-
i
INVESTIGASI PERFORMA PERPINDAHAN PANAS
WINGLET VORTEX GENERATOR MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC PADA ALIRAN
INTERNAL PIPA SILINDER HEAT EXCHANGER
SKRIPSI
Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan
Mencapai Derajat Sarjana S-1 Teknik Mesin
Disusun Oleh :
MALFIN
NIM : 155214034
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2018
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
iii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
iv
ABSTRAK
INVESTIGASI PERFORMA PERPINDAHAN PANAS WINGLET
VORTEX GENERATOR MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL
FLUID DYNAMIC PADA ALIRAN INTERNAL PIPA SILINDER
HEAT EXCHANGER
MALFIN
NIM. 155214034
Shell and tube heat exchanger adalah salah satu jenis penukar
kalor tubular
exchanger yang terdiri dari kumpulan tabung pada tabung berongga
dengan sumbu
yang sejajar. Peningkatan permintaan energi mendorong
pengembangan sistem
performa termal yang lebih baik. Pengintegrasian vortex
generator dalam heat
transfer tube dapat menciptakan longitudinal vortices, perluasan
permukaan
perpindahan kalor, dan peningkatan level turbulensi yang dapat
meningkatkan
efisiensi termal dari heat exchanger dengan penurunan tekanan
yang relatif rendah.
Pada penelitian ini digunakan metode simulasi menggunakan
computational fluid dynamic code ANSYS Fluent untuk mengetahui
pengaruh
penggunaan rectangular winglet vortex generator (RWVG) dan delta
winglet
vortex geneartor (DWVG) terhadap karakteristik penggunaan fluida
kerja freon-12
dan amonia. Simulasi dilakukan pada variasi bilangan Reynolds
6000, 7000, 8000,
9000, dan 10000. Konfigurasi vortex generator sejajar terhadap
aliran fluida dan
berjumlah 4 buah pada setiap baris dengan sudut 45o.
Hasil penelitian ini menunjukkan peningkatan performa
perpindahan kalor
tertinggi sebesar 24,20% pada penggunaan RWVG R-12. Nilai
pressure drop
tertinggi terjadi pada penggunaan RWVG amonia sebesar 145,09%
dan
penggunaan DWVG R-12 sebagai yang terendah sebesar 66%.
Penggunaan RWVG
R-12 menghasilkan nilai pressure drop yang lebih tinggi sebesar
142,68% terhadap
DWVG amonia sebesar 72%.
Kata kunci: penukar kalor, vortex generator, turbulent flow,
simulasi 3D
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
v
ABSTRACT
INVESTIGATION OF HEAT TRANSFER PERFORMANCE WINGLET
VORTEX GENERATOR USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC
IN CYLINDRICAL PIPE INTERNAL FLOW HEAT EXCHANGER
MALFIN
SN. 155214034
Shell-and-tube heat exchanger is one type of tubular heat
exchanger
consisting of a collection of tubes in a hollow tube with a
parallel axis. Increased
energy demand encourages the development of a better thermal
performance
system. Integration of vortex generator in heat transfer tubes
can create longitudinal
vortices, enlargement of the heat transfer surface area, and
increase of thermal
efficiency of heat transfer with relatively low pressure
replacement.
In this study, the simulation method used ANSYS Fluent
computational
fluid dynamic code to determine the effect of using a
rectangular winglet vortex
generator (RWVG) and delta winglet vortex generator (DWVG) on
the
characteristics of working fluid based on freon-12 and ammonia.
The simulation is
carried out in variations of Reynolds number of 6000, 7000,
8000, 9000, and 10000.
The configuration of the vortex generator is parallel to the
fluid flow and have 4
pieces on each row with a 45 degree angle.
The results of this study indicate an increase in the highest
heat transfer
performance of 24,20% in the use of RWVG R-12.The highest value
of pressure
drop occured in the use of RWVG ammonia with a percentage of
145,09% and the
use of DWVG R-12 is the lowest with a percentage of 66%. The use
of RWVG R-
12 resulted in a higher pressure drop value of 142,68% compared
to DWVG
ammonia of 72%.
Keywords: heat transfer, vortex generator , turbulent flow, 3D
simulation
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
.....................................................................................
i
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING
......................................... . ii
HALAMAN PENGESAHAN
.......................................................................
iii
ABSTRAK................................................................................................
... iv
ABSTRACT.................................................................................................
.. v
LEMBAR PERNYATAAN
.........................................................................
vi
LEMBAR PERSETUJUAN
PUBLIKASI...................................................
vii
KATA PENGANTAR
..................................................................................
viii
DAFTAR ISI
..............................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR
...................................................................................
xii
DAFTAR TABEL
........................................................................................
xv
DAFTAR LAMPIRAN
................................................................................
xvi
BAB I PENDAHULUAN
..........................................................................
1
1.1 Latar
Belakang......................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah
................................................................
4
1.3 Batasan Masalah
...................................................................
4
1.4 Tujuan Penelitian
..................................................................
4
1.5 Manfaat Penelitian
................................................................
5
1.6 Originalitas Penelitian
.......................................................... 5
BAB II DASAR TEORI
..............................................................................
6
2.1 Heat Exchanger
....................................................................
6
2.2 Vortex Generator
..................................................................
7
2.3 Klasifikasi
Aliran..................................................................
9
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
x
2.4 Fully Developed Flow
.......................................................... 9
2.5 Performa Heat Exchanger
.................................................... 11
2.5.1 Pressure Loss
............................................................ 11
2.5.2 Koefisien Perpindahan Kalor
.................................... 11
2.5.3 Nusselt Number
......................................................... 12
2.5.4 Colburn Factor
......................................................... 12
BAB III METODOLOGI
PENELITIAN.....................................................
13
3.2 Variabel Penelitian
...............................................................
13
3.3 Skema Tube Heat Exchanger dan Vortex Generator ...........
14
3.4 Computational Domain
........................................................ 18
3.5 Meshing
................................................................................
18
3.6 Karakteristik Fluida
..............................................................
20
3.7 Boundary Condition
.............................................................
21
3.9 Kriteria
Convergence............................................................
22
3.10 Diagram Alir Penelitian
........................................................ 24
BAB IV ANALISA HASIL SIMULASI
..................................................... 26
4.1 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Bilangan Nusselt .....
26
4.2 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Pressure Drop .........
29
4.3 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Colburn Factor .......
31
4.4 Pengaruh Vortex Generator Terhadap friction factor
.......... 33
4.5 Analisa Kontur Keccepatan
.................................................. 35
4.5.1 Kontur Kecepatan Plain Tube
.................................. 35
4.5.2 Kontur Kecepatan Rectangular Winglet Vortex
Generator Tube
......................................................... 38
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xi
4.5.3 Kontur Kecepatan Delta Winglet Vortex Generator
Tube
..........................................................................
44
4.6 Analisa Kontur Temperatur
.................................................. 47
4.6.1 Kontur Temperatur Plain Tube
................................. 47
4.6.2 Kontur Temperatur Rectangular Winglet Vortex
Generator Tube
......................................................... 50
4.6.3 Kontur Temperatur Delta Winglet Vortex Generator
Tube
..........................................................................
53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
....................................................... 57
5.1
Kesimpulan...........................................................................
57
5.2
Saran.....................................................................................
58
DAFTAR PUSTAKA
..................................................................................
59
LAMPIRAN..................................................................................................
62
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Klasifikasi HE berdasarkan konstruksi
................................ 1
Gambar 2.1 Shell-and-tube exchanger
..................................................... 6
Gambar 2.2 Vortex generator konvensional tipe
winglet......................... 7
Gambar 2.3 Vortice pada tube dalam arah melintang
.............................. 8
Gambar 2.4 Kontur temperatur permukaan dinding dengan delta
winglet
vortex generator
....................................................................
8
Gambar 2.5 Profil kecepatan dan tekanan aliran dalam
saluran............... 10
Gambar 3.1 Skema tube RWVG isometric view
...................................... 15
Gambar 3.2 Skema tube DWVG isometric view
...................................... 15
Gambar 3.3 Skema right view tube dengan RWVG dan DWVG
............ 16
Gambar 3.4 Skema front view tube RWVG
............................................. 16
Gambar 3.5 Skema front view tube DWVG
............................................. 16
Gambar 3.6 Skema rectangular vortex generator isometric view
............ 17
Gambar 3.7 Skema delta vortex generator isometric view
...................... 17
Gambar 3.8 Computational domain
......................................................... 18
Gambar 3.9 Visualisasi meshing tube with RWVG dan DWVG
............. 19
Gambar 3.10 Visualisasi outlet meshing
.................................................... 20
Gambar 3.11 Iterasi yang memenuhi nilai convergence criteria
............... 23
Gambar 3.12 Diagram alir penelitian
......................................................... 24
Gambar 4.1 Grafik bilangan Nusselt terhadap bilangan Reynolds
.......... 26
Gambar 4.2 Grafik nilai pressure drop terhadap bilangan
Reynolds...... 29
Gambar 4.3 Grafik nilai Colburn factor terhadap bilangan
Reynolds .... 31
Gambar 4.4 Grafik nilai friction factor terhadap bilangan
Reynolds...... 33
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xiii
Gambar 4.5 vektor kecepatan plain tube pada fluida kerja R-12
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000
(e) 10000
...............................................................................
36
Gambar 4.6 vektor kecepatan plain tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d)
9000 (e) 10000
......................................................................
37
Gambar 4.7 vektor kecepatan RWVG tube pada fluida kerja R-12
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d)
9000 (e) 10000
......................................................................
38
Gambar 4.8 RWVG Tube pada penampang (a) z/D = 5,96 (b) z/D =
6,27
(c) z/D = 6,59
........................................................................
40
Gambar 4.9 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada
z/D = 5,96
.............................................................................
40
Gambar 4.10 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada
z/D = 6,27
.............................................................................
41
Gambar 4.11 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada
z/D = 6,59
.............................................................................
41
Gambar 4.12 vektor kecepatan RWVG tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
43
Gambar 4.13 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja
R-12
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
44
Gambar 4.14 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
46
Gambar 4.15 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja R-12
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000
(e) 10000
...............................................................................
48
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xiv
Gambar 4.16 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
49
Gambar 4.17 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja
R-12
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
50
Gambar 4.18 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
52
Gambar 4.19 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja
R-12
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 10000
................................................................
