Tugas 3.docx

TUGAS MATA KULIAH METODOLOGI PENELITIAN

Oleh : BACHTIYAR BUDI SISWANTO NRP : 02311850023041

JURUSAN TEKNIK FISIKA BIDANG MINAT ENERGI TERBARUKAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER Jln. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia

1|Page

ABSTRAK Dalam melakukan penelitian metode penelitian sangat penting dalam pembuatannya. Metode penelitian menjelaskan cara/langkah yang dilakukan dalam penelitian. Metode penelitan bersifat khusus dibandingkan dengan metodologi penelitian yang merupakan konsep dari kumpulan berbagai metode. Penelitian yang akan dilakukan, adalah mengoptimasi heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain HTRI yang mana telah banyak dilakukan penelitian tentang heat exchanger dari ketiga tipe tersebut menggunakan metode numerik dan desain menggunakan CFD. Maka dari itu, perlu dilakukan optimasi dengan metode lain dengan perhitungan dan desain HTRI. Rumusan yang dalam penelitian ini adalah bagaimana mengoptimasi, meningkatkan heat transfer dan pressure drop, serta mengefisiensikan penggunaan HE tersebut. Metodologi penelitain ini meliputi subjek penelitian, prosedur penelitian, pengambilan data HE dari studi literatur, menentukan objective functions dan Constraint, pemodelan dan validasi, serta analisis dan laporan. Pendekatan yang digunakan adalah pendekatan kuantilatif/kuantitatif kualitatif (campuran). Teori yang akan digunakan dalam proses optimasi penelitian ini adalah dengan penyelesaian komplek dan nonlinear dengan penyelesaian menggunakan persamaan matematika untuk menentukan koefisien perpindahan panas dan penurunan pressure drop yang selanjutnya comparing dari hasil perhitungan di software HTRI dengan asumsi semakin kecil jarak antar baffle maka akan menaikkan overall heat transfer coefficient dan semakin besar sudut dari baffle maka akan menurunkan pressure drop. Maka diharapkan (hipotesis) terdapat pengaruh dari parameter heat exchanger dari ketiga jenis baffle tersebut yakni nilai overall heat transfer coefficient (U). pressure drop (ΔP), sudut baffle (β), jarak antar baffle (Lbc), luas penampang (A) terhadap nilai optimasi dengan menggunakan perhitungan dan desain software HTRI.

Kata kunci : Metode penelitian, metodologi penelitian, heat exchanger, segmental, helical, flower, optimasi heat exchanger, HTRI

2|Page

ABSTRACT

In conducting the research, methods research is essential in the making. The research method explains how / steps involved in the research. The method is specific research compared with research methodology which is the concept of a collection of various methods. The research will be done, is to optimize heat exchanger segmental type, helical, and flower baffles using the calculation and design HTRI which has done much research on the heat exchanger of the third type uses numerical methods and designs using CFD. Therefore, it needs to be optimized by another method of calculation and design HTRI. The formulation in this research is how to optimize, improve heat transfer and pressure drop, as well as streamline the use of HE. The methodology of the research includes a research subject, research procedures, data retrieval HE from literature, determine the objective functions and constraints, modeling and validation, as well as analysis and reporting. The approach used is the approach of kuantilatif / quantitative qualitative (mixture). The theory will be used in the optimization process of this research is the completion of the complex and nonlinear settlement using mathematical equations to determine the coefficient of heat transfer and reduced pressure drop which in turn comparing from the calculation in software HTRI with the assumption that the smaller the distance between the baffles will raise the overall heat transfer coefficient and the greater the angle of the baffle it will lower the pressure drop. It is expected (hypothesis) there is the influence of the parameters of the three types of heat exchangers that baffle the value of overall heat transfer coefficient (U). pressure drop (ΔP), baffle angle (β), the distance between the baffles (Lbc), crosssectional area (A) of the value of the optimization using HTRI calculation and design software.

