Waste Heat Recovery merupakan instalasi yang digunakan untuk memanfaatkan kembali waste energy seperti exhaust gas. Penelitian dilakukan pada compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube sebagai salah satu komponen penyusun waste heat recovery system. Eksperimen dilakukan dengan mendesain compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube kemudian dilakukan pengujian pada compact heat exchanger yang telah didesain. Pengujian dilakukan dengan memberikan tiga variasi kecepatan putaran fan sisi exhaust gas, yaitu 0.2, 0.3, dan 0.4 m/s untuk mengetahui unjuk kerja yang berbeda dari compact heat exchanger yang telah didesain.  Hasil yang didapatkan dari studi eksperimen ini adalah dimensi dari compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube dan beberapa parameter yang menunjukkan unjuk kerja dari compact heat exchanger seperti nilai heat transfer baik dari sisi air maupun sisi exhaust gas, effectiveness, number of transfer unit (NTU), overall heat transfer coefficient, dan  ΔTLMTD dari compact heat exchanger

Ismail, Taqwim

Putra, Ary Bachtiar Khrisna

Indonesian

Jurnal Teknik ITS

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                                                  B-136  Abstrak—Waste Heat Recovery merupakan instalasi yang digunakan untuk memanfaatkan kembali waste energy seperti exhaust gas. Penelitian dilakukan pada compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube sebagai salah satu komponen penyusun waste heat recovery system. Eksperimen dilakukan dengan mendesain compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube kemudian dilakukan pengujian pada compact heat exchanger yang telah didesain. Pengujian dilakukan dengan memberikan tiga variasi kecepatan putaran fan sisi exhaust gas, yaitu 0.2, 0.3, dan 0.4 m/s untuk mengetahui unjuk kerja yang berbeda dari compact heat exchanger yang telah didesain.  Hasil yang didapatkan dari studi eksperimen ini adalah dimensi dari compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube dan beberapa parameter yang menunjukkan unjuk kerja dari compact heat exchanger seperti nilai heat transfer baik dari sisi air maupun sisi exhaust gas, effectiveness, number of transfer unit (NTU), overall heat transfer coefficient, dan  ΔTLMTD dari compact heat exchanger.   Kata kunci—Compact Heat Exchanger, Louvered-Fin, Waste Heat Recovery System  I. PENDAHULUAN ndonesia merupakan salah satu negara berkembang yang memiliki potensi untuk menghasilkan waste energy yang begitu besar. Salah satu bentuk dari waste energy yg dihasilkan di Indonesia adalah exhaust gas yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), exhaust gas yang dihasilkan oleh PLTD ini mempunyai kisaran temperatur yang cukup tinggi yaitu 300oC hingga 500oC. Dengan adanya potensi waste energy yang begitu besar tersebut maka dikembangkanlah suatu sistem waste heat recovery untuk memanfaatkan exhaust gas yang dihasilkan, waste heat recovery system dirancang untuk memanfaatkan exhaust gas sebagai sumber energi utama untuk pembangkit listrik skala kecil. Salah satu komponen utama dari waste heat recovery system adalah heat exchanger. Fungsi utama dari heat exchanger adalah menyerap energi panas yang dihasilkan oleh exhaust gas. Tipe heat exchanger yang umumnya digunakan di dunia adalah tipe shell and cube dan compact heat exchanger.  Penelitian ini dilakukan dengan mendesain sebuah heat Exchanger sebagai salah satu komponen utama dari waste heat recovery system. Artikel George Thomas Hall dan James Edwin Marthinuss Jr yang berjudul Air Cooled Heat Exchanger Design meneliti tentang pengaruh beberapa parameter yang menjadi pertimbangan untuk design HE meliputi perpindahan panas, pressure drop, ukuran dan berat [1]. Tipe heat exchanger yang dipilih adalah compact heat  Tabel 1. Data-data awal yang digunakan sebagai dasar perancangan compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube No Data Nilai 1 Temperatur inlet Gas (Th,i) 280oC 2 Temperatur outlet Air (Tc,o) 120.2oC 3 Temperatur inlet Air (Tc,i) 27oC 4 Mass Flowrate Gas (ṁgas) 0.48376 Kg/s 5 Mass Flowrate Air (ṁair) 0.01023 Kg/s exchanger yang umumnya digunakan untuk luasan perpindahan panas per unit volume yang besar dan salah satu fluida kerjanya berbentuk gas. Selanjutnya heat exchanger yang telah di desain akan diuji performanya dengan memberikan variasi flowrate exhaust gas. Dari penelitian ini didapatkan data-data sebagai dasar mengetahui kondisi operasi optimum untuk compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube yang merupakan salah satu komponen utama dari waste heat recovery system.  