Rancang Bangun Perangkat Lunak untuk Desain Alat Penukar Panas Tipe Shell dan Tube

1 Rancang Bangun Perangkat Lunak untuk Desain Alat Penukar Panas Tipe Shell dan Tube M. Fahmi Rizal, Gunawan N, Ir. Sarwono Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industr i, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: mohammad.fahmi10@mhs.ep.its.ac.id Abstrak Alat penukar panas merupakan salah satu instrumen yang digunakan untuk proses pertukaran suhu seperti pendingin atau pemanas aliran. Untuk meninjau performansi dari alat penukar panas tipe shell dan tube biasanya menggunakan perangkat lunak lain seperti hysis atau htri. Namun dalam perangkat lunak tersebut memiliki algoritma yang berbeda sehingga dalam tugas akhir ini adalah membuat perangkat lunak untuk mendesain alat penukar panas dengan algoritma yang sederhana. Metode perhitungan didalam perangkat lunak ini disesuaikan dengan metode yang sudah ada. Tujuan dibuatnya perangkat lunak ini membantu para teknisi untuk mengetahui performansi pada alat penukar panas dan rekomendasi untuk memodifikasi alat penukar panas. Selain itu juga digunakan sebagai media pembelajaran untuk mendesain alat penukar panas tersebut. Perangkat lunak yang dibuat menggunakan fitur GUI pada matlab dan diberi nama HEDC (Heat Exchanger Calculator Design). Hasil koefisien perpindahan panas keseluruhan pada perangkat lunak memiliki selisih dengan hasil perangkat lunak lain yang tidak teralu jauh. Kata kunci : Alat penukar panas tipe shell dan tube, algoritma, matlab I. PENDAHULUAN Alat penukar panas (Heat exchanger) merupakan instrumen yang digunakan untuk pertukaran panas antara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda dan terpisah. Dalam penelitian ini alat penukar panas yang digunakan adalah tipe RODbaffle shell dan tube. Keuntungan dari alat penukar panas shell and tube yaitu memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume lebih besar dan mempunyai susunan mekanik yang dengan bentuk yang cukup baik untuk sistem yang bertekanan. Pada bagian tube cairan akan bergerak secara aksial melalui bagian dalam tabung. Bagian shell-side cairan bergerak melewati bagian luar tube[1]. Baffle eksternal maupun tegak lurus tabung mengarahkan aliran didalam tabung. Tubesheets pada tabung digunakan untuk menutup ujung tabung dan memastikan pemisahan dari dua aliran didalamnya. Kinerja penukaran termal tipe kumparan lebih rendah daripada tipe plate dan kemampuan tekanannya lebih tinggi tipe plate daripada tipe kumparan. Heat exchanger tipe shell and tube bisa ditemukan diberbagai industri seperti industri pembangkit listrik, petro chemical, dan industri semen dan biasanya digunakan untuk pre-heater, power condensate, dan oil cooling. Namun sering terjadi masalah pada heat exchanger tipe shell dan tube terutama transmisi panas dan berbagai penerapan pada heat exchanger sehingga terdapat perbedaan desain, maka diperlukan perhitungan secara rinci [2]. Perhitungan untuk desain heat exchanger sangat kompleks dan memerlukan beberapa data, umumnya beberapa perusahaan menggunakan perangkat lunak namun hasilnya hanya digunakan sebagai info dan rekomendasi jika ada modifikasi. Namun hasil dari perangkat lunak jauh berbeda dari perhitungan yang sudah ada. Dalam penelitian ini untuk menguji perfomansi alat penukar panas dengan persamaan yang telah ada, oleh sampel yang diambil adalah alat penukar panas pada PLTU Indonesia Power Perak. Hasil dari penelitian ini dapat digunakan sebagai informasi kinerja alat tersebut dan juga rekomendasi untuk pergantian alat dikedepannya. II. TEORI DASAR A. Perpindahan kalor secara konduksi Proses perpindahan kalor secara konduksi merupakan proses perpindahan panas pada aliran dimana panas yang mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ketemperatur rendah dalam suatu media karena bersentuhan langsung dengan dinding pemisah. Dari proses tersebut terjadi pertukaran energi dan momentum. Proses laju perpindahan panas terjadi adalah berbanding dengan gradien suhu normal dengan persamaan sebagai berikut q k = -ka (1) merupakan gradien temperatur kearah perpindahan kalor. Konduktivitas termal (k) bernilai minus agar memenuhi hukum kedua termodinamika yaitu kalor mengalir ketempat lebih rendah dalam skala temperatur. Prinsip perpindahan panas secara konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas yang melintas permukaan isothermal dan gradient temperatur pada permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda terhadap waktu yang dikenal dengan hukum fourier.

