optimasi shell and tube kondensor dan …

Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 4 No. 2

86

OPTIMASI SHELL AND TUBE KONDENSOR DAN PEMANFAATANENERGI PANAS TERBUANG PADA AC UNTUK PEMANAS AIR

Jainal Arifin*, Yogi Sirodz**, Sorimuda Harahap***Universitas Islam Kalimantan, Fakultas Teknik, Kalsel*

Program Studi Magister Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Jakarta**Program Studi Magister Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Jakarta***

Email : [email protected]

AbstrakJenis alat penukar kalor sangatlah beragam dan masing-masing dirancang untuk

memenuhi kebutuhan yang spesifik, namun demikian jenis shell and tube sejauh ini merupakanjenis yang paling banyak dipergunakan berkat konstruksinya relatif sederhana dan memilikikeandalan karena dapat dioperasikan dengan beberapa jenis fluida kerja. Efek pendinginan yangdihasilkan dalam sistem refrigransi tergantung dari efektifitas kinerja kondensor sementara, kinerjakondensor semakin lama akan menurun seiring terjadinya pengotoran pada dinding pipa.

Pada penelitian ini dilakukan analisa optimasi sistem termal pada sebuah kondensor shelland tube sebagai alat penukar kalor atau yang kita sering sebut (APK) dari hasil optimasikondensor shell and tube dengan menggunakan analisis full factorial yang di validasikan dengansofwareHead Transfer Research Inc (HTRI) dan disimulasikan dengan Computational FluidDynamics (CFD), didapat hasil yang optimum adalah diameter shell 0.98 mm, jumlah tube 19buah dengan diameter tube 12.7 mm, panjang tube 1,27 m, dan koefisien perpindahan panas secaramenyeluruh adalah 50247.26 W/m2K dengan penentuan diameter temperatur desain kondensordan mempertimbangkan desain kondensor yang akar panas diserap lebih besar dan alat bisabekerja lebih optimal sehingga pendinginan ruangan lebih maksimal bekerjanya.

Kata Kunci : Desain termal, kondensor, simulasi

I PENDAHULUAN

Kondensor merupakankomponenpendingin yang sangat pentingdan berfunngsi untuk memaksimalkanefesiensi pada mesin AC yang pada intinyaterletak di kondensor sebagai mendinginkangas refrigerant dan ini terjadi pelepasanpanas pada shell and tube yang mana airdialirkan didalam pipa pada kondensor,kemudian air tersebut seketika panas karenaada gas refrigerant yang berada di dalamshell tersebut, air panas yang berada didalampipa selanjutnya di alirkan kedalampenampungan sementara untuk dipakaikeperluan mandi.

Pada umumnya aliran fluida yangmengalir terus-menerus di dalam alatpenukar kalor, setelah melampaui operasitertentu akan mengakibatkan pengotoranpada dinding shell and tube tersebut deposityang terbentuk dipermukaankebanyakanakan mempunyai konduktivitastermal yangcukup rendahsehingga akanmengakibatkan penurunan efesiensi globalperpindahan panas didalam alat penukarkalor,akibatnya laju perpindahan panasdidalam alat penukar kalor menjadi rendah.

Dasar perhitungan termal kondensoradalah terpenuhi kinerja secara termal pada

kondisi normal, berbagai asumsi dapatdiambil untuk penyelesaian denganmenentukan kondensor sebagai volumekontrol tunggal dan koefisien perpindahanpanas dua sisi masuk dan keluar. Koefisienperpindahan panas didasarkan secara terus –menerus koefisien sisi shell (kondensasi),untuk sisi tube pendingin di manfaatkanpanasnya didalam pipa tersebut untukkeperluan mandi, parameter desainkondensor termasuk luasan perpindahanpanas, parameter operasi dan dimensi tube,desain termal merupakan salah satu bagiankegiatan desain dari keseluruhan yangmencakup analisa vibrasi, analisa korosi,desain mekanik, gambar teknik danfabrikasi.

Dari penelitian ini diharapkan mampumelakukan perancangan sebuah alat penukarkalor (APK) sesuai dengan standar yangyang berlaku dan melakukan optimasiperformancenya sehingga dapat dihasilkanalat penukar kalor (APK), yang memilikiefektivitas tinggi, kemudian di validasikandengan sofware HTRI (Head TransferResearch Inc) dan CFD (ComputationalFluid Dynamic) dimana Sofware iniberfungsi untuk membuktikan bahwa suatuproses atau metode dapat memberikan hasilyang konsisten sesuai dengan spesifikasiyang telah ditetapkan dan terdokumentasi


87

dengan baik dan di simulasikan denganaliran fluida pada dalam sebuah pipa.