54
Gambar 4.20 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja
amonia
dengan variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000
(d) 9000 (e) 1000
..................................................................
55
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Variabel bebas dan variabel terikat
.............................................. 14
Tabel 3.2 Karakteristik fluida kerja
.............................................................
20
Tabel 3.3 Karakteristik besi pada dinding tube
............................................ 21
Tabel 3.4 Convergence Criteria
...................................................................
22
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Tabel boundary condition
........................................................ 63
Lampiran B.1 Data hasil simulai bilangan Nusselt dan Colburn
factor ...... 64
Lampiran B.2 Data hasil simulai pressure drop dan friction
factor ............ 65
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Heat exchanger adalah alat yang bekerja dalam proses suatu
sistem untuk
memindahkan energi panas dari satu sumber ke media lainnya. Heat
Exchanger
(HE) mempunyai aplikasi yang luas dalam sistem pemanas,
ventilasi, pendingin
udara, sistem refrigerasi, proses industri, industri minyak dan
gas dan sebagainya
(Liang, Islam, Kharoua, & Simmons, 2018). Aplikasi yang umum
melibatkan
pemanasan atau pendinginan aliran fluida dan evaporasi atau
kondensasi aliran
fluida tunggal maupun multifase. Beberapa contoh umum dari HE
adalah shell-and-
tube exchangers, radiator kendaraan, kondensor, evaporator,
pemanas air, dan
cooling tower.
Gambar 1.1 Klasifikasi HE berdasarkan konstruksi (Shah,
2004)
Pada penelitian ini digunakan Shell-and-Tube Heat Exchanger
(STHE).
Berdasarkan klasifikasi HE pada Gambar 1.1. STHE merupakan
klasifikasi turunan
dari Tubular Heat Exchanger dengan arah aliran parallel flow to
tubes. STHE
merupakan penukar kalor yang paling umum karena dapat
menggunakan berbagai
jenis fluida dan geometri yang relatif sederhana. HE pada jenis
ini biasanya dapat
dipakai pada tekanan tinggi relatif terhadap lingkungannya dan
saat polutan/kotoran
merupakan masalah utama dari salah satu fluida kerja dimana
tidak ada tipe penukar
kalor yang dapat bekerja. Penelitian ini bertujuan untuk
mensimulasikan satu tube
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
2
sebagai sampel dari semua tubes pada STHE. Sampel dianggap
memiliki hasil yang
sama untuk keseluruhan tubes. Hal ini dapat menghemat penggunaan
waktu dalam
simulasi. Fenomena aliran dan performa perpindahan kalor HE akan
diteliti secara
simulasi dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics
(CFD).
Meningkatnya permintaan energi menuntut setiap inovasi mampu
memberikan nilai performa termal yang lebih tinggi. Salah satu
penelitian vortex
generator yang dilakukan oleh Mardikus & Putra, (2015)
menunjukkan
pemanfaatan combine winglet vortex generator untuk menghasilkan
heat transfer
coefficient yang lebih tinggi dengan pressure drop yang lebih
rendah dibandingkan
geometri dasar vortex generator lainnya.
Penelitian numerik dengan metode simulasi CFD yang dilakukan
oleh Liang
dkk., (2018) menunjukkan bahwa penggunaan delta winglet vortex
generator
(DWVG) dengan susunan 4 cincin untuk setiap cincin terdiri dari
4 DWVG pada
permukaan dalam circular tube menghasilkan longitudinal dan
transverse vortices
yang menyebabkan terjadinya tubrukan aliran dan zone resirkulasi
yang mengarah
pada kenaikan harga perpindahan kalor dan pressure drop yang
relatif lebih rendah.
Liu, Li, He, & Chen, (2018) meneliti pengaruh Rectangular
winglet vortex
generator (RWVG) terhadap circular tube secara eksperimental dan
numerik
dengan menggunakan FLUENT software pada variasi bilangan
Reynolds antara
5000 sampai dengan 17000. Hasil menunjukkan bilangan Nusselt dan
nilai friction
factor meningkat antara 1,16 – 2,49 kali dan 2,09 – 12,32 kali
dibandingkan tanpa
menggunakan RWVG. Terdapat kesesuaiaan antara hasil
eksperimental dan
simulasi yang menunjukkan RWVG mengganggu aliran fluida
temperatur rendah
dari daerah aliran inti ke dinding tabung yang mengakibatkan
peningkatan
pencampuran fluida panas dan dingin relatif dengan peningkatan
perpindahan
kalor.
Percobaan eksperimental vortex generator juga dilakukan oleh Xu,
Islam,
& Kharoua, (2018) untuk mempelajari efek attack angles,
blockage ratios, pitch
ratio, dan susunan VG terhadap performa termal circular tube
dengan variasi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
3
bilangan Reynolds antara 6000 sampai dengan 33000. Dengan
menjaga nilai flux
yang konstan di permukaan tabung hasil eksperimen menunjukkan
kenaikan
maksimal bilangan Nusselt dan friction factor dengan VG 2 kali
dan 4,8 kali
berturut-turut lebih besar dibandingkan dengan tabung tanpa VG
dan nilai Thermal
performance enhancement (TPE) tertinggi sebesar 1,45.
Xu, Islam, & Kharoua, (2017) melalui penelitian simulasi CFD
mendapat
peningkatan performa termal terbaik pada circular tube yang
diinstal dengan
winglets vortex generator dengan konfigurasi attack angle (β)
sebesar 30o dan
blockage ratio (B) sebesar 0,1. Penelitian pengembangan
rectangular vortex
generator dilakukan oleh Han, Xu, & Wang, (2018) dengan
memberikan lubang
pada VG untuk menganalisis peningkatan perpindahan kalor dan
resistensi aliran
pada Re 214 sampai 10703. Hasilnya menunjukkan bahwa terdapat
deviasi sekitar
30,27% pada nilai Colburn factor dan friction factor dan
disimpulkan melalui
thermohydraulic performance factor (PEC) bahwa RWVG dengan
lubang optimal
5 mm memiliki performa yang lebih baik.
Penelitian Habchi dkk., (2012), Habchi & Harion, (2014), Liu
dkk., (2018),
Han dkk., (2018), Z. Xu, Han, Wang, & Liu, (2018), Lei,
Zheng, Song, & Lyu,
(2017) menggunakan air sebagai fluida kerja. Penelitian Liang
dkk., (2018),
Chamoli, Lu, & Yu, (2017), Chamoli, Lu, Xie, & Yu,
(2018), Y. Xu dkk., (2017)
menggunakan fluida kerja udara pada penelitian eksperimental
maupun simulasi
yang mereka lakukan. Pada penelitian ini akan digunakan fluida
kerja R-12 dan
amonia. Fluida kerja R-12 digunakan sebagai bahan fluid-to-fluid
scaling laws
terhadap air pada penelitian 37-rod bundle yang dilakukan oleh
KRISTA test
facility of the Research Center Karlsruhe sedangkan amonia
paling banyak
digunakan sebagai fluida kerja pada sistem absorption
refrigeration.
Penelitian yang telah dilakukan sebelumnya masih memiliki banyak
variasi
untuk dikembangkan pada penelitian berikutnya dengan konfigurasi
geometri yang
berbeda pada shell-and-tube heat exchanger. Penelitian simulasi
yang dilakukan
pada penelitian sebelumnya belum memperlihatkan perbandingan
pola dan
performa antar 2 fluida wujud zat berbeda dengan jelas. Simulasi
ini akan dilakukan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
4
pada penelitian ini akan membandingkan penggunaan 2 VGs dengan
variasi fluida
yang berbeda pada aliran turbulensi model k-ω. Penelitian ini
akan menggunakan
computational fluid dynamics pada analisa nilai pressure drop,
Nusselt number,
friction factor, Colburn factor, kontur distribusi temperature
dan aliran fluida.
1.2 Rumusan Masalah
Turbulensi aliran pada tube yang memberikan nilai perpindahan
kalor pada
STHE dapat ditingkatkan dengan meningkatkan nilai turbulensi
aliran dengan
membangkitkan vortex menggunakan vortex generator. Pencampuran
fluida yang
lebih tinggi akan dapat meningkatkan nilai distribusi suhu yang
lebih merata dan
memberikan nilai perbedaan temperatur yang lebih besar pada
dinding tube.
1.3 Batasan Masalah
Dari latar belakang penelitian, adapun batasan masalah yang
diterapkan
dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Menggunakan RVG dan DVG
b. Penelitian dilakukan pada aliran steady
c. Jenis fluida yang digunakan adalah refrigeran R12 dan
amonia
d. Aliran yang digunakan adalah jenis turbulen
e. Model turbulen yang digunakan adalah k-ω
1.4 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui implementasi efek
longitudinal
vortices dari 2 vortex generator yang berbeda yakni rectangular
vortex generator
(RVG) dan delta vortex generator (DVG) dengan membandingkan
tiap
karakteristiknya. Berikut adalah parameter yang digunakan untuk
mengetahui
performa perpindahan kalor dari shell-and-tube heat exchanger
pada penelitian ini:
a. Nilai Nusselt number dan Colburn factor
b. Nilai pressure drop dan friction factor
c. Kontur kecepatan fluida
d. Kontur distribusi temperatur
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
5
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini dapat memberikan gambaran simulasi terhadap
penggunaan
VG terhadap HE. Beberapa manfaat dari penelitian ini yakni:
a. Penelitian ini dapat menjadi bahan literatur untuk
pengembangan teknologi
di bidang perpindahan kalor.
b. Penelitian ini dapat menjadi bahan pertimbangan dalam memilih
VG yang
tepat pada inovasi geometri baru STHE.
c. Penelitian ini dapat menjadi acuan untuk
penelitian-penelitian selanjutnya
1.6 Originalitas Penelitian
Didasarkan studi pustaka yang dilakukan, penelitian ini belum
pernah
dilakukan terhadap penelitian sebelumnya. Penelitian ini
membandingkan RVG
dan DVG pada single tube pada varasi Reynolds antara 6000 sampai
10000. Vortex
generator disusun cincin dengan susunan 6 baris pada arah aliran
paralel antara dua
aliran fluida.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
6
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Heat Exchanger
Heat exchanger (HE) merupakan alat yang banyak digunakan dalam
sistem
HVACR (heating, ventilation, air conditioning, dand
refrigeration) (Lei dkk.,
2017). HE umumnya dimanfaatkan untuk memanaskan dan mendinginkan
suatu
fluida tanpa adanya penambahan kerja dan kalor secara eksternal.
