Pengaruh Variasi Jarak Pitch Helical Tur
PENGARUH VARIASI JARAK PITCH HELICAL TURBULATOR
TERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR PADA DOUBLE TUBE HEAT
EXCHANGER
A’rasy Fahruddin
Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Sidoarjo
[email protected]
ABSTRAK
Peningkatan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor merupakan salah satu alternatif untuk menghamat kebutuhan
energi dalam dunia industri. Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan kalor yang sederhana tanpa
memperbesar dimensi alat yaitu dengan penggunaan helical turbulator. Suatu upaya untuk mengoptimalkan penggunaan
helical turbulator adalah dengan mencari jarak pitch yang tepat. Dengan jarak pitch yang tepat maka akan didapat laju
perpindahan kalor yang tinggi.
Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah true experimental research yaitu dengan melakukan penelitian
eksperimen yang diamati secara langsung. Pengambilan data temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopel dan
ditampilkan nilainya oleh termometer digital. Penelitian ini menggunakan variabel bebas berupa variasi jarak pitch
helical turbulator (25 mm; 40 mm; 60 mm). Variabel terikatnya adalah laju perpindahan kalor. Pada penelitian ini tiap
pengujian dilakukan pengambilan data temperatur sebanyak tiga pengulangan.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin rapat jarak pitch helical turbulator, maka semakin tinggi laju perpindahan
kalor yang terjadi. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27%
menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
KEY WORDS
heat exchanger, jarak pitch., helical turbulator, dan laju perpindahan kalor.
1. Pendahuluan
Alat penukar kalor merupakan alat yang cukup banyak digunakan dalam dunia industri. Alat ini di gunakan untuk
menaikkan atau menurunkan temperatur fluida yang kemudian digunakan untuk berbagai keperluan dan berbagai proses
yang terjadi dalam dunia industri, seperti untuk pemanas air sebelum masuk ketel uap, sebagai kondensor, dan
sebagainya. Peningkatan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor menjadi masalah penting karena banyaknya
proses dalam industri yang membutuhkan kalor dan masalah efisiensi.[1] Pengetahuan tentang ilmu perpindahan kalor
dibutuhkan untuk merekayasa desain alat penukar kalor yang mempunyai efektivitas yang tinggi serta dimensi yang
relatif lebih kecil yang pada akhirnya dapat menghemat energi dan memperkecil biaya investasi.
2. Isi
2.1 Heat Exchanger
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang
mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Salah satu jenis dari alat
penukar kalor yang memiliki sederhana konstruksi adalah Concentric tube annulus heat exchanger,[2] alat penukar kalor
yang terdiri dari pipa kecil (inner tube) yang terletak dalam pipa yang lebih besar (outer tube) seperti terlihat pada
gambar dibawah ini.
Gambar 1. Concentric tube annulus heat exchanger [3]
Sedangkan menurut arah alirannya ada alat penukar kalor aliran searah, berlawanan arah, dan arah melintang. Dalam
penelitian ini dipilih alat penukar kalor aliran berlawanan arah (counterflow heat exchanger), yaitu alat penukar kalor
dengan arah aliran fluida dingin berlawanan dengan arah aliran fluida panas dengan saluran yang berbeda. Pada alat
penukar kalor tipe ini, suhu akhir fluida dingin yang keluar dapat melampaui suhu keluaran fluida panas karena terdapat
perpindahan kalor yang efektif sepanjang pipa. Keuntungan yang lain dari tipe ini adalah diperlukan luas permukaan
yang lebih kecil dibandingkan dengan aliran searah (parallel flow).[3]
Gambar 2. Counterflow heat exchanger [3]
Perpindahan kalor maksimum dari penukar kalor diperoleh dari energi yang dilepas oleh fluida yang memiliki suhu panas
sama dengan energi yang diserap fluida yang bersuhu dingin. Beda suhu maksimum pada alat penukar kalor adalah
selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin, maka fluida yang memiliki beda suhu maksimum adalah fluida
¿
yang memiliki nilai m .c minimum yaitu pada sisi masuk. Sehingga rumusan perpindahan kalor maksimum dapat
dituliskan sebagai berikut.[4][5]
¿
q maks=(m . c)min .(T h masuk −T cmasuk )
2.2 Perpindahan Panas Konveksi
Koefisien perpindahan kalor konveksi bukanlah properti dari fluida. Hasil penelitian terdahulu mengungkapkan bahwa
parameternya tergantung dari semua variabel yang menyebabkan konveksi seperti bentuk permukaan, gerakan fluida,
properti fluida (viskositas, konduktifitas termal, densitas, panas jenis) dan besarnya kecepatan fluida. Gerakan fluida
yang turbulen menjadi salah satu faktor yang dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi. Karena dalam
proses perpindahan kalor konveksi perputaran atau pencampuran fluida yang telah panas dengan fluida yang masih
dingin adalah salah satu bagian dari proses terjadinya konveksi. Sehingga semakin banyak perputaran seperti olakan atau
vortex dalam aliran turbulen maka semakin banyak konveksi yang terjadi.
