Upload
others
View
18
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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