Keywords: research methods, research methodology, heat exchangers, segmental, helical, flower, optimization of heat exchangers, HTRI

3|Page

1. Perbedaan metode penelitian dengan metodologi penelitian Metode penelitian menjelaskan/menyampaikan cara-cara ataupun langkah-langkah yang sesuai kaedah keilmuan yang dipakai dalam penelitian. Metode bersifat khusus yang ada dalam metodologi atau dapat dikatakan metode lebih berkenaan dengan substantif/teknis dari keseluruhan yang dibahas dalam metodologi. Dalam melakukan penelitian, metode dapat berupa teknik penggalian data, teknik pengolahan data, teknik perhitungan, teknik penyelesaian, penentuan populasi serta sampel dan sebagainya. Metodologi penelitian membahas mengenai konsep teoritik berbagai metode, baik dari aspek kelebihan maupun kekurangannya dalam kajian ilmiah, yang selanjutnya dilanjutkan dengan memilih metode terbaik dan tepat untuk dipakai di dalam penelitian. Metodologi dapat dipisah menjadi kata metode dan logis yang memiliki arti ilmu yang mempelajari tentang motode. Berbagai metode atau cara yang dipakai dalam analisis teoritis serta teknis menjadi satu kesatuan dalam metodologi penelitian. 2.

Sebutkan susunan proposal tesis anda dan jelaskan secara singkat dari tiap subbab!

JUDUL “OPTIMASI HEAT EXCHANGER SHELL AND TUBE TIPE SEGMENTAL, HELICAL, DAN FLOWER BAFFLE MENGGUNAKAN ANALISA PERHITUNGAN DAN DESAIN HTRI” Bab I Pendahuluan a. Latar Belakang Susunan dari klasifikasi Heat Exchanger (HE), paling umum adalah shell dan tube HE dengan satu shell pass dan dua tube pass atau dua shell pass dan empat tube pass tergantung pada kebutuhan industri[3]. Dalam perancangan heat excangher yang optimal perlu dirancang dengan baik bentuk dan giometrinya. Dalam desain teknik perancangan, perpaduan heat exchanger menghasilkan performa perpindahan panas yang sangat efektif, low pressure drop, mengurangi kurangnya tenaga dalam proses memompa dan hemat biaya produksi[4], seperti karakteristik fin-tube heat exchanger (FTHEs) dan pembentukan sirkulasi berbentuk zigzag yang juga sangat penting dalam performansi dan untuk desain[5][6]. Dalam mendesain HE, perhitungan koefisien transfer panas bervariasi. Perhitungan dapat dilakungan dengan melakukan percobaan maupun simulasi. Salah satu simulasi yang dapat digunakan adalah menggunakan software HTRI, untuk merancang dan mengkalkulasi output yang dihasilkan dengan faktor-faktor luar seperti pressure drop, foulling, LMTD dan sebagainya. Output yang dihasilkan dari HTRI, dapat menghitung Laju aliran yang melintas, Renolds Number, kecepatan di shell, HTC dll[7]. Software HTRI lebih baik dibandingkan Cell model dalam akurasi perhitungan temperatur pada heat exchanger tipe U-tube dan straight tube[8]. Hampir semua parameter yang ada di desian HTRI sangat sesuai dengan parameter desain manual[9].

