Analisa Perpindahan Panas Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Dengan Variasi Konfigurasi Baffle

Rahman, Aulia and Winarto, ST., MT., Ph.D and Prof. Dr. Eng. Eko Siswanto, ST., MT. (2024) Analisa Perpindahan Panas Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Dengan Variasi Konfigurasi Baffle. Magister thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Penukar panas shell and tube (STHeX) populer di banyak industri karena mudah dibuat, dirawat, dan digunakan dalam berbagai aplikasi. Mereka sangat berharga dalam sistem konversi energi seperti pembangkit listrik dan pemrosesan kimia karena kemampuannya menangani tekanan dan suhu tinggi dengan biaya yang masuk akal. Namun, tantangan utama adalah penurunan tekanan, yang dapat mengurangi efisiensi. Penurunan tekanan ini disebabkan oleh turbulensi pada aliran fluida, yang diperlukan untuk perpindahan panas tetapi juga meningkatkan desipasi energi yang meningkatkan penurunan tekanan. Penelitian ini mengusulkan desain baffle baru untuk meningkatkan kinerja STHeX. Desain baffle menggunakan bentuk segmental miring untuk meningkatkan pencampuran fluida dan efisiensi aliran pada sisi shell. Desain baffle ini diharapkan dapat menciptakan aliran berputar yang meningkatkan perpindahan panas dan mengurangi area di mana fluida terjebak (zona mati). Kemudian diteliti lebih lanjut dengan membandingkan rasio perpindahan panas terhadap penurunan tekanan (U/PD) secara keseluruhan. Penelitian ini menganalisis perpindahan panas pada Shell and Tube Heat Exchanger (STHeX) dengan konfigurasi baffle yang berbeda, meliputi STHeX dengan baffle tersegmentasi tradisional, baffle heliks, dan baffle segmental miring. Simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) digunakan untuk menyelidiki pola aliran fluida, penurunan tekanan, dan performa perpindahan panas. Hasil simulasi numerik dibandingkan dengan perhitungan matematis dan juga simulasi numerik dengan percobaan eksperimental sebelumnya. Hal ini dilakukan sebagai verifikasi dan validasi dari simulasi numerik. Faktor�faktor seperti laju aliran massa, efektivitas, koefisien perpindahan panas, dan penurunan tekanan pada berbagai konfigurasi baffle di STHeX dipertimbangkan secara ketat dan kemudian memeriksa karakteristik aliran fluida secara menyeluruh dalam berbagai konfigurasi untuk mengoptimalkan kinerja penukar panas. Penelitian ini dilakukan dalam kondisi tunak dengan menggunakan analisis tiga dimensi, dengan fokus khusus pada susunan tabung heksagonal. Kemudian metode statistik Taguchi digunakan untuk mengoptimalkan kinerja STHeX dengan bereksperimen dalam berbagai parameter desain untuk menentukan dampaknya terhadap rasio U/PD. Parameter yang dimaksud diantaranya: jarak celah, sudut kemiringan, sudut puntiran, dan panjang penyekat. Metode statistik ini menggunakan orthogonal arrays untuk mengeksplorasi efek berbagai variabel secara sistematis terhadap performa STHeX, termasuk penurunan tekanan dan koefisien viii perpindahan panas. Fungsi penurunan kualitas digunakan untuk mengukur deviasi dari tingkat kinerja yang diinginkan, sementara analisis varians (ANOVA) membantu mengidentifikasi faktor yang paling berpengaruh. Pendekatan statistik ini memungkinkan identifikasi konfigurasi desain optimal yang meningkatkan kinerja termal STHeX. Dari penelitian ini menegaskan bahwa penggunaan desain baffle yang baru dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas secara signifikan per unit penurunan tekanan (U/PD) dibandingkan dengan desain baffle konvensional. Ini menunjukkan potensi besar dalam peningkatan efisiensi termal STHeX, yang dapat berdampak luas pada aplikasi industri yang bergantung pada sistem pertukaran panas yang efektif

English Abstract

Shell and tube heat exchangers (STHeX) are popular in many industries because they are easy to manufacture, maintain, and use in a variety of applications. They are particularly valuable in energy conversion systems such as power generation and chemical processing due to their ability to handle high pressures and temperatures at a reasonable cost. However, a major challenge is pressure drop, which can reduce efficiency. This pressure drop is caused by turbulence in the fluid flow, which is necessary for heat transfer but also increases energy dissipation which increases pressure drop. This research proposes a new baffle design to improve the performance of STHeX. The baffle design uses an inclined segmental shape to improve fluid mixing and flow efficiency on the shell side. This baffle design is expected to create a swirling flow that improves heat transfer and reduces the area where the fluid is trapped (dead zone). It was further investigated by comparing the overall heat transfer to pressure drop (U/PD) ratio. This study analyses the heat transfer in a Shell and Tube Heat Exchanger (STHeX) with different baffle configurations, including STHeX with traditional segmented baffles, helical baffles, and inclined segmental baffles. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were used to investigate the fluid flow patterns, pressure drop, and heat transfer performance. The numerical simulation results were compared with mathematical calculations and also numerical simulations with previous experimental trials. This is done as verification and validation of the numerical simulation. Factors such as mass flow rate, effectiveness, heat transfer coefficient, and pressure drop at various baffle configurations in STHeX were strictly considered and then thoroughly examined the fluid flow characteristics in various configurations to optimise the performance of the heat exchanger. The study was conducted under steady state using three-dimensional analysis, with special focus on the hexagonal tube arrangement. Taguchi statistical methods were then used to optimise the performance of STHeX by experimenting with various design parameters to determine their impact on the U/PD ratio. The parameters include: gap spacing, tilt angle, twist angle, and baffle length. This statistical method uses Orthogonal Arrays to systematically explore the effects of various variables on STHeX performance, including pressure drop and heat transfer coefficient. The Quality Decrease Function was used to measure the deviation from the desired performance level, while Analysis of Variance (ANOVA) helped identify the most x influential factors. This statistical approach enabled the identification of the optimal design configuration that improved the thermal performance of STHeX. The study confirmed that the use of the new baffle design can significantly increase the heat transfer coefficient per unit pressure drop (U/PD) compared to the conventional baffle design. This shows great potential in the improvement of STHeX thermal efficiency, which can have far-reaching impacts on industrial applications that rely on effective heat exchange systems.

Item Type:	Thesis (Magister)
Identification Number:	0424070014
Uncontrolled Keywords:	Alat penukar panas, Optimasi, Taguchi, Mekanika Fluida, Baffle Heat Exchanger, Optimization, Taguchi, Fluid Mechanic, Baffle
Divisions:	S2/S3 > Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Depositing User:	Sugeng Moelyono
Date Deposited:	17 May 2024 09:25
Last Modified:	17 May 2024 09:25
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/219070

Text (DALAM MASA EMBARGO) Aulia Rahman.pdf Restricted to Registered users only Download (18MB)

Actions (login required)

View Item