Pengaruh Pemilihan Jenis Material Terhadap Nilai Koefisien Perpindahan Panas pada Perancangan Heat Exchanger Shell-Tube dengan Solidworks Arif Budiman 1,a*, Sri Poernomo Sari 2,b*. 1,2) Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma Jl. Margonda Raya 100, Pondokcina, Depok 16424, Indonesia. a arif.budiman49@gmail.com, b sri_ps@staff.gunadarma.ac.id Abstrak Heat exchanger jenis shell-tube banyak digunakan di industri yaitu sebagai penukar panas antara dua fluida yang saling berbeda temperatur. Pemilihan jenis material mempengaruhi kinerja dari heat exchanger tersebut. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis pengaruh pemilihan jenis material terhadap nilai koefisien perpindahan panas pada perancangan heat exchanger shell-tube dengan solidworks. Bagian shell yaitu stasionary head dan rear head digunakan carbon steel sedangkan untuk tube digunakan copper, brass dan alluminium bronze. Dimensi yang digunakan berdasarkan perhitungan thermal dengan panjang 2.15 m untuk bagian shell dan tube, diameter dalam shell 30.48 cm, diameter dalam tube 1.656 cm, diameter luar tube 1.905 cm, jumlah tube 98 pitch, layout triangular pitch, jumlah baffle 14 buah dengan jarak 13.7 cm. Nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan pada perhitugan thermal untuk material copper pada tube 864.15 W/m 2 K, brass 856.89 W/m 2 K dan alluminium bronze 852.66 W/m 2 K. Distribusi kecepatan aliran dihasilkan dari simulasi dengan kecepatan inlet fluida air panas rata rata dari semua material adalah 0.789 dan kecepatan outlet 0.769. Distribusi kecepatan inlet rata rata fluida air dingin 3.026 dan kecepatan outlet 2.965. Distribusi temperatur yang dihasilkan pada fluida air panas dengan inlet 90ºC dan temperatur outlet berkisar antara 40ºC 43ºC. Distribusi temperatur fluida air dingin dengan inlet 21ºC dan temperatur outlet berkisar antara 33ºC 34ºC. Penurunan tekanan rata rata yang dihasilkan fuida air panas 1061.36 Pa dan penurunan tekanan yang dihasilkan fluida air dingin 14300.1 Pa. Kata kunci : Heat Exchanger, Shell and Tube, Koefisien Perpindahan Panas, Kecepatan Fluida, Temperature Fluida, Tekanan fluida. Pendahuluan Heat exchanger merupakan sebuah komponen yang sulit dipisahkan dalam sistem konversi energi. Heat exchanger merupakan sebuah sistem yang dapat mengubah temperatur dan fasa suatu jenis fluida dalam bentuk gas maupun cairan. Dalam perkembangannya heat exchanger memiliki jenis yang berbeda beda yang semuanya itu akan disesuaikan dengan kebutuhan. Saat ini jenis heat exchanger yang banyak digunakan adalah jenis Shell and Tube karena memiliki keutungan baik itu dari segi biaya, proses pembuatannya maupun kerja dari jenis heat exchanger tersebut. Mengingat penting serta banyak penggunaan heat exchanger dalam dunia industri dan perusahaan perusahaan energi, maka perlu dilakukan analisa beberapa parameter dalam melakukan perancangan yang akan mempengaruhi kinerjanya, seperti penggunaan jenis material yang berbeda pada bagian tube. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis perhitungan termal perancangan, pengaruh dari jenis material tube terhadap koefisien perpindahan panas pada perhitungan termal serta menganalisa fenomena kecepatan aliran fluida, distribusi temperatur dan penurunan tekanan yang dihasilkan pada simulasi software SolidWorks.
