ANALISA Perpindahan Panas dan Tegangan Thermal pada Inner Grooved Tube (pipa beralur dalam)

ABSTRACT

Inovasi dalam desain heat exchanger shell and tube sangat penting untuk dilakukan agar sistem memiliki efektifitas pindah panas yang baik dan efisiensi energi dapat tercapai. Oleh karena itu dalam kegiatan ini dilakukan simulasi dengan perangkat lunak CFDSOF untuk menganalisa perpindahan panas dan thermal stress pada pipa beralur dalam (inner grooved tube). Tahapan dalam kegiatan ini adalah studi literatur, perancangan geometri model simulasi, membangun mesh, penentuan sifat-sifat fluida dalam model simulasi, penentuan kondisi batas model simulasi, simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFDSOF, analisa hasil simulasi dan kesimpulan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa alur yang ada didalam pipa meningkatkan perpindahan panas yang terjadi antara pipa dengan fluida yang mengalir. Hal ini disebabkan oleh efek back step yang timbul disekitar alur dalam pipa yang membuat perpindahan panas secara konveksi antara pipa dan fluida yang mengalir terjadi lebih efektif. Hal ini juga berpengaruh terhadap beban thermal pada pipa, dimana pipa beralur mengalami Thermal Stress yang lebih kecil dari pada pipa polos (plain pipe) untuk kondisi proses yang sama.

Keywords : Heat exchanger shell and tube, inner grooved pipe and thermal stress

I. PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Perpindahan energi atau panas dengan menggunkan alat penukar kalor (heat exchanger) banyak sekali diaplikasikan dalam dunia industri. Proses perpindahan panas pada heat exchanger menurut Cengel (2006), sebagian besar didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya tidak terjadi kontak secara langsung dalam hal ini dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan bilangan-bilangan tak berdimensi, yaitu Reynold, bilangan Mussell dan bilangan Prandtl. Besar ketiga bilangan tak berdimensi ini, tergantung pula pada kecepatan aliran serta property fluida yang meliputi massa jenis, viskositas absolute, panas jenis dan konduktivitas panas.

Heat Exchanger merupakan suatu peralalan yang digunakan untuk perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Dalam dunia industri ataupun pada pusat pembangkit tenaga banyak dijumpai berbagai jenis heat exchanger.
Secara umum heat exchanger dapat dikelompokkan menjadi tiga yaitu:

1. Regenerator yaitu heat exchanger dimana fluida panas dan dingin mengalir secara bergantian melalui saluran yang sama.
2. Heat exchanger tipe terbuka (Open type heat exchanger) yaitu heat exchanger dimana fluida panas dan dingin terjadi kontak secara langsung (tanpa adanya pemisah).
3. Heat exchanger tipe tertutup (Close type heat exchager) yaitu heat exchanger dimana fluida panas dan dingin tidak terjadi kontak secara langsung tetapi terpisahkan oleh dinding pipa atau suatu permukaan baik berupa dinding datar atau lengkung.

Salah satu jenis heat exchanger tipe tertutup (Close type heat exchanger) adalah shell and tube. Dalam suatu shell and tube fluida yang satu mengalir melalui pipa-pipa kecil (tube) dan fluids yang lain mengalir melalui selongsong (shell). Pada heat exchanger jenis shell and tube di pasang beberapa baffles atau sekat, yang berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida yang mengalir di luar tube (shell side), sehingga proses perpindahan panas akan meningkat di antara kedua fluida dan untuk menahan tube bundle atau mencegah terjadinya getaran pada tubes.

Secara teoritis, baffle yang dipasang terlalu berdekatan akan meningkatkan perpindahan panas yang terjadi di antara kedua fluida dengan kata lain efektifitas meningkat, namun hambatan yang terjadi pada aliran yang melalui celah antar baffle menjadi besar sehingga penurunan tekanan menjadi besar. Sedangkan jika baffle dipasang terlalu berjauhan penurunan tekanan yang terjadi akan kecil, akan tetapi perpindahan panas yang terjadi kurang baik dan akan terjadi vibrasi. Hal ini menunjukkan bahwa jarak antar baffle tidak boleh terlalu dekat ataupun terlalu jauh. Oleh karena itu perlu dilakukan inovasi dalam desain heat exchanger shell and tube sehingga memiliki efektifitas pindah panas yang baik.

2. Tujuan
Untuk menciptakan inovasi dalam rangka meningkatkan efektifitas pindah panas pada Heat Exchanger shell and tube, maka dalam simulasi ini dilakukan analisa perpindahan panas dan thermal stress pada pipa beralur dalam (inner grooved tube).