2 persamaan diatas dapat didefinisikan tahanan panas terhadap konveksi. Koefisien perpindahan panas pada permukaan (h) bukanlah sifat dari suatu zat namun menyatakan besaran laju perpindahan panas pada daerah tersebut. III. METODOLOGI PENELITIAN Gambar 1 proses perpindahan secara konduksi pada dinding pemisah.(j.p Holman) Jika hukum fourier diterapkan pada suatu dinding datar dan diintegrasikan pada persamaan 2.x dintegral maka menjadi q k = - (T 2 -T 1 ) (3) Dimana konduktivitas termal dianggap tetap, tebal dinding adalah, dan T 1,T 2 adalah temperatur permukaan dinding. Jika konduktivitas termal berubah secara linear dengan temperatur maka menjadi k=k 0 (1+ T) maka laju perpindahan panas menjadi q k = - [T 2 -T 1 + ( ) (4) konduktivitas termal merupaka suatu tetapan sifat fisik bahan atau material dalam menghantarkan panas. Konduktivitas termal juga tergantung pada suhu. B. Perpindahan Kalor Secara Konveksi Peristiwa terjadinya konveksi akibat perpindahan panas dari suhu panas ke dingin karena adanya gerakan atau aliran atau pencampuran. Pergerakan aliran pada konveksi dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas terjadi akibat adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu. Jika gerakan fluida bergerak karena adanya paksaan seperti dipompa sehingga fluida mengalir keatas permukaan maka dapat disebut konveksi paksa. A. Tahapan Pengerjaan Penelitian Adapun penyelesaian tugas akhir ini dilakukan melalui beberapa langkah-langkah yatu perancangan algoritma program HEDC (Heat Exchanger Design Calculator). Perancangan ini meliputi langkah-langkah perhitungan tetap yang sesuai dengan literatur yang telah ada. Pembuatan GUI menggunakan fitur pada matlab yang terdiri dari beberapa variabel inputan seperti laju aliran, suhu, dan ukuran pada tube. Langkah selanjutnya adalah ujicoba perhitungan desain alat penukar panas dengan HEDC. Ujicoba yang akan dilakukan pada alat penukar panas di Indonesia Power. Tahap selanjutnya dilakukan melakukan perhitungan desain alat penukar panas dengan manual dan perangkat lunak lainnya. Selanjutnya adalah evaluasi dan analisis dimana validasi data dengan hasil perhitungan dari HEDC, manual, dan perangkat lunak lainnya. Kemudian dilanjutkan dengan kesimpulan dan saran yang akan ditujukan ke PT. Indonesia Power. B. Rancangan Algoritma Rancangan algoritma perangkat lunak untuk desain penukar panas sesuai pada gambar 3.1. Data yang digunakan untuk desain alat penukar panas berupa : Diameter shell (D shell) Diameter tube bagian dalam (D out tube) Diameter tube bagian luar (D in tube) Jumlah baffle baffle (N baffle) Konduktivitas aliran pada shell (K shell) Konduktivitas aliran pada tube(k tube) Konduktivitas material pada tube (K mat) Laju aliran pada shell( shell) Laju aliran pada tube ( tube) Massa jenis aliran pada shell ( shell) Massa jenis aliran pada tube ( tube) Gambar 2 perpindahan panas secara konveksi pada saluran tertutup(j.p Holman) Dari gambar 2.2 adalah contoh proses perpindahan panas dan lari laju perpindahan panas tersebut terdapat perbedaan temperatur dan dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut q = - ( ) (3) Number of pass (N pass) Panjang tube (L tube) Picth tube (Prt) Spesifik panas aliran pada shell (Cp shell Spesifik panas aliran pada tube (Cp tube ) Suhu dingin keluaran (T out cool) Suhu dingin masukan (T in cool) Suhu panas keluaran (T out hot) Suhu panas masukan (T in hot) Viskositas aliran pada shell ( shell)