Teori Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan sebuah alat yang digunakan untuk dapat melakukan perpindahan kalor dari temperature yang lebih tinggi menuju temperature yang lebih rendah, selain berfungsi sebagai pendinginan alat penukar kalor (heat exchanger) juga berfungsi sebagai pemanas dari suatu system heat exchanger. Shell merupakan bagian tengah dari heat exchanger Shell and Tube dan juga merupakan rumah atau tempat dari bundle (gabungan dari tube dan baffle), bagian shell juga merupakan tempat terjadinya pertukaran kalor atau heat transfer pada proses heat exchanger, karena di dalam shell tersebut terdapat aliran fluida dan juga aliran fluida didalam tube. Gambar 3, Shell Pelat Tube Tetap [5]. Gambar 1, Heat Exchanger Shell and Tube [www.souheat.com]. Dalam konstruksi sebuah alat penukar kalor terdiri dari empat bagian yang akan saling mendukung untuk membuat konstruksi alat penukar kalor (heat exchanger), bagianbagian tersebut seperti bagian depan (front head stationary head), bagian shell, bagian belakang (rear end head) dan bagian tube atau tube bundle. Tube merupakan urat nadinya, hal ini disebabkan oleh aliran fluida yang terjadi didalam tube dan diluar tube dan kedua fluida tersebut memiliki kapasitas temperatur, density, viscositas, beda tekan serta jenis yang berbeda yang nantinya akan mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi. Kemampuan untuk dapat melepas maupun menerima kalor dari sebuah komponen heat exchanger akan dipengaruhi oleh luas permukaan (heating surface), sedangkan luas permukaan tersebut bergantung pada susuna dari tube, panjang tube, ukuran tube, jumlah tube yang digunakan pada jenis heat exchanger tersebut. Layout tube yang banyak digunakan adalah layout tube segitiga (triangular pitch) baik itu dipakai pada fluida yang kotor/ berlumpur atau fluida yang bersih (nonfouling or fouling), karena menghasilkan koefisien perpindahan kalor yang baik dibandingkan dengan jenis layout tube lainnya. Gambar 2, Alat Penukar Kalor Heat Exchanger Berdasarkan TEMA [5]. Gambar 4, Layout Tube [5].
Ada banyak pertimbangan yang digunakan untuk dapat menentukan layout tube yang akan digunakan, selain nilai perpindahan kalor yang dihasilkan, kemampuan untuk dapat memudahkan dalam membersihkan juga merupakan alasan dalam penentuan layout dari tube, serta yang harus diperhatikan juga adalah pressure drop yang akan dihasilkan dari masing masing layout tersebut. Baffle merupakan sebuah komponen yang tidak dapat dipisahkan dalam sebuah kostruksi heat exchanger, baffle merupakan sebuah sekat sekat yang dipasang dengan tujuan untuk dapat menahan konstruksi dari tube bundle jika terjadinya sebuah getaran yang tidak diinginkan yang dapat merusak tube, serta baffle juga berfungsi sebagai pengontrol aliran fluida yang mengalir diluar tube atau didalam shell (shell side). Gambar 4. Bentuk Baffle [5] Metode Perancangan Perancangan ini yang dilaksanakan dengan tahapan-tahapan perhitungan untuk dapat menghasilkan nilai koefisien perpindahan panas dari jenis material yang digunakan pada tube dan shell. Kapasitas panas yang bekerja merupakan nilai dari energi yang dibutuhkan untuk menaikan dan melepas panas dari sistem heat exchanger seperti pada persamaan 1. Q= ṁ (1) LMTD (Logarithmic Mean Overall Temperature Difference) merupakan selisih temperature rata rata dari fluida yang mengalir pada heat exchanger ditunjukkan di persamaan 2. = (2) Selisih temperatur rata rata koreksi pada persamaan 