II. METODE PENELITIAN A. Perancangan Compact Heat Exchanger tipe Louvered Fin Flat Tube   Perancangan compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube menggunakan data-data yang disesuaikan dengan kemampuan komponen penyusun instalasi pengujian performa untuk skala laboratorium sehingga didapatkan data-data yang menunjukkan kondisi operasi optimum dari compact heat exchanger yang dirancang. Data-data awal yang digunakan sebagai dasar perancangan compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube disajikan dalam Tabel 1. Data-data di atas diperoleh dengan keterangan sebagai berikut: 1. Temperatur inlet gas dirancang sebesar 280oC karena pengujian dilakukan dalam skala laboratorium dan disesuaikan dengan material thermocouple yang digunakan untuk mengukur temperatur exhaust gas. 2. Temperatur outlet air dirancang 120.2oC karena temperatur jenuh air pada tekanan 2 bar adalah 120.2oC dan diharapkan fase fluida keluar dari heat exchanger dalam fase campuran. 3. Temperatur inlet air dirancang pada temperatur kamar kurang lebih 27 oC.    Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger Louvered Fin Flat Tube untuk Pemanfaatan Waste Energy Taqwim Ismail, Ary Bachtiar Khrisna Putra Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: arybach@me.its.ac.id I JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                                                  B-137  Tabel 2. Hasil perancangan didapatkan compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube dengan dimensi Flat Tube Tebal tube 3.048 mm Lebar tube 22.098 mm Panjang tube 300 mm Jumlah tube 34 Bentuk susunan tube                           Aligned Jarak tube transversal ( ST) 8.0264 mm Jarak tube arah longitudinal ( SL )            6.35 mm Fin Jumlah fin 4000 Tebal fin 0.1016 mm Lebar fin 8.0264 mm Core Compact Heat Exchanger Tinggi Compact Heat Exchanger 300 mm Panjang Compact Heat Exchanger  400 mm Lebar Compact Heat Exchanger 12 mm 1. Mass flowrate exhaust gas dirancang pada kapasitas maksimal fan hisap yang digunakan yaitu 2280 m3/jam dengan menggunakan persamaan :              Dengan : ρgas : density gas pada Tmean gas  Qfan : Kapasitas maksimal fan  2. Mass flowrate air dirancang sesuai dengan spesifikasi debit pompa yang digunakan yaitu 10 gallon/jam dengan persamaan :                        Dengan : ρgas : density gas pada Tmean air   Qpompa : debit pompa   Dari data awal di atas kemudian dilakukan proses perancangan compact heat exchanger dengan menggunakan metode ΔTLMTD (log mean temperature difference) yang kemudian dilanjutkan dengan mencari nilai overall heat transfer desain dari compact heat exchanger (UAdesain). Selanjutnya dilakukan proses perhitungan untuk mencari nilai Reynolds number (Re), Nulsett number (Nu), Stanton number (St), koevisien konveksi (h) dari sisi air maupun exhaust gas serta efisiensi dari louvered fin dengan persamaan sebagai berikut [2]: Efisiensi Louvered Fin                ........................................... (1) Af  = AHE x β .......................................................... (2) AHE =       ........................................................ (3) Hasil akhir yang didapatkan dari proses perhitungan adalah overall heat heat transfer (UAperhitungan).  Selanjutnya untuk memastikan bahwa dimensi compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube yang didapat dari proses perhitungan sudah mendekati dengan desain maka dipilih nilai toleransi maksimal sebesar 10% antara UAdesain dan UAperhitungan. Dari dalam Tabel 2.  B. Metode Pengujian Compact Heat Exchanger tipe Louvered Fin Flat Tube  Gambar 1. Skema Instalasi Percobaan Compact Heat Exchanger Keterangan gambar: Berikut berupa skema pengujian yang digunakan secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 1. Cara kerja alat pada gambar 1 bermula dari air yang terdapat di dalam water receiver disedot oleh gear pump dan dialirkan masuk menuju ke compact heat exchanger. Gate valve digunakan untuk mengatur flow air yang masuk compact heat exchanger dan nilai flownya bisa dilihat pada flowmeter yang ditempatkan sebelum masukan compact heat exchanger. Pada sisi exhaust gas sebagai sumber panas akan divariasikan tiga putaran fan hisap untuk mengetahui performa terbaik dari compact heat exchanger. Penelitian kali ini dikhususkan pada pengujian performa compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube sebagai salah satu komponen utama waste heat recovery system. Titik – titik pengukuran pada pengujian performa compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube seperti dijelaskan pada gambar 1 adalah Selama proses pengujian compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube tersebut terdapat  parameter-parameter yang diukur yaitu, debit air (Q) menggunakan flowmeter, Temperatur air masuk compact heat exchanger (Tc.i), Temperatur air keluar compact heat exchanger (Tc.o), Temperatur exhaust gas masuk compact heat exchanger (Th.i), Temperatur air keluar compact heat exchanger (Th.o), Tekanan air masuk compact heat exchanger (Pc.i), menggunakan Preassure gage, Kecepatan exhaust gas angin (vgas) menggunakan Anemometer digital.  