Simulasi bertujuan untuk :

1.          Membuktikan bahwa alur yang ada didalam pipa dapat meningkatkan perpindahan panas yang terjadi melalui fluida yang mengalir. Hal ini penting dilakukan sebagai masukan untuk desain Heat Exchanger sehingga memiliki efektifitas pindah panas yang lebih baik tanpa memberikan pengaruh yang buruk terhadap sistem (pressure drop,vibrasi).

2.          Memberikan informasi bahwa untuk kondisi proses Heat Exchanger yang sama, pipa beralur mengalami Thermal Stress yang lebih besar dari pada pipa polos (plain pipe) karena semakin baik efektifitas pindah panas dalam tube heat exchanger, maka semakin besar pula panas yang akan diserap oleh pipa (tube).

3.Metodologi
Tahapan dalam kegiatan ini adalah :

1. Studi Literatur

a. Heat Exchanger : jenis-jenis heat exchanger beserta karakteristiknya.
b. Thermal stress : Thermal Stresses pada pipa polos dan beralur dalam.
c. Grooved pipe : spesifikasi grooved pipe

2. Perancangan geometri model simulasi
3. Penentuan sifat-sifat fisik fluida dan pipa dalam model simulasi
4. Penentuan kondisi batas model simulasi
5. Simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFDSOF
6. Analisa hasil simulasi dan kesimpulan

II. STUDI LITERATUR

Inovasi dalam desain heat exchanger shell and tube untuk mendapatkan perpindahan panas yang efisien dengan cara memusatkan penelitian pada luas permukaan aliran telah banyak dilakukan. Peningkatan luas permukaan pipa telah berhasil diaplikasikan dalam industri untuk mendapatkan perpindahan panas yang efisien (Zimparov 2002). Inovasi teknologi ini juga telah banyak diaplikasikan dalam industri pendingin, otomotif dan proses (Webb 1994; Bergles 1997). Inovasi dalam sistem perpindahan panas telah dianalisis dengan berbagai metode dalam rangka untuk memiliki sistem penukar panas yang efisien (Kakac¸ et al 1980). Herman & Kang (2002) menyatakan bahwa aplikasi pipa beralur sering ditemui, termasuk pada permukaan perpindahan panas alat penukar panas, dalam pendinginan peralatan elektronik dan dalam reaktor inti nuklir, serta dalam aplikasi biomedis dan ruang angkasa.

Hingga saat ini telah ada beberapa penelitian tentang permukaan beralur di vessels dan pipa (Ghaddar et al 1986;Brognaux et al 1997; Graham et al 1998; Cavallini et al 1999; Wirtz et al 1999; Go to et al 2001; Park & Choi 2001; Herman & Kang 2002; Wang et al 2003; Izumi et al 2004). Penelitian peningkatkan perpindahan panas dan penurunan internal pressure dalam pipa spiral beralur mikro-sirip horizontal diteliti oleh Wang et al (2003). Banyak jenis pipa beralur dalam telah diteliti untuk meningkatkan kinerja penukar panas pada AC untuk refrigeran HFC (Cavallini et al 1999; Kedzierski & Goncalves 1999; Goto et al 2001). Taman & Choi (2001) telah menunjukkan bahwa pipa berlekuk atau bergalur banyak digunakan dalam penukar panas modern. Brognaux et al (1997) meneliti perpindahan panas dan karakteristik gesekan untuk aliran single-fase dalam pipa mikro-sirip beralur. Mereka menemukan bahwa microfin dalam pipa telah meningkatkan perpindahan panas sampai 1,8 kali pipa polos.

Aliran dalam tiga dimensi dan perpindahan panas pada suatu saluran pipa simetris beralur telah dianalisis oleh Greiner et al (2000). Mereka telah melakukan analisis dengan kisaran bilangan Reynolds 180 ? Re ? 1600 dengan kondisi suhu batas konstan. Lorenz et al (1995) juga meneliti distribusi-koefisien konveksi lokal di saluran melintang - berlekuk. Pipa dipanaskan dengan cara dialiri aliran panas yang melewatinya. Dengan demikian, distribusi suhu dalam pipa beralur telah banyak diteliti dan diaplikasikan. Namun pada proses real, besaran temperatur tersebut berpengaruh terhadap tegangan thermal yang dialami oleh pipa. Oleh karena itu, tegangan thermal harus dianalisis dalam pipa beralur.