3. =. (3) Luas Perpindahan Panas adalah seperti pada persamaan 4 berikut ini =.. (4) Kecepatan massa aliran masing masing fluida pada tube dijelaskan pada persamaan 5 dan shell di persamaan 6. =.... (5) =... (6) Bilangan Reynold untuk tube pada persamaan 7 dan shell di persamaan 8. =. =. =.. (7).. (8 Koefisien perpindahan panas masing masing fluida mengalir pada tube dijelaskan pada persamaan 9 dan shell pada persamaan 10. h=..... (9) h=..... (10) Koefisien perpindahan panas keseluruhan (Overal Heat Transfer Coefficient) dijelaskan pada persamaan 11. = ++ + + (11) Perhitungan overdesain dijelaskan pada persamaan 12. = 100%.. (12) Penurunan tekanan (Pressure Drop) untuk tube ditunjukkan pada persamaan 13 dan 14 sedangkan untuk shell pada persamaan 15
=... =. =. = =.. (13). (14)..... (15) Perhitungan Perancangan dan Analisa dengan Solidworks. Pada dasarnya penentuan dimensi yang digunakan pada perancangan heat exchanger dihasilkan dengan menggunakan nilai U (koefisien perpindahan panas keseluruhan) assumsi hingga diperoleh Uperhitungan. Pada penelitian ini telah dilakukan perhitungan berkali kali dengan menggunakan dimensi yang berbeda beda hingga menghasilkan dimensi yang sesuai, berikut merupakan dimensi yang dihasilkan dari proses perhitungan perancangan. Dimensi Diameter Luar (OD) Diameter dalam (ID) Tabel 1, Dimensi tube Satuan (British) ¾ inchi Satuan (SI) 0.01905 m 0.652 inchi 0.01656 m BWG 18 - Panjang 2.15 m tube Layout tube Triangular pitch Triangular pitch Jumlah pass aliran 2 2 Dimensi Diameter dalam shell (Ds) Diameter luar shell Tabel 2, Dimensi Shell Satuan Satuan (SI) (British) 12 inchi 0.03048 m 12.787 0.03248 m inchi Tebal baffle 0.315 inchi 0.008 m Jarak antar baffle (0.45 IDshell) (B) 5.4 inchi 0.01370 m Jarak antar tube (Pt) Clearen (Pt do tube) (C) 15/16 inchi 0.0238 m 0.187 inchi 0.00475 m
Tabel 3, Data Hasil Perhitungan Perancangan Parameter Fluida Mass Flow Temperatur Input Tabel 4. Hasil Pemilihan Jenis Material Tube terhadap U (koefisien perpindahan panas) Parameter Copper Brass Konduktivitas Termal Tube (Fluida Dingin) Air 5.8 kg/s 21 0 C = 294 K Temperatur output 34 0 C,307 K 40 0 C,313 K Lmtd 32 K Keseimbangan 314025 J/s energi Uassumsi 800 W/ /m 2 K Luas Perpindahan 12.27 m 2 Panas Jumlah tube 98 Reynold 10782 number Koefisien 2250.01 perpindahan W/m 2 K panas Koefisie perpindahan panas perhitungan Uo (material copper pada Tube) Koreksi koefisien perpindahan Panas 386 W/m. K 864.15 W/m 2 K 8 % < 30 % (assumsi desain dapat digunakan) Overdisain 2.1 % < 10 % (dapat di terima) Penurunan Tekanan 0.4 Psi = 2757.92 Pa 0.26 Psi = 1792.64 Pa 111 W/m. K U Assumsi 800 W/m 2.K 800 W/m. K Uo Perhitungan 864.15 W/m 2. K 856.89 W/m. K Shell (Fluida Panas) Air 1.5 kg/s 90 0 C,363 K 5611 2735.62 W/m 2 K Aluminium Bronze 83 W/m. K 800 W/m2. K 852.66 W/m 2. K U (koefisien perpindahan panas) 900 880 860 840 820 800 780 760 Gambar 5. Koefisien Perpindahan Panas terhadap Jenis Material Grafik nilai koefisien perpindahan kalor sangat dipengaruhi oleh pemilihan dari jenis material yang digunakan. Perbedaan koefisien perpindahan kalor dari masing masing material dipengaruhi oleh nilai dari konduktivitas termal masing masing material. Koefisien perpindahan kalor tertinggi dihasilkan oleh material copper sebesar 864.15 W/m 2.K hal inii dikarenakan Copper memiliki konduktivitas termal yang tinggi dibandingkan material Brass dan Aluminium Bronze. Hasil Simulasi dengan Dimensi Perhitungan. U Assumsi (W/m2K) Mengunakan Gambar 6. Distribusi Kecepatan Aliran dengan Material Copper pada Tube Gambar 7. Distribusi Kecepatan Aliran dengan Material Brass pada Tube Uo perhitungan (W/m2K)