Gambar 3. Proses terjadinya perpindahan kalor konveksi [6]
2.3 Turbulator
Turbulator merupakan suatu penghalang yang dipasang pada saluran dengan tujuan mengganggu aliran fluida, sehingga
akan tercipta aliran sekunder (secondary flow). Alat ini akan meningkatkan laju perpindahan kalor konveksi dengan cara
menciptakan pusaran (vortex) di dalam saluran. Pencampuran antara fluida bertemperatur rendah dengan fluida yang
bertemperatur lebih tinggi akan terjadi akibat adanya vortex tersebut, sehingga akan meningkatkan laju perpindahan
kalor. Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari pemasangan turbulator. Mäkiharju et
al (2003) telah meneliti pengaruh pemasangan helical turbulator pada counter flow heat exchanger dan menyimpulkan
bahwa koefisien perpindahan kalor menyeluruh akan meningkat dengan semakin banyaknya kawat turbulator yang
digunakan dan semakin kecilnya presentase propylene glycol dalam fluida pemanas. Sedangkan Pethkool et al (2006)
telah meneliti tentang ”Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat Exchanger” dan
menghasilkan kesimpulan bahwa efek dari penambahan turbulator ini membuat angka Nusselt meningkat menjadi 246%
dari kondisi normal (tanpa turbulator) dan faktor gesek meningkat menjadi 167%. Penelitian-penelitian di atas
menunjukkan bahwa pemasangan turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor.
Fluida yang melintasi silinder penghalang akan mengalami perubahan garis aliran. Pola aliran disekeliling silinder akan
mengalami sederetan perubahan dengan meningkatnya bilangan Reynold. Bilangan Reynold yang rendah melalui silinder
penghalang maka pola aliran yang terjadi laminar, sedangkan bilangan Reynold yang tinggi maka pola aliran yang terjadi
menjadi turbulen seperti terlihat pada gambar berikut. [7][8]
Gambar 4. Garis-garis aliran melewati sebuah silinder [7]
Helical turbulator merupakan alat yang digunakan untuk mengubah orientasi aliran fluida di dalam suatu medium,
seperti terlihat pada gambar 5. Helical Turbulator dipasang pada pipa bagian luar, sehingga akan terjadi aliran sekunder
(secondary flow) dalam aliran tersebut. Aliran sekunder dalam aliran utama akan menyebabkan terjadinya vortex yang
merupakan awal dari terjadi turbulensi dalam aliran. Dan adanya vortex tersebut akan meningkatkan difusivitas pusaran
pada fluida, sehingga akan meningkatkan transfer kalor.
Selain menyebabkan terjadinya vortex, turbulator juga meningkatkan koefisien kerugian dari aliran fluida. Peningkatan
koefisien kerugian dalam suatu aliran fluida akan menyebabkan meningkatnya pressure drop dari aliran fluida tersebut.
Gambar 6. Helical Turbulator
2.4 Metode Penelitian
Dalam penelitian ini variabel bebas yang digunakan adalah jarak pitch dari helical turbulator. Jarak pitch dari helical
turbulator divariasikan sebesar 25 mm, 40 mm, dan 60 mm. Helical turbulator selalu dipasang pada posisi sedemikian
rupa sehingga helical turbulator terdistribusi secara merata di sepanjang permukaan bagian luar pipa dalam. Sedangkan
instalasi penilitian dapat dilihat pada gambar di bawah.
