ARTIKEL PERPINDAHAN PANASEXPERIMENTAL STUDY ON THERMAL AND FLOW
PROCESSES IN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS- influence of baffle
cut on heat exchange efficiency -
Disusun Oleh :HAFIIDHIYA JANATA AREISYK2512038
TERJEMAHAN DAN ANALISIS
Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Perpindahan Panas
dengan dosen pengampu : Danar Susilo W, ST., M.Eng. Program Studi
Pendidikan Teknik Mesin Semester V FKIP UNS.
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESINJURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK
DAN KEJURUANFAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKANUNIVERSITAS
SEBELAS MARETSURAKARTA2014TERJEMAHAN
FACTA UNIVERSITATISSeries: Mechanical Engineering Vol. 1, No 10,
2003, pp. 1377 1384
EXPERIMENTAL STUDY ON THERMAL AND FLOW PROCESSES IN SHELL AND
TUBE HEAT EXCHANGERS- influence of baffle cut on heat exchange
efficiency -
UDC 66.045.1:536.24
Nenad Radojkovi1, Gradimir Ili1, arko Stevanovi2, Mia Vuki1,
Dejan Mitrovi1, Goran Vukovi1
1. Faculty of Mechanical Engineering, University of Nis, Serbia
and Montenegro2. Institute of Nuclear Sciences Vinca, Serbia and
Montenegro
Abstrak .Penyelidikan eksperimental dilakukan untuk
mengidentifikasi pengaruh dari termal dan jumlah aliran dan shell
sisi geometri pada intensitas pertukaran panas STHE. Dalam tulisan
ini dikhususkan untuk penelitian pengaruh segmental baffle cut pada
efisiensi peralatan. Kata kunci: shel and tube heat exchanger ,
penelitian percobaan , Baffle cut
1. PENDAHULUANShell dan tube heat excchangers (sthe) adalah
peralatan yang digunakan untuk pertukaran panas antara cairan yang
panas dan dingin dilakukan. Cairan mengalir melalui tabung yang
disebut tube fluid , dan cairan yang mengalir di sekitar tabung
bundel disebut shell side fluid. Baffle, ditempatkan didalam ruang
shell , yang memberikan arah aliran silang cairan sisi hell dan
menyebablan pertukaran panas yang lebih panas antara cairan dapat
direalisasikan. Selain itu, baffle merupakan pembawa tabung bundel,
yang membantu mereka untuk mengurangi defleksi di horisontal dan
vibrasi(getaran) di unit horizontal dan vertikal. STHE biasanya
mengkombinasikan aliran cairan, yang berarti bahwa ada aliran
searah dan counterflow (aliran berlawanan) di bagian lain dari
exchanger. Alat ini biasanya dilambangkan dengan STHE m - n, di
mana m adalah jumlah cairan lewat melalui shell, dan n adalah
jumlah cairan melewati tube bundle (9.14). Jika STHE dengan apa
yang disebut "tabung penuh bundel", cairan sisi shell mengalir
melalui pemotongan baffle sepanjang tabung. Di sisi shell, tidak
hanya ada satu aliran, di samping cross-flow utama aliran keempat
kebocoran atau Bypass aliran ada sebagai akibat dari jenis desain:
baffle untuk tabung, baffle untuk shell dan tabung bundel untuk
celah shell (tabung untuk baffle lubang aliran kebocoran, aliran
pintas bundel, melewati partisi aliran memotong dan baffle untuk
shell aliran kebocoran).Salah satu tujuan utama STHE adalah untuk
meningkatkan reliabilitas eksploitasi mereka dan efisiensi .Dua
pendekatan dalam sthe desain yang baik yaitu: eksperimental
penyelidikan dan investigasi numerik. Penyelidikan eksperimental
sangat mahal dan berlangsung lama, karena shell sisi geometri yang