B. Perhitungan Compact Heat Exchanger Berikut berupa rumus yang dipergunakan dalam perhitungan performa compact heat exchanger [3] :                               ...................... (4)                            .......................... (5)                        .............................. (6) Effectiveness compact heat exchanger               .................................................... (7)   JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                                                  B-138   Gambar 2. Grafik q aktual fungsi Reynolds Number Sisi Gas III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian eksperimen compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube dengan variasi flowrate exhaust gas didapatkan beberapa analisa performansi compact heat exchanger yang ditunjukkan oleh grafik dari tiap variasi flowrate.  Pada gambar 2 di bawah, terlihat bahwa nilai q aktual sisi air memiliki nilai yg relatif konstan terhadap perubahan Reynolds Number gas,  sedangkan untuk nilai q aktual sisi gas mengalami kenaikan yang relatif rendah seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas. Dari hasil grafik di atas nilai q aktual sisi air memiliki nilai yang relatif konstan karena mass flowrate air tidak divariasikan dan outlet sisi air sudah dalam fase campuran sehingga temperatur keluaran sisi air relatif konstan. Sedangkan untuk nilai q aktual sisi gas yang kecepatan gasnya divariasikan, memiliki nilai q aktual yang terus meningkat seiring bertambahnya nilai Reynolds Number dikarenakan semakin bertambahnya nilai kecepatan maka nilai mass flowrate sisi gas akan semakin tinggi dan untuk nilai ΔTgas yang relatif tetap maka nilai q aktual gasnya akan semakin tinggi. Pada gambar 2, terlihat bahwa nilai q aktual sisi air memiliki nilai yg relatif konstan terhadap perubahan Reynolds Number gas,  sedangkan untuk nilai q aktual sisi gas mengalami kenaikan yang relatif rendah seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas. Dari hasil grafik di atas nilai q aktual sisi air memiliki nilai yang relatif konstan karena mass flowrate air tidak divariasikan dan outlet sisi air sudah dalam fase campuran sehingga temperatur keluaran sisi air relatif konstan. Sedangkan untuk nilai q aktual sisi gas yang kecepatan gasnya divariasikan, memiliki nilai q aktual yang terus meningkat seiring bertambahnya nilai Reynolds Number dikarenakan semakin bertambahnya nilai kecepatan maka nilai mass flowrate sisi gas akan semakin tinggi dan untuk nilai ΔTgas yang relatif tetap maka nilai q aktual gasnya akan semakin tinggi. Pada gambar 3, dilihat bahwa nilai effectiveness memiliki nilai yg menurun terhadap perubahan Reynolds Number sisi gas.  Dari hasil grafik di atas nilai effectiveness mengalami penurunan seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas, hal ini dikarenakan effectiveness merupakan ratio antara q aktual sisi gas dan q maksimal dari Compact Heat Exchanger. Pada grafik di atas nilai heat transfer maksimal (qmax) dari Compact Heat Exchanger mengalami kenaikan   Gambar 3. Grafik Effectiveness Fungsi Reynolds Number Sisi Gas    Gambar 4. Grafik NTU Fungsi Reynolds Number Sisi Gas  yang cukup signifikan terhadap nilai Reynolds Number yang semakin tinggi sedangkan nilai heat tranfer aktual sisi gasnya (qaktual) mengalami kenaikan yang relatif rendah terhadap perubahan Reynolds Number gas.Pada gambar 4, terlihat bahwa semakin tinggi nilai Reynolds Number sisi gas maka nilai NTU semakin menurun. Dari hasil grafik di atas nilai NTU mengalami penurunan seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas, hal ini dikarenakan semakin tingginya nilai Reynolds Number sisi gas maka nilai heat capacity rate sisi gas (Ch = Cmin) akan semakin besar. Sehingga sesuai persamaan pendekatan yang ada pada buku incropera untuk overall heat transfer dan luasa total perpindahan panas yang relatif tetap maka nilai NTUnya akan semakin menurun. Gambar 5 dibawah menunjukkan bahwa effectiveness desain memiliki nilai tertinggi yaitu 0.571, nilai effectivenessnya pada saat percobaan lebih kecil dari nilai effectiveness desain karena pada desain diberlakukan beberapa asumsi untuk memudahkan proses perencanaan, seperti thermal resistance pada perpindahan panas konduksi sangat kecil sehingga bisa diabaikan.  