1
2
6
5
7
8
10
9
3
13
4
14
15
Helical turbulator
11
12
Gambar 7. Instalasi penelitian dan alat pendukung
Keterangan gambar:
1. Digital Thermometer
2. Manometer
3. Pompa untuk air panas
4. Penampung air panas
5,6,7 dan 8. Thermocouple
9 dan 10. Flowmeter
11.
12.
13.
14.
15.
Pompa untuk air dingin
Penampung air dingin
Heater
Magnetic contactor
Thermocontroller
2.5 Hasil dan Pembahasan
Penggunaan helical turbulator dapat meningkatkan laju perpindahan kalor. Peningkatan laju perpindahan kalor
disebabkan karena dengan pemasangan helical turbulator aliran fluida pendingin akan mengalami perubahan garis
aliran. Arah aliran akan terbagi menjadi dua, yaitu searah panjang pipa dan searah puntiran helical turbulator. Adanya
dua arah aliran yang berbeda tersebut memungkinkan terjadinya olakan diantara keduanya. Bila olakan ini telah menjadi
pusaran maka aliran akan menjadi turbulen. Aliran yang turbulen memungkinkan laju perpindahan kalor yang terjadi
akan lebih besar. Karena pada aliran turbulen, pusaran yang terjadi akan mengakibatkan pencampuran antara fluida yang
lebih panas pada daerah dekat pipa dalam dengan fluida yang lebih dingin pada daerah yang lebih luar. Semakin kecil
jarak pitch helical turbulator akan menyebabkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada alat penukar kalor cenderung
meningkat. Peningkatan laju perpindahan kalor ini disebabkan karena semakin kecil jarak pitch helical turbulator yang
dipasang pada permukaan luar pipa dalam akan meningkatkan jumlah olakan sehingga turbulensi juga meningkat.
Gambar 8. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Dingin
Dari gambar 8 terlihat bahwa laju kalor terkecil pada fluida dingin terjadi pada variasi tanpa helical turbulator yaitu
sebesar 1478,7 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, laju kalor meningkat menjadi 2446,5
Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 40 mm, laju kalor meningkat menjadi 2872,6 Watt. Sedangkan
dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3103,9 Watt. Peningkatan daya
ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor, dimana semakin kecil
jarak pitch maka laju perpindahan kalornya akan semakin besar.
Gambar 9. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas
Gambar 9 menunjukkan laju kalor pada aliran fluida panas. Dari gambar terlihat bahwa laju kalor terkecil terjadi pada
variasi tanpa helical turbulator yaitu sebesar 1326,4 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm,
laju kalor meningkat menjadi 2313,5 Watt. Menggunakan helical turbulator jarak pitch 40 mm, laju kalor meningkat
menjadi 2776,2 Watt. Sedangkan penggunaan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3300,6
Watt. Peningkatan daya ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator juga akan meningkatkan laju
perpindahan kalor fluida panas, meskipun pada aliran fluida panas tidak dipasang helical turbulator. Peningkatan ini
terjadi karena pengaruh peningkatan laju kalor pada fluida dingin. Panas yang terkumpul pada dinding pipa panas lebih
mudah terserap fluida dingin.
Gambar 10. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas
Dari gambar 10 terlihat bahwa efektifitas heat exchanger meningkat dengan penggunaan helical turbulator. Dan semakin
kecil jarak pitch semakin besar pula efektifitasnya. Pada variasi tanpa helical turbulator efektifitas sebesar 10,66%.
Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, efektifitas meningkat menjadi 17,64%. Sedang penggunaan
helical turbulator jarak pitch 40 mm, efektifitas meningkat menjadi 20,71%. Menggunakan helical turbulator jarak pitch
25 mm, efektifitas meningkat menjadi 22,38%. Sehingga laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45%
menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27% menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan
pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
Pengggunaan helical turbulator menyebabkan olakan pada fluida pendingin sehingga pendinginan akan lebih cepat
karena panas terserap merata ke dalam fluida pendingin. Helical turbulator dengan jarak pitch yang makin pendek akan
menyebabkan olakan semakin banyak, sehingga laju pendinginan juga makin besar.
