Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio terhadap

Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio terhadap Karakteristik
Aliran dan Perpindahan Panas pada Susunan Setengah Tube
Heat Exchanger dalam Enclosure
R. Djailani, Prabowo
Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Sukolilo Surabaya 60111
Abstrak
Penelitian ini mengkaji pengaruh gap ratio (S/d) terhadap karakteristik aliran dan
perpindahan panas konveksi alamiah susunan setengah tube heat exchanger dalam enclosure
dengan 12 array silinder isothermal yang tersusun vertikal secara numerik. Gap ratio (S/d)
divariasikan antara 0.52 – 4.2 dengan beban panas tetap. Pada S/d = 0.52 - 1.05, penambahan gap
ratio mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas total yang cukup signifikan. Sedangkan
penambahan gap ratio dari S/d = 1.05 - 4.2 terhadap penurunan laju perpindahan panas total tidak
lagi signifikan. Kecepatan tangensial udara melintasi silinder paling tinggi terjadi pada gap ratio
terkecil, S/d = 0.52. Pada gap ratio ini kecepatan tangensial mencapai harga minimum pada Φ=
900, hal ini karena sangat kecilnya gap antara silinder dengan dinding konveksi sehingga
menghambat aliran udara yang akan melintasinya. Untuk gap ratio yang semakin besar kecepatan
tangensial justru mencapai harga maksimum pada Φ= 900. Distribusi bilangan Nusselt lokal,Nuφ
semakin rendah dengan semakin tingginya gap ratio.
Kata Kunci: Konveksi Alamiah, Heat Exchanger, Enclosure, Gap Ratio, Laju Perpindahan Panas.
boundary condition yang berbeda daripada
penelitian ini.
Newport [2], melakukan kajian dengan
silinder isothermal tunggal didalam cubical
enclosure, dengan mengkondisikan semua
dinding sebagai dinding konveksi.
Fenomena perpindahan panas konveksi
alamiah banyak diaplikasikan dalam berbagai
sistem penukar kalor misalnya pada sistem
pendinginan pada reaktor nuklir, proses
pendinginan alat elektronik, pembuangan kalor
pada kondensor untuk refrigerator baik pada
sistem dengan kapasitas yang besar maupun
kecil merupakan suatu tema kajian yang cukup
menarik. Karena pada sistem tersebut pindahan
kalor cukup sensitif terhadap perubahanperubahan yang kecil sekalipun, baik
perubahan dimensi geometri maupun kondisi
sekeliling dengan proses yang fenomenal.
Penelitian ini mengkaji modifikasi penempatan
jajaran tube Heat exchanger yang dibenamkan
setengah diameter kedalam stryrofoam seperti
pada Gambar 1. Karakteristik perpindahan
panas dan aliran secara konveksi alami dari
permukaan luar tube ke udara dalam
enclosures dikaji secara numerik.
Beberapa kajian sebelumnya menyangkut
fenomena perpindahan panas secara konveksi
baik pada udara bebas maupun pada ruangan
tertutup (enclosure) telah dilakukan dengan
Gambar 1. Posisi Tube dalam enclosure
27
28 Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
Prabowo dan Kikuchi [3] melakukan
kajian secara eksperimen dan numerik yang
terfokus pada interaksi forced convection dan
natural convection terhadap pengaruh jarak
longitudinal antar silinder pada susunan
silinder horizontal sebagai sumber panas yang
ditempatkan didalam channel.
Sadeghipur dan Ashegi [4], Tanda dan
Tagliafio[5] juga melakukan penelitian secara
eksperimental untuk fenomena perpindahan
panas konveksi dari suatu sumber panas pada
udara terbuka juga memberikan gambaran
tentang pengaruh jarak antar silinder terhadap
fenomena perpindahan panas pada permukaan
silinder di ruangan terbuka.
Velusamy [6] melakukan kajian secara
numerik yang difokuskan pada interaksi
permukaan radiasi dengan natural convection
turbulen
dalam
enclosure,
dengan
mengkondisikan kedua dinding vertical
enclosure sebagai dinding isothermal dengan
temperature yang berbeda (hot wall and cold
wall) tanpa menggunakan tube sebagai sumber
panas melainkan dengan pemanasan langsung
pada kedua dinding vertikal.
Dari beberapa penelitian diatas maka
dapat dinyatakan bahwa fenomena laju
perpindahan
perpindahan
dalam
suatu
enclosure dipengaruhi oleh dimensi, geometri
tube, jumlah silinder dalam enclosure, jarak
pith antara silinder, dimensi dan geometri
silinder dalam enclosure, gap ratio, beban
panas yang masuk, temperarur operasional,
fluida kerja, material yang digunakan,
boundary condition dan lain sebagainya.
Penelitian sebelumnya secara umum lebih
terfokus pada jarak antar silinder maupun
pengkondisian dinding vertikal maupun
horisontal enclosure, maka pada penelitian ini
dilakukan kajian yang lebih terfokus pada
pengaruh jarak dinding vertikal terhadap heat
exchanger susunan tube ½ diameter dalam
enclosure dengan jarak antar silinder konstan,
yang dinyatakan dalam parameter tanpa
dimensi S/d (GapRatio) yaitu perbandingan
antara jarak dinding vertikal dengan diameter
silinder (d).
Metode Penelitian
Studi numerik ini dilakukan dengan
membuat model uji yang disesuaikan dengan
dimensi dan geometri pada studi eksperimen
yang ditunjukkan pada Gambar 2 dengan
menggunakan software Fluent 6.0. Meshing
dilakukan dengan struktur grid quadrilateral
map yang lebih kecil didaerah dekat
permukaan silinder dan ukuran grid yang lebih
besar diluar daerah tersebut .
Pemberian boundary condition pada
komponen-komponen model yaitu setiap
silinder didefenisikan sebagai wall isothermal
dengan temperatur masing-masing silinder
didapat dari hasil eksperimen berupa
temperature permukaan silinder (Ttube). Kedua
dinding vertikal didefenisikan sebagai wall,
dimana dinding sebelah kiri dikondisikan
sebagai dinding adiabatis, sedang dinding
sebelah kanan dinding konveksi, dimana
besarnya koefisien konveksi didapatkan dari
hasil eksperimen. Kedua dinding horizontal
didefinisikan sebagai wall dengan kondisi
batas sebagai dinding adiabatis setebal 0.05 m .
a) Komputational
(b) Struktur grid
Domain
Gambar 2. Komputational Domain dan
Struktur Grid
Analisa dan Diskusi
Peningkatan
gap
ratio
(S/d)
menghasilkan laju perpindahan panas yang
semakin kecil, dimana peningkatan S/d>2.1
penurunan laju perpindahan panas sudah
semakin landai, seperti ditunjukkanan pada
Gambar 3.
Prabowo, Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio
29
Laju perpindahan panas Vs gap ratio
(NUMERIK)
35
HEAT (W)
30
m=0.0014kg/s
25
20
15
10
5
0.52
1.05
2.1
3.15
4.2
GAP RATIO (b)
Gambar 3. Heat Tansfer (qtot) Total
Fenomena laju perpindahan panas
didalam enclosure dapat dijelaskan dengan
karakter aliran fluida pendingin didalam
enclosure yang ditunjukkan dengan Contour
Distribusi Temperatur pada Gambar 4. Contour
tersebut menunjukkan bahwa perubahan (S/d)
mengakibatkan terjadinya perubahan kualitas
contur yang ditandai dengan perubahan pola
maupun kerapatannya. Semakin besar gap ratio
kontur temperatur di daerah dekat silinder dan
dinding adiabatis semakin renggang, yang
berarti aliran udara didaerah tersebut relatif
stagnan. Hal ini berakibat pada semakin
kecilnya laju perpindahan panas konveksi dari
permukaan silinder.
Silinder dengan elevasi yang berbeda
menunjukkan bahwa dengan semakin tinggi
posisi silinder dalam enclosure maka contour
temperatur didalam enclosure semakin rapat.
Hal ini karena adanya tambahan momentum
aliran dari thermal plume silinder yang ada
dibawahnya.
(a). Silinder 1-2
(b). Silinder 11-12
Gambar 4. Contour Temperatur
Selain itu termal plume mengakibatkan
selisih temperatur (Tt − T∞1 ) semakin kecil
pula. Kondisi demikian juga memberi
gambaran
bahwa jumlah silinder dalam
enclosure merupakan salah satu faktor yang
menentukan karakter laju perpindahan panas.
Fenomena perpindahan panas yang terjadi pada
setiap silinder tidak terlepas dari kondisi
silinder dibawahnya dimana plume silinder
yang lebih rendah menentukan selisih
temperatur udara yang melintasi silinder
diatasnya.
Fenomena aliran udara untuk setiap
silinder dapat dijelaskan dengan distribusi
kecepatan tangensial yang ditunjukkan pada
Gambar 5. Variasi S/d menunjukkan distribusi
kecepatan tangensial (Vθ) pada permukaan
silinder khususnya pada S/d = 0.52, terlihat
kecepatan tangensial minimum terjadi pada φ =
900 , hal ini karena kecilnya gap antara dinding
konveksi dengan tube sehingga tidak ada aliran
yang melaluinya. Kondisi tersebut berbeda
pada S/d>0.52. Dimana pada sudut tersebut
kecepatan
tangensial
udara
mencapai
maksimum.