kompleks. Investigasi numerik dapat digunakan untuk memeriksa
desain lama dan mengembangkan desain STHE lebih efisien. Shell Side
aliran hampir selalu turbulen sejak tabung bundel dan baffle adalah
penggerak turbulen sangat bagus [5, 7, 13, 15]. Karakter aliran
sekitar beberapa baris tabung di dalam tabung bundel sangat
dipengaruhi oleh tata letak tabung (persegi, persegi diputar,
segitiga, segitiga diputar, melingkar). Karakter aliran di sekitar
tabung memiliki pengaruh langsung terhadap pertukaran panas antara
cairan. Masalahnya lebih kompleks jika perpindahan panas bersamaan
dengan perubahan fasa. Karena pengukuran rinci karakteristik
turbulen aliran fluida sisi shell hampir mustahil, bidang dihitung
dari tekanan, kecepatan, suhu serta karakteristik turbulen yang
sangat penting dalam menjelaskan proses termal dan aliran yang
sangat kompleks dalam STHE. Pada dasarnya, kita dapat menyimpulkan
bahwa perpindahan panas antara cairan di STHE sangat dipengaruhi
tidak hanya oleh panas dan aliran kuantitas, seperti suhu inlet dan
kecepatan, tetapi juga dengan ukuran baffle cut, jarak baffle,
ukuran inlet dan outlet zona dan jumlah baffle [1, 2, 3]. Untuk
menyelidiki pengaruh parameter yang disebutkan, termal, aliran dan
geometris, atau dengan kata lain, untuk menemukan "respon alat"
untuk jumlah panas dan cairan dan sisi shell geometri, dalam rezim
yang stabil, dengan metode eksperimental dan numerik, itu perlu
untuk menyusun satu SThe eksperimental kompak.. Dalam penelitian
ini dikhususkan untuk penelitian pengaruh segmental baffle cut pada
efisiensi peralatan.
2. PENYELIDIKAN EKSPERIMEN
2.1. Instalasi eksperimental dan prinsip operasiEksperimental
sThe, jenis 1-2U, diproyeksikan dan diproduksi dalam kerjasama
dengan perusahaan "MIN Inzenjering" dari Ni. Suatu mengukur tempat
dibentuk di gedung boiler dari Fakultas Teknik Mesin di Ni.
Instalasi eksperimental ditunjukkan pada foto 1, dan skema pada
Gambar 1.
Gambar 1. Instalasi Percobaan (skema)
Foto 1. Instalasi Eksperimen
Bagian utama dari instalasi dilambangkan dengan angka dari 1
sampai 9. Dasar bagian dari instalasi STHE (1), tipe 1-2U, yang
ditunjukkan pada Foto 2. Tabung bundel terbuat dari tembaga U-pipa,
15 / 13 mm, dengan tata letak tabung segitiga diputar dan jarak
tabung 21 mm. Ada 48 tabung dalam bundel tabung. Area aktif SThe
untuk pertukaran panas adalah 1,9 m2. Shell terbuat dari baja
karbon, 193.7 / 182,9 mm. Panjang penuh STHE adalah 1217 mm.
Foto 2. Eksperimen Shell an Tube HeatExchanger
Taps (8) untuk penurunan tekanan pengukuran ditetapkan pada
shell, bersama dengan bukaan untuk operator termokopel (9). Posisi
di mana suhu diukur ditunjukkan pada Gambar 2. Tiga paket segmental
baffle dengan pemotongan baffle dari 22%, 27% dan 32% berada di
shell. Ada 5 segmental baffle dalam setiap paket. Segmental baffle
dan baffle horisontal terbuat dari tembaga. Dua pengukuran bagian
tes dengan penangkap pengotor (5), mengukur lubang (7) dan katup
TA-STAD (6) dibuat. Ada cukup bagian pipa lurus panjang sebelum dan
sesudah lubang untuk menstabilkan aliran air. Regulasi aliran air
dilakukan dengan katup (4). Pemanasan air hingga suhu tertentu
dilakukan dengan empat boiler listrik (2), dengan 30 daya kW.