II LANDASAN TEORI

2.1 Prinsip dasar perancanganAlat penukar kalor jenis shell and tube

adalah alat penukar kalor yang banyakdigunakan diberbagai macam industridanpaling sederhana dibandingkan denganalatpenukar kalor yang lainnya, yangdipergunakan diberbagai instalasi prosesproduksi pada dasarnya merupakan tempatpertukaran energi dalam bentuk panasdarisebuah sumber atau fluida ke sumber yanglain. Komponen ini merupakan peralatanyang vital karena tanpa menggunakankomponen ini, kebanyakan proses industritidak dapat dioperasikan, dalam prosesperancangan alat penukar kalor shell andtube tujuan utamanya adalah menentukandimensi dan geometri alat tersebut sesuaidengan spesifikasi bahan dan proses yangtelah ditentukan.

Prosesnya terdiri daribeberapa tahap,di mana yang pertama biasanya adalahpendefinisian aliran fluida kerja yang akandilewatkan pada bagian shell and tube. Padatahap yang kedua dilakukan pemilihandimensi dan geometri shell and tube, sepertidiameter shell minimum dan maksimumukuran dan bahan pipa serta susunan dantata letaknya, sesuai standar yang ada. Tahapselanjutnya adalah menetapkan hargamaksimum yang diijinkan bagi kerugiantekanan di sisi shell maupun di sisi tube,serta menetapkan type dan ukuran buffle.

2.2 Perancangan sebuah alat penukarkalor jenis shell&tube

Dalam melakukan perancangan kitaperlu memperhitungkan dengan rumus-rumussebagai berikut:

Laju perpindahan energi panas yangditerima oleh aliran fluida dingin :

)(. cicopcc TTcmQc Temperatur aliran keluar, Tho :

)(. hohiphhh TTcmQ

Beda temperatur rata-rata logaritmikkonfigurasi aliran counter flow :

)/ln( 21

21

TT

TTTm

Faktor untuk koreksi konfigurasishell&tube := ( + 1). { + 1}( + 1) ln

Perhitungan luas permukaan perpindahanpanas total, Atotal =

Perhitungan diameter shell (Ds)= 0.637 . ( ) . Perhitungan diameter jumlah tube (Nt)= 0.785 ( ) ( ) Koefisien global perpindahan panas (U)1 = 1ℎ + 1ℎ + + Laju perpindahan panas

maksimum,(Number Of Transfer Unit)

min

NTU= oUA

C

Efektivitas alat penukar kalor

max

100%Q

Q

III METODE PENELITIAN

Penelitian ini mengikuti langkah-langkah pada bagan alur di bawah ini :


88

Mulai

Studi Literatur

Studi Lapangan

IdentifikasiMasalah

Perhitungan Desain KondensorPerhitungan beban termal Qh = Qc Perhitungan bedatemperatur rata-rata logaritmik∆T = Thi – Tco

∆T = Tho – Tci

Dtlm = F. ∆Tm

Perhitungan luas total permukaan perpindahan kalor

Menggunakan Metode Full FacorialMencari Kondisi Optimum

Optimum Desain

Analisa Perhitungan dan Pembahasan

Selesai

Ya

Tidak

Desain Yang DipilihPada Kondensor

Gambar 1 Diagram alir penelitian

Metode yang digunakan dalamoptimasi desain kondensor tipe shell andTube ini adalah dengan memperhatikan danmenggunakan dari faktor desain awalkondensor tipe shell and Tube pada mesinsistem AC selanjutnya dilakukanperhitungan untuk menentukan kondisioptimum dengan menggunakan metode fullFactorial dan disimulasikan dengan programHTRI sebagai perbandingan, untuk aliranfluidanya menggunakan simulasiCFD.Dengan menggunakan metodeeksperimen full Factorial dapat dibuattabel, selanjutnya dikombinasi dengan empat

variabel bebas dan ada tiga level penelitiantersebut.Table 1 variable bebas dan level eksperimen

Air MasukGas Freon Masuk

Air Keluar

Gas Freon keluar

Gambar 2 Kondensor

IV HASIL PENELITIAN

Sebelum melakukan perancangan kitaakan melakukan perhitungan secara manualdengan menggunakan rumus-rumus yangsudah ada sehingga perancangan tersebutakan memberikan hasil yang paling tepatdan kemudian kita akan validasikan dengansoftware HTRI, (Head Transfer ResearchInc) dan kemudian di simulasikan denganmenggunakan program CFD (ComputationalFluid Dynamics)