3. Penutup
Penelitian tentang penggunaan helical turbulator pada heat exchanger telah dibahas oleh Makiharju, Simo, et al. Beliau
meletakkan pada bagian dinding dalam pipa panas. Sedangkan pada penelitian ini, helical turbulator diletakkan pada
dinding luar pipa panas sehingga yang mengalami olakan adalah fluida dingin. Peletakan helical turbulator pada dinding
luar juga meningkatkan laju perpindahan kalor. Selain itu akan memudahkan dalam pemasangan.
Semakin rapat jarak pitch helical turbulator yang dipasang pada alat penukar kalor, maka akan meningkatkan laju
perpindahan kalor. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27%
menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
Daftar Pustaka
[1] Mäkiharju, Simo, et al, Augmented Heat Transfer in Counterflow Heat Exchangers with Helical Turbulators,
Lappeenranta University of Technology, Fin-53851, Lappeenranta, Finland, 2003.
[2] Pethkool, Somsak dan Promvonge, Pongjet, Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat
Exchanger; The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)”21-23
November 2006, Bangkok, Thailand.
[3] Cengel, Yunus A, Heat Transfer A Practical Approach: 2nd edition (New York, McGraw-Hill Companies Inc, 2003)
[4] Cengel, Yunus A. dan Robert H. Turner, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences: 1st Edition (NewYork, McGrawHill Companies Inc, 2001)
[5] Holman, J.P, Perpindahan Kalor: Edisi kelima (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1991)
[6] Convection, tersedia: http://www.ghaley.com/Images/Convection_cells.gif (26 Oktober 2008)
[7] Kreith, Frank, Prinsip-prinsip Perpindahan Kalor: Edisi Ketiga (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1997)
[8] Oslon, Reuben M dan Steven J. Wright, Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik (Jakarta, Gramedia Pustaka Utama,
1993)
TERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR PADA DOUBLE TUBE HEAT
EXCHANGER
A’rasy Fahruddin
Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Sidoarjo
[email protected]
ABSTRAK
Peningkatan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor merupakan salah satu alternatif untuk menghamat kebutuhan
energi dalam dunia industri. Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan kalor yang sederhana tanpa
memperbesar dimensi alat yaitu dengan penggunaan helical turbulator. Suatu upaya untuk mengoptimalkan penggunaan
helical turbulator adalah dengan mencari jarak pitch yang tepat. Dengan jarak pitch yang tepat maka akan didapat laju
perpindahan kalor yang tinggi.
Dalam penelitian ini metode yang digunakan adalah true experimental research yaitu dengan melakukan penelitian
eksperimen yang diamati secara langsung. Pengambilan data temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopel dan
ditampilkan nilainya oleh termometer digital. Penelitian ini menggunakan variabel bebas berupa variasi jarak pitch
helical turbulator (25 mm; 40 mm; 60 mm). Variabel terikatnya adalah laju perpindahan kalor. Pada penelitian ini tiap
pengujian dilakukan pengambilan data temperatur sebanyak tiga pengulangan.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin rapat jarak pitch helical turbulator, maka semakin tinggi laju perpindahan
kalor yang terjadi. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27%
menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
KEY WORDS
heat exchanger, jarak pitch., helical turbulator, dan laju perpindahan kalor.
1. Pendahuluan
Alat penukar kalor merupakan alat yang cukup banyak digunakan dalam dunia industri. Alat ini di gunakan untuk
menaikkan atau menurunkan temperatur fluida yang kemudian digunakan untuk berbagai keperluan dan berbagai proses
yang terjadi dalam dunia industri, seperti untuk pemanas air sebelum masuk ketel uap, sebagai kondensor, dan
sebagainya. Peningkatan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor menjadi masalah penting karena banyaknya
proses dalam industri yang membutuhkan kalor dan masalah efisiensi.[1] Pengetahuan tentang ilmu perpindahan kalor
dibutuhkan untuk merekayasa desain alat penukar kalor yang mempunyai efektivitas yang tinggi serta dimensi yang
relatif lebih kecil yang pada akhirnya dapat menghemat energi dan memperkecil biaya investasi.