Penyesuaian suhu air disediakan dengan variabel transformator
terhubung ke salah satu pemanas boiler.Cairan pemanas air hangat,
dan air dingin dari pasokan air lokal dipanaskan. Mengalir dari
cairan pemanas melalui shell dilakukan dengan pompa sirkulasi
(3).
Gambar 2. Posisi Pengukuran Suhu
2.2. Parameter Operasi dan Berbagai PerubahanPenyelidikan
eksperimental dilakukan di kondisi lingkungan musim panas di
periode Mei-September 2003. Dalam semua percobaan laju aliran
volume konstan (9m3 / h), serta suhu inlet (150o C) dari cairan
dingin juga dipertahankan. Laju aliran volume fuluida dipanaskan
(3m3 / h, 4m3 / h, 5m3 / h) dan suhu (500C, 600C) yang bervariasi
pada inlet. Pada awalnya serangkaian percobaan tanpa baffle di
shell dilakukan. Setelah itu, baffle (dengan baffle cut 22% dan 26%
dan 32%) yang ditetapkan dalam shell (satu, dua, tiga, empat dan
lima baffle). Enam percobaan dilakukan untuk setiap konfigurasi
geometris. Akhirnya serangkaian percobaan dilakukan dengan satu
segmental baffle (baffle cut 22%), di mana baffle untuk shell
aliran kebocoran dihilangkan, dengan menggunakan segel karet
ditempatkan di antara baffle dan shell.
3. HASIL EKSPERIMEN
Pemanasan dan atingkat liran valume fluida panas dilakukan
pengukuran dengan lubang pengukuran standar, serta atas dasar
penurunan tekanan pengukuran pada TA-STAD katup dengan sistem
akuisisi CBI (Komputerisasi Balancing Instrumen).Tekanan fluida
panas dalam sirkulasi lingkaran tertutup diukur dengan laboratorium
manometer mekanik. Dalam semua percobaan indikator manometer berada
di kisaran 3 3,5 bar.Penurunan tekanan di STHE itu tabung bundel
dan lubang diukur dengan manometer hydrostatic hidrokarbon (U-pipa
dengan merkuri). Dalam pengukuran dilakukan rata-rata penurunan
tekanan tabung bundel adalah 3710Pa. Penurunan tekanan sisi shell
sthe yang diukur oleh sistem khusus terdiri dari keran mengatur di
shell, selang plastik transparan, kolektor dengan 16 koneksi,
katup, tangkai, skala partisi milimeter dan pompa tangan (lihat
foto 2.1).Selama setiap percobaan, setelah mencapai steady state
rezim pertukaran panas (yang dicapai setelah 25-30 menit. Dalam
percobaan yang dilakukan), suhu cairan diukur dengan terkomkopel
Chromel Alumel dikalibrasi 16 dari diameter 0.2 mm menggunakan
sistem akusisi Hewlett-Packard. Sisi dingin dari semua
thermocouples tenggelam ke tangki terisolasi diisi dengan 1: 2 air
dan es campuran. Semua termokopel yang ditetapkan dalam apa yang
disebut thermocouple "moveble support". Peralatan inlet dan outlet,
pemanasan dan suhu cairan dipanaskan (lima termokopel), saat suhu
cairan pemanas di pusat shells plane dan 5 mm dari dinding shell
(Gambar 3), di sebelas lokasi yang ditetapkan secara resmi
sepanjang STHE, diukur. Suhu panas fluida inlet di awal, dan suhu
outlet di akhir percobaan dikontrol dengan termometer raksa.
Termometer ini juga digunakan untuk pengukuran suhu lingkungan.