30 Jurnal Teknik Mesin, Volume 5, Nomor 1, Januari 2005
b=0.52
b=1.05
b=2.10
b=3.15
b=4.20
Vt (m/s)
1.50E-04
1.00E-04
5.00E-05
0.00E+00
0
45
90
135
180
Vt (m/s)
Kecepatan tangensial udara tube-6
pada m=0.0014 kg/s
b=0.52
b=1.05
b=2.10
b=3.15
b=4.20
1.00E-04
5.00E-05
0.00E+00
90
teta
135
180
(b) Silinder 6
Gambar 5. Distribusi Vθ dengan variasi S/d
Distribusi Nuφ yang ditunjukkan pada
Gambar
6,
memperlihatkan
pengaruh
perubahan gap ratio S/d, terhadap nilai Nuφ
untuk setiap perubahan S/d. Nilai Nuφ sangat
dipengaruhi oleh karakteristik kecepatan
tangensial pada silinder tersebut. Misalnya
untuk S/d = 0.52 pada φ = 900 , nilai dari Nuφ
paling kecil pada sudut ini, hal ini karena
kecepatan tangensial udara juga mempunyai
nilai minimum di daerah ini.
Nusselt number udara tube-1
pada m=0.0014kg/s
Nu
100
75
b=0.52
50
b=1.05
b=2.10
25
b=3.15
0
b=4.20
0
45
90 135 180
teta
(a) Silinder 1
45
90
teta
135
180
( b ) Silinder 6
Gambar 6. Distribusi Nuφ dengan variasi S/d
(a) Silinder 1
45
b=0.52
b=1.05
b=2.10
b=3.15
b=4.20
0
teta
0
100
80
60
40
20
0
N usselt numb er ud ar a p ad a t ub e- 6
p ad a m=0 .0 0 14 kg / s
Nu
Kecepatan tangensial udara tube-1
pada m=0.0014 kg/s
Hal yang sebaliknya terjadi pada S/d >
0.52, nilai Nuφ
justru mencapai nilai
maksimum karena kecepatan tangensial udara
pada sudut ini juga mencapai maksimum.
Kesimpulan
Hasil dari penelitian ini menunjukkan
bahwa
Karakteristik aliran dan laju
perpindahan panas heat exchanger susunan
setengah diameter tube dalam enclosure dapat
disimpulkan sebagai berikut :
1. Peningkatan gap ratio mengakibatkan laju
perpindahan panas total (q) heat exchanger
menurun pada S/d<1.05. Sedangkan pada
S/d = 1.05 - 4.2, penambahan gap ratio
terhadap q tidak lagi signifikan.
2. Pada S/d yang kecil intesitas aliran dalam
gap
besar
dan
melemah
dengan
penambahan S/d. Hal ini mengakibatkan
kecepatan tangensial pada tube semakin
rendah sehingga bilangan Nusselt dari
permukaan silinder menurun.
3. Distribusi kecepatan tangensial
dan
bilangan Nusselt semakin turun dengan
semakin tinggi posisi silinder.
Referensi
[1] Chouikh, R, Giuzani., et. al., 1999,
"Numerical Study of the Laminar Natural
Convection flow around an Array of Two
Horizontal Isothermal Cylinders", Int.
Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 26 No.
3 pp. 329 - 338.
[2] Newport, D.T., 2001, ”On the Thermal
Interaction Between an Isothermal
Cylinder and Its Isothermal Enclosure for
Cylinder Rayleigh Numbers of Order
Prabowo, Studi Numerik Pengaruh Gap Ratio
104”, Journal of Heat Transfer, Vol. 133
pp. 1052-1061.
[3] Prabowo, and Kikuchi, 2000, ”Hysteretic
Phenomena of Combine Forced and
Natural Convection from Single Row of
five Cylinders”, Mem. Fac. Eng.
Hiroshima Univ., Vol. 49, pp. 29 - 36.
[4] Sadeghipour, Sadegh, M, and Ashegi, M.,
1994, ”Free Convection Heat Transfer
from Arrays of Vertically Separated
Horizontal Cylinders at Low Rayleigh
Numbers”, Journal of Heat Transfer, Vol.
37 pp. 103-109.
[5] Tanda, G, Tagliafico, 1997, ”Free
Convection Heat Transfer from Wire and
31
Tube Heat Exchanger”, Journal of Heat
Transfer, Vol. 119 pp. 370-372.
[6] Velusamy,
K,
Sundarajan,
2001,
”Interaction Effect Between Surface
Radiation
and
Turbulent
Natural
Convection In Square and Rectangular
Enclosures”, Journal of Heat Transfer,
Vol. 123 pp. 1062-1070.
[7] Versteeg, H,K., dan
Malasekera,W.,
1995, An Introduction to Computational
Fluids Dynamics, The Finite Volume
Method,
Longman
Scientific
and
Technical.