1. Shell and Tube Heat Exchanger
Salah satu jenis heat exchanger tipe tertutup (Close type heat exchanger) adalah shell and tube. Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah alat penukar kalor

yang paling banyak digunakan dalam berbagai macam industri dan paling sederhana dibanding dengan alat penukar kalor lainnya, hal ini karena:

1. Hanya terdiri dari sebuah tube dan shell, dimana tube terletak secara konsentrik yang berada di dalam shell.
2. Kemampuannya untuk bekerja dalam tekanan dan temperatur yang tinggi.
3. Kemampuannya untuk digunakan pada satu aliran volume yang besar.
4. Kemampunnya untuk bekerja dengan fluida kerja yang mempunyai perbedaan satu aliran volume yang besar.
5. Tersedia dalam berbagai bahan atau material.
6. Kontruksi yang kokoh dan aman.
7. Secara mekanis dapat beroperasi dengan baik dan handal (reliability tinggi).

Gambar Konstruksi Heat Exchanger Shell an Tube

Pada jenis alat penukar kalor ini, fluida panas mengalir di dalam tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau di dalam shell. Karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar kalor satu lintas (single-pass). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama, maka penukar kalor ini bertipe aliran searah (parallel flow) . Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang berlawanan, maka penukar kalor ini bertipe aliran berlawanan (counter flow) (Kreith, 1997).

Gambar Tipe aliran searah (parallel flow)

Gambar Tipe aliran berlawanan (counter flow)

Seperti gambar konstruksi heat exchanger diatas, komponen utama dari HE jenis ini ada adalah shell, tube (pipa) dan sekat (baffle). Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran besar atau pelat logam yang di-roll. Shell merupakan badan dari heat exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengan sambungan ekspansi.
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja.Susunan dari tube ini dibuat berdasarkan pertimbangan untuk mendapatkan jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan permukaan pipa). Sementara itu fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini antara lain adalah untuk : sebagai penahan dari tube bundle, untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran dan sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam tubes.

2. Tegangan Thermal pada Tube (Pipa)
Tegangan yang terjadi pada sistem perpipaan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori, yakni Tegangan Normal (Normal Stress) dan Tegangan Geser (Shear Stress). Tegangan normal terdiri dari tiga komponen tegangan, yaitu:

1. Tegangan Longitudinal ( Longitudinal Stress ), yaitu tegangan yang searah dengan panjang pipa.
2. Tegangan Tangensial atau Tegangan Keliling (Circumferential Stress atau Hoop Stress), yaitu tegangan yang searah dengan garis singgung penampang pipa.
3. Tegangan Radial ( Radial Stress ), yaitu tegangan yang searah dengan jari-jari penampang pipa.

Tegangan Geser terdiri dari dua komponen tegangan, yaitu:

1. Tegangan Geser ( Shear Stress ), yaitu tegangan akibat gaya geser.
2. Tegangan Puntir atau Tegangan Torsi (Torsional Stress),yaitu tegangan akibat momen puntir pada pipa.

Salah satu komponen dari Tegangan Longitudinal (Longitudinal Stress) adalah Tegangan Thermal (Thermal Stress). Tegangan thermal pada pipa terjadi karena beban thermal yang dialami oleh pipa. Jika pipa dengan panjang awal L₀ mengalami peningkatan temperatur sebesar (dT), maka besarnya elongasi (dL) yang dialami oleh pipa adalah :

dL = a * dT

dL : Elongasi pada pipa (m)
a : koefisien ekspansi thermal (/K)
L₀ : panjang awal pipa (m)
dT : perubahan temperatur (K)

Sementara itu, besarnya tegangan thermal yang dialami oleh pipa adalah :

Tegangan thermal = E * a * dT

E = modulus elestisitas (N/m² atau Pa)

3. Inner Grooved Pipe (Pipa Beralur dalam)
Secara konstruksi grooved pipe mirip dengan pipa polos (plain pipe), yang membedakan adalah pada dinding pipa grooved pipe memiliki alur. Alur ini bisa ada di dinding dalam maupun di dinding luar pipa, tergantung kebutuhan. Alur bisa berbentuk cincin, segitiga maupun rectangular. Penambahan alur pada pipa menyebabkan pengurangan luas permukaan aliran dibagian dinding pipa yang beralur.

Gambar Dinding dalam Pipa Beralur

III. SIMULASI NUMERIK dengan CFDSOF

1. Geometri dan Model Simulasi

Gambar Geometri dan Model Simulasi

Diameter dalam pipa = 0.02
Diameter luar pipa = 0.0254
Panjang pipa = 0.1m
Tebal dinding pipa = 0.0054m
Diameter alur = 0.004m
Jarak antara alur = diameter dalam pipa = 0.02m

2. Konstanta Fisikal Fluida
Konstanta fisikal fluida (water) berubah terhadap temperatur :

a. Densitas : 303K = 995.7kg/m³; 398K = 939kg/m³; 498K = 834kg/m³
b. Viskositas : 303K = 7.98e-4 kg/m.s; 398K = 2.21e-4 kg/m.s; 498K = 1.21e-4 kg/m.s
c. Konduktifitas Thermal : 303K = 0.61W/m.K; 398K = 0.683W/m.K; 498K = 0.652W/m.K
d. Panas Spesifik : 303K = 4179J/kg.K; 398K = 4260J/kg.K; 498K = 4650J/kg.K

3. Kondisi Batas/Sempadan (Boundary Layer)

a. Inlet : water

*v = 0.5m/s;
*T = 300K;
*K-epsilon Turbulen intensity 1%

b. Wall Pindah Panas Eksternal :

*Temperature ambient = 400K
*Koefisien pindah panas = 4000W/m².K

c. Wall Konduktif : Pipa Stainless steel 304

* Konduktifitas Thermal berubah terhadap temperatur : 298K = 1.6W/m.K; 398K = 1.7W/m.K; 498K = 1.9W/m.K

Untuk kondisi yang sama seperti diatas, dilakukan kembali simulasi tetapi dengan menggunakan pipa polos (plain pipe). Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk membandingkan distribusi temperatur yang terjadi diantara pipa beralur dan pipa polos.

IV. HASIL SIMULASI CFDSOF

TEMPERATUR
Pipa Beralur (Grooved Pipe)	Pipa Polos (Plain Pipe)
Energi (Turbulence)
Pipa Beralur (Grooved Pipe)	Pipa Polos (Plain Pipe)

V. ANALISA

Perbandingan distribusi temperatur di pipa beralur dan pipa polos :

Grafik : Perbandingan distribusi temperatur di pipa beralur dan pipa polos

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa temperatur dinding pipa yang beralur lebih rendah dibandingkan temperatur dinding pipa yang polos. Hal ini disebabkan oleh efek turbulensi yang dihasilkan oleh aliran fluida dalam pipa akibat pengecilan luas penampang aliran, efek seperti ini disebut juga efek back-step. Efek ini juga membuat distribusi panas dari dinding pipa ke fluida yang mengalir menjadi lebih efektif, sehingga panas tidak terpusat di dinding pipa. Penurunan temperatur di dinding pipa memiliki dampak yang positif terhadap umur kerja pipa, karena dapat mengurangi thermal stress yang dialami oleh pipa.

VI. KESIMPULAN

Alur yang terdapat di dalam pipa dapat menurunkan distribusi temperatur di sepanjang dinding pipa dan membuat distribusi panas dari dinding pipa ke fluida yang mengalir menjadi lebih efektif. Sehingga dapat menurunkan thermal stress yang dialami oleh pipa.

Perhitungan Thermal stress dengan java script : (klik disini...)

Referensi

• VEYSEL O¨ ZCEYHAN and NECDET ALTUNTOP, Heat transfer and thermal stress analysis in grooved tubes,2005.
• Adachi T, Uehara H 2001 Correlation between heat transfer and pressure drop in channels withperiodically grooved parts. Int. J. Heat Mass Transfer 44: 4333–4343
• Bergles A E 1997 Heat transfer enhancement – The encouragement and accomidation of high heat fluxes. J. Heat Transfer, Trans. ASME 119: 8–19
• Brognaux L J, Webb R L, Chamra L M, Chung B Y 1997 Single-phase heat transfer in micro-fin tubes. Int. J. Heat Mass Transfer 40: 4345–4357
• Cavallini A, Del C, Doretti L, Longo G A, Rossetto L A 1999 New computational procedure for heat transfer and pressure drop during refrigerant condensation inside enhanced tubes. Enhanced Heat Transfer 6: 441–456
• Fauple J H, Fisher F E 1981 Engineering design – A synthesis of stress analysis and material engineering (New York: Wiley) Heat transfer and thermal stress analysis in grooved tubes 553
• Fu W S, Huang H C, Liou W Y 1996 Thermal enhancement in laminar channel flow with a porous block. Int. J. Heat Mass Transfer 39: 2165–2175
• Park I S, Choi D H 2001 Heat and mass-transfer analysis of the condensing film flow along a vertical grooved tube. Int. J. Heat Mass Transfer 44: 4277–4285
• Sarkar S, Balakrishnan L 1990 Application of a Reynolds-stress turbulence model to the compressible shear layer. ICASE Report 90-18. NASA CR 182002
• Wang L, Sund´en B 2002 Performance comparison of some tube inserts. Int. Commun. Heat Mass Transfer 29(1): 45–56
• Webb R L 1994 Principles of enhanced heat transfer (New York: John Wiley & Sons)
• Yang Y T, Hwang C Z 2003 Calculation of turbulent flow and heat transfer in a porous-based channel.Int. J. Heat Mass Transfer 46: 771–780
• Zimparov V 2002 Energy conservation through heat transfer enhancement techniques. Int. J. Energy Res. 26: 675–696