Jurusan Teknik Kimia Disetujui: 28 Maret 2019 Politeknik Negeri Malang © 2019 Politeknik Negeri Malang
E-mail: mufid@polinema.ac.id

## Pengaruh Pitch Turbulator Terhadap NTU Pada

## Double Pipe Heat Exchanger
Mufid Mufid * , Arif Rahman Hakim, Bambang Widiono
Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Malang, Jl. Soekarno Hatta No. 9, Malang 65141, Indonesia
*E-mail: mufid@polinema.ac.id

## ABSTRAK
Saat ini kebutuhan akan energi di dunia terus meningkat, sejalan dengan semakin tumbuhnya industri untuk menopang  kehidupan  manusia.  Namun  kenaikan  kebutuhan  energi  tersebut  tidak  diimbangi  dengan bertambahnya  sumber  energi,  sehingga  harga  energi  semakin  mahal.  Untuk  meminimalisir  kebutuhan energi,  maka  perlu  dicari  sumber-sumber  energi  alternatif  baru,  terutama  sumber  energi  baru  dan terbarukan. Disamping itu perlu dilakukan pengelolaan energi yang lebih baik, sehingga kebutuhan energi dunia bisa dikurangi. Double Pipe Heat exchanger memiliki pipa luar stainless steel dengan diameter dalam (Do) 3,5 inchi, ketebalan pipa (To) 1,5 mm, dan panjang pipa (Lo)  790mm dan pipa dalam (Di) 1 3/8 inchi, ketebalan(Ti)  0,6  mm,  dan  panjang  pipa  (Li)  920mm,  dengan  air  dingin  dan  air  panas  yang  digunakan sebagai  fluida  uji  di  annulus  dan  pipa  dalam. Helical  turbulator dari  besi  ( mild  steel )  dengan  dimensi geometris jarak antar elemen ( pitch ) sebesar 25mm, 50 mm dan 75 mm berdiameter dalam (Di) 5/16 inchi dan  diameter  luar(Do)  1  5/16  inchi  dengan  panjang  750mm  dimasukkan  dalam inner  tube dari heat exchanger .  Air  panas  memasuki  tabung  dengan  variasi  flowate  mulai    400  l/jam  sampai  900  l/jam, sedangkan flowrate air dingin konstan 900 l/jam. Hasil penelitian dengan  disisipkannya helical turbulator sebagai turbulator pada heat  exchanger mengakibatkan  peningkatan  laju  perpindahan  kalor. Helical turbulator dengan pitch 25mm  menimbulkan  peningkatan  laju  perpindahan  kalor    paling  besar  sebesar  62%  dibandingkan  plain  tube. Helical  turbulator mengakibatkan  peningkatan  NTU heat  exchanger terbesar sebesar  63% dihasilkan oleh helical turbulator dengan pitch 25mm.
Kata kunci : heat exchanger , helical turbulator , NTU , pitch

## ABSTRACT
At present the need for energy in the world continues to increase, in line with the growing industry to sustain human life. However, the increase in energy needs is not offset by the increase in energy sources, so energy prices are increasingly expensive. To minimize energy needs, it is necessary to look for new alternative energy sources, especially new and renewable energy sources. Besides that, better energy management is needed, so that the world's energy needs can be reduced. Double Pipe Heat Exchanger has stainless steel outer pipe with inner diameter (Do) 3.5 inch, pipe thickness (To) 1.5 mm, and pipe length (Lo) 790 mm and pipe inside (Di) 1 3/8 inch, thickness (Ti) 0.6 mm, and the length of pipe (Li) 920 mm, with cold water and hot water used as test fluid in the annulus and inner pipe. Mild steel helical turbulators with geometric dimensions of 25mm, 50mm and 75mm intervals between 5/16 inch in diameter and a 750mm length 5/16 inch outer diameter (Do) are included in the inner tube of heat exchanger. Hot water enters the tube with variations in flowate from 400 l / hour to 900 l / hour, while the cold water flowrate is constant 900 l / hour. The results of the study by inserting a helical turbulator as a turbulator in a heat exchanger resulted in an increase in the  heat transfer rate. Helical turbulators with a pitch of 25mm give rise to the highest heat transfer rate of  62% compared to plain tubes. Helical turbulators cause the largest increase in NTU heat exchanger of  63% produced by a helical turbulator with a 25mm pitch.