2. Isi
2.1 Heat Exchanger
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang
mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Salah satu jenis dari alat
penukar kalor yang memiliki sederhana konstruksi adalah Concentric tube annulus heat exchanger,[2] alat penukar kalor
yang terdiri dari pipa kecil (inner tube) yang terletak dalam pipa yang lebih besar (outer tube) seperti terlihat pada
gambar dibawah ini.
Gambar 1. Concentric tube annulus heat exchanger [3]
Sedangkan menurut arah alirannya ada alat penukar kalor aliran searah, berlawanan arah, dan arah melintang. Dalam
penelitian ini dipilih alat penukar kalor aliran berlawanan arah (counterflow heat exchanger), yaitu alat penukar kalor
dengan arah aliran fluida dingin berlawanan dengan arah aliran fluida panas dengan saluran yang berbeda. Pada alat
penukar kalor tipe ini, suhu akhir fluida dingin yang keluar dapat melampaui suhu keluaran fluida panas karena terdapat
perpindahan kalor yang efektif sepanjang pipa. Keuntungan yang lain dari tipe ini adalah diperlukan luas permukaan
yang lebih kecil dibandingkan dengan aliran searah (parallel flow).[3]
Gambar 2. Counterflow heat exchanger [3]
Perpindahan kalor maksimum dari penukar kalor diperoleh dari energi yang dilepas oleh fluida yang memiliki suhu panas
sama dengan energi yang diserap fluida yang bersuhu dingin. Beda suhu maksimum pada alat penukar kalor adalah
selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin, maka fluida yang memiliki beda suhu maksimum adalah fluida
¿
yang memiliki nilai m .c minimum yaitu pada sisi masuk. Sehingga rumusan perpindahan kalor maksimum dapat
dituliskan sebagai berikut.[4][5]
¿
q maks=(m . c)min .(T h masuk −T cmasuk )
2.2 Perpindahan Panas Konveksi
Koefisien perpindahan kalor konveksi bukanlah properti dari fluida. Hasil penelitian terdahulu mengungkapkan bahwa
parameternya tergantung dari semua variabel yang menyebabkan konveksi seperti bentuk permukaan, gerakan fluida,
properti fluida (viskositas, konduktifitas termal, densitas, panas jenis) dan besarnya kecepatan fluida. Gerakan fluida
yang turbulen menjadi salah satu faktor yang dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi. Karena dalam
proses perpindahan kalor konveksi perputaran atau pencampuran fluida yang telah panas dengan fluida yang masih
dingin adalah salah satu bagian dari proses terjadinya konveksi. Sehingga semakin banyak perputaran seperti olakan atau
vortex dalam aliran turbulen maka semakin banyak konveksi yang terjadi.
Gambar 3. Proses terjadinya perpindahan kalor konveksi [6]
2.3 Turbulator
Turbulator merupakan suatu penghalang yang dipasang pada saluran dengan tujuan mengganggu aliran fluida, sehingga
akan tercipta aliran sekunder (secondary flow). Alat ini akan meningkatkan laju perpindahan kalor konveksi dengan cara
menciptakan pusaran (vortex) di dalam saluran. Pencampuran antara fluida bertemperatur rendah dengan fluida yang
bertemperatur lebih tinggi akan terjadi akibat adanya vortex tersebut, sehingga akan meningkatkan laju perpindahan
kalor. Berbagai penelitian telah banyak dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari pemasangan turbulator. Mäkiharju et
al (2003) telah meneliti pengaruh pemasangan helical turbulator pada counter flow heat exchanger dan menyimpulkan
bahwa koefisien perpindahan kalor menyeluruh akan meningkat dengan semakin banyaknya kawat turbulator yang
digunakan dan semakin kecilnya presentase propylene glycol dalam fluida pemanas. Sedangkan Pethkool et al (2006)
telah meneliti tentang ”Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat Exchanger” dan
menghasilkan kesimpulan bahwa efek dari penambahan turbulator ini membuat angka Nusselt meningkat menjadi 246%
dari kondisi normal (tanpa turbulator) dan faktor gesek meningkat menjadi 167%. Penelitian-penelitian di atas
menunjukkan bahwa pemasangan turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor.