Berdasarkan analisa data danpengolahan data degan menggunakanmetode eksperimen Full factorial, makadapat di identifikasikan bahwa kondisidesain yang terbaik dan memberikan hasildesain paling optimum atau paling ekonomisdengan jumlah tube paling sedikit namun disini mencari nilau U paling besar, dimananilai U paling besar ialah melepaskan panassecara menyeluruh pada sebuah kondensor.Pada penelitian ini sebagai variabel bebasdan ruang lingkup desain dipilih sebagaiberikut:1. Diameter pipa dipilih berukuran : 9.52

mm ; 12.7 mm ; 15.8mm


88

Mulai

Studi Literatur

Studi Lapangan

IdentifikasiMasalah


∆T = Tho – Tci

Dtlm = F. ∆Tm



Optimum Desain


Selesai

Ya

Tidak






Air Keluar

Gas Freon keluar

Gambar 2 Kondensor

IV HASIL PENELITIAN



mm ; 12.7 mm ; 15.8mm


88

Mulai

Studi Literatur

Studi Lapangan

IdentifikasiMasalah


∆T = Tho – Tci

Dtlm = F. ∆Tm



Optimum Desain


Selesai

Ya

Tidak






Air Keluar

Gas Freon keluar

Gambar 2 Kondensor

IV HASIL PENELITIAN



mm ; 12.7 mm ; 15.8mm


89

2. Bentuk susunan pipa dipilih berbentuk: 300 ; 450 ; 600

3. Jarak antara tube dipilih 1.6 ; 2.0 ; 2.44. Panjang shell dipilih ukuran : 1 ; 1.27 ;

1.5

Selanjutnya ruang lingkup penelitianyang berisikan banyaknya kondisi desaindan jumlah eksperimen yang akan dilakukanada 81 kali percobaan pada table berikut ini:

Tabel 2 Kondisi desain dan jumlaheksperimental full factorial


90

4.1 Analisa hasil perhitungan yang

optimum

Dari analisis tersebut diatas makadapat di indetifikasi bahwa kondisi desainyang terbaik memberikan hasil desain palingoptimum atau paling ekonomis diametertube do 12.7 mm, panjang tube 1.27 m, pitchrasio 1.6, bentuk susunan tube dengan 600..Sehingga didapat nilai U paling besar adalah50247.26W/m2K.

Sedangkan standar milik perusahaandiameter tube do 12.7 mm, panjang tube 1.50m, pitch rasio 1.6 dan yang terakhir Pitchrasio dengan 450.. Sehingga didapat nilau Upaling besar adalah 41848.92 W/m2K.

Dari dua perbandingan diatas makadesain paling ekonomis adalah yangmenunjukan nilai U paling besar dimanamemberikan pengaruh lebih besar. Danuntuk membandingkan hasil dari hasilperhitungan yang kita olah maka disinimenggunakan bantuan sofware HTRIsebagai perbandingan, untuk simulasitemperatur,kecepatan aliran dan tekananmenggunakan sofware CFD. Selanjutnyahasil dari eksperimen perhitungan Fullfactorialyangdilakukan dan diperolehpengaruh dari masing-masing faktor padajumlah tube dan diameter shell sehinggadiperoleh hasil kondisi desain yang palingoptimum kondisi optimum alat penukarkalor dapat dilihat seperti pada tabeldibawah ini:

4.2 Perbandingan Data Awal DenganHTRI

Tabel 3 Perbandingan desain awal dari alatpenukar kalor dengan software HTRI

Table 4 Hasil design awal dengan programHTRI


91

Gambar 3 Grafik 1 Perbandingan data awaldengan HTRI

Dari grafik diatas dapatmemperlihatkan pengujian dari desain awaldari data spesifikasi alat penukar kalordengan hasil program HTRI menunjukandata dimensi utama untuk mendesain alatpenukar kalor tipe shell and tube padakondensor, sedikit memiliki perbedaan lajualiran refrigrant dari data awal menunjukan6.2 kg/s dan data HTRI menunjukan 5.3 kg/skemudian untuk jarak antara tube sedikitberbeda dengan data awal 1.6 sedangkandari program HTRI menunjukan nilai 1.4 initidak berpengaruh besar sedangkan LMTDdengan data awal 17.9 dan data HTRImenunjukan nilai 17.0 sealnjutnya koefisienperpindahan panas secara menyeluruh Umenunjukan sedikit berbeda dengan nilai41848 W/m2K sedangkan hasil dari HTRI39083 ini tidak terlalu jauh berbeda denganhasil validasi HTRI dengan data awal,sehingga dapat dibuat perbandingan antaradesain awal dari dimensi utama alat penukarkalor tipe shell and tube.

