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