Umumnya cara
kerja HE adalah memindahkan kalor antar fluida sebagai contoh
recuperators yang
memanfaatkan pemisah antar fluida sebagai media perpindahan
kalor secara
konduksi.
Shell and tube heat exchanger (STHE) merupakan salah satu jenis
penukar
kalor tubular exchanger yang terdiri dari kumpulan tabung pada
tabung berongga
dengan sumbu yang sejajar. STHE dapat bekerja pada kondisi
temperatur mencapai
1100oC dan tekanan mencapai 100Mpa. STHE dapat dirancang pada
operasi khusus
seperti adanya getaran, polutan, erosi, korosi, beracun dan
radioaktif.
Gambar 2.1 Shell-and-tube exchanger [Shah., 2003]
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
7
2.2 Vortex Generator
Vortex generator (VG) adalah salah satu dari teknologi pasif
yang umum
digunakan untuk meningkatkan efisiensi termal penukar kalor. VG
akan
memperluas luas permukaan di dalam saluran, menciptakan
turbulensi aliran, dan
menciptakan secondary flow sehingga terjadi peningkatan
intensitas turbulensi
pada saluran (Putra, 2016). Perpindahan kalor pada tubes
mempengaruhi nilai
performa termal sistem dari STHE. Beragam geometri VG dapat
berupa winglet,
coil wires, tapes, ribs. Liang dkk., (2018) menyimpulkan bahwa
longitudinal
vortices yang diciptakan oleh jenis wing atau winglets dapat
bertahan lebih jauh ke
hilir dibandingkan jenis lainnya sehingga terjadi peningkatan
perpindahan panas
yang lebih baik.
Gambar 2.2 Vortex generator konvensional tipe winglet (Skullong,
Promthaisong,
Promvonge, Thianpong, & Pimsarn, 2018).
VG merupakan komponen yang dapat menciptakan vortices atau
pusaran
untuk meningkatkaan performa perpindahan kalor pada HE. Aplikasi
pemanfaatan
VG dalam saluran berpenampang lingkaran seperti pencampuran dan
pemisahan
material, industri kimia, pembangkit tenaga nuklir, pabrik
pengolahan (Y. Xu dkk.,
2018). Gambar 2.3 memperlihatkan 4 vortices yang terbentuk pada
penampang
dengan nilai z/D = 6,56 akibat pengaruh winglet vortex
generators (WVGs). Empat
pusaran selanjutnya menjauh dari dinding saluran dan membentuk 1
central vortice
berbentuk persegi pada z/D = 9,71.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
8
Gambar 2.3 Vortice pada tube dalam arah melintang (Y. Xu dkk.,
2017).
Gambar 2.4 Kontur temperatur permukaan dinding dengan delta
winglet vortex
generator (Y. Xu dkk., 2017).
Gambar 2.4 memperlihatkan kontur termperatur pada dinding suatu
saluran
berpenampang lingkaran dengan konfigurasi DWVG pada attack angle
sebesar 45o
dan blockage ratio 0,3 menggunakan aliran turbulen. Pada daerah
VG nilai
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
9
termperatur lebih rendah dibandingkan daerah tanpa VG sejalan
dengan kenaikan
bilangan Nusselt pada daerah tersebut.
2.3 Klasifikasi Aliran
Aliran yang bergerak dengan kecepatan tertentu umumnya
diklasifikasikan
dalam 3 bentuk aliran yakni aliran laminar, transisi, dan aliran
turbulen. Aliran
laminar adalah aliran yang steady sedangkan aliran turbulen
umumnya adalah aliran
yang tidak steady dan berfluktuasi. Aliran yang berada di antara
perubahan laminar
dan turbulen adalah aliran transisi.
Jenis suatu aliran umumnya ditentukan dengan menggunakan nilai
yang
disebut bilangan Reynold. Bilangan Reynold adalah rasio
perbandingan antara gaya
inersia dan gaya viskos (Y. Xu dkk., 2018).
UD/Re= (2.1)
Dimana U adalah kecepatan aksial rata-rata dalam satuan m/s, D
adalah diameter
dalam tabung dalam satuan m, dan ʋ adalah viskositas kinematik
dalam satuan
N/m2. Aliran dengan nilai bilangan Reynold kurang dari 2300
adalah aliran laminar
sedangkan nilai bilangan Reynold di atas 4000 adalah aliran
turbulen. Nilai
bilangan Reynold di antara 2300 dan 4000 merupakan aliran
transisi.
2.4 Fully Developed Flow
Fully developed flow adalah aliran yang secara keseluruhan
mengalami efek
viskos. Aliran ini adalah pengembangan dari aliran inviscid yang
masuk pada
daerah entrance. Aliran inviscid adalah aliran yang mengabaikan
efek viskos atau
tidak mengalami efek viskos.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
10
Gambar 2.5 Profil kecepatan dan tekanan aliran dalam saluran
(White, 2010).
Aliran inviscid akan bergerak sejauh nilai X = Le untuk
mendapatkan aliran fully
developed. Aliran fully developed digunakan dalam perhitungan
analisis simulasi
karena memiliki nilai kecepatan aliran, gesekan, dan pressure
drop yang linear.
( )RegUD
gD
=
=
eL (2.2)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
11
2.5 Performa Heat Exchanger
Karakteristik performa perpindahan kalor direpresentasikan
dengan analisa
aliran fluida dan analisa perpindahan kalor. Analisa aliran
fluida menggunakan
parameter nilai pressure drop dan friction factor. Analisa
perpindahan kalor
menggunakan 2 parameter yakni parameter bilangan Nusselt dan
Colburn factor.
2.5.1 Pressure Loss
Kerugian tekanan akibat gesekan pada dinding saluran dengan
luas
penampang yang konstan diasosiasikan terhadap nilai friction
factor yang
bergantung pada nilai Reynolds dan geometri luas penampang suatu
aliran.
2/UD
L
P
2
=f (2.3)
Dimana f adalah nilai friction factor, U adalah kecepatan
rata-rata aliran, dan ΔP
adalah nilai pressure drop (Chamoli dkk., 2017). Pressure drop
dapat dihitung
berdasarkan selisih antara tekanan masuk dan tekanan keluar.
outletinlet PPP −= (2.4)
2.5.2 Koefisien Perpindahan Kalor
Koefisien perpindahan kalor (h) adalah representasi dari nilai
kalor yang
dapat di terima oleh suatu fluida atau convective heat flux (q”)
antara suatu
permukaan dengan fluida per satuan unit perubahan suhu (Tw –
Tm).
( )mw
n
TT
qh
−= (2.5)
Dimana 𝑞𝑛 adalah heat flux, Tw adalah temperatur dinding pipa
dan Tm adalah
temperatur inlet rata-rata (Shah, 2004).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
12
2.5.3 Nusselt Number
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui peningkatan
perpindahan kalor
akibat pengaruh VG. Pada sistem dengan fungsi perpindahan kalor
konveksi Nu
(Nusselt Number) dan h (koefisien perpindahan kalor) adalah
parameter penting
dalam menentukan peningkatan performa suatu penukar kalor (Y. Xu
dkk., 2017).
k
hDNu h= (2.6)
Dimana h adalah koefisien perpindahan kalor dalam W/m2.K, Dh
adalah hydraulic
diameter dalam meter, dan k adalah konduktivitas termal fluida
dalam W/m.K.
2.5.4 Colburn Factor
Colburn factor adalah modifikasi bilangan Stanton yang digunakan
untuk
memperhitungkan variasi moderat Prandtl number pada 0.5 < Pr
< 10 untuk aliran
turbulen. Colburn factor dapat dinyatakan sebagai representasi
dari rasio
perpindahan konveksi terhadap nilai perubahan entalpi pada
fluida kerja. Parameter
Colburn factor terdiri dari bilangan Stanton yang merupakan
parameter
dimensionless yang mewakili nilai koefisien perpindahan kalor
dan bilangan
Prandtl yang merupakan rasio difusivitas momentum terhadap
difusivitas termal
suatu fluida [Shah, 2003].
3/2
pm
3/2
k.
cV
hPr.St
==
pcj
(2.7)
Dimana St adalah bilangan Stanton, Pr adalah bilangan Prandtl, h
adalah koefisien
perpindahan kalor dalam W/m2.K, ρ adalah massa jenis dalam
kg/m3, Vm adalah
kecepatan rata-rata inlet dalam m/s, Cp adalah kalor spesifik
dalam J/kg.K, µ adalah
viskositas dinamis fluida dalam Pa.s, dan k adalah konduktivitas
termal fluida
dalam W/m.K.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
13
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Metode Penelitian
Simulasi ini menggunakan ANSYS Fluent. ANSYS Fluent adalah
perangkat lunak yang digunakan secara umum dalam kasus komputasi
simulasi
yang terbagi menjadi pemodelan geometri, aliran, perpindahan
panas, dan aplikasi-
aplikasi pada industri. ANSYS. ANSYS digunakan untuk
menganalisis berbagai
model matematika kasus pemodelan transport phenomena baik
compressible
maupun incompressible, laminar atau turbulen, dan kondisi steady
atau transient.
Kasus transport phenomena meliputi reaksi kimia dan perpindahan
kalor. ANSYS
banyak digunakan pada penelitian simulasi numerik karena
perangkat lunak
tersebut mempermudah simulasi dengan fitur simulasi yang lengkap
seperti design
modeler, porous media, lumped parameter (fan and heat
exchanger), streamwise-
periodic flow and heat transfer, the set of free surface and
multiphase flow models,
dan dapat digunakan untuk menganalisis masalah tipe wujud zat
cair, gas, padat
maupun campuran. Cara kerja ANSYS adalah memodelkan suatu
geometri,
menggenerasikan meshing, menginput boundary condition, dan
memproses iterasi
sampai tercapai kriteria convergence [ANSYS, 2013].
3.2 Variabel Penelitian
Pada penelitian ini, telah ditetapkan variabel bebas dan
variabel terikat
terhadap analisis simulasi fluida pada HE. Penetapan didasarkan
pada penelitian-
penelitian serupa yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya.
Variabel bebas
dan variabel terikat dipaparkan pada Tabel 3.1.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
14
Tabel 3.1 Variabel bebas dan variabel terikat
No. Variabel bebas Variabel terikat
1 Bilangan Reynolds 6000, 7000,
8000, 9000, 10000. Nilai bilangan Nusselt
2 Temperatur fluida kerja 322,2 K Nilai pressure drop
3 Temperatur dinding tube 300 K Kontur kecepatan
4 Penggunaan jenis – jenis vortex
generator pada STHE Kontur temperatur
3.3 Skema Tube Heat Exchanger dan Vortex Generator
Penggunaan desain geometri dalam penelitian memungkinkan
terjadinya
analisis simulasi pada aliran fluida kerja pada ANSYS FLUENT.
Berikut adalah
skema desain geometri tube heat exchanger dan vortex generator
pada penelitian
ini:
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
15
Gambar 3.1 Skema tube RWVG isometric view
Gambar 3.2 Skema tube DWVG isometric view
Vortex generator pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 merupakan 2
geometri
vortex generator yang digunakan pada simulasi ini. Gambar 3.2
dan Gambar 3.3
secara berturut-turut adalah tubes yang ter-install
1. Rectangular winglet vortex generator (RWVG)
2. Delta winglet vortex generator (DWVG)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
16
Gambar 3.3 Skema right view tube dengan RWVG dan DWVG
Gambar 3.4 Skema front view tube RWVG
Gambar 3.5 Skema front view tube DWVG
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
17
Gambar 3.6 Skema rectangular vortex generator isometric view
Gambar 3.7 Skema delta vortex generator isometric view
Pada penelitian ini, DWVG dan RWVG ditempatkan pada dinding
bagian
dalam tube seperti terlihat pada Gambar 3.4. Geometri DWVG dan
RWVG dapat
dilihat pada Gambar 3.7 dan Gambar 3.8. Konfigurasi penempatan
VG terdapat
pada Gambar 3.5 dan Gambar 3.6.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
18
3.4 Computational Domain
Pada penelitian ini, computational domain terdiri dari tube
dengan 24 buah
vortex generator. Test section pada penelitian ini, meliputi
bagian masuknya fluida
kerja dari inlet region melewati tube wall sampai keluar
melewati outlet region.
Gambar 3.8 Computational domain
3.5 Meshing
Penggenerasian mesh pada penelitian ini menggunakan ANSYS
Meshing.
Meshing digenerasi menggunakan relevance center dengan tingkat
kehalusan fine.
Pengaplikasian smoothing pada geometri di generasi pada tingkat
high. Beberapa
jenis Meshing yang diaplikasikan adalah
1. face sizing
2. inflation
3. edge sizing
Face sizing adalah salah satu fitur ANSYS meshing yang mengatur
ukuran elemen
pada bagian face dari suatu geometri. Geometri yang
diaplikasikan fitur tersebut
adalah pipe wall, inlet, outlet. Pada penelitian ini element
size diaplikasikan dengan
nilai 3105 − m. Inflation merupakan fitur yang mengatur jumlah
layer face pada
salah satu atau lebih face dalam suatu geometri. Geometri yang
diaplikasikan
adalah inlet dan outlet. Pada penelitian ini, penerapannya
menggunakan 10 layer.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
19
Edge sizing adalah fitur yang digunakan untuk melakukan meshing
pada batasan
edges setiap geometri. Edge sizing yang digunakan dalam
penelitian ini
menggunakan tipe number of division. Jumlah number of division
yang diterapkan
dalam penelitian ini adalah 5 pada setiap tepi vortex generator.
Jumlah elemen hasil
meshing pada geometri tube with RWVG berjumlah 748637. Ketiga
fitur tersebut
diaplikasikan guna mendapatkan struktur mesh yang halus dan
detail.
Gambar 3.10 menunjukkan visualisasi meshing geometri tube with
RWVG
dan DWVG. Bagian yang memiliki ukuran elemen yang lebih kecil
ditandai dengan
warna yang lebih gelap. Warna yang lebih gelap disekitar bagian
vortex generator
merupakan efek edge sizing yang mempengaruhi tingkat kehalusan
sturktur.
Gambar 3.11 menunjukkan visualisasi inflation meshing pada
bagian outlet.
Gambar 3.9 Visualisasi meshing tube with RWVG dan DWVG
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
20
Gambar 3.10 Visualisasi outlet meshing
3.6 Karakteristik Fluida
Pada penelitian ini, fluida kerja yang digunakan adalah freon-12
dan
Ammonia. Karakteristik fluida freon-12 dan ammonia adalah
sebagai berikut:
Tabel 3.2 Karakteristik fluida kerja [ANSYS, 2013]
Karaktersitik Fluida R-12 Amonia
Massa jenis (kg/m3) 1305,8 0,6894
Kalor spesifik (j/kg K) 978,1 2158
Konduktifitas termal fluida (W/m K) 0,072 0,0247
Viskositas dinamis (Pa.s) 0,000254 0,00001015
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
21
3.7 Boundary Condition
Simulasi pada penelitian ini dilakukan pada kondisi steady.
Simulasi
dimulai saat fluida kerja berupa freon-12 dan ammonia dialirkan
melalui inlet
sampai keluar pada outlet section seperti pada Gambar 3.10.
Simulasi ini
menggunakan 1 tube sebagai sample dari tubes pada shell-and-tube
heat exchanger.
Aliran freon-12 akan dilewatkan sebagai internal flow pada tube
dengan variasi
bilangan Reynolds sebesar 6000, 7000, 8000, 9000, dan 10000.
Dinding tube
menggunakan material besi dengan karakteristik seperti pada
Tabel 3.2 Suhu inlet
fluida kerja adalah 322.2 K dan suhu dinding tube diasumsikan
memiliki suhu yang
tetap dan merata sebesar 300 K.
Tabel 3.3 Karakteristik besi pada dinding tube [ANSYS, 2013]
Karaktersitik Material Nilai
Massa jenis (kg/m3) 8030
Kalor spesifik (j/kg K) 502,48
Konduktifitas termal (W/m K) 16,27
3.8 Model Turbulen SST k-ω
Pada penelitian ini digunakan model turbulen k-ω. Model turbulen
k-ω
disebut juga shear stress transport turbulence model (SST k-ω).
Model tersebut
digunakan dengan maksud mengakomodir shear stress lebih baik
dari model
turbulen lainnya. Model turbulen k-ω dapat memprediksi aliran
turbulen dengan
lebih akurat dengan biaya komputasi yang lebih rendah
dibandingkan model
dengan persamaan lebih dari 2 (Y. Xu dkk., 2017). Validasi
reliability dari simulasi
numerik bilangan Nusselt dan friction factor pada Shear Stress
Transport (SST) k-
ω terhadap persamaan Dittus-Boelter dan Blasius disimpulkan
memiliki good
agreement dengan nilai sebesar ± 9,1% dan ± 9,6% berturut-turut
(Skullong dkk.,
2018).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
22
3.9 Kriteria Convergence
Persamaan yang digunakan dalam penelitian simulasi ini memiliki
nilai
residual yang fluktuatif dan semakin kecil pada banyaknya
iterasi yang terjadi.
Nilai tersebut menunjukkan semakin akuratnya suatu persamaan
simulasi akibat
semakin kecil nya sisa residual suatu persamaan. Penerapan
batasan nilai residual
adalah solusi dalam penyelesaian suatu persamaan simulasi. Nilai
batasan tersebut
disebut sebagai convergence criteria.
Simulasi ini menggunakan nilai convergence criteria secara
default sebesar
-3101 pada persamaan continuity, x-velocity, y-velocity,
z-velocity, k, dan omega.
Persamaan energi menggunakan nilai convergence criteria sebesar
-6101 seperti
pada Tabel 3.4. Iterasi akan menghasilkan data yang valid ketika
nilai residual
convergence criteria telah tercapai seperti pada Gambar
3.13.
Tabel 3.4 Convergence Criteria [ANSYS, 2013]
Persamaan Convergence Criteria
Continuity 3101 −
x-velocity 3101 −
y-velocity 3101 −
z-velocity 3101 −
Energy 6101 −
k 3101 −
omega 3101 −
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
23
Gambar 3.11 Iterasi yang memenuhi nilai convergence criteria
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
24
3.10 Diagram Alir Penelitian
Penelitian analisa pengaruh rectangular vortex generator dan
delta vortex
generator dilakukan berdasarkan langkah-langkah seperti pada
Gambar 3.1 berikut
ini:
START
Studi pustaka dan perencanaan
kasus simulasi
Merumuskan data geometri, sifat
material, dan boundary condition
Membuat model aliran menggunakan Solidworks
dan simulasi menggunakan ANSYS Fluent
Penggenerasian mesh dan identifikasi batasan geometri
menggunakan ANSYS Meshing
Melakukan input setup berupa persamaan energi, model
turbulen,
material, dan boundary condiiton pada ANSYS Fluent
Melakukan solution initialization
Running calculation
A
B
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
25
Gambar 3.12 Diagram alir penelitian
A
Kriteria konvergen
(Tabel 3.4)B
No
Pengambilan data hasil simulasi dan
visualisasi grafik, kontur kecepatan, dan
kontur temperatur
Analisa dan pembahasan
Kesimpulan
END
Yes
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
26
BAB IV
ANALISA HASIL SIMULASI
4.1 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Bilangan Nusselt
Gambar 4.1 Grafik pengaruh bilangan Nusselt terhadap bilangan
Reynolds
Perpindahan panas pada tube dinyatakan dengan bilangan Nusselt
(Lei dkk.,
2017). Gambar 4.1 menunjukkan grafik hubungan antara nilai
bilangan Reynolds
terhadap kecenderungan perpindahan kalor pada saluran yang
dipasang vortex
generator (VG) dengan plain tube.
Pada Gambar 4.1 diperlihatkan bahwa nilai bilangan Nusselt
semakin
meningkat pada nilai bilangan Reynold yang semakin tinggi.