Gambar 8. Distribusi Kecepatan Aliran dengan Material Alluminum Bronze pada Tube Gambar 6, percobaan dengan menggunakan material copper pada tube, kecepatan inlet dari fluida air panas yang mengalir melewati shell sebesar 0.789 dan kecepatan tersebut mengalami kenaikan dan penurunan ketika mengalir melewati baffle yang ada pada shell dengan kecepatan 0.1 hingga 0.4 dan kecepatan outlet yang dihasilkan sebesar 0.769. Kecepatan inlet dari fluida air dingin yang melewati stationary head, tube dan rear head sebesar 3.026 kemudian kecepatan tersebut mengalami penurunan sekitar 0.4 1 ketika aliran mengalir di sepanjang tube berdasarkan gradasi warna yang dihasilkan dan kecepatan outlet sebesar 2.965. Tabel 5. Perbandingan Distribusi Kecepatan dengan Menggunakan Material yang Berbeda pada Tube Material Kecepatan Aliran Fluida Panas Kecapatan Aliran fluida Dingin Inlet Outlet Inlet outlet Copper 0.789 0.769 3.026 2.965 Brass 0.789 Aluminiu 0.789 m Bronze 0.77 0.769 3.026 3.026 2.966 2.966 Penggunaan jenis material tube yang berbeda pada setiap percobaan tidak terlalu mempengaruhi distribusi kecepatan aliran fluida, hal ini di karenakan ukuran dimensi heat exchanger dan nilai input yang digunakan adalah sama di setiap percobaannya. Gambar 9, Distribusi Temperature Material copper dibagian Tube Gambar 10, Distribusi Temperatur dengan Material Brass pada Tube Gambar 11, Penurunan Temperatur Material dengan Aluminium Bronze pada Tube Pada Gambar 9, percobaan pertama dengan menggunakan material Copper pada bagian tube, temperatur inlet dari fluida air panas yang mengalir dibagian shell sebesar 90 0 C (363 K) kemudian mengalami penurunan temperatur mulai dari inlet menuju outlet dengan temperatur outlet sebesar 41 0 C (314 K), penurunan temperatur fluida air panas terjadi disetiap belokan ketika melewati baffle. Fluida air dingin yang mengalir melewati stationary head, shell dan rear head, mengalami kenaikan temperatur fluida dengan temperatur inlet sebesar 21 0 C (294 K) dan temperatur outlet sebesar 33 0 C (306 K), kenaikan temperatur tersebut disebabkan oleh perpindahan panas yang dihasilkan dari fluida air panas ke fluida air dingin. Berikut merupakan hasil input dan output yang dihasilkan masing masing percobaan dengan menggunakan jenis material yang berbeda pada bagian tube.
Tabel 6, Perbandingan Distribusi Temperature dengan Menggunakan Material yang Berbeda pada Tube Material Air Panas Air Dingin Inlet Outlet Inlet outlet Copper 90 o C 41 o C 21 o C 33 o C Brass 90 o C 42 o C 21 o C 33 o C Aluminiu m Bronze 90 o C 43 o C 21 o C 33 o C Dari data hasil simulasi penggunaan jenis material tube yang berbeda mempengaruhi penurunan dan kenaikan temperatur yang dihasilkan, perpindahan panas yang dihasilkan material copper lebih mendekati nilai dari perhitungan termal perancangan, penurunan temperatur pada simulasi ketika menggunakan material copper pada tube sebesar 41 0 C dan perhitungan termal sebesar 40 0 C sedangkan kenaikan temperatur 33 0 C dan perhitungan termal 34 0 C. dengan tekanan inlet sebesar 102689.20 Pa dan tekanan outlet sebesar 101627.32 Pa. Penurunan tekanan yang terjadi pada fluida air dingin merupakan total dari penurunan tekanan secara keseluruhan, dari hasil simulasi Gambar 4.19 penurunan tekanan sebesar 14275.13 Pa atau 2.06 psi, dengan pressure inlet