Gambar 3. Posisi Thermocouple Joint
Hasil pengukuran yang menunjukkan dalam bentuk diagram. Pada
sumbu x posisi pengukuran ditampilkan, dan nilai temperatur pada
sumbu y.Dalam penulisan ini hasil eksperimen untuk kasus tanpa
baffle di shell dan untuk kasus dengan satu baffle (baffle cut 22%,
26%, 32%) ditempatkan pada posisi tengah, akan ditampilkan.Angka 4
- 7 menunjukkan perunahan suhu cairan panas sepanjang sumbu SThe
dan pada 5 mm dari dinding shell.
Gambar 4. Pemanasan perubahan temperatur fluida di sepanjang
sumbu STHE dan pada 5 mm dari dinding shell untuk V = 5m3 / h
(tidak ada baffle)
Gambar. 5. Pemanasan perubahan temperatur fluida di sepanjang
sumbu SThe dan pada 5 mm dari dinding shell untuk V = 5m3 / jam dan
baffle cut 22%
Gambar. 6. Pemanasan perubahan temperatur fluida di sepanjang
sumbu The dan pada 5mm dari dinding shell untuk V = 5m3 / jam dan
baffle cut 26%
Gambar. 7. Pemanasan perubahan temperatur fluida di sepanjang
sumbu The dan pada 5 mm dari dinding shell untuk V = 5m3 / jam dan
baffle cut 32%
Gambar 8 menunjukkan perubahan suhu fluida panas di sumbu STHE
yang bergantung pada baffle cut.Gambar 9 menunjukkan efisiensi
panas selama tiga perbedaan baffle cut yang dan untuk kasus tanpa
baffle.
Gambar. 8. Perubahan temperatur fluida di sepanjang sumbu SThe
untuk Vt = 3 m3 / h dan t1t = 60 C
Gambar 9. Efisiensi panas selama tiga baffle cut yang berbeda
dan untuk kasus tanpa baffle, untuk t1t = 60 C
4. PEMBAHASAN HASIL
Hasil percobaan yang dilakukan menunjukkan bahwa STHE pertukaran
panas sangat tergantung pada geometri sisi shell (jumlah segmental
baffle, ukuran baffle cut, jarak baffle, posisi baffle yang pertama
dan terakhir untuk inlet dan outlet nozel, ukuran jarak konstruktif
). Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan sebagai berikut : Sisi
Shell baffle sangat mempengaruhi karakteristik aliran fluida dan
menyebabkan timbulnya pusaran air (downstream dari baffle) Suhu
fluida downstrean secara signifikan lebih rendah (sampai 100C
downstream dari baffle) yang disebabkan oleh pertukaran panas
intensif di crossflow ke depan dan sebelum baffle, dan dengan
aliran aksial dalam baffle cut. Tentu saja, hal ini juga disebabkan
oleh baffle untuk shell bocor, dan dengan pendinginan cairan
melalui dinding shell Peningkatan laju aliran volume fluida panas
menurunkan suhu downstream dari baffle Meningkatnya suhu inlet
fluida panas, dan / atau laju aliran mempertahankan perubahan
karakter suhu di sumbu dan dekat dinding shell Penukar panas yang
paling maksimal di zona inlet STHE (sampai baffle pertama)
Pemanasan temperatur fluida di dekat dinding shell lebih rendah,
dibandingkan dengan temperatur fluida pemanas di sumbu STHE, hingga
baffle pertama, dan setelah situasi baffle pertama dibalik, yang
merupakan konsekuensi dari baffle, karena tidak berlangsung
pertukaran panas; Ketika nilai-nilai karakteristik panas baffle
segmental di HE shell, nilai-nilai karakteristik panas meningkat.
Sebagai contoh, untuk kasus satu penyekat segmental dengan baffle
cut sebesar 22%, di t1t = 60 C dan Vt = 5m3 / jam, HE panas
efisiensi [5, 10, 11] meningkat untuk 13,6% dibandingkan dengan
kasus tersebut tanpa baffle dalam shell. HE efisiensi panas menurun
dengan meningkatnya baffle cut dari 22% menjadi 32%. Untuk kasus di
atas, peningkatan efisiensi panas dengan satu baffle cut dengan 26%
adalah 6,9% dan untuk baffle cut dari 32% adalah 5,6%, dibandingkan
dengan kasus tanpa baffle di shell.