Bilangan Nusselt
meningkat secara konsisten terhadap kenaikan bilangan Reynolds
pada semua jenis
saluran dan kedua jenis fluida dikarenakan kenaikan intensitas
turbulensi dan
penurunan tebal thermal boundary layer dengan semakin
meingkatnya bilangan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
27
. Fenomena kenaikan bilangan Nusselt ini mengindikasikan bahwa
vortex
generator dapat meningkatkan performa perpindahan kalor secara
signifikan pada
saluran berpenampang lingkaran. Hal ini dikarenakan, vortex
generator berefek
pada thermal mixing yang lebih baik dan modifikasi boundary
layer yang berefek
pada meningkatnya bilangan Nusselt (Lei dkk., 2017).
Gambar 4.1 menunjukkan hasil simulasi peningkatan performa
perpindahan
kalor pada plain tube yang menggunakan fluida R-12 dengan
menggunakan
bilangan Reynolds sebesar 7000, 8000, 9000, dan 10000 terhadap
bilangan
Reynolds 6000 secara berturut-turut sebesar 11,67%, 23,79%,
35,18%, dan 46,38%
sedangkan pada fluida ammonia nilai peningkatan performa
perpindahan kalor pada
plain tube adalah sebesar 10,92%, 21,50%, 31,80%, dan 41,90%.
Kesimpulan yang
dapat ditarik adalah penggunaan ammonia sebagai fluida mengalami
peningkatan
yang lebih kecil dibandingkan penggunaan R-12 pada bilangan
Reynolds yang
semakin tinggi. Nilai rata-rata persentase peningkatan
perpindahan kalor pada jenis
fluida R-12 dengan penggunaan vortex generator pada bilangan
Reynolds 7000,
8000, 9000, dan 10000 terhadap bilangan Reynolds 6000 adalah
11,05%, 22,34%,
32,95%, 43,12% sedangkan pada ammonia sebesar 10,86%, 21,36%,
31,58%,
41,65%. Dapat disimpulkan bahwa pada kasus penggunaan vortex
generator nilai
peningkatan saluran yang menggunakan fluida kerja R-12 pada
kondisi geomteri
yang sama memiliki peningkatan peningkatan yang lebih tinggi
dibandingkan
menggunakan ammonia. Secara keseluruhan rata-rata nilai
peningkatan
perpindahan kalor baik menggunakan R-12 dan ammonia pada
bilangan Reynolds
7000, 8000, 9000, 10000 terhadap 5000 adalah 10,95%, 21,85%,
32,27%, 42,39%.
Hal ini terjadi akibat dari turbulensi yang semakin tinggi dan
peningkatan interaksi
fluida yang meningkatkan perpindahan kalor (Y. Xu dkk., 2018).
Bilangan
Reynolds yang semakin tinggi akan membuat kecepatan fluida
semakin tinggi oleh
karenanya, longitudinal vortex akan menjadi semakin besar
sehingga peningkatan
kalor menjadi semakin tinggi. Gambar 4.1 diperkuat oleh
penelitian sebelumnya
yang menunjukkan peningkatan bilangan Nusselt pada bilangan
Reynolds antara
4000 dan 18000 (Liu dkk., 2018).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
28
Rata-rata peningkatan performa perpindahan kalor dalam
penggunaan
vortex generator pada fluida kerja R-12 pada bilangan Reynolds
6000, 7000, 8000,
9000, 10000 terhadap saluran tanpa VG adalah 24,20% dan 21,38%
untuk
penggunaan rectangular winglet vortex generator dan delta
winglet vortex
generator secara berturut-turut. Pada penggunaan fluida kerja
ammonia rata-rata
peningkatannya adalah sebesar 9,13% dan 4,19% pada penggunaan
rectangular
winglet vortex generator dan delta winglet vortex generator
secara berturut-turut.
Gambar 4.1 menunjukkan bahwa pada setiap penggunaan fluida,
penggunaan
RWVG adalah yang terbaik dalam peningkatan performa perpindahan
kalor. Hal
ini disebabkan karena longitudinal vortices yang diciptakan oleh
RWVG
meningkatkan intensitas pencampuran fluida yang lebih panas
berdekatan pada
dinding saluran sedangkan fluida yang lebih dingin pada wilayah
inti dari suatu
aliran (Liu dkk., 2018). Fluida kerja R-12 memiliki nilai
kenaikan bilangan Nusselt
lebih tinggi jika dibandingkan dengan ammonia, hal ini
dikarenakan perbedaan fase
fluida yang menyebabkan perbedaan massa jenis yang sangat tinggi
sehingga
berdampak pada performa kenaikan perpindahan kalor.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
29
4.2 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Pressure Drop
Gambar 4.2 Grafik nilai pressure drop terhadap bilangan
Reynolds
Gambar 4.2 menunjukkan nilai peningkatan pressure loss pada
setiap
penggunaan vortex generator terhadap saluran tanpa vortex
generator. Pressure
drop adalah fungsi penting dalam suatu aliran dan bergantung
pada panjang
penukar kalor, daerah aliran tanpa hambatan, dan luasan area
tempat terjadinya
perpindahan panas [Shah, 2003]. Penggunaan tanpa vortex
generator menunjukkan
peningkatan yang lebih rendah dibandingkan pada saluran dengan
vortex generator.
Hal ini disebabkan karena saluran tanpa vortex generator
memiliki penyumbatan
aliran fluida yang lebih rendah sehingga berefek pada rendah nya
pressure drop
secara dinamis pada seluruh bagian saluran (Chamoli dkk., 2017).
Pressure loss
yang semakin besar dan merugikan akan memperbesar energy
consumption dan
sebaliknya terjadi peningkatan perpindahan kalor (Liang dkk.,
2018).
Peningkatan pressure drop pada plain tube dengan menggunakan
fluida
kerja R-12 pada bilangan Reynolds 7000, 8000, 9000, 10000
berturut-turut terhadap
bilangan Reynolds 6000 adalah sebesar 31,17%, 66,62%, 100,94%,
141,79%
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
30
sedangkan peningkatan pressure drop pada plain tube dengan
fluida kerja ammonia
pada bilangan Reynolds 7000, 8000, 9000, 10000 berturut-turut
terhadap bilangan
Reynolds 6000 adalah sebesar 34,14%, 64,37%, 97,84%, 146,17%.
Pada bilangan
Reynolds 9000, terjadi peningkatan pressure drop yang lebih
tinggi pada ammonia
jika dibandingkan dengan R-12. Persentase ini membuktikan
pengaruh perbedaan
fluida massa jenis tinggi R-12 dalam wujud zat cair lebih
efisien terhadap massa
jenis rendah ammonia dalam wujud zat gas. Rata-rata peningkatan
pressure drop
penggunaan vortex generator pada bilangan Reynolds 7000, 8000,
9000, 10000
terhadap penggunaan vortex generator pada bilangan Reynolds 6000
berturut-turut
dengan menggunakan fluida kerja R-12 adalah sebesar 27,96%,
61,47%, 96,47%,
135,07% sedangkan pada penggunaan fluida kerja ammonia nilai
rata-rata
peningkatan pressure drop penggunaan vortex generator pada
bilangan Reynolds
7000, 8000, 9000, 10000 terhadap penggunaan vortex generator
pada bilangan
Reynolds 6000 berturut-turut adalah sebesar 29,59%, 62,87%,
97,95%, 136,96%.
Nilai rata-rata penggunaan fluida kerja R-12 dan ammonia dari
peningkatan
pressure drop penggunaaan vortex generator pada bilangan
Reynolds 7000, 8000,
9000, 10000 terhadap bilangan Reynolds 6000 berturut-turut
adalah sebesar
28,78%, 62,17%, 97,21%, 136,01%. Gambar 4.3 diperkuat oleh
penelitian
sebelumnya yang menunjukkan hasil peningkatan nilai pressure
drop terhadap
bilangan Reynolds 500 sampai 900 (Putra, 2016). Penggunaan
vortex generator
dapat menciptakan pusaran membujur dan melintang yang
menyebabkan benturan
antar fluida dan zona resirkulasi sehingga dapat meningkatkan
perpindahan kalor
dan penurunan tekanan (Liang dkk., 2018). Berdasarkan hubungan
Gambar 4.1 dan
Gambar 4.2 memiliki tendensi yang berbeda dan identik dengan
penelitian
sebelumnya yang mendapati bahwa kenaikan performa perpindahan
kalor akan
menyebabkan kenaikan pressure drop. Hal ini disebabkan karena
area yang
menghadap arah aliran meningkat dan menghalangi laju aliran
sehingga terjadi
peningkatan pressure drop (Hatami, Ganji, & Gorji-Bandpy,
2015).
Rata-rata peningkatan pressure drop dalam penggunaan vortex
generator
pada fluida kerja R-12 pada bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000,
9000, 10000
terhadap saluran tanpa VG adalah 142,68% dan 66% pada penggunaan
rectangular
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
31
winglet vortex generator dan delta winglet vortex generator
secara berturut-turut
sedangkan peningkatan pressure drop rata-rata pada fluida kerja
ammonia adalah
sebesar 145,09% dan 72,04% pada penggunaan rectangular winglet
vortex
generator dan delta winglet vortex generator secara
berturut-turut. Sehingga dapat
disimpulkan bahwa penggunaan fluida kerja ammonia akan
meningkatkan pressure
drop yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan R-12.
4.3 Pengaruh Vortex Generator Terhadap Colburn Factor
Gambar 4.3 Grafik nilai Colburn factor terhadap bilangan
Reynolds
Colburn factor adalah modifikasi dari bilangan Stanton untuk
memperhitungkan variasi moderat dari bilangan Prandtl pada
aliran turbulen dalam
variasi 0,5 ≤ Pr ≤ 10. Colburn factor juga dapat dinyatakan
sebagai representasi
dari rasio perpindahan kalor konveksi terhadap nilai perubahan
entalpi pada fluida
kerja. Perubahan entalpi pada fluida kerja bergantung pada nilai
konduktifitas
termal fluida yang menyatakan besarnya perubahan energi pada
fluida kerja per
satuan waktu, luas, dan temperatur [Shah, 2003].
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
32
Gambar 4.3 menunjukkan penurunan nilai Colburn factor pada
setiap
kenaikan bilangan Reynolds. Penurunan nilai Colburn factor pada
penggunaan
vortex generator dari bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000,
10000 terhadap
saluran tanpa vortex generator yang menggunakan fluida kerja
R-12 meningkat
sebesar 23,08 – 25,57% dan 19,75 – 22,81% dengan menggunakan
rectangular
winglet vortex generator dan delta winglet vortex generator
berturut-turut.