Fluida yang melintasi silinder penghalang akan mengalami perubahan garis aliran. Pola aliran disekeliling silinder akan
mengalami sederetan perubahan dengan meningkatnya bilangan Reynold. Bilangan Reynold yang rendah melalui silinder
penghalang maka pola aliran yang terjadi laminar, sedangkan bilangan Reynold yang tinggi maka pola aliran yang terjadi
menjadi turbulen seperti terlihat pada gambar berikut. [7][8]
Gambar 4. Garis-garis aliran melewati sebuah silinder [7]
Helical turbulator merupakan alat yang digunakan untuk mengubah orientasi aliran fluida di dalam suatu medium,
seperti terlihat pada gambar 5. Helical Turbulator dipasang pada pipa bagian luar, sehingga akan terjadi aliran sekunder
(secondary flow) dalam aliran tersebut. Aliran sekunder dalam aliran utama akan menyebabkan terjadinya vortex yang
merupakan awal dari terjadi turbulensi dalam aliran. Dan adanya vortex tersebut akan meningkatkan difusivitas pusaran
pada fluida, sehingga akan meningkatkan transfer kalor.
Selain menyebabkan terjadinya vortex, turbulator juga meningkatkan koefisien kerugian dari aliran fluida. Peningkatan
koefisien kerugian dalam suatu aliran fluida akan menyebabkan meningkatnya pressure drop dari aliran fluida tersebut.
Gambar 6. Helical Turbulator
2.4 Metode Penelitian
Dalam penelitian ini variabel bebas yang digunakan adalah jarak pitch dari helical turbulator. Jarak pitch dari helical
turbulator divariasikan sebesar 25 mm, 40 mm, dan 60 mm. Helical turbulator selalu dipasang pada posisi sedemikian
rupa sehingga helical turbulator terdistribusi secara merata di sepanjang permukaan bagian luar pipa dalam. Sedangkan
instalasi penilitian dapat dilihat pada gambar di bawah.
1
2
6
5
7
8
10
9
3
13
4
14
15
Helical turbulator
11
12
Gambar 7. Instalasi penelitian dan alat pendukung
Keterangan gambar:
1. Digital Thermometer
2. Manometer
3. Pompa untuk air panas
4. Penampung air panas
5,6,7 dan 8. Thermocouple
9 dan 10. Flowmeter
11.
12.
13.
14.
15.
Pompa untuk air dingin
Penampung air dingin
Heater
Magnetic contactor
Thermocontroller
2.5 Hasil dan Pembahasan
Penggunaan helical turbulator dapat meningkatkan laju perpindahan kalor. Peningkatan laju perpindahan kalor
disebabkan karena dengan pemasangan helical turbulator aliran fluida pendingin akan mengalami perubahan garis
aliran. Arah aliran akan terbagi menjadi dua, yaitu searah panjang pipa dan searah puntiran helical turbulator. Adanya
dua arah aliran yang berbeda tersebut memungkinkan terjadinya olakan diantara keduanya. Bila olakan ini telah menjadi
pusaran maka aliran akan menjadi turbulen. Aliran yang turbulen memungkinkan laju perpindahan kalor yang terjadi
akan lebih besar. Karena pada aliran turbulen, pusaran yang terjadi akan mengakibatkan pencampuran antara fluida yang
lebih panas pada daerah dekat pipa dalam dengan fluida yang lebih dingin pada daerah yang lebih luar. Semakin kecil
jarak pitch helical turbulator akan menyebabkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada alat penukar kalor cenderung
meningkat. Peningkatan laju perpindahan kalor ini disebabkan karena semakin kecil jarak pitch helical turbulator yang
dipasang pada permukaan luar pipa dalam akan meningkatkan jumlah olakan sehingga turbulensi juga meningkat.
Gambar 8. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Dingin
Dari gambar 8 terlihat bahwa laju kalor terkecil pada fluida dingin terjadi pada variasi tanpa helical turbulator yaitu
sebesar 1478,7 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, laju kalor meningkat menjadi 2446,5
Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 40 mm, laju kalor meningkat menjadi 2872,6 Watt. Sedangkan
dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3103,9 Watt. Peningkatan daya
ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator akan meningkatkan laju perpindahan kalor, dimana semakin kecil
jarak pitch maka laju perpindahan kalornya akan semakin besar.