4|Page

Potensi variasi desain yang dapat dikembangkan dalam perhitungan panas, jumlah tabung dan penurunan tekanan di sisi sell dapat dioptimalkan dengan perhitungan manual dan HTRI secara bersamaan. Variasi yang diukur meliputi panas yang akan dijadikan menjadi daya, number of tube dan shell side pressure drop[9]. Pada penelitian sebelumnya, aliran fluida panas telah dikembangkan dengan model numerikal untuk perhitungan dan perbandingan pada heat exchanger shell and tube dengan perbedaan tipe baffle. Hasil yang diperoleh mengindikasikan bahawa helical baffle memiliki keseimbangan yang baik diantara karakteristik transfer panas dan pressure dropnya. Sedangkan, penggunaan baffle trefoil-hole dapat meningkatkan transfer panas namun terjadi pressuer drop yang besar pula. Dalam penelitian tersebut, penggunaan HE shell and tube tipe helical baffle lebih baik dalam meningkatkan performa aliran panas[10]. Selain itu, Dalam perhitungan numerik, Genetic Alghoritm (GA) dan Computer Fluid Dinamic (CFD) untuk menentukan optimasi dari berbagai tipe segmental, helical, dan flower telah juga dilakukan di penelitian sebelumnya pada Single Tube Heat Exchanger dan Double Tube Heat Exchanger dengan hasil HE flower baffle menghasilkan transfer panas dan pressure drop yang rendah dengan hasil simulasi QH/Po dari flower baffle lebih tinggi dari segmental baffle[11]. Maka dari itu potensi untuk dilakukan pengembangan penelitian selajutnya dengan analisa perhitungan dan desain heat exchanger shell and tube tipe segmental, helical dan flower baffle yang optimal dalam performa transfer panas dan pressure drop rendah menggunakan software HTRI. b. Rumusan Masalah 1. Bagaimana mengoptimasi variabel-variabel yang berpengaruh pada peningkatan heat transfer dan penurunan pressure drop pada heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI)? 2. Bagaimana peningkatan heat transfer dan penurunan pressure drop yang dihasilkan dari heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI)? 3. Bagaimana mengefisiensikan penggunaan heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI)? c. Batasan Masalah 1. Tipe heat exchanger yang digunakan adalah shell and tube. 2. Pengambilan data pada heat exchanger meliputi demensi, kondisi operasi dan property fluida.

5|Page

3. Penyelesaian permasalahan optimasi pada desain heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI) 4. Perhitungan heat transfer dan pressure drop menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI). d. Tujuan Penelitian 1. Menentukan variabel-variabel yang dioptimasi agar diperoleh heat transfer yang maksimal dan pressure drop yang minimal pada heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI) 2. Menganalisis pengaruh peningkatan heat transfer dan penurunan pressure drop pada heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI) 3. Melakukan perhitungan dan mendesain heat exchanger tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software Heat Transfer Research Inc (HTRI). e. Relevansi Relevansi optimasi heat exchanger shell and tube tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan analisa perhitungan dan desain HTRI meliputi perhitungan peningkatan heat transfer dan meminimalisir pressure drop. Selain itu, peneitian ini dapat dikembangkan lagi bagi peneliti selanjutnya menggunakan metode lain atau penambahan teknologi dari ketiga tipe baffle tersebut untuk meningkatkan performansi lajut perpindahan panas dan penurunan pressure drop. f. Target Luaran Dapat mempublikasikan baik seminar nasional ataupun internasional tentang optimasi heat exchanger shell and tube tipe segmental, helical, dan flower baffle menggunakan analisa perhitungan dan desain HTRI Bab II Tinjauan Pustaka a. Teori Penunjang 1. Berisi teori tentang Heat Exchanger 2. Berisi teori HE Shell and Tube 3. Berisi teori tipe segmental, helical dan flower baffle 4. Berisi metode perhitungan optimasi performansi heat transfer dan pressure drop 5. Overview desain HE melalui Software Heat Transfer Research Inc (HTRI) b. Studi Hasil Penelitian Sebelumnya (State of the art) Berikut merupakan beberapa penelitian sebelumnya terkait desain heat exchanger shell and tube tipe segmental, helical, dan flower baffle : 1. Z. H. Ayub, “A new chart method for evaluating single-phase shell side heat transfer coefficient in a single segmental shell and tube heat exchanger,” Appl. Therm. Eng., vol. 25, no. 14–15, pp. 2412–2420, 2005. Simulasi yang dapat digunakan dalam 6|Page

2.

3.

4.

5.

6.

7.