Keywords : heat exchanger , helical turbulator , NTU, pitch

## 1.  PENDAHULUAN
Perkembangan  teknologi  industri  yang demikian pesatnya akhir-akhir ini menyebabkan  kebutuhan  akan  energi meningkat  dengan  tajam.  Sebagian  besar kebutuhan  akan  energi  tersebut  dipenuhi dari  sumber  energi  fossil  yaitu  minyak bumi  yang  ketersediaannya  di  alam semakin  lama  semakin    menipis.  Hal tersebut  berdampak  pada  berkurangnya pasokan  bahan  bakar,  sehingga  harga bahan  bakar  di  pasaran  dnia  cenderung menjadi tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan- permasalahan  tersebut,  perlu  dilakukan manajemen energi yang lebih baik dengan cara: mengupayakan penggunaan peralatan industri yang lebih hemat energi, mengoptimalkan pemanfaatan energi panas  yang  terbuang  dari  peralatan- perlatan industri, mencari sumber-sumber energi  alternatif  baru  yang  ada  di  alam, pengembangkan
peralatan-peralatan industri yang lebih efisien, dan meningkatkan  efisiensi  peralatan  industri yang sudah ada.
Salah  satu  bentuk  upaya  peningkatan efisiensi  pemindahan  energi  di    industri adalah  dengan  mengatur  parameter  dari peralatan industri yang digunakan. Beberapa cara diantaranya adalah mengubah  tipe  aliran  fluida,  mengubah area penerimaan energi,
dan mengkondisikan  temperatur  fluida  kerja. Faktor perubahan parameter yang berpengaruh  dalam  proses  engineering baik di Power Plant Industry , Production Processing  utility ,  dll  sangat  penting, karena pengaturan tersebut akan menentukan kualitas produk yang dihasilkan [7].
Pengembangan  terhadap heat  exchanger dilakukan  dalam  upaya  untuk  mengatasi permasalahan-permasalahan  seperti:  laju perpindahan  kalor,  faktor  gesekan,  pola
aliran  fluida  kerja,  jenis  material heat exchanger ,  efektifitas  perpindahan  kalor, jenis heat exchanger . Solusi dari permasalahan  tersebut  diharapkan  dapat meningkatkan efisiensi perpindahan kalor pada heat  exchanger karena  terjadinya pengurangan pada energi yang dibutuhkan atau  penurunan  terhadap  ukuran heat exchanger [12].  Meningkatnya  konveksi paksa akan dapat memperkecil kebutuhan energi  dalam mengalirkan fluida kerja ke sistem penukar kalor [2].
Pada  penelitian  mengenai  peningkatkan koefisien perpindahan panas dari
permukaan aliran karena terjadinya peningkatan  gerak  turbulen  pada  tabung dengan  menggunakan  pin  [11]  dan    pelat sirip  [11],  menunjukkan  bahwa  laju perpindahan  panas  semakin  meningkat dengan digunakannya pin  dan pelat sirip. Penggunaan turbulator berbentuk  plat berpilin dengan potongan bentuk trapesium  [9] atau bentuk potongan daun ( louvered  strip )  [5]  yang  disisipkan  ke dalam pipa dalam ( inner tube ) double pipe heat exchanger terbukti dapat
meningkatkan  laju  perpindahan  kalor. Selain  itu  turbulator  bentuk  sekrup  helic dengan/tanpa  inti  [4],  juga  memperbesar terjadinya    aliran  pusaran    sehingga memperbesar  terjadinya  aliran  turbulen dan  mengakibatkan  perpindahan  panas konveksi yang lebih baik.
Penelitian  pada brazed  plate  heat exchanger (BPHE) dengan memvariasikan sudut chevron [1]
memberikan hasil bahwa perubahan sudut chevron  berdampak  pada  perubahan  laju perpindahan panas dan penurunan tekanan dimana  penurunan  tekanan  berbanding terbalik  dengan  sudut  chevron. Mesh dengan  berbagai  diameter pitch yang berbeda  yang  digunakan  pada  pipa horisontal untuk
meningkatkan perpindahan  panas  [10],  juga  terbukti dapat  meningkatkan  terjadinya  turbulensi
aliran. Mesh dengan pitch lebih kecil akan menimbulkan turbulensi yang lebih kuat.