Peningkatan nilai Colburn factor pada penggunaan fluida kerja
amonia dari
bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000, 10000 terhadap saluran
tanpa vortex
generator meningkat sebesar 8,99% - 9,03% dan 3,91 – 4,31%
dengan
menggunakan rectangular winglet vortex generator dan delta
winglet vortex
generator berturut-turut. Terlihat dalam peningkatan penggunaan
vortex generator
terjadi peningkatan dikarenakan nilai perpindahan kalor yang
semakin tinggi akibat
vortices yang terbentuk. Rasio perbandingan j/jo yang melebihi 1
mengindikasikan
bahwa performa perpindahan kalor dengan menggunakan vortex
generator lebih
baik dibandingkan saluran tanpa vortex generator. Peningkatan
yang terjadi
dikarenakan longitudinal vortex yang memiliki tendensi untuk
terbentuk secara
bertahap pada permukaan bawah saluran sehingga vortex yang
bertahan lama akan
menciptakan turbulensi dan memiliki sifat yang kuat yang akan
mengintensifkan
perpindahan kalor konveksi (Z. Xu dkk., 2018).
Rata-rata peningkatan nilai Colburn factor pada variasi bilangan
Reynolds
6000 sampai 10000 dengan fluida kerja R-12 dari pengaplikasiaan
rectangular
winglet vortex generator dan delta winglet vortex generator
berturut-turut terhadap
plain tube adalah 24,20% dan 21,38%. Rata-rata peningkatan nilai
Colburn factor
pada variasi bilangan Reynolds 6000 sampai 10000 dengan fluida
kerja amonia dari
pengaplikasiaan rectangular winglet vortex generator dan delta
winglet vortex
generator berturut-turut terhadap plain tube adalah 9,13% dan
4,19%. Gambar 4.3
diperkuat oleh penelitian yang dilakukan sebelumnya yang
menunjukkan
penurunan nilai Colburn factor seiring meningkatnya bilangan
Reynolds pada
variasi 500 sampai 900 [Putra, 2016]. Terdapat kesesuaian
hubungan antara
bilangan stanton dan bilangan Nusselt dimana peningkatan harga
koefisien
perpindahan kalor berbanding lurus dengan kenaikan kedua
parameter tersebut.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
33
Harga bilangan stanton direpresentasikan dengan menggunakan
Colburn factor
yang rata-rata peningkatannya sama besarnya dengan perpindahan
kalor yang
terjadi [Shah, 2003].
4.4 Pengaruh Vortex Generator Terhadap friction factor
Gambar 4.4 Grafik nilai friction factor terhadap bilangan
Reynolds
Friction factor adalah konsep dimensionless yang
merepresentasikan nilai
gesekan pada permukaan penukar kalor. Friction factor
menunjukkan tren
penurunan yang umum dengan bilangan Reynolds pada semua
konfigurasi secara
konsisten pada tren f terhadap Re untuk aliran turbulen didalam
saluran seperti pada
Gambar 4.4. Nilai friction factor meningkat sebanding dengan
semakin besarnya
longitudinal vortices yang digenerasikan oleh vortex generator.
Hal ini konsisten
dengan efek dari parameter Nusselt number (Liang dkk.,
2018).
Gambar 4.4 menunjukkan penurunan nilai friction factor
(f/f0)pada
penggunaan vortex generator yang diasosiasikan dengan
peningkatan pressure loss
pada setiap variasi bilangan Reynolds terhadap saluran tanpa
vortex generator (Z.
Xu dkk., 2018). Nilai peningkatan friction factor dengan
menggunakan rectangular
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
34
vortex generator dan delta vortex generator secara
berturut-turut terhadap saluran
tanpa vortex generator pada variasi bilangan Reynolds 6000,
7000, 8000, 9000,
10000 dengan menggunakan fluida kerja R-12 adalah sebesar
142,76% - 145,25%
dan 63,64% - 71,43%. Nilai peningkatan friction factor dengan
menggunakan
rectangular vortex generator dan delta vortex generator secara
berturut-turut
terhadap saluran tanpa vortex generator pada variasi bilangan
Reynolds 6000,
7000, 8000, 9000, 10000 dengan menggunakan fluida kerja amonia
adalah sebesar
141,04% - 146,40% dan 67,36% - 76,75%. Dapat disimpulkan
dengan
menggunakan nilai friction factor rata-rata pada R-12 yakni
sebesar 142,68% untuk
rectangular vortex generator dan 66% untuk delta vortex
generator nilai energy
consumption pada amonia lebih tinggi dikarenakan nilai rata-rata
friction factor
sebesar 145,09% untuk rectangular vortex generator dan 72,04%
untuk dan delta
vortex generator. Gambar 4.4 diperkuat oleh penelitian
sebelumnya yang
memperlihatkan penurunan friction factor dengan semakin
meningkatnya bilangan
Reynold (Liu dkk., 2018).
Pada Gambar 4.4 juga disimpulkan bahwa penggunaan rectangular
vortex
generator memiliki nilai peningkatan yang lebih tinggi
dibandingkan dengan delta
vortex generator. Alasannya adalah karena terbentuknya
resistansi aliran oleh
vortex generator terutama dihasilkan oleh gesekan antara fluida
dengan permukaan
vortex generator dan arus balik yang ditimbulkan vortex
generator ketika aliran
fluida mengalir melewati rectangular vortex generator (Han dkk.,
2018).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
35
4.5 Analisa Kontur Keccepatan
Pada bagian ini akan dipaparkan analisa terhadap hasil kontur
kecepatan
dari hasil simulasi Fluent Ansys. Fenomena aliran yang
dipaparkan melalui vektor
arah kecepatan dan nilai besaran kecepatan merupakan parameter
yang akan
diinvestigasi untuk mendapatkan hubungan dengan performa penukar
kalor secara
keseluruhan.
4.5.1 Kontur Kecepatan Plain Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
36
(e)
Gambar 4.5 vektor kecepatan plain tube pada fluida kerja R-12
dengan variasi
bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e) 10000
Gambar 4.5 menunjukkan gambar vektor kecepatan yang meningkat
seiring
dengan meningkatnya bilangan Reynolds. Kecepatan maksimal
tertinggi adalah
sebesar 0,05 m/s pada bilangan Reynolds 10000. Perbedaan
kecepatan inlet pada
bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000, 10000 secara
berturut-turut adalah
0,024 m/s, 0,028 m/s, 0,033 m/s, 0,037 m/s, 0,041 m/s.
Gambar 4.5 menunjukkan vektor kecepatan yang bergerak tanpa
hambatan
sehingga tidak terdapat kontur vortex/pusaran dan wake region.
Kecepatan aliran
fluida pada bagian side-running flow menunjukkan gradiasi warna
dengan core-
running flow. Hal ini dikarenakan adanya gesekan dengan dinding
saluran sehingga
berdampak pada terjadinya perlambatan kecepatan aliran
fluida.
(a)
(b)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
37
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.6 vektor kecepatan plain tube pada fluida kerja amonia
dengan variasi
bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e) 10000
Gambar 4.6 menunjukkan vektor kecepatan yang terjadi pada
saat
penggunaan amonia sebagai fluida kerja. Amonia memiliki nilai
kecepatan yang
tinggi jika dibandingkan dengan pemakaian fluida kerja R-12. Hal
ini dikarenakan
massa jenis amonia yang lebih kecil dibandingkan R-12 yakni
sebesar 0,6894
kg/m3. Perbedaan kecepatan inlet antara bilangan Reynolds 6000,
7000, 8000,
9000, 10000 secara berturut-turut adalah 1,848 m/s, 2,156 m/s,
2,464 m/s, 2,772
m/s, 3,0801 m/s. Gambar 4.6 juga menunjukkan bahwa vektor
kecepatan pada plain
tube tidak mengalami fenomena berarti yang menyebabkan
meningkatnya performa
perpindahan kalor.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
38
4.5.2 Kontur Kecepatan Rectangular Winglet Vortex Generator
Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.7 vektor kecepatan RWVG tube pada fluida kerja R-12
dengan variasi
bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e) 10000
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
39
Gambar 4.7 menunjukkan perubahan kecepatan pada bilangan
Reynolds
6000, 7000, 8000, 9000, 10000 terhadap nilai kecepatan inlet.
Terdapat perubahan
signifikan antara Gambar 4.7 dan Gambar 4.5 yang berupa kenaikan
kecepatan
fluida pada penampang yang memiliki luas penampang yang lebih
kecil akibat
adanya vortex generator dan terbentukya daerah wake yang
terdapat pada bagian
belakang vortex generator. Kecepatan fluida yang semakin tinggi
pada RWVG
memungkinkan terbentuknya longitudinal vortices yang semakin
kuat [Zhou dan
Feng., 2014]. Longitudinal vortices yang semakin kuat akan
menjadikan RWVG
pada bilangan Reynolds 10000 sebagai vortex generator dengan
performa
perpindahan kalor yang lebih baik jika dibandingkan dengan
bilangan Reynolds
yang lebih kecil.
Daerah wake region ditandai dengan adanya kecepatan yang turun
secara
mendadak pada setiap bagian belakang vortex generator. Hal ini
diakibatkan karena
adanya perbedaan tekanan yang terjadi saat aliran fluida
melewati vortex generator.
Vortex generator wake ditandai dengan hilanganya energi kinetik
turbulen yang
tinggi pada arah aksial menuju pipe outlet (Y. Xu dkk., 2017).
Faktor utama
terbentuknya wake adalah pada saat aliran fluida mengalami flow
separation saat
melewati hambatan berupa vortex generator. Fluida pada daerah
wake umumnya
terisolasi dari core-running flow (He, Chu, Tao, Zhang, &
Xie, 2013).