7|Page

perangcangan HE adalah software HTRI, untuk merancang dan mengkalkulasi output yang dihasilkan dengan faktor-faktor luar seperti pressure drop, falling, LMTD dan sebagainya. Output yang dihasilkan dari HTRI, dapat menghitung Laju aliran yang melintas, Renolds Number, kecepatan di shell, HTC dll. S. Sahajpal and P. D. Shah, “Thermal design of ammonia desuperheater-condenser and comparative study with HTRI,” Procedia Eng., vol. 51, no. NUiCONE 2012, pp. 375–379, 2013. Semua parameter yang ada di desian HTRI sangat sesuai dengan parameter desain manual. Potensi variasi yang dapat dikembangkan dalam perhitungan panas, jumlah tabung dan penurunan tekanan di sisi sell dapat dioptimalkan dengan perhitungan manual dan HTRI secara bersamaan. Variasi yang diukur meliputi panas yang akan dijadikan menjadi daya, number of tube dan shell side pressure drop. J. Lei, L.-Y. Zhu, S. Tu, G. Zhou, and H. Zhu, “Prediction of Temperature Distribution in Shell-and-tube Heat Exchangers,” Energy Procedia, vol. 61, pp. 799–802, 2015. Software HTRI lebih baik dibandingkan Cell model dalam akurasi perhitungan temperatur pada heat exchanger tipe U-tube dan straight tube. A. El Maakoul et al., “Numerical comparison of shell-side performance for shell and tube heat exchangers with trefoil-hole, helical and segmental baffles,” Appl. Therm. Eng., vol. 109, pp. 175–185, 2016. Penggunaan buffle trefoil-hole dapat meningkatkan transfer panas namun terjadi presser drop yang besar pula. Dalam penelitian tersebut, penggunaan HE shell and tube tipe helical buffle lebih baik dalam meningkatkan performa aliran panas. M. Awais and A. A. Bhuiyan, “Heat and mass transfer for compact heat exchanger (CHXs) design: A state-of-the-art review,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 127, pp. 359– 380, 2018. Desain teknik perancangan, perpaduan heat exchanger menghasilkan performa perpindahan panas yang sangat efektif, low pressure drop, mengurangi kurangnya tenaga dalam proses memompa dan hemat biaya produksi. B. Wang, G. Zhang, W. Shi, Y. Cao, and X. Li, “Review of experimentation and modeling of heat and mass transfer performance of fin-and-tube heat exchangers with dehumidification,” Appl. Therm. Eng., vol. 146, pp. 701–717, 2018. Peningkatan performansi dan desain pada karakteristik fin-tube heat exchanger (FTHEs). L. He and P. Li, “Numerical investigation on double tube-pass shell-and-tube heat exchangers with different ba ffle configurations,” vol. 143, no. August 2017, pp. 561– 569, 2018. Melakukan perhitungan numerik dan CFD untuk menentukan optimasi dari berbagai tipe segmental, helical, dan flower telah banyak dilakukan di penelitian sebelumnya pada Single Tube Heat Exchanger dan Double Tube Heat Exchanger dengan hasil HE flower buffle menghasilkan transfer panas dan pressure drop yang rendah dengan hasil simulasi QH/Po dari flower buffle lebih tinggi dari segmental buffle.