DAFTAR PUSTAKA
1. Aicher, T., Kim, W.: Experimental investigation of the
influence of the cross flow in nozzle region on the shell side heat
transfer in double-pipe heat exchangers, Int. Comm. Heat and Mass
Transfer, Vol. 25, No. 1, pp. 43-58, 1998.2. ASHRAE HANDBOOK CD,
Vol. 4, 1998 2001.3. Gaddis, E., Gnielinski, V.: Pressure drop on
the shell side of shell-and-tube heat exchangers with seg- mental
baffles, Chemical Engineering and Processing 36, pp. 149-159,
1997.4. Gay, B., Mackley, N., Jenkins, J.: Shell-side heat transfer
coefficients in cylindrical heat exchangers the influence of
geometrical factors. II the leakage case, Letters in Heat and Mass
Transfer, Vol. 8, Iss. 6 , pp. 437-452, 1981.5. Gvozdenac, D.:
Dynamic response of the parallel flow heat exchanger with finite
wall capacitance, Jour- nal Thermal Science, Vol. 1, No. 1, pp. 43
54, Vina, Beograd, 1997.6. Huang, L., Wen, J., Karayiannis, T.,
Mathews, R.: Cfd modelling of fluid flow and heat transfer in a
shell and tube heat exchanger, Phoenics Journal, Vol. 9, No. 2, pp
181 209, 1996.7. Hobler, T.: Heat transfer and heat exchangers,
WNT, Warszawa, 1979.8. Ili, G., Radojkovi, N., Stojanovi, I.:
Termodinamika II - Osnove prostiranja toplote, Mainski fakultet u
Niu, Ni, 1996.9. Ili, G., Vuki, M., Vukovi, G.: Parameters
Influencing the Effective and Optimal Design of Shell and Tube Heat
Exchangers, International DAAD Seminar, 27-29.11.2000.god., Sofia,
Bulgaria.10. Jaimovi, B., Geni, S.: Toplotne operacije i aparati,
Mainski fakultet u Beogradu, Beograd, 1992.11. Kays, W., Crawford,
M.: Convective heat and mass transfer, McGraw - Hill, Inc., New
York, 1993.12. Li, H., Kottke, V.: Effect of the leakage on
pressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat
exchangers for staggered tube arrangement, International Journal of
Heat and Mass Transfer, Vol. 41, No. 2, pp. 425-433, 1998.13. Li,
H., Kottke, V.: Effect of baffle spacing on pressure drop and local
heat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube
arrangement, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.
41, No. 10, pp. 1303-1311, 1998.14. Li, H., Kottke, V.: Analysis of
local shellside heat and mass transfer in the shell-and-tube heat
exchanger with disc and doughnut baffles, International Journal of
Heat and Mass Transfer 42, pp. 3509-3521, 1999.15. Mukherjee, R.:
Effectively design shell and tube heat exchangers, Chemical
Engineering Progress, 1998.16. Prithiviraj, M.: Numerical modeling
of flow and heat transfer in shell and tube heat exchangers, Ph.D.
dissertation, Texas A&M University College Station, TX,
1997.17. Rikalovi, M.: Doboasti razmenjivai toplote, SMEITS,
Beograd, 2002.18. Roetzel, W.; Lee, D.: Effect of baffle/shell
leakage flow on heat transfer in shell-and tube heat exchang- ers,
Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 8, Iss. 1, pp. 10-20,
1994.19. Roetzel, W.; Lee, D.: Experimental investigation of
leakage in shell-and-tube heat exchangers with segmen- tal baffles,
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 36, Iss. 15,
pp. 3765-3771, 1993.20. Shenoy, U.: Heat exchangers network
synthe'sis, GULF Publishing CO, 1997.21. Sparrow, E. M.;
Reifschneider, L. G.: Effect of interbaffle spacing on heat
transfer and pressure drop in a shell-and-tube heat exchanger,
International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 29, Iss. 11,
pp. 1617-1628, 1986.22. Stevanovi, ., Ili, G., Radojkovi, N., Vuki,
M., Stefanovi, V., Vukovi, G.: Design of Shell and Tube Heat
Exchangers by using CFD Technique - Part one: Thermo-hydraulic
Calculation, The Scientific Journal Facta Universitatis, Series:
Mechanical Engineering, Vol. 1, No 8, pp. 1091 - 1105, Ni, 2001.23.
