exhaust gas nilai dari effectiveness akan mengalami penurunan begitu juga dengan nilai NTU. Nilai effectiveness tertinggi terjadi pada nilai mass flowrate exhaust gas terendah yaitu sebesar 0.457 dengan nilai NTU sebesar 0.722. Hal tersebut dikarenakan untuk nilai mass flowrate exhaust gas terendah memiliki nilai qmax yang rendah juga, sehingga akan meningkatkan nilai effectiveness.

Gambar 8. Grafik Overall Heat Transfer fungsi Reynolds Number

Pada gambar 8 terlihat bahwa trendline grafik dari overall heat transfer mengalami kenaikan dengan bertambahnya nilai Reynolds Number. Kenaikan nilai dari overall heat transfer dikarenakan dengan bertambahnya nilai Reynolds Number akan meningkatkan nilai koefisien konveksi pada sisi exhaust gas. Akibat dari kenaikan koefisien konveksi tersebut adalah menurunya nilai dari tahanan thermal dari heat exchanger yang mengakibatkan kenaikan nilai overall heat transfer coefficient.

Gambar 9. Grafik ΔTLMTD fungsi Reynolds Number exhaust gas Pada gambar 9 terlihat bahwa trendline grafik dari ΔTLMTD mengalami kenaikan dengan bertambahnya nilai Reynolds Number. Kenaikan nilai dari ΔTLMTD tersebut dikarenakan dengan bertambahnya nilai Reynolds Number akan meningkatkan nilai dari temperatur keluar dari heat exchanger.

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan dalam menguji performa compact heat exchanger circular tube continuous plate fin dapat disimpulkan: 1. Dari percobaan yang sudah dilakukan heat exchanger

yang telah didesain dapat menyerap panas sebesar 3.09 Kwatt pada Reynold Number 5953.624.

2. Dari percobaan yang sudah dilakukan heat exchanger yang telah didesain mempunyai effectiveness paling baik sebesar 0.457 pada Reynold Number 3398.589.

3. Dari percobaan yang sudah dilakukan heat exchanger yang telah didesain mempunyai nilai NTU terbesar bernilai 0.722.

4. Nilai overall heat transfer coefficient tertinggi yang didapatkan dari percobaan sebesar 6.72 W/m2K.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada laboratorium Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini serta bapak dosen pembimbing dan semua pihak yang membantu.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. http://en.wikipedia.org/wiki/Waste_heat_recovery_system

[2]. Saidur, R., Rezaei, M., Muzammil, W.K., Hassan, M.H., Paria, S., Hasanuzzaman, M. 2012. Renewable and Sustainable Energy Reviews. “Technologies to Recover Exhaust Heat from Internal Combution Engines”. 16 : 5650-5656

[3]. Incropera,F.P.,Dewitt,D.P. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 6th ed. New York : John Wiley and Sons inc.

[4]. Kays, W.M.,London, A.L. 1964. Compact Heat Exchanger. 2nd ed. New York : McGraw Hill Book Company.