Gambar 9. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas
Gambar 9 menunjukkan laju kalor pada aliran fluida panas. Dari gambar terlihat bahwa laju kalor terkecil terjadi pada
variasi tanpa helical turbulator yaitu sebesar 1326,4 Watt. Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm,
laju kalor meningkat menjadi 2313,5 Watt. Menggunakan helical turbulator jarak pitch 40 mm, laju kalor meningkat
menjadi 2776,2 Watt. Sedangkan penggunaan helical turbulator jarak pitch 25 mm, laju kalor meningkat menjadi 3300,6
Watt. Peningkatan daya ini menunjukkan bahwa penggunaan helical turbulator juga akan meningkatkan laju
perpindahan kalor fluida panas, meskipun pada aliran fluida panas tidak dipasang helical turbulator. Peningkatan ini
terjadi karena pengaruh peningkatan laju kalor pada fluida dingin. Panas yang terkumpul pada dinding pipa panas lebih
mudah terserap fluida dingin.
Gambar 10. Grafik Pengaruh Jarak Pitch Terhadap Laju Kalor Pada Fluida Panas
Dari gambar 10 terlihat bahwa efektifitas heat exchanger meningkat dengan penggunaan helical turbulator. Dan semakin
kecil jarak pitch semakin besar pula efektifitasnya. Pada variasi tanpa helical turbulator efektifitas sebesar 10,66%.
Dengan menggunakan helical turbulator jarak pitch 60 mm, efektifitas meningkat menjadi 17,64%. Sedang penggunaan
helical turbulator jarak pitch 40 mm, efektifitas meningkat menjadi 20,71%. Menggunakan helical turbulator jarak pitch
25 mm, efektifitas meningkat menjadi 22,38%. Sehingga laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45%
menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27% menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan
pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
Pengggunaan helical turbulator menyebabkan olakan pada fluida pendingin sehingga pendinginan akan lebih cepat
karena panas terserap merata ke dalam fluida pendingin. Helical turbulator dengan jarak pitch yang makin pendek akan
menyebabkan olakan semakin banyak, sehingga laju pendinginan juga makin besar.
3. Penutup
Penelitian tentang penggunaan helical turbulator pada heat exchanger telah dibahas oleh Makiharju, Simo, et al. Beliau
meletakkan pada bagian dinding dalam pipa panas. Sedangkan pada penelitian ini, helical turbulator diletakkan pada
dinding luar pipa panas sehingga yang mengalami olakan adalah fluida dingin. Peletakan helical turbulator pada dinding
luar juga meningkatkan laju perpindahan kalor. Selain itu akan memudahkan dalam pemasangan.
Semakin rapat jarak pitch helical turbulator yang dipasang pada alat penukar kalor, maka akan meningkatkan laju
perpindahan kalor. Laju perpindahan kalor bertambah sebesar 65,45% menggunakan pitch 60 mm, bertambah 94,27%
menggunakan pitch 40 mm, dan bertambah 109,92% menggunakan pitch 25 mm dibanding tanpa helical turbulator.
Daftar Pustaka
[1] Mäkiharju, Simo, et al, Augmented Heat Transfer in Counterflow Heat Exchangers with Helical Turbulators,
Lappeenranta University of Technology, Fin-53851, Lappeenranta, Finland, 2003.
[2] Pethkool, Somsak dan Promvonge, Pongjet, Effect of Louvered Strips on Heat Transfer in a Concentric Pipe Heat
Exchanger; The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)”21-23
November 2006, Bangkok, Thailand.
[3] Cengel, Yunus A, Heat Transfer A Practical Approach: 2nd edition (New York, McGraw-Hill Companies Inc, 2003)
[4] Cengel, Yunus A. dan Robert H. Turner, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences: 1st Edition (NewYork, McGrawHill Companies Inc, 2001)
[5] Holman, J.P, Perpindahan Kalor: Edisi kelima (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1991)
[6] Convection, tersedia: http://www.ghaley.com/Images/Convection_cells.gif (26 Oktober 2008)
[7] Kreith, Frank, Prinsip-prinsip Perpindahan Kalor: Edisi Ketiga (Jakarta, Penerbit Erlangga, 1997)
[8] Oslon, Reuben M dan Steven J. Wright, Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik (Jakarta, Gramedia Pustaka Utama,
1993)