investigasi performa perpindahan panas winglet …

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


iii


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


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


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


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


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


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


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


z/D = 6,27 ............................................................................. 41


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


(d) 9000 (e) 10000 ................................................................ 44

Gambar 4.14 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja amonia


(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


xiv

Gambar 4.16 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja amonia


(d) 9000 (e) 10000 ................................................................ 49

Gambar 4.17 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja R-12


(d) 9000 (e) 10000 ................................................................ 50

Gambar 4.18 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja amonia


(d) 9000 (e) 10000 ................................................................ 52

Gambar 4.19 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja R-12


(d) 9000 (e) 10000 ................................................................ 54

Gambar 4.20 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja amonia


(d) 9000 (e) 1000 .................................................................. 55


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


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


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


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


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


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


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.


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]


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.


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


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.


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)


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).


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.


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.


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:


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)


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


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.


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.


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


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


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).


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 −


23

Gambar 3.11 Iterasi yang memenuhi nilai convergence criteria


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


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


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


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).


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.


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%


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


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].


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.


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


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).


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)


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)


37

(c)

(d)

(e)

Gambar 4.6 vektor kecepatan plain tube pada fluida kerja amonia dengan variasi


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.


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



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).


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


41



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


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)


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).


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



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)


46

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 4.14 vektor kecepatan DWVG tube pada fluida kerja amonia dengan


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).


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)


48

(e)

Gambar 4.15 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja R-12 dengan variasi


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.


49

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 4.16 Kontur temperatur plain tube pada fluida kerja amonia dengan


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.


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



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)


52

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 4.18 Kontur temperatur RWVG tube pada fluida kerja amonia dengan


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


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)


54

(e)

Gambar 4.19 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja R-12 dengan


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)


55

(b)

(c)

(d)

(e)

Gambar 4.20 Kontur temperatur DWVG tube pada fluida kerja amonia dengan


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


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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



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

winglet vortex generators. International Journal of Thermal Sciences,

134(August), 54–65. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.08.004

Liu, H. ling, Li, H., He, Y. ling, & Chen, Z. tao. (2018). Heat transfer and flow

characteristics in a circular tube fitted with rectangular winglet vortex

generators. International Journal of Heat and Mass Transfer, 126(1800), 989–

1006. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.038

Mardikus, S., & Putra, V. T. (2015). Analysis of Heat Transfer for Fin and Circular

Tube Heat Exchanger using Combined Vortex Generators. In Proceeding of

the 14th International Conference on QIR (Quality in Research) Lombok,

Indonesia, 10-13 August 2015 (pp. 357–362).

Putra, V. T. (2016). Investigasi Aliran Fluida Vortex Generators Terhadap

Performa Perpindahan Kalor Menggunakan Simulasi 3D.


61

Shah, R. K. (2004). Fundamentals of heat technology. In Metallurgist (Vol. 4).

https://doi.org/10.1007/bf00740254

Skullong, S., Promthaisong, P., Promvonge, P., Thianpong, C., & Pimsarn, M.

(2018). Thermal performance in solar air heater with perforated-winglet-type

vortex generator. Solar Energy, 170(August 2017), 1101–1117.

https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.093

White. (2010). Chap. 8: Potential Flow and Computational Fluid Dynamics. Fluid

Mechanics, 529–559. https://doi.org/10.1111/j.1549-

8719.2009.00016.x.Mechanobiology

Xu, Y., Islam, M. D., & Kharoua, N. (2017). Numerical study of winglets vortex

generator effects on thermal performance in a circular pipe. International

Journal of Thermal Sciences, 112, 304–317.

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.10.015

Xu, Y., Islam, M. D., & Kharoua, N. (2018). Experimental study of thermal

performance and flow behaviour with winglet vortex generators in a circular

tube. Applied Thermal Engineering, 135(January), 257–268.


Xu, Z., Han, Z., Wang, J., & Liu, Z. (2018). The characteristics of heat transfer and

flow resistance in a rectangular channel with vortex generators. International




62

LAMPIRAN


63

Lampiran A Tabel boundary condition

Fluida

kerja

Geometri

STHE

Tin

(K)

Twall

(K)

Massa jenis (kg/m3) Kalor Spesifik (J/kg.K) Konduktifitas Termal

(W/m K) Bilangan Reynolds

R-12 Amonia tube R-12 Amonia tube R-12 Amonia tube

R-12

Plain

tube

322,2 300 1305,8 0,6894 8030 987,1 2158 502,48 0,072 0,0247 16,27 6000 7000 8000 9000 10000

RWVG

DWVG

Amonia

Plain

tube

RWVG

DWVG


64

Lampiran B.1 Data hasil simulai bilangan Nusselt dan Colburn factor

Bilangan

Reynolds

Bilangan Nusselt Colburn factor

R-12 Amonia R-12 Amonia

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

6000 61,57 77,31 75,61 37,14 40,50 38,75 0,0068 0,0085 0,0083 0,0064 0,0070 0,0067

7000 68,75 85,79 84,03 41,09 44,92 42,93 0,0065 0,0081 0,0080 0,0061 0,0067 0,0064

8000 76,21 94,57 92,51 45,04 49,21 46,97 0,0063 0,0078 0,0076 0,0059 0,0064 0,0061

9000 83,23 102,79 100,51 48,95 53,38 50,90 0,0061 0,0076 0,0074 0,0057 0,0062 0,0059

10000 90,13 110,93 107,93 52,72 57,47 54,79 0,0060 0,0074 0,0072 0,0055 0,0060 0,0057


65

Lampiran B.2 Data hasil simulai pressure drop dan friction factor

Bilangan

Reynolds

Pressure drop Friction factor

R-12 Amonia R-12 Amonia

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

Plain

tube RWVG DWVG

6000 0,29 0,70 0,49 0,86 2,12 1,52 0,050 0,124 0,086 0,050 0,123 0,088

7000 0,38 0,91 0,62 1,15 2,77 1,95 0,049 0,118 0,081 0,049 0,118 0,083

8000 0,48 1,15 0,78 1,41 3,50 2,44 0,047 0,113 0,077 0,046 0,114 0,079

9000 0,58 1,40 0,95 1,70 4,25 2,96 0,045 0,109 0,074 0,044 0,110 0,076

10000 0,69 1,68 1,13 2,12 5,10 3,54 0,044 0,107 0,072 0,044 0,106 0,074


investigasi performa perpindahan panas winglet …

Documents