Dari grafik di bawah dapat diketahui bahwa nilai effectiveness maksimal pada proses pengujian compact heat exchanger adalah pada saat putaran fan low yaitu 0.549. Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin tinggi nilai Reynolds Number sisi gas maka nilai overall heat transfer coefficient  semakin tinggi. Akan tetapi kenaikan nilai overall heat transfer coefficientnya tidak terlalu signifikan. JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                                                  B-139  Gambar 5. Grafik Effectiveness Fungsi NTU   Gambar 6. Grafik Overall Heat Transfer Coefficient Fungsi Reynolds Number sisi Gas   Gambar 7. Grafik ΔTLMTD Fungsi Reynolds Number Sisi Gas   Dari hasil grafik di atas nilai overall heat transfer coefficient mengalami kenaikan seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas, hal ini dikarenakan semakin tingginya nilai Reynolds Number sisi gas maka nilai koefisien konveksi sisi gas akan semakin besar. Sedangkan  koefisien konveksi berbanding terbalik dengan thermal resistance, jadi untuk koefisien konveksinya menurun maka thermal resistancenya semakin rendah. Sehingga untuk thermal resistance yang makin rendah nilai overall heat transfer coefficientnya akan semakin tinggi.  Gambar 7 menunjukkan bahwa semakin tinggi nilai Reynolds Number sisi gas maka ΔTLMTD semakin tinggi. Akan tetapi kenaikan nilai ΔTLMTD tidak terlalu signifikan. Dari hasil grafik di atas nilai ΔTLMTD mengalami kenaikan seiring bertambahnya nilai Reynolds Number sisi gas, hal ini dikarenakan semakin tingginya nilai Reynolds Number sisi gas maka temperatur gas setelah melewati compact heat exchanger akan semakin tinggi. Sehingga sesuai persamaan ΔTLMTD untuk aliran fluida cross flow jika temperatur gas setelah melewati compact heat exchanger semakin tinggi maka nilai ΔTLMTD akan semakin tinggi.   IV. KESIMPULAN Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan dalam menguji performa compact heat exchanger tipe louvered fin flat tube sebagai komponen utama heat recovery system dapat disimpulkan: 1. Heat transfer aktual pada compact heat exchanger yang telah diuji memiliki nilai yang konstan pada sisi air yaitu 3.095 kW dan pada sisi gas memiliki range 2.836-3.786 kW pada range Reynolds number 2035.55-3814.84 dengan nilai heat transfer maksimum 3.786 kW pada Reynold number 3814.84. 2. Nilai effectiveness dari compact heat exchanger yang telah diuji memiliki range 0.381-0.549 pada range Reynolds number 2035.55-3814.84 dengan nilai effectiveness maksimum 0.549 pada Reynold number 2035.55. 3. Nilai NTU dari compact heat exchanger yang telah diuji memiliki range 0.6127-1.004 pada range Reynolds number 2035.55-3814.84 dengan nilai NTU maksimum 1.004 pada Reynold number 2035.55. 4. Nilai overall heat transfer coefficient (U) dari compact heat exchanger yang telah diuji memiliki range 8.72-10.30 W/m2.K pada range Reynolds number 2035.55-3814.84 dengan nilai overall heat transfer coefficient maksimum 10.30 W/m2.K pada Reynold number 3814.84. 5. Nilai overall heat transfer coefficient (U) dari compact heat exchanger yang telah diuji memiliki range 8.72-10.30 W/m2.K pada range Reynolds number 2035.55-3814.84 dengan nilai overall heat transfer coefficient maksimum 10.30 W/m2.K pada Reynold number 3814.84.  UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada laboratorium Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini serta bapak dosen pembimbing dan semua pihak yang membantu.  DAFTAR PUSTAKA [1]. Hall G.T, Jr J.Edwin. 2004. Air Cooled Heat Exchanger Design. USA [2]. Kays, W. M., London, A. L. 1964. Compact Heat Exchanger. 2nd Ed. New York : McGraw Hill Book. [3]. Company Incropera, Frank P., DeWitt, Bergman, Lavine. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th Edition. John Wiley & Sons Inc. New York. 

Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger Louvered Fin Flat Tube untuk pemanfaatan Waste Energy

http://ejurnal.its.ac.id/index.php/teknik/article/download/5848/1723

Studi Eksperimen Analisa Performa Compact Heat Exchanger Louvered Fin Flat Tube untuk pemanfaatan Waste Energy

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jurnal Teknik ITS