Panas  dilepas  oleh  air  panas  dalam  pipa dalam  ( inner  tube )  heat  exchanger, 𝑄̇ ℎ, dapat dirumuskan seperti pada persamaan (1).
(1) ) .( . , , in h out h ph h h T T C m Q      
dimana 𝑚̇ ℎ adalah  laju  alir  massa  air panas; 𝐶 𝑝ℎ adalah  panas  spesifik  air panas; 𝑇 ℎ,𝑜𝑢𝑡 dan 𝑇 ℎ,𝑖𝑛 adalah temperatur outlet dan inlet air panas.
Panas yang diserap oleh air dingin dalam pipa  annulusnya, 𝑄̇ 𝑐, dapat  dirumuskan seperti pada persamaan (2).
(2) ) .( . , , in c out c pc c c T T C m Q      dimana 𝑚̇ 𝑐 adalah  laju  alir  massa  air dingin; 𝐶 𝑝𝑐 adalah  panas  spesifik  air dingin; 𝑇 𝑐,𝑜𝑢𝑡 dan 𝑇 𝑐,𝑖𝑛 adalah temperatur outlet dan inlet air dingin.
Laju  perpindahan  kalor  menyeluruh  pada heat  exchanger, 𝑄̇ dirumuskan  seperti pada persamaan (3).
(3) . . lm s T A U Q   
dengan    U  adalah  koefisien  perpindahan panas  menye-luruh; 𝐴 𝑠 adalah  luas permukaan
perpindahan panas menyeluruh; ∆𝑇 𝑙𝑚 adalah log  mean temperatur difference .
Besar log  mean  temperature  different (LMTD)  dapat  dirumuskan  seperti  pada persamaan (4).
(4) ) / ln( 2 1 2 1 T T T T T lm       
dengan:
in c out h out c in h T T T dan T T T , , 2 , , 1     

Koefisien perpindahan panas  menyeluruh ( overall  heat  transfer  coefficient )  pada double  tube  heat  exchanger [6],  U  dapat dirumuskan seperti pada persamaan (5).
(5) . 1 . . 2 ) / ln( 1 1 0 0 s i o i i A A h L k D D A h U          
Angka  Nusselt  untuk  aliran  turbulen melalui  pipa  halus  ditentukan  menurut persamaan  Dittus-Boelter  [3]  seperti dirumuskan pada persamaan (6).
(6) 10.000 Re 160 Pr 0,7 Pr . Re . 023 , 0 8 , 0           n Nu
dengan  n  =  0,4  (  untuk  pemanasan  )  dan 0,3 ( untuk pendinginan ); Re adalah
angka Reynolds; Pr adalah angka Prandt.
Angka  Nusselt  untuk  aliran  turbulen melalui  pipa  dengan  turbulator  berupa helical fin  ditentukan menurut persamaan Eiamsa-ard  [5],  seperti  yang  dirumuskan pada persamaan (7):
𝑁𝑢 = 0,0215. 𝑅𝑒 0,9143 . 𝑃𝑟 1 3 ⁄ (7)
Angka  Reynold  adalah  perbandingan antara  gaya  inersia/kinetik  dengan  gaya viskos  dalam  aliran  fluida  [6],  Re  dapat dirumuskan seperti persamaan (8).
(8) . . Re   v D h  dengan Dh adalah diameter hidrolis (m); v adalah kecepatan rata-rata fluida (m/s);  adalah koefisien viskositas dinamik(Pa.s);  adalah densitas fluida (kg/m3).
Perbandingan  antar  ketebalan  relatif  dari kecepatan  dengan  lapisan  batas  termal merupakan sebuah parameter tak berdimensi yang dinamakan Angka
Prandtl, Pr yang dirumuskan seperti pada persamaan (9).
(9) . Pr k C p     
dengan  v  adalah  difusivitas  momentum (m2/s);  adalah difusivitas panas (m2/s);
 adalah  koefisien  kekentalan  dinamik (kg/m.s); Cp adalah  kalor spesifik fluida (joule/kg.°C);  k  adalah  konduktivitas termal (watt/m.°C).