Tasi, A., Nikoli, Z., erbanovi, S., orevi, B.: Optimization of tube
counts and tube layouts in the tubesheets of shell and tube heat
exchangers, Hemijska industrija, br. 6, s. 187 197, Beograd,
1999.24. Taborek, J.: Design methods for heat transfer equipment -
a critical survey of the state-of-the-art, Heat Exchangers: Design
and Theory Sourcebook, McGraw-Hill Book Co., pp. 45 74, Washington,
1974.25. Wolverine tube heat data book, Wolverine Engineering Data
Book II, Wolverine Tube Inc. Research and Development Team,
electronic distribution, 2001.
ANALISIS
Dalam artikel/jurnal diatas disebutkan bahwa perpindahan panas
pada Shell and tube heat exchanger dapat terjadi di antara kedua
fluida, dimana panas akan mengalir dari fluida bersuhu lebih tinggi
ke fluida bersuhu lebih rendah. Umumnya, aliran fluida dalam shell
and tube heat exchanger adalah paralel atau berlawanan. Untuk
membuat aliran fluida dalam shell-and-tube heat exchanger menjadi
cross flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Baffle
berfungsi sebagai penyangga tube, sebagai pengarah aliran fluida di
dalam shell dan untuk meredam getaran pada tube. Baffle umumnya
terpasang dalam shell secara tegak lurus terhadap sumbu shell,
sehingga menyebabkan aliran menjadi turbulen. Pemanasan temperatur
fluida di dekat dinding shell lebih rendah, dibandingkan dengan
temperatur fluida pemanas di sumbu STHE.Dalam semua percobaan laju
aliran volume konstan (9m3 / h), serta suhu inlet 150o C dari
fluida dingin. Laju aliran volume fluida panas 3 m3 / h, 4 m3 / h,
5m3 / h dan suhu 500o C dan 600o C) pada inlet. Pada penelitian
tersebut hanya meneliti satu jarak saja yaitu 5 mm dengan satu
segmental baffle dengan 3 baffle cut yang berbeda (baffle cut 22%,
26%, 32%). Heat exchanger yang dioperasikan tanpa baffle ternyata
memiliki efektifitas terendah. Efiseinsi panas di pengaruhi oleh
penggunaan baffle cut. Dengan baffle cut yang paling rendah yaitu
baffle cut 22 % dengan peningkatan efisiensi panas sebesar 13,6 %
dibandingkan tanpa baffle cut. penggunaan baffle cut yang lebih
besar yaitu baffle cut 26% hanya memliki efisiensi pana 6,9% dan
baffle cut 32 % hanyan 5,6 % dibandingkan tanpa baffle.
SUMBER : Nenad Radojkovi1, Gradimir Ili1, arko Stevanovi2, Mia
Vuki1, Dejan Mitrovi1, Goran Vukovi1. Experimental Study On Thermal
and Flow Processes in Shell and Tube Heat Exchangers - influence of
baffle cut on heat exchange efficiency Mechanical Engineering Vol.
1, No 10, 2003, pp. 1377 1384,
http://facta.junis.ni.ac.rs/me/me2003/me2003-10.pdf diunduh pada
tanggal 8 Desember 2014 PUKUL 11.03 WIB.
16 | Artikel Perpindahan Panas