4.3 Perbandinga hasil Optimasi denganProgram HTRI

Tabel 5 Hasil Desain kondisi Optimum programHTRI

Gambar 4 Grafik Perbandingan hasil optimasidengan HTRI

4.4 Perbandingan data Optimasi denganHTRI

Berdasarkan hasil perhitungan kondisioptimum dengsn menggunakaneksperimental full factorial dibandingkandengan simulasi program HTRI memilikihasil yang mendekati sama sepertimenggunakan metode full factorial ataudengan kata lain secara teoritis, dan darihasil Optimasi dengan sofware HTRI bahwamenunjukan bahwa hasil optimasi denganvalidasi sofware HTRI tidak begitu jauhberbeda, namun ada beberapa yang berbedaseperti temperatur refrigrant masuk dengandata optimasi sebesar 680 C sedangkan hasildari HTRI didapat 620 C, kemudian lajualiran massa air dengan hasil optimasiadalah 2.8 kg/s sedangkan dari HTRIdidapat 2.4 kg/s, selanjutnya jarak antaratube sedikit memiliki perbedaan dari hasiloptimasi 1.6 sedangkan hasil dari HTRIdidapat 1.4 ini tidak terlalu berpengaruhterlalu besar, CTP hasil dari Optimasimenunjukan bahwa 0.90 sedangkanmenggunakan sofware HTRI menunjukan0.93, selanjutnya LMTD dari hasil optimasi17.5 K sedangkan hasil dari Htri 17.9 K danyang terakhir adalah koefisien perpindahanpanas secara menyeluruh hasil dari optimasi50247 W/m2K sedangkan menggunakansofware HTRI didapatkan 48777 W/m2K,maka dapat disimpulkan hasil optimasidengan menggunakan sofware HTRImenunjukan bahwa tidak jauh perbedaannyasehingga dapat dibuat perbandingan antaradesain awal dari dimensi utama alat penukarkalor tipe shell and tube


92

4.5 Simulasi karakteristik aliran padaprogram CFD

Bentuk aliran hasil analisamenggunakan program CFD didapatbentuk aliran yang terlihat sepertigambar dibawah ini. Bentuk gambaryang ditampilkan diantaranya jenisdistribusi temperatur kecepatanaliran dan tekanan.

Gambar 5 distribusi CFD

Dari hasil analisa yang dilakukan secaramanual dengan menggambil data secaralangsung pada sebuah Hotel BanjarmasinInternasional dapat diketahui:1. Distribusi temperatur pada sisi tube

dari spesifikasi suhu yang di dapat saatpendinginan pada temeratur air Tci 270C dan temperatur air keluar Tco 48 0C.

2. Distribusi pada sisi shell di dapat suhupanas pada temperature Refrigrant R22pada suhu masuk Thi 68 0C dan suhurefrigrant keluar Tho 42 0C denganefesiensi

Sistem pemindahan panas sebesar 51.21%Berkaitan dengan aliran yang terjadi

saat memindahkan panas atau mendiginkanfluida aliran yang terjadi pada desain yangbaik akan mengalami perbedaan signifikandan juga tidak telalu lambat yang dapatmenyebabkan pengotoran dalam jangkawaktu tertentu setelah terjadi pengotoranmaka proses pendinginan menjadi tidakefektif.

Sedangkan distribusi Kecepatan adalah:1. Distribusi kecepatan pada sisi tube,

kecepatan aliran yang terjadi padabagian tube yaitu 2.6 m/s setelahdilakukan desain dengan menggunakanHTRI pola aliran pada tube menggalamiperbaikan.

2. Distribusi kecepatan pada sisi shelladalah 6.2 m/s setelah dilakukan desaindengan menggunakan HTRI pola aliranpada tube menggalami perbaikan.

Distribusi Tekanan adalah:1. Distribusi tekanan pada sisi tube

tekanan atau presure drop yang terjadipada bagian tube yaitu 4.02 kPa setelahdilakukan desain dengan menggunakanHTRI. Tekanan atau pressure drop yangterjadi pada bagian tube 2.02 kPa

2. Distribusi tekanan pada sisi shell yaitu6.2.kPa setelah dilakukan desain denganmenggunakan HTRI. Tekanan ataupressure drop yang terjadi pada bagianshellmengalami perbaikan menjadi 3.4kPa