Number  of  Thermal  Unit (NTU)  dapat dirumuskan seperti pada persamaan (10).
(10) ) ( . . min min p s s C m A U C A U NTU   
dengan  U  adalah  koefisien  perpindahan kalor  menyeluruh;  As  adalah  luas permukaan perpindahan
panas menyeluruh; Cmin adalah kapasitas kalor minimum fluida.
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan untuk  mengetahui  pengaruh pitch helical turbulator yang  disisipkan  pada  tabung bagian dalam ( inner tube ) dari double pipe heat exchanger terhadap laju perpindahan kalor dan NTU.

## 2.  METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  di  laboratorium Teknik  Kimia  Politeknik  Negeri  Malang. Skema  peralatan  penelitian  seperti  dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema Peralatan
Keterangan: (P) Pompa air; (E) Elemen Pemanas; (W) Tandon air; (V) Valve; (R) Rotameter; (M) Manometer;  (T) Termometer; (H) Heat exchanger
Penelitian  diawali  dengan  melakukan kalibrasi  terhadap  flowmeter.  Kemudian dilanjutkan  dengan  mengalirkan  fluida panas di pipa dalam ( inner tube ) dan fluida dingin  di annulus .  Flowrate  fluida  panas divariasikan dengan flowrate 400 – 900 l/h sedangkan fluida dingin  flowrate konstan sebesar  900  l/h.  Kemudian  penelitian diulang  dengan  memasukkan helical turbulator (Gambar 2) mulai dari pitch 25 mm,  50  mm,  dan  75  mm  ke  dalam inner pipe.
Gambar 2. Helical Turbulator
Data  pengamatan  yang  dicatat  adalah temperatur  masuk  (T in )  dan  keluar  (T out ) fluida  panas  dan  fluida  dingin.  Untuk menentukan laju perpindahan kalor dihitung  dari    beda  temperatur  LMTD ( logaritmic  mean  thermal  difference ), kemudian dilakukan perhitungan NTU.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil dari penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2 untuk pengaruh flowrate fluida air panas terhadap laju perpindahan kalor dan Gambar 3 untuk pengaruh flowrate air panas terhadap Number of Taransfer Unit (NTU).

## 3.1 PENGARUH FLOWRATE FLUIDA AIR PANAS TERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR
Berdasarkan analiasa data yang dihasilkan dari  penelitian,  dapat  digambarkan  grafik yang  menunjukkan  hubungan  antara flowrate  fluida  panas  terhadap  laju perpindahan  kalor  pada heat  exchanger seperti Gambar 3.
P M 5 V 2 1 R 0 P 3 V V R P E W V T H T
Tabel 1. Laju perpindahan kalor rata-rata dalam Watt untuk debit 400 l/h s.d 600 l/h.
Pitch Helical Flowrate (l/h) 400 500 600 Helical 25mm 2422,38 2562,83 2925,59 Helical 50mm 2152,36 2604,34 2531,43 Helical 75mm 1997,64 2381,68 2502,98 Plain tube 1439,939 1473,69 1674,48
Tabel 2. Laju perpindahan kalor rata-rata dalam Watt untuk debit 700 l/h s.d 900 l/h Pitch Helical Flowrate (l/h) 700 800 900 helical 25mm 3021,34  3211,58  3568,56 helical 50mm 2791,71  3008,57  3267,93 helical 75mm 2689,97  2879,46  3185,67 plain tube 1891,86  2122,54  2441,54 Dari  Gambar  3  dapat  dilihat  bahwa penyisipan helical turbulator menyebabkan peningkatan laju perpindahan  kalor  dibandingkan  dengan tanpa helical  turbulator .  Adanya helical turbulator menyebabkan  orientasi  aliran fluida  berubah  dari axial menjadi radial , sehingga kuantitas partikel air panas yang mengalami  kontak  pada  dinding  pipa dalam  ( tube )  bagian  dalam  terjadi  lebih banyak,  akibatnya  makin  banyak  kalor yang  dipindahkan  oleh  air  panas  ke dinding  pipa.  Disamping  itu  adanya helical  turbulator yang  sisi  luarnya menempel pada dinding dalam pipa dalam akan  menyebabkan  luas  permukaan perpindahan kalor semakin besar, akibatnya partikel air panas yang memindahkan  kalor  ke  dinding  melalui permukaan helical semakin banyak
sehingga makin besar kalor yang dipindahkan.