3 Viskositas aliran pada tube ( tube) sebelum menuju boiler. Pemanas yang digunakan pada HPH adalah uap dari turbin. Proses selanjutnya adalah proses perubahan fasa dari air menjadi uap air pada pipa-pipa didalam boiler. Uap air tersebut dialirkan menuju ke turbin melalui nozzle yang berfungsi untuk mengekspansi tekanan sehingga tekanan menjadi turun dan kecepatan aliran menjadi bertambah. Penambahan kecepatan pada nozzle tersebut digunakan untuk memutar turbin dan generator. Uap hasil ektraksi turbin digunakan untuk proses pada heater, kondenser, dan deaerator. Pada pembangkit ini menggunakan sistem pendingin siklus tertutup (Closed Cycle Cooling Water) dengan media air tawar dan air laut. Sirkulasi air tawar digunakan untuk mendinginkan oil cooler, steam generator, dan beberapa instrumen lainnya. Air yang disimpan didalam bak penampung air akan disalurkan ke heat exchanger dengan pompa, lalu didinginkan dengan air laut yang diambil dari Sea Water Booster Pump dan air yang telah didinginkan akan didistribusi kemasing-masing instrumen. Selanjutnya air pendingin tersebut dimasukan kembali ke bak penampung sehingga terjadilah sirkulasi sistem pendingin secara tertutup. Tipe alat penukar panas ini sesuai dengan standar TEMA tipe AES, dengan susunan tube layout square dan spesifikasi pada alat penukar panas sebagai berikut : Gambar 3. Algoritma perhitungan dalam HEDC Langkah pertama dalam perhitungan adalah perhitungan desain hidrolik berupa profil aliran pada shell dan tube, jumlah tube, jarak antar baffle, tekanan yang turun pada shell dan tube, kecepatan aliran pada shell dan tube. Jika terjadi kesalahan maka diperlukan evaluasi kembali pada variabel masukan atau modifikasi parameter masukan dengan merubah satuan dimensi. Selanjutnya perhitungan termal yang meliputi koefisien perpindahan panas seluruhnya, dan efektifitas LMTD-NTU. Jika hasil perhitungan desain tidak sesuai maka maka dilakukan modifikasi masukan dari data yang didapatkan. Jika hasil telah sesuai seluruhnya maka dilanjutkan tahap perbandingan hasil perhitungan. C. Sistem pendingin pada PLTU Perak Proses pembangkit listrik PLTU Indonesia Power menggunakan kerja uap air dengan siklus tertutup. Air dari proses kondensasi pada kondenser bercampur raw water dipompa menuju low pressure heater (LPH). Pada LPH air dipanaskan dengan menggunakan uap dari ekstraksi turbin untuk digunakan pada dearator sebelum masuk keboiler. Fungsi deaerator adalah menghilangkan kandungan O 2 dan N 2 dalam air untuk mencegah korosi pada material boiler. Setelah dari deaerator air dipompa menuju high pressure heater (HPH) Tabel 1 spesifikasi alat penukar panas Spesifikasi alat penukar panas Sisi tube Sisi shell Laju aliran 0.152 m 3 /detik 0.152 m 3 /detik Masukan 30 0 C 35.5 0 C temperatur Keluaran 32.5 0 C 33 0 C Temperatur Pass 1 2 Batas tekanan 882.5 kpa 245.1 kpa Batas temperatur 40 0 C 50 0 C Viskositas 0.000796 N s/m 2 0.000798 N s/m 2 Massa jenis 998.8 kg/m 3 1000 kg/m 3 Konduktivitas 0.616 W/m K 0.6230 W/ m K termal Spesifik panas 4.0278 kj/kg-c 4.178 KJ/kg-C Fouling factor 0.00009 m 2 K/W 0.00018 m 2 K/W Spesifik Gravity 1.028 0.997 Picth tube = 0.0254 m Luas area = 320 m 2 Konduktivitas material pada tube = 100 W/m 0 C Diameter tube dalam (D out tube) = 0.01785 m Diameter tube luar (D in tube) = 0.01905 m Jumlah baffle baffle (N baffle) = 11 Panjang tube (L tube) = 6 m Diameter shell (D shell) = 1 m Sudut Picth = 30 0

4 IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN A. Hasil Perhitungan dari HEDC Algoritma HEDC sesuai pada gambar 3.1 dan didapatkan hasil perhitungan sebagai berikut Tabel 2 Hasil perhitungan dari HEDC Hasil perhitungan Jumlah tube 1096 Kecepatan aliran dalam tube 1.1 (m/s) Baffle spasi 0.4 Tekanan yang turun pada tube 0.0056 (kpa) Tekanan yang turun pada 0.00037 shell (kpa) Nilai Reynold pada tube 24838.22 Nilai Reynold pada shell 830.69 Perpindahan panas seluruhnya 74.85 (W/m 2 k) Koefisien perpindahan panas 225.57 pada sisi shