Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

100

PENGARUH DIAMETER INNER-HELICAL FINTERHADAP CHARACTERISTIC OF PERFORMANCE

COUNTER FLOW HEAT EXCHANGER

Muhamad Bula 1) , Slamet Wahyudi 2) , Nurkholis Hamidi 2)

1). Mahasiswa Prog. Magister dan Doktor JurusanTeknik Mesin Universitas Brawijaya2). Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Brawijaya

Jl. MT Haryono No.167 Malang 65145Hp : 081343213721 1)

E-mail : bulamuhamad@yahoo.co.id 1)

AbstractThe study of energy conservation using the head exchanger with different fin shapes have

been carried out, including research on the counter flow heat exchanger using a helical spiral-shaped fin is placed on the inner pipe. The problem lies in the acquisition of the influence of thediameter of the helical fin to the characteristic of performance counter flow heat exchanger. Thediameter of the helical fin which the test is 8 mm, 12 mm and 16 mm. The objective is achieved,the effect of the diameter of the helical fin characteristic of performance counter flow heatexchanger in the increase of hot water discharge 400 liters / hour, 500 liters / hour, 600 liters /hour, 700 liters / hour, 800 liters / hr and 900 liters / hour. Method of design of experiments withlaboratory-scale experiments using a set-up equipment double tube heat exchanger is themethod used. The results obtained, the highest effectiveness for all types of helical fins foundon discharge 400 liters / h with the order from highest to lower the effectiveness of internaldiameter of 12 mm reached 17.66%, diameter of 8 mm effectiveness reaches 15:56% and theinternal diameter of 16 mm effectiveness of achieving 14.29%. For the plain tube efektiftasobtained 11:48%.

Keywords : heat exchanger, the diameter of the helical fin, hot water discharge, effectiveness

PENDAHULUAN

Penelitian tentang pemenuhan energidunia sedang diarahkan pada temuan energialternatif diantaranya penelitian konservasienergi.

Berbagai penelitian konservasi energiyang dilakukan saat ini adalah denganmeningkatkan laju perpindahan kalormenggunakan heat exchanger. Heatexchanger merupakan alat penukar kaloryang tujuan utamanya mentransferkan kalordari satu fluida ke fluida lain. Fluida yangbiasa digunakan adalah air atau gas.

Energi yang dibawah oleh air atau gasditransferkan melewati dinding pelat atau pipauntuk mendapatkan laju perpindahan kalordan efektifitas heat exchanger sesuai yangdiinginkan.

Untuk mendapatkan kinerja heatexchanger yang lebih efektif, maka perludilakukan pengujian terhadap parameter-parameter pendukung seperti fin. Fin adalah

alat yang ditempatkan pada bagian pipadalam heat exchanger yang berfungsi untukmendeformasi aliran dan memperluasdaerah perpindahan kalor. Salah satu jenisfin yang biasa digunakan adalah helical finyang berbentuk spiral. Parameter-parameteryang mendukung kinerja helical fin yaitujarak pitch, jenis material, sudut kemiringan,dan diameter dalam helical fin.

Eksperimen terhadap pengaruhpemasangan helical screw tipe 17 mmdengan diameter inti 5 mm dengan jarakhelical screw dengan diameter inti 4 mmdilakukan oleh Eiamsa-ard & Promvonge [1].Hasil yang diperoleh, terjadi peningkatanangka Nusselt rata-rata sebesar 230 %sampai dengan 340 % dari double plain tubetanpa turbulator, peningkatan efisiensi heatexchanger mencapai 1.00 sampai dengan1.17.

Nuntapahn & Kiatsiriroat [2] melakukaneksperimen terhadap pengaruhpemasangan helical fin terhadap koefisien

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

101

perpindahan kalor (h) dan laju perpindahankalor (Q). Aliran fluida pada heat exchangerberbentuk crossflow dengan hasil yangdiperoleh berupa peningkatan nilai lajuperpindahan kalor sangat tergantung padaketinggian helical fin.

Murugesan at al [3], melakukan penelitiantentang karakteristik perpindahan kalor danpengaruh pressure drop dari aliran turbulendalam tabung. Plat berpilin berbentuktrapesium, berfungsi sebagai turbulator danditempatkan pada bagian dalam tabung. Dataheat exchanger tanpa plat berpilin sebagaipembanding. Hasil yang diperoleh, lajuperpindahan kalor meningkat sangatsignifikan seiring dengan meningkatnya angkaNusselt sebesar 1.37 kali untuk pilinan 6.0.Angka Nusselt yang diperoleh lebih besar daripada jenis heat exchanger tanpa turbulatoryang hanya mencapai 1.72 kali untuk pilinan4.4. Kenaikan laju perpindahan kalormencapai 27 % hingga 41.8 % untuk pilinan4.4 dan 6.0. Faktor gesekan yang diperolehlebih besar daripada heat exchanger tanpaturbulator dengan rasio pilinan 4.4 adalah2.85 kali, sedangkan 6.0 mencapai 1.97 kali.

Berbagai macam penelitian yang telahdikemukakan menunjukan adanyapeningkatan kinerja heat exchanger,walaupun terjadi peningkatan pada nilaipressure drop.

Penelitian ini dilakukan dengan alasanagar uap yang terbuang oleh air panas padapipa dalam heat exchanger dapatdimanfaatkan kembali untuk meningkatkantemperatur air dingin yang mengalir malaluipipa luar heat exchanger.

Penelitian ini bertujuan mengetahui besarpengaruh diameter dalam helical fin terhadapcharacteristic of performance counter flowheat exchanger. Helical fin ditempatkan padapipa bagian dalam heat exchanger yangdapat mendorong terjadinya turbulensi hinggamempengaruhi naiknya angka Reynoldsseiring dengan naiknya angka Nusselt, lajuperpindahan kalor aktual, pressure drop,faktor gesekan, dan efektifitas heatexchanger.

DASAR TEORIKetidakhorizontalan aliran merupakan

efek yang ditimbulkan dari penempatanhelical fin pada pipa dalam heat exchanger.

Aliran yang masuk kedalam pipa dalammenjadi turbulen hingga menyebabkannaiknya angka Reynolds seiring dengannaiknya angka Nusselt.

Untuk menentukan konstanta angkaNusselt dengan profil aliran yang telahterbentuk pada pipa dalam digunakanpersamaan Ditus dan Boelter [4] yaitu :

……….....……..(1)

Dengan Pr adalah angka Prandatlantara 0.7 sampai dengan 160 untuk angkaRenolds lebih dari 10000. Nilai eksponen nuntuk aliran panas 0.40, untuk aliran dingin0.30. Angka Reynolds sebagaiperbandingan gaya inersia/kinetik dengangaya viskos dalam aliran ditentukan dengan:

………..........……..............(2)

dengan :

Dh adalah diameter hidraulik pipa (m), vkecepatan aliran (m/s), densitas fluida(kg/m3), viskositas dinamik aliran (kg/m.s),Ac luas penampang aliran (m2) dan Pperimeter basah (m), .

Perpindahan kalor pada heat exchangerterjadi dari fluida air panas ke fluida airdingin yang dibatasi oleh dinding pipabagian dalam yang masing-masing fluidadinyatakan dengan [4] :1. Untuk fluida air dingin.

…….……….(3)

2. Untuk fluida air panas….…………(4)

Dengan sebagai laju aliranmassa fluida panas dan dingin (kg/s),panas spesifik fluida panas pada tekanankonstan, dan adalah temperaturkeluar dan masuk fluida dingin (oC),dan merupakan temperatur keluar danmasuk fluida panas (oC). Perpindahan kalorair dingin ( ) dan Perpindahan kalor airpanas memiliki satuan J/s atau Watt.

Bentuk persamaan kalor menyeluruhdinyatakan dengan [4] :

……………..…………..(5)

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

102

Dengan U sebagai koefisien perpindahankalor menyeluruh (W/m2.oC), adalah luaspenampang luar pipa bagian dalam (m2) dan∆Tlm merupakan perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (oC) yang masing-masingditentukan dengan [4] :

……….……………...……..(6)

..…...…..……………..….…(7)

..………….…………(8)dengan :

Do merupakan diameter luar pipa dalam(m), Li adalah panjang pipa dalam (m). Faktorgesekan pada pipa dalam dipengaruhi olehbesarnya pressuer drop dan gesekan antarafluida dengan dinding pipa dan helical finhingga mempengaruhi kinerja pompa. Untukmenentukan besarnya nilai faktor gesekandigunakan persamaan [5] :

...….…..……(9)Welty at al. [6], metode analisis efektifitas

panas yang memiliki hubungan denganNumber of Transfer Units (NTU) merupakanmetode rasio transfer panas sesungguhnyadalam heat exchanger terhadap transferpanas maksimum yang mungkin akan terjadijika luas permukaan infinit tersedia dengankapasitas rasio rata-rata ditentukan dneganpersamaan [7] :

……........….(11)

NTU merupakan angka tak berdimensiditentukan dengan persamaan [7] :

………………(12)

dengan :

merupakan luas area perpindahankalor menyeluruh (m2), adalah diameterdalam pipa bagian dalam (m). Efektiftas padaHeat Exchanger diperoleh dengan [7] :

………....…..…..…(13)

METODE PENELITIANPenelitian yang dilakukan

menggunakan metode eksperimentaldengan rancangan percobaan berskalalaboratorium menggunakan double tubeheat exchanger dan bertempat diLaboratorium Mesin Fluida Jurusan TeknikMesin Fakultas Teknik Universitas BrawijayaMalang.

Peralatan penelitian digambarkan padagambar 1 dengan bentuk helical fin denganposisi terletak pada pipa bagian dalam heatexchanger digambarkan pada gambar 2.

Bentuk aliran yang mengalir padasistem double tube heat exchanger adalahcounter flow. Air panas dan dingindipompakan dari reservoirnya melewatidebit meter. Debit meter berfungsi untukmengukur jumlah debit air yang masuk kedalam double tube heat exchanger. Padasisi masuk dan keluar air panas dan dinginterdapat thermochouple LM35 yangberfungsi untuk mengukur temperatur airdingin dan panas yang dapat dilihat padaindikator display digital.

Pada pipa bagian dalam heatexchanger terdapat helical fin. Air panasakan keluar melalui sisi keluar pipa bagiandalam dan masuk kembali ke dalamreservoirnya. Di dalam reservoir air panasterdapat heater, berfungsi untukmengkonversikan energi listrik menjadienergi panas.

Air dingin dipompakan menuju pipabagian luar heat exchanger, di pipa tersebutair dingin akan menerima panas yangditransferkan oleh air panas melalui dindingpipa bagian dalam. Air dingin akan keluarkembali menuju reservoirnya.

Helical fin merupakan spesimen ujidengan diameter dalam dijadikan sebagaivariabel utama penelitian. Helical fin adatiga jenis dengan diameter dalam helical fin(di) divariasikan yaitu 8 mm, 12 mm dan 16mm. Diameter luar helical fin (do) konstan,menempel pada dinding pipa bagian dalam.Ukuran diameter luar helical fin (do) dengandiameter dalam pipa bagian dalam (Di)sama yaitu 23.2 mm dengan panjang pipabagian dalam (Li) yaitu 1100 mm danpanjang pipa bagian luar (Lo) adalah 1000mm. Tebal helical fin (t) 2 mm dengan jarakpitch (P) 5 mm.

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

103

Variabel terkontrol adalah variabel yangnilainya ditentukan konstan atau tidakberubah. Variabel ini terdiri dari :1. Debit fluida air dingin konstan sebesar 900

liter/jam dan debit air panas divariasikandari 400 liter/jam sampai dengan 900liter/jam dengan kenaikan rata-ratasebesar 100 liter/jam.

2. Temperatur reservoir panas pengujiandikondisikan konstan pada 50 oC dengantoleransi ± 1 oC.

3. Temperatur reservoir air dingindikondisikan konstan pada 27 oC dengantoleransi ± 1 oC.

Proses pengambilan data dilakukansebanyak tiga kali pengulangan untuk tiap

Gambar 1 - Skema Instalasi Peralatan Penelitian

Gambar 2 - Bentuk Helical Fin pada Pipa Bagian dalam Heat Exchanger

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

104

data pada saat temperatur air panas yangditunjukkan oleh display digital benar-benarsteady. Data hasil pengujian disajikan dalambentuk tabel dan grafik.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Data yang dihasilkan dari pengujianterdiri dari data plain tube, yaitu data tanpahelical fin dan data yang menggunakanhelical fin dengan diameter dalam helical fin(di) 8 mm, 12 mm dan 16 mm.

Dari data yang diperoleh selanjutnyadibuat grafik hubungan antara kenaikan debitair panas dengan nilai pressure drop,kenaikan air panas dengan daya pompa,kenaikan debit air panas dengan lajuperpindahan kalor aktual, kenaikan debit airpanas dengan angka Reynolds, angkaReynolds dengan angka Nusselt, angkaReynolds dengan faktor gesekan dankenaikan debit air panas dengan efektifitas.

Gambar 3 menunjukkan bahwa pressuredrop mengalami peningkatan dan paling tinggidiperoleh pada helical fin diameter dalam 8mm. Helical fin diameter dalam 8 mm padadebit 900 liter/jam mencapai 3497.86 N/m2

dan terendah pada diameter dalam 16 mmpada debit 400 liter/jam sebesar 325.89 N/m2.Helical fin diameter dalam 12 mm, perolehannilai pressure drop terendah 539.31 N/m2

pada debit 400 liter/jam dan tertinggi 2144.08N/m2 pada debit 900 liter/jam.

Untuk plain tube, nilai pressure drop lebihkecil dari yang menggunakan helical fin.Terbesar pada debit 900 liter/jam dan terkecilpada debit 400 liter/jam dengan masing-masing sebesar 445.447 N/m2 dan 106.031N/m2.

Gambar 3 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin dan Plain Tube terhadap Perolehan

Nilai Pressure Drop(N/m2)di tiap Debit Air Panas

Gambar 4 merupakan pengaruhpenggunaan helical fin dan plain tubeterhadap daya pompa yang dibutuhkanuntuk mengatasi pressure drop yang terjadidi tiap debit air panas. Daya pompacenderung meningkat dan paling besarterdapat pada helical fin diameter dalam 8mm.

Gambar 4 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin dan Plain Tube terhadap Daya Pompa

(watt) di Tiap Debit Air PanasUntuk helical fin diameter dalam 8 mm

merupakan spesimen dengan kebutuhandaya pompa paling tinggi mencapai 0.874Watt dengan nilai pressure drop palingbesar diantara yang lainnya yaitu 3497.86N/m2. Diameter dalam 12 mm mencapai0.060 Watt, diameter dalam 8 mm mencapai0.036 Watt, plain tube sebesar 0.111 Wattdengan nilai pressure drop masing-masingmencapai 2144.08 N/m2, 1214.60 N/m2 dan445.447 N/m2.

Akibat dari adanya helical fin pada pipadalam heat exchanger, maka akanmempengaruhi nilai laju perpindahan kaloraktual dan efektifitas yang digambarkanpada gambar 5.

Gambar 5 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-HelicalFin dan Plain Tube terhadap Perolehan Laju

Perpindahan Kalor Aktual (j/s) di tiap Debit Air panas

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

105

Laju perpindahan kalor aktual palingbesar terdapat pada helical fin diameterdalam 12 mm mencapai 3291.38 J/s padadebit 900 liter/jam. Dengan debit yang sama,helical fin diameter dalam 8 mm, 16 mm, danplain tube masing-masing hanya mencapai2840.06 J/s, 2430.56 J/s dan 2263.98 J/s.

Gambar 6 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin dan Plain Tube terhadap Perolehan

Angka Reynolds dengan PeningkatanAngka Nusselt

Gambar 6 menunjukkan perolehan angkaReynolds tertinggi terdapat pada seluruhhelical fin bila dibandingkan dengan plaintube. Ini dikarenakan aliran fluida air panaspada pipa dalam bertubrukan dengan helicalfin membentuk olakan-olakan turbulensihingga meningkatkan angka Reynolds. Padaplain tube, walaupun terjadi turbulensi tetapisangat kecil, karena tidak ada penghalangyang menghalangi pergerakan air panas.Aliran bersifat aksial mengikuti bentuk pipa.

Angka Nusselt tertinggi untuk semuajenis helical fin terdapat pada helical findiameter dalam 8 mm mencapai 150.08dengan perolehan angka Reynolds 30866.5,diameter dalam 12 mm mencapai 141.76dengan perolehan angka Reynolds 28579.1dan untuk diameter dalam 16 mm diperoleh135.34 dengan angka Reynolds mencapai27153.9. Pada debit yang sama untuk plaintube angka Nusselt mencapai 124.25 denganperolehan angka Reynolds sebsar 24304.9.

Faktor gesekan pada gambar 7mengalami penurunan seiring denganmeningkatnya angka Reynolds dan palingrendah terdapat pada helical fin diameter

dalam 8 mm bila dibandingkan denganhelical fin diameter dalam 12 mm dan 16mm. Pada plain tube perolehan nilai faktorgesekan paling tinggi bila dibandingkandengan seluruh helical fin. Tertinggimencapai 0.0308 dengan angka Reynoldsmencapai 10789.9 seperti terdapat padatabel 6.

Untuk semua helical fin, faktor gesekanpaling tinggi pada diameter dalam 16 mmyaitu 0.0300 dengan angka Reynoldsmencapai 11912.0, kemudian diameterdalam 12 mm yaitu 0.0295 dengan angkaReynolds 12645.7 dan terendah padadiameter dalam 8 mm yaitu 0.0289 denganangka Reynolds mencapai 13606.6.

Gambar 7 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin dan Plain Tube Terhadap Perolehan

Angka Reynolds dengan Penurunan NilaiFaktor Gesekan

Nilai efektifitas pada gambar 8menunjukkan terjadi penurunan seiringdengan meningkatnya angka Reynolds.Efektiftas tertinggi terdapat pada debit 400liter/jam dengan perolehan efektifitas dariyang tertinggi ke yang rendah yaitu diameterdalam 12 mm sebesar 17.66 % denganperolehan angka Reynolds mencapai12645.71, untuk diameter dalam 8 mmmencapai 15.56 % dengan perolehan angkaReynolds sebesar 13606.60 dan untukdiameter dalam 16 mm efektifitas mencapai14.29 % dengan angka Reynolds sebesar11912.03. Untuk plain tube, efektifitas yangdiperoleh 11.48 % dengan angka Reynoldsmencapai 10789.96.

Jurnal Rekayasa Mesin Vol.1, No. 3 Tahun 2010 : 100-106 ISSN 0216-468X

106

Gambar 8 – Grafik Pengaruh Diameter Inner-Helical Fin dan Plain Tube terhadap Perolehan

Angka Reynolds dengan Nilai Efektifitas (%)

KESIMPULAN

Kesimpulan yang diperoleh setelahdilakukan pembahasan adalah perolehanefektifitas tertinggi terdapat pada debit 400liter/jam untuk semua jenis helical fin danplain tube dengan urutan mulai dari spesimenyang memperoleh efektifitas tertinggi sebagaiberikut :1. Helical fin 12 mm : efektifitas mencapai

17.66 %, laju perpindahan kalor aktualsebesar 2118.12 N/m2 dengan perolehanangka Reynolds 12645.7, angka Nusselt73.99, pressure drop 539.31 N/m2, dayapompa 0.060 Watt dan faktor gesekan0.0295.

2. Helical fin 8 mm : efektifitas mencapai15.56 %, laju perpindahan kalor aktualsebesar 1875.13 N/m2 dengan perolehanangka Reynolds 13606.6, angka Nusselt78.23, pressure drop 943.33 N/m2, dayapompa 0.105 Watt dan faktor gesekan0.0289.

3. Helical fin 16 mm : efektifitas mencapai14.29 %, laju perpindahan kalor aktualsebesar 1673.37 N/m2 dengan perolehanangka Reynolds 11912.0, angka Nusselt70.43, pressure drop 325.89 N/m2, dayapompa 0.036 Watt dan faktor gesekan0.0300.

4. Plain tube : efektifitas mencapai 11.48%, laju perpindahan kalor aktualsebesar 1375.37 N/m2 denganperolehan angka Reynolds 10789.9,angka Nusselt 64.92, pressure drop106.031 N/m2, daya pompa 0.012 Wattdan faktor gesekan 0.0308.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Eiamsa-ard, S. & Promvonge, P. (2006).Heat Transfer Characteristic in a TubeFitted With Helical Screw-TapeWith/Without Core-Rod Insert. ASEANJournal on Science and Technology forDevelopment, Bangkok : Department ofMechanical

[2] Nuntaphan, A. & Kiatsiriroat, T. (2007).Air-Side Heat Transfer Coefficient ofThermosyphon Heat Pipe With SpiralFin. ASEAN Journal on Science andTechnology for Development, Bangkok :Department of Mechanical Engineering.

[3] Murugesan, P., Mayilsamy, K., Suresh,S. & Srinivasan, P. S. S. (2009). HeatTransfer and Pressure DropCharacteristics of Turbulen Flow Ain aTube Fitted With Trapezoidal-CutTwisted Tape Insert (Vol. 1).International Journal of AcademicResearch. (I) : 1.

[4] Cengel, Y. A. (2002). Heat Transfer aPartical Approach with EES CD, NewYork : McGraw-Hill ScienceEngineering..

[5] Koestoer, R. A. (2002). PerpindahanKalor, Jakarta : Penerbit SalembaTeknika.

[6] Welty, J. R., Wicks C. E., Wilson G. R.(2004). Dasar-Dasar FenomenaTransport, Jakarta : Penerbit Airlangga.

[7] Incropera, F. P. & DeWitt, D. P. (1996).Fundamentals of Heat and MassTransfer, New York, Chichester,Brisbane, Toronto, Singapore : JohnWiley & Sons.