Pada bilangan Reynolds tertentu wake yang lebih besar dan
longitudinal
vortices yang terbentuk akan meningkatkan nilai friction factor
yang lebih tinggi di
bandingkan dengan plain tube yang tidak memanfaatkan vortex
generator (Liang
dkk., 2018). Wake pada vortex generator yang merupakan wilayah
dengan aliran
yang memiliki momentum rendah akan dapat berinteraksi dengan
aliran inti yang
termasuk dalam aliran momentum tinggi menjadikan perbedaan
tekanan sebagai
fenomena terbentuknya counter-rotating vortex yang memiliki efek
peningkatan
gradien temperatur dan koefisien perpindahan panas (Habchi dkk.,
2012).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
40
Gambar 4.8 RWVG Tube pada penampang (a) z/D = 5,96 (b) z/D =
6,27 (c) z/D =
6,59
Gambar 4.9 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada z/D =
5,96
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
41
Gambar 4.10 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada z/D =
6,27
Gambar 4.11 Vortice yang terbentuk menggunakan RWVG pada z/D =
6,59
Gambar 4.9, Gambar 4.10 dan Gambar 4.11 memperlihatkan
streamline dari
aliran yang membentuk pusaran dan membentuk turbulensi atau
pencampuran
fluida pada z/D = 6,27. Gambar 4.9 merupakan streamline awal
saat aliran tepat
akan bersentuhan dengan rectangular vortex generator. Gambar
4.10 adalah
streamline aliran yang memperlihatkan aliran fluida yang berada
di tengah geometri
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
42
rectangular vortex generator. Dari gambar tersebut diperlihatkan
2 pusaran kecil
yang terbentuk dalam arah -Z dan Y. Fenomena ini akan
menyebabkan core flow
region bercampur ke arah dnding saluran dikarenakan efek vortex
generator. Side-
running flow akan membawa fluida yang lebih dingin menuju
dinding saluran
sementara core-running flow akan memindahkan fluida yang lebih
panas yang
posisi nya berada dekat dengan dinding saluran menuju fluida
yang lebih dingin
pada core flow region sehingga terbentuk temperatur kontur yang
lebih seragam
dan tebal thermal boundary akan berkurang. Thermal boundary yang
berkurang
akan menciptakan resistansi termal yang lebih rendah (Liu dkk.,
2018). Gambar
4.10 merupakan streamline tepat saat aliran melewati rectangular
vortex generator.
(a)
(b)
(c)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
43
(d)
(e)
Gambar 4.12 vektor kecepatan RWVG tube pada fluida kerja amonia
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Gambar 4.12 menunjukkan vektor kecepatan pada penggunaan
fluida
amonia. Pada bilangan Reynolds 10000 gradasi kecepatan pada
penggunaan
amonia dibandingkan dengan penggunaan R-12 memiliki punch jet
yang lebih
rendah jika dibandingkan dengan bilangan Reynolds 6000, 7000,
8000, dan 9000.
Tidak terdapat banyak perbedaan arah vektor kecepatan antara
fluida kerja R-12
dan amonia.
Pusaran yang kuat dapat terbentuk karena rectangular vortex
generator.
Aliran yang melewati rectangular vortex generator mengalami
peningkatan
kecepatan yang tinggi oleh karenanya terjadi peningkatan
pencampuran fluida
dingin dan panas sebagai konsekuensi dari pusaran yang semakin
kuat. Fluida
dengan kecepatan tinggi dan vortex dapat menjaga intensitas
turbulensi pada aliran
utama oleh karenanya temperatur aliran dekat dinding akan
menurun oleh karena
tubrukan antar fluida (Liu dkk., 2018).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
44
4.5.3 Kontur Kecepatan Delta Winglet Vortex Generator Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.13 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja R-12
dengan variasi
bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e) 10000
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
45
Gambar 4.13 menunjukkan kontur vektor kecepatan yang terjadi
pada
penggunaan R-12 sebagai fluida kerja pada pemanfaatan delta
winglet vortex
generator (DWVG). Penggunaan DWVG memiliki karakteristik punch
jet yang
kurang merata jika dibandingkan dengan rectangular winglet
vortex generator
(RWVG). Hal ini dikarenakan geometri vortex generator yang
memiliki garis
kemiringan searah dengan arah aliran dan pengecilan luas
penampang yang tidak
drastis seperti pada RWVG. Geometri DWVG ini yang membuat
terjadinya gradasi
peningkatan kecepatan pada punch jet dikarenakan pengecilan
penampang yang
dilalui aliran fluida berbentuk garis miring sehingga nilai
besarnya luas penampang
yang dilalui bersifat dinamis. Penggunaan DWVG berefek pada
berkurangnya
hambatan dan mengakibatkan arah vektor yang keluar dari saluran
semakin
berkurang.
Pada penggunaan DWVG juga terbentuk wake region pada bagian
belakang
vortex generator sebagai hambatan terhadap aliran fluida yang
menyebabkan
terjadinya separasi aliran. Pada Gambar 4.13 (e) terdapat
perubahan kontur dan nilai
kecepatan pada daerah wake jika dibandingkan dengan Gambar 4.13
(a) yang
memiliki nilai kecepatan yang lebih kecil. Hal ini dikarenakan
semakin tingginya
bilangan Reynolds maka akan semakin mengurangi ukuran wake.
Nilai wake yang
semakin berkurang akan mengakibatkan peningkatan performa
perpindahan kalor
karena aliran fluida yang terjebak menjadi semakin berkurang dan
pencampuran
fluida semakin merata (Li dkk., 2014).
(a)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
46
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.14 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja amonia
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Gambar 4.14 menunjukkan kontur vektor kecepatan pada
penggunaan
fluida kerja amonia. Pada kontur vektor kecepatan tidak terdapat
banyak perbedaan
antara penggunaan fluida kerja amonia dan R-12 meskipun terdapat
perbedaan pada
nilai performa perpindahan kalor dan penurunan tekanan.
Penggunaan amonia
sebagai fluida kerja juga mengalami fenomena punch jet dan wake
pada bagian
belakang vortex generator.
Delta winglet vortex generator memainkan peranan penting pada
struktur
aliran dan distribusi temperatur pada saluran berpenampang
lingkaran. Aliran
pusaran dapat terbentuk pada penginstalasian DWVG yang dapat
menyebabkan
pengurangan velocity boundary layer dan meningkatkan pencampuran
fluida antara
daerah aliran utama dan aliran dinding saluran (Lei dkk.,
2017).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
47
4.6 Analisa Kontur Temperatur
Pada bagian ini akan dianalisis kontur temperatur dari
penggunaan vortex
generator terhadap distribusi temperatur pada fluida kerja
berupa R-12 dan amonia.
Analisis distribusi temperatur pada kontur temperatur
dimaksudkan untuk
mengetahui karakteristik dari setiap penggunaan vortex generator
dan penggunaan
fluida kerja yang berbeda.
4.6.1 Kontur Temperatur Plain Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
48
(e)
Gambar 4.15 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja R-12
dengan variasi
bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e) 10000
Gambar 4.15 menunjukkan kontur distribusi temperatur pada aliran
fluida
R-12 tanpa menggunakan vortex generator. Gradien kontur pada
plain tube
meningkat seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds. Hal ini
dikarenakan
kecepatan aliran yang meningkat sehingga waktu terjadinya
perpindahan aliran
konveksi menjadi lebih sedikit pada bilangan Reynolds 10000 jika
dibandingkan
dengan bilangan Reynolds 6000. Fenomena ini dibuktikan dengan
nilai outet
temperature yang lebih tinggi pada bilangan Reynolds 10000.
Beberapa parameter dasar penentu gradien distribusi temperatur
pada
Gambar 4.15 adalah laju aliran massa dan kecepatan aliran. Laju
aliran massa pada
penggunaan fluida R-12 melalui plain tube pada bilangan Reynolds
6000, 7000,
8000, 9000, 10000 berturut-turut adalah 0,057 kg/s, 0,067 kg/s,
0,076 kg/s, 0,086
kg/s, 0,095 kg/s. Data tersebut menujukkan peningkatan pada
setiap kenaikan
bilangan Reynolds sehingga dapat disimpulkan bahwa nilai
performa perpindahan
kalor yang tinggi pada bilangan Reynolds 10000 diakibatkan oleh
banyaknya fluida
yang masuk per satuan waktu namun memiliki nilai outlet
temperature yang lebih
tinggi jika dibandingkan dengan fluida pada bilangan Reynolds
yang lebih kecil.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
49
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.16 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja
amonia dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Gambar 4.16 menunjukkan kontur temperatur amonia yang memliki
nilai
gradien yang lebih besar pada variasi bilangan Reynolds yang
semakin besar. Hal
ini dapat dibuktikan pada data outlet temperature pada variasi
bilangan Reynolds
6000, 7000, 8000, 9000, 10000 berturut-turut sebesar 314,76 K,
315,07 K, 315,32
K, 315,51 K, 315,68 K. Data outlet temperature pada fluida kerja
R-12
menggunakan variasi bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000,
10000 berturut-
turut adalah sebesar 318,65 K, 318,79 K, 318,89 K, 318,98 K,
319,05 K. Dapat
disimpulkan bahwa penggunaan fluida kerja amonia dengan nilai
inlet temperature
yang sama akan menghasilkan nilai outlet temperature yang lebih
kecil pada wujud
zat gas jika dibandingkan dengan fluida kerja R-12 dalam wujud
zat cair.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
50
4.6.2 Kontur Temperatur Rectangular Winglet Vortex Generator
Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.17 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja R-12
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
51
Gambar 4.17 menunjukkan efek penggunaan rectangular winglet
vortex
generator (RWVG) terhadap kontur temperatur. Pengaplikasian
RWVG
menciptakan kurva temperatur yang tidak berbentuk parabola
seperti pada Gambar
4.15 dan Gambar 4.16. Kontur temperatur pada Gambar 4.17
menunjukkan
karakteristik penurunan yang bertahap pada kontur temperatur
yang lebih panas
disepanjang saluran. Setiap aliran yang melewati baris RWVG
mengalami
penurunan yang lebih temperatur rata-rata yang lebih tinggi
dibanding baris RWVG
sebelumnya.
Variasi bilangan Reynolds yang semakin tinggi menyebabkan
perbesaran
daerah pada kontur fluida dengan panas yang lebih tinggi di
bagian outlet. Hal ini
ditandai dengan perbesaran warna merah sebagai representasi
fluida dengan suhu
berkisar 320 K sampai 322 K. Hal ini diakibatkan karena semakin
tingginya
kecepatan fluida saat melewati saluran sehingga menyebabkan
waktu terjadinya
perpindahan kalor konveksi semakin kecil.