Setelah dilakukan analisa denganmenggunakan metode eksperimen fullfactorial dan dimasukan dalam programHTRI maka didapatkan Pressure drop yangterjadi antara perhitungan 6.2 kPa dalamaktual dan simulasi 3.4 kPa tidak terlalusignifikan atau tidak telalu jauh beda hal inimenandakan kesesuian antara simulasidengan perhitungan sedangkan overdesign15.59 %. pressure drop diperlukan sebagaiindikasi penurunan tekanan sealma terjadipendiginan atau pemindahan panas,berkaitan dengan aliran yang terjadi saatmemindahkan panas atau mendinginkanfluida aliran yang terjadi pada design yangtidak baik mengalami perbedaan yangsignifikan dan juga tidak terlalu lambat yangdapat mengakibatkan pengotoran dalamjangka waktu tertentu, setelah terjadi foulingmaka proses pendinginan pada ruangan tidakmenjadi efektif karena panas yangdilepaskan tidak maksimal bekerjanya,

Jika pada design utama yang sekarangini digunakan pada Hotel BanjarmasinInternasional dengan banyak Tube 16 buahdengan diameter shell 124 mm dan panjang1.50 m setelah dilakukan redesainmenggunakan sofware HTRI dan hasilPerhitungan maka didapat 19 buah tubedengan diameter 0.98 mm dan panjang tube1.27 m.


93

Jadi melalui analisa sistem dapatdiasarankan untuk digunakan pada HotelBanjarmasin Internasional untukdimanfaatkan menjadi alat pemindah panasatau kemungkinan untuk merubah Headexchangger yang dimilikinya menjadi desainbaru yang lebih ekonomis selain itudisarankan untuk pihak lain untuk dapatmelakukanpenelitian secara lebih mendalamagar mendapatkan hasil pemindahan panasyang lebih optimal.

V KESIMPULAN

Berdasarkan analisa data danpembahasan, dapat diambil kesimpulanmengenai optimasi kondensor tipe shell andtube pada mesin pendingin ruangan yangpaling optimal, Pada penelitian ini dilakukananalisa optimasi sistem termal pada sebuahkondensor shell and tubesebagai alatpenukar kalor atau yang kita sering sebut(APK) dari hasil optimasi kondensor shelland tubedengan menggunakan analisis fullfactorial yang di validasikan dengansofwareHead Transfer Research Inc(HTRI)dan disimulasikan dengan ComputationalFluid Dynamics (CFD), dengan didapat hasilyang optimum diameter tube 12.7 mm, danpanjang tube, 1.27 m dengansusunan tube600, dan jumlah 1 passdimana memberikanhasil desain dengan jumlah tube 19 buah,diameter shell 0,098 m.Sedangkan desainyang adaDari hasil optimasi padaperhitungan maka kita cari harga U yangpaling besar dimana harga U paling besarakan memberikan penggaruh yang lebihbesar juga, dari hasil perhitungan makaKoefisien perpindahan panas secaramenyeluruh U adalah 50247.26 W/m2K

DAFTAR PUSTAKA

1. Frank Kreith, William Z. Black 1980.Basic Head Transfer. Amerika harperand Row

2. Stocker, Supratman Hara. 1992Refrigeransi dan pengkondisian udara.Jakarta : Erlangga

3. Frank M. White. 1996 Mekanika FluidaEdisi kedua jlid 1. Jakarta : Erlangga

4. Frank Kreith, Arko Prijono M.Sc. 1997.Prinsip-prinsip perpindahan panasjakarta: Erlangga

5. Cenggel Y.A. Boles M.AThermodynamics an enggineeringApproach, 3rd ed, McGraw Hill.1999.

6. Tuarkia, Firman, 2008 Dasar-dasar CFDMenggunakan FLUENT , BandungInformatika.

7. Jurnal usman ur rehman 2011. Headtransfer optimization of shell and tubehead excangger.

8. Jurnal Ratiko 2012 optimasi multiobyektif sistem pendingin pada ruanganpenyimpanan bahan bakar nuklir .Teknologi BATAN.

9. Moran JM, Shapiro NH. 1988.Fundamental of EngineeringThermodynamics. New York: JohnWilley & Son, Inc.

10. Cengel YA. 2003. Heat transfer apractical approach. Second Edition.Singapore: Mc Graw Hill.

11. Suryanarayana NV, Arici Oner. 2003.Design and simulation of thermalsystem. New Ork: Mc Graw-HillHigher Education

12. Boehm, R.F. 1987. Design of Analysisof Thermal System. New York:JohnWiley & Sons.

13. Cengel YA, Boles MA. 2006.Thermodynamics an engineeringapproach. Fifth Edition in SI Unit.Singapore: Mc Graw Hill..

optimasi shell and tube kondensor dan …

Documents