sebesar 120158.79 Pa dan oulet sebesar 105883.66 Pa. Berikut merupakan hasil penurunan tekanan dari masing masing percoba dengan menggunakan material yang berbeda dibagian tube. Tabel 7, Penurunan Tekanan pada Fluida Panas dan Dingin Material Penurunan Tekanan pada Air Panas Penurunan Tekanan pada Air Dingin Copper 1061.88 Pa 14275.13 Pa Brass 1061.01 Pa 14310.96 Pa Aluminium Bronze 1061.20 Pa 14314.21 Pa Gambar 12, Penurunan Tekanan dengan Material Copper pada Tube Gambar 13, Penurunan Tekanan dengan Material Brass pada Tube Gambar 14. Penurunan Tekanan dengan Material Aluminium Bronze Pada Tube Pada Gambar 11, penurunan tekanan yang dihasilkan pada saat percobaan dengan menggunakan material copper dibagian tube, untuk fluida air panas yang mengalir melewati bagian shell penurunan tekanan yang terjadi sebesar 1061.88 Pa atau 0.15 psi Dari hasil data simulasi, dapat dilihat bahwa penggunaan jenis material tube yang berbeda menghasilkan penurunan tekanan yang tidak jauh berbeda dari setiap material, nilai penurunan tekanan fluida panas untuk material Copper pada tube sebesar (1061.88 Pa = 0.15 psi), Brass (1061.01 Pa = 0.15 psi) dan Aluminium Bronze (1061.2 Pa = 0.15 psi), sedangkan penurunan tekanan pada fluida dingin untuk penggunaan material Copper pada tube sebesar (14275.13 Pa = 0.2 psi), Brass (14310.96 Pa = 0.2 psi) dan Aluminium Bronze (14314.21 Pa = 1.61 psi). Berdasarkan ketentuan perancangan, nilai penurunan tekanan dari ketiga percobaan yang dilakukan telah memenuhi syarat ketentuan, dimana penurunan tekanan yang ada pada heat exchanger yang menggunakan fluida tidak boleh melebihi dari 10 psi [3].
Kesimpulan Berdasarkan koefisien perpindahan panas keseluruhan perhitungan yang dihasilkan dengan material tube yang berbeda, nilai kofisien perpindahan panas yang dihasilkan tidak jauh berbeda dengan koefisien perpindahan panas assumsi 800 W/m 2 K dimana nilai tersebut 1% < 30% [5], sehingga nilai dimensi yang ada pada perhitungan dapat digunakan untuk permodelan heat exchanger dengan menggunakan Software Solidwork. Berdasarkan perhitungan termal nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan dengan menggunakan material Copper pada Tube sebesar 864.15 W/m 2 k, Brass 856.89 W/m 2 K dan Alluminium Bronze 852.66 W/m 2 K. Berdasarkan hasil simulasi distribusi temperature dari ketiga percobaan menghasilkan perbedaan output dibagian air panas sebesar 1 0 C 3 0 C dan pada air dingin kenaikan temperatur relatif sama. Hasil penurunan tekanan yang dihasilkan dari setiap percobaan tidak terlalu jauh berbeda, hasil dari ketiga percobaan tersebut telah memenuhi syarat dalam perancangan heat exchanger. [6] Shah K, Ramesh, 2003, Fundamentals of Heat Exhanger Design, JOHN WILEY & SONS, INC. New York. [7] http://nptel.ac.in/courses/103103027/3 [Diunduh tanggal 05/01/2015]. Referensi [1] Holman, J.P. Alih bahasa E.Jasifi, 1995, Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta. [2] Sitompul, M. Tunggul, 1991, Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger), Citra Niaga Rajawali Pers, Jakarta. [3] Kern, Donal. Q, 1965, Process Heat Transfer, International Student Edition Mc.Graw Hill Book Compony, Tokyo. [4] Bhatt, Durgesh, Priyanka, M.J, 2012, Shell and Tube Exchanger Performance Analysis, International Journal of Science and Research (IJSR), Sehore. [5] Mukherjee, Rajiv, 1998, Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers, Copyright 1997 American Institute Of Chemical Engineers, New Delhi, India.