8. C. Huang, W. Cai, Y. Wang, Y. Liu, Q. Li, and B. Li, “Review on the characteristics of flow and heat transfer in Printed Circuit Heat Exchangers,” Appl. Therm. Eng., 2019. Peningkatan performansi heat exchanger dengan sirkulasi berbentuk zigzag. Bab III Metodologi Peneliatian a. Subjek penelitian Pengambilan data melalui studi literatur jurnal yang terkait untuk dioptimasi melalui perhitungan dan desain menggunakan software HTRI b. Prusedur Penelitian Prosedur penelitian meliputi, mengambilan data berisi geometri, ukuran, dan properti fluida, penentuan fungsi objectif dan constraint, pemodelan dan validasi model, optimasi heat exchenger tipe segmental, helical dan flower baffle menggunakan perhitungan dan desain software HTRI, dan selanjutnya analisis dan penyusunan laporan. c. Pengambilan Data Heat Exchanger Pengambilan data heat exchanger yang dimaksud dengan pengambilan data yang ada pada studi literatur sebelumnya, seperti coefficient heat transfer, pressure drop, foulling, dan sebagainya. d. Penentuan Objective Function dan Constraint Didalam penentuan objective function dan Constraint maka terlebih dahulu mendefinisikan rumus/persamaan yang akan digunakan, yang selanjutnya didesain untuk menghasilkan output dengan tujuan yang dimaksud. e. Pemodelan dan Validasi Setelah memperoleh data dan melakukan perhitungan sebelumnya, maka selanjutnya ketiga tipe heat exchanger tersebut dimodelkan/didesain menggunakan software HTRI yang bertujuan mengukur kesesuaian antara menggunakan perhitungan dan hasil desain terhadap peningkatan heat transfer dan penurunan pressure drop. f. Analisis dan Penyusunan Laporan Analisis data dilakukan setelah semua data dari hasil optimasi menggunakan perhitungan dan desain software HTRI diperoleh. Penyusunan laporan merupakan tahap terakhir dari pelaksanaan tugas ini. Laporan berisi hasil penelitian yang telah dilakukan dalam tesis ini. Bab IV Organisasi Tim, Jadwal dan Anggaran Biaya a. Organisasi Tim Peneliti Struktur dalam organisasi ini, sebagai ketua tim adalah Dr. Ridho Hantoro, ST, MT sebagai membimbing dan mengarahkan penetuan ide, metodologi, menentukan parameter-parameter yang diuji, analisa hasil dan penyusunan laporan. Sebagai pembimbing kedua adlah Gunawan Nugroho, ST, MT, Ph.D dengan kontribusi pembimbingan dalam menentukan dan memberikan arahan penyelesaian persamaan matematika dalam perhitungan yang dimaksud dalam tujuan tesis ini. Dan selanjutnya, 8|Page

Bachtiyar Budi Siswanto, S.Pd melakukan optimasi proses optimasi, perhitungan, dan desain HE yang dimaksud dengan bantuan software HTRI. b. Jadwal Pelaksanaan Berisi timeline kegiatan penelitian hingga penusunan laporan dalam skala minggu/bulanan. c. Anggaran Biaya Berisi anggaran biaya softwate lisence, Upgrade PC dalam proses optimasi, stationary, progres report dan final report, dan jurnal nasional/internasional. 3. Pendekatan penelitian seperti apa yang anda gunakan, kualitatif, kuantitatif atau campuran dari keduanya? Pendekatan yang digunakan adalah pendekatan kuantilatif/kuantitatif kualitatif (campuran). Penelitian ini akan disajian dalam angka-angka dan analisis yang dideskripsikan dalam sebuah narasi. 4. Jelaskan konsep dasar (asumsi, hipotesis, teori, dan variabel) dari apa yang akan anda kerjakan! Performansi sebuah heat exchanger ditunjukkan dengan tingginya koefisien perpindahan panas dan penurunan pressure drop. Dalam tingkat turbulensi suatu aliran fluida, optimasi perlu dilakukan untuk memecahkan permasalahan penurunan pressure drop yang dalam hal ini saling berinteraksi dengan koefisien perpindahan panas dalam proses bersamaan. Jadi variabel ini yang akan digunakan dalam penelitian dalam optimasi baik dengan perhitungan maupun pemodelan/desain software HTRI. Selain itu, variabel-variabel lain yang akan diperoleh dari hasil perhitungan dan desain seperti LMTD, foulling akan dibahas dalam penelitian ini. Teori yang akan digunakan dalam proses optimasi adalah dengan penyelesaian komplek dan nonlinear dengan penyelesaian menggunakan persamaan matematika untuk menentukan koefisien perpindahan panas dan penurunan pressure drop yang selanjutnya compairing dari hasil perhitungan di software HTRI. Asumsi-asumsi yang perlu kemukakan dalam penelitian ini adalah semakin kecil jarak antar baffle maka akan menaikkan overall heat transfer coefficient dan semakin besar sudut dari baffle maka akan menurunkan pressure drop. Alhasil, Hipotesis dalam penelitian ini adalah terdapat pengaruh dari parameter heat exchanger dari ketiga jenis baffle tersebut yakni nilai overall heat transfer coefficient (U). pressure drop (ΔP), sudut baffle (β), jarak antar baffle (Lbc), luas penampang (A) terhadap nilai optimasi dengan menggunakan perhitungan dan desain software HTRI.

9|Page