Pada Gambar 4.17 juga diperlihatkan bahwa temperatur pada core
flow
region lebih tinggi dari aliran yang berada dekat dengan dinding
saluran
dikarenakan side-running flows dan core-running flows. Gradien
temperatur pada
saluran dengan RWVG lebih tinggi jika dibandingkan dengan plain
tube.
Temperatur fluida yang semakin seragam ini membuktikan adanya
fenomena
pencampuran fluida yang semakin tinggi antara fluida dan dinding
saluran (Liu
dkk., 2018).
(a)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
52
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.18 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja amonia
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Gambar 4.18 menunjukkan penggunaan amonia wujud zat gas
sebagai
fluida kerja. Terdapat perbedaan kontur outlet temperatur jika
dibandingkan dengan
penggunaan R-12 pada Gambar 4.17 yakni ketiadaan aliran yang
memiliki
temperatur dengan kategori sebesar 320 K sampai 322 K yang
ditandai dengan
warna merah pada kontur tersebut. Hal ini dapat dibuktikan
dengan data hasil
simulasi dengan perbedaan temperatur antara amonia dan R-12
dengan
menggunakan RWVG pada bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000,
10000
dengan nilai sebesar 3,89 K, 3,71 K, 3,58 K, 3,47 K, 3,37 K.
Ukuran vortex pada setiap aliran yang melewati vortex generator
akan
meningkat sampai pada batas tertentu dan memainkan peran yang
sangat penting
dalam proses pencampuran fluida. Aliran normal pada area yang
simetri dengan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
53
vortex akan melepaskan partikel fluida panas dengan momentum
rendah yang
berada dekat dengan wilayah dinding saluran menuju partikel
fluida dingin dengan
momentum tinggi pada aliran utama. Proses tersebut yang
menciptakan
pencampuran fluida pada aliran utama (Habchi & Harion,
2014). Longitudinal
vortices yang di generasikan oleh RWVG meningkatkan intensitas
pencampuran
fluida panas dekat dengan dinding saluran dan fluida yang lebih
dingin pada daerah
utama aliran (Liu dkk., 2018).
4.6.3 Kontur Temperatur Delta Winglet Vortex Generator Tube
(a)
(b)
(c)
(d)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
54
(e)
Gambar 4.19 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja R-12
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Penggunaan delta winglet vortex generator (DWVG) sebagai
alternatif
vortex generator memiliki perbedaan karakteristik kontur
temperatur jika
dibandingkan dengan rectangular winglet vortex generator (RWVG)
pada fluida
kerja yang sama. DWVG cenderung memiliki performa perpindahan
kalor yang
lebih rendah jika dibandingkan dengan RWVG. Hal ini dikarenakan
total perluasan
penampang tempat terjadinya perpindahan kalor pada RWVG lebih
luas jika
dibandingkan dengan DWVG. Fenomena tersebut dapat dibuktikan
dengan
membandingkan nilai outlet temperature antara DWVG dan RWVG pada
fluida
kerja yang sama. Nilai outlet temperature pada DWVG lebih tinggi
jika
dibandingkan dengan RWVG menggunakan fluida kerja R-12 dengan
perbedaan
sebesar 0,46 K sampai 0,5 K. Longitudinal swirling motion yang
terbentuk pada
saluran dengan DWVG meningkatkan sinergi antara vektor gradien
kecepatan dan
temperatur sehingga meningkatkan efektifitas dalam peningkatan
pencampuran
fluida dan meningkatkan gradien temperatur selanjutnya
meningkatkan
perpindahan panas (Lei dkk., 2017).
(a)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
55
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 4.20 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja amonia
dengan
variasi bilangan Re (a) 6000 (b) 7000 (c) 8000 (d) 9000 (e)
10000
Penggunaan amonia wujud zat gas pada DWVG memiliki
karakteristik
temperatur berbeda jika dibandingkan dengan R-12. Beberapa
perbedaan tersebut
seperti penurunan temperatur yang drastis saat melewati 4 vortex
generator
sehingga menghasilkan nilai outlet temperature yang lebih kecil.
Perbedaan data
outlet temperature hasil simulasi amonia dan R-12 dengan
menggunakan DWVG
pada bilangan Reynolds 6000, 7000, 8000, 9000, 10000 adalah
sebesar 3,68 K, 3,53
K, 3,42 K, 3,32 K, 3,25 K. Dapat disimpulkan bahwa penggunaan
DWVG memiliki
nilai perbedaan outlet temperature antara R-12 dan amonia yang
lebih kecil jika
dibandingkan dengan penggunaan RWVG.
Kesamaan antara Gambar 4.20 dan 4.19 adalah terdapat aliran yang
lebih
rendah temperaturnya pada daerah sekitar dinding saluran jika
dibandingkan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
56
dengan plain tube. Ini dikarenakan efek longitudinal vortex yang
terbentuk di depan
vortex generator dan dinding saluran selanjutnya yang
menyebabkan tendensi
temperatur yang lebih rendah (Y. Xu dkk., 2017). Terdapatnya
gradien temperatur
yang beragam juga disebabkan karena formasi pencampuran fluida
yang lebih
unggul di bandingkan daerah lainnya oleh adanya vortex generator
(Chamoli dkk.,
2018). Pemanfaatan DWVG mengindikasikan performa yang lebih
baik
dibandingkan plain tube karena lebih banyak fluida panas yang
bida ditekan menuju
aliran utama dan gradien temperatur menjadi lebih tinggi dengan
menggunakan
DWVG (Lei dkk., 2017).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
57
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Pada penelitian ini telah dilakukan simulasi performa
perpindahan kalor
penggunaan saluran pipa pada Shell-and-tube heat exchanger
terhadap
pemanfaatan vortex generator. Beberapa kesimpulan yang
disimpulkan dari hasil
penelitian ini sebagai berikut:
1. Peningkatan penggunaan RWVG pada fluida kerja R-12 adalah
penggunaan
vortex generator dengan performa perpindahan kalor tertinggi
diikuti oleh
DWVG fluida kerja R-12, RWVG fluida kerja amonia, dan DWVG
fluida
kerja amonia. Persentase peningkatan performa perpindahan
kalor
berdasarkan data bilangan Nusselt dan Colburn factor dari
kategori vortex
generator tertinggi hingga terendah berturut-turut adalah
24,20%, 21,38%,
9,13%, 4,19%.
2. Peningkatan pressure loss penggunaan RWVG fluida kerja
amonia
merupakan yang tertinggi diikuti oleh penggunaan RWVG fluida
kerja R-
12, DWVG fluida kerja amonia, dan DWVG fluida kerja R-12.
Persentase
peningkatan pressure loss berdasasrkan data pressure drop dan
friction
factor dari kategori vortex generator tertinggi hingga terendah
berturut-turut
adalah 145,09%, 142,68%, 72%, 66%.
3. Kontur vektor kecepatan menunjukkan pada penggunaan RWVG
menghasilkan longitudinal vortices yang paling tinggi
dibandingkan dengan
penggunaan DWVG pada fluida kerja R-12 dan amonia.
4. Kontur temperatur menunjukkan penggunaan RWVG menghasilkan
nilai
outlet temperature yang lebih rendah dan performa perpindahan
kalor yang
lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan DWVG pada fluida
kerja R-
12 dan amonia.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
58
5.2 Saran
Pada penelitian ini menunjukkan nilai pressure drop yang tidak
sebanding
dengan performa perpindahan kalor yang didapatkan. Penelitian
selanjutnya
diharapkan dapat mengurangi pressure drop akibat dimensi dan
geometri.
Perbaikan dimensi dan geometri vortex generator diharapkan dapat
menjadi solusi
permasalahan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
59
DAFTAR PUSTAKA
Chamoli, S., Lu, R., Xie, J., & Yu, P. (2018). Numerical
study on flow structure
and heat transfer in a circular tube integrated with novel
anchor shaped inserts.
Applied Thermal Engineering, 135(February), 304–324.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.02.052
Chamoli, S., Lu, R., & Yu, P. (2017). Thermal characteristic
of a turbulent flow
through a circular tube fitted with perforated vortex generator
inserts. Applied
Thermal Engineering, 121, 1117–1134.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.03.145
Habchi, C., & Harion, J. L. (2014). Residence time
distribution and heat transfer in
circular pipe fitted with longitudinal rectangular wings.
International Journal
of Heat and Mass Transfer, 74, 13–24.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.007
Habchi, C., Russeil, S., Bougeard, D., Harion, J. L., Lemenand,
T., Della Valle, D.,
& Peerhossaini, H. (2012). Enhancing heat transfer in vortex
generator-type
multifunctional heat exchangers. Applied Thermal Engineering,
38, 14–25.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.01.020
Han, Z., Xu, Z., & Wang, J. (2018). Numerical simulation on
heat transfer
characteristics of rectangular vortex generators with a hole.
International
Journal of Heat and Mass Transfer, 126, 993–1001.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.081
Hatami, M., Ganji, D. D., & Gorji-Bandpy, M. (2015).
Experimental investigations
of diesel exhaust exergy recovery using delta winglet vortex
generator heat
exchanger. International Journal of Thermal Sciences, 93,
52–63.
https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2015.02.004
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
-
60
He, Y. L., Chu, P., Tao, W. Q., Zhang, Y. W., & Xie, T.
(2013). Analysis of heat
transfer and pressure drop for fin-and-tube heat exchangers with
rectangular
winglet-type vortex generators. Applied Thermal Engineering,
61(2), 770–
783. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.02.040
Lei, Y., Zheng, F., Song, C., & Lyu, Y. (2017). Improving
the thermal hydraulic
performance of a circular tube by using punched delta-winglet
vortex
generators. International Journal of Heat and Mass Transfer,
111, 299–311.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.101
Li, M. J., Zhou, W. J., Zhang, J. F., Fan, J. F., He, Y. L.,
& Tao, W. Q. (2014). Heat
transfer and pressure performance of a plain fin with radiantly
arranged
winglets around each tube in fin-and-tube heat transfer surface.
International
Journal of Heat and Mass Transfer, 70, 734–744.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.024
Liang, G., Islam, M. D., Kharoua, N., & Simmons, R. (2018).
Numerical study of
heat transfer and flow behavior in a circular tube fitted with
varying arrays of