Gambar  3. Hubungan  flowrate  fluida panas dengan laju perpindahan kalor
Dalam  hal  perubahan  yang  dilakukan terhadap flowrate air  panas,  ternyata makin  tinggi  flowrate  air  panas  yang digunakan  mengakibatkan  kenaikan  laju perpindahan kalor. Hal ini disebabkan oleh semakin  meningkatnya  kuantitas  partikel air panas yang mengalami kontak dengan dinding pipa sebelah dalam, maka semakin banyak  energi  kalor  yang  ditransferkan oleh partikel-partikel air panas ke dinding pipa.
Helical  Turbulator dengan pitch 25mm,
50mm, dan 75mm berturut-turut menimbulkan  kenaikan  laju  perpindahan kalor sebesar  62%, 50%, dan 43% lebih besar  dibandingkan  laju  perpindahan kalor pada plain tube. Helical Turbulator dengan pitch 25mm mampu menimbulkan laju perpindahan yang lebih besar karena memiliki  luas  permukaan  perpindahan kalor yang paling besar.
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 400 500 600 700 800 900 Laju P e rpi ndahan K al or (w at t) Flowrate air panas (l/h)
helical 25mm helical 50mm helical 75mm plain tube

## 3.2 PENGARUH FLOWRATE FLUIDA AIR PANAS TERHADAP LAJU NUMBER OF TRANSFER UNIT
(NTU)
Dari  analiasa  data  penelitian  yang dihasilkan, dapat digambarkan grafik yang menunjukkan  hubungan  antara    flowrate fluida  panas  terhadap  NTU  pada  heat exchanger seperti Gambar 4.
Tabel 3. NTU rata-rata  untuk debit 400 l/h s.d 600 l/h.
Pitch Helical Flowrate (l/h) 400 500 600 Helical 25mm 0,23326  0,19826  0,18697 Helical 50mm 0,20393  0,19611  0,16205 Helical 75mm 0,19043  0,17934  0,15311 Plain tube 0,12908  0,11581  0,10837
Tabel 4. NTU  rata-rata  untuk debit 700 l/h s.d 900 l/h Pitch Helical Flowrate (l/h) 700 800 900 helical 25mm 0,16476  0,15239  0,15264 helical 50mm 0,15082  0,14088  0,13979 helical 75mm 0,1364 0,13228  0,13421 plain tube 0,1017 0,10068  0,09888 Gambar 4 menunjukkan bahwa penyisipan Helical  Turbulator sebagai  turbulator menghasilkan peningkatan terhadap Number  of  Thermal  Unit (NTU) heat exchanger. Helical  Turbulator dengan pitch 25mm,  50mm,  dan  75mm  berturut- turut  menimbulkan  peningkatan  NTU sebesar  80%, 57%, dan 47% lebih besar dari  pada plain  tube .  Peningkatan  ini diakibatkan  oleh  semakin  besarnya  laju
perpindahan  kalor  real  yang  dipindahkan oleh heat exchanger yang disisipi dengan Helical Turbulator .
Gambar  4. Hubungan flowrate fluida panas dengan NTU
Helical  Turbulator dengan pitch lebih kecil menyebabkan partikel-partikel fluida berada  dalam  tabung  lebih  lama  dan bergerak  ke  arah radial lebih  banyak, sehingga  akan  memindahkan    panas  ke dinding  yang  lebih  banyak,  akibatnya Number  of  Transfer  Unit (NTU) heat exchanger meningkat.
Sedangkan  kenaikan  flowrate  air  panas justru mengakibatkan menurunnya
Number  of  Transfer  Unit (NTU).  Hal  ini terjadi disebabkan oleh semakin besarnya kapasitas kalor minimum yang
diakibatkan  oleh  kenaikan  flowrate  air panas.  Kapasitas  kalor  minimum  adalah hasil kali antara massa dengan kalor jenis, sehingga  dengan  naiknya  flowrate,  maka massa  air  panas  yang  mengalir  menjadi semakin besar.

## 4.  KESIMPULAN
Berdasarkan  pembahasan  yang  telah dilakukan  maka  dapat  ditarik  kesimpulan sebagai  berikut,  laju  perpindahan  kalor akan semakin besar apabila ke dalam heat
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 400 500 600 700 800 900 NTU Flowrate (l/h) Poly. (helical 25mm) Poly. (helical 50mm) Poly. (helical 75mm) Poly. (plain tube) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 400 500 600 700 800 900 Laju P e rp in d ah an K alor ( w att) Flowrate air panas (l/h)
helical 25mm helical 50mm helical 75mm
plain tube
exchanger ditambahkan helical turbulator yang  memiliki pitch yang  lebih  kecil. Penambahan helical  turbulator akan meningkatkan  NTU heat  exchanger , dengan  kenaikan  NTU  terbesar  terjadi untuk pitch helical terkecil.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] M.  A.    J.  Selvam,  S.  Kumar  P,  S. Muthuraman,  The  characteristics  of brazed  plate  heat  exchangers  with different chevron angles, Asian  Res. Publ.  Netw .,  vol.  4,  no.  10,  hal.  19- 26, 2009.
[2] A.  E.  Bergles,  The  Imperative  to Enhance  Heat  Transfer,  in:  Energy Conservation  through  Heat  Transfer Enhancement  of  Heat  Exchanger,
NATO  Advanced  Study  Institute, Izmir-Turkey, 1998.
[3] Y.  A.  Çengel,  Heat    Transfer  A Practical  Approach,  2nd  edition, New York, Mc Graw Hill Companies Inc, 2003.
[4] S.  Eiamsa-ard,  P.  Promvonge,  Heat transfer characteristics in a tube fitted with helical screw-tape with/without core-rod  insert, Int.  Commun.  Heat Mass , vol. 34, hal. 176-185, 2006.
[5] S.  Eiamsa-ard,  P.  Promvonge,  C. Thiaanpong, S. Pethkool, . Turbulent flow heat transfer and pressure loss in a  double  pipe  heat  exchanger    with louvered  strip  insert, Int.  Commun.
Heat  Mass ,  no.  35,  hal.  120-129, 2008.
[6] C. J. Geankoplis, Transport Processes  and  Separation  Process Principle, 4th edition Pearson
Professional Education, 2003.
[7] J.  Gaurav,  V.  Hasda,  Experimental Studies On Heat Transfer Augmenatation Using Modified Reduced  Width  Twisted  Tapes (RWTT)  As  Inserts  For  Tube  Side Flow of Liquids, Thesis, Department of  Chemical  Engineering  National Institute  of  Technology  Rourkela, 2010.
[8] R.  Kalaivanan,  R.  Rathnasamy, Experimental  investigation  of  forced convective heat transfer in rectangular micro-channels, J. Eng. Appl. Sci. , vol 5, no. 5, hal. 21 – 26, 2010.
[9] P.  Murugesan,  K.  Mayilsamy,  S.
Suresh,  P.S.S.  Srinivasan,  Heat transfer and pressure drop characteristics of turbulent flow in a tube  fitted  with  trapezoidal-cut twisted tape insert, Int. J. Acad. Res. , vol. 1, no. 1, hal. 123-128, 2009.
[10] N. S. Sarada, A.V. S. R. Raju, K. A.
Radha, Experimental numerical analysis enhancement of heat transfer in  a  horizontal  circular  tube  using mesh  inserts  in  turbulent  region, European Journal of Mechanical and Environmental  Engineering ,  vol.  2, hal.  3 – 16, 2010.
[11] N. Sahiti,  F. Durst,  A. Dewan,  Heat transfer enhancement by pin element, Int. J. Heat Mass Trans. , no. 48, hal. 4738-4747, 2005.
[12] M. Thirumarimurugan, T. Kannadasan, E. Ramasany, Simulation  studies  on  a  cross  flow plate turbulator heat  exchanger, Am. J. Appl. Sci. , vol. 5, no. 10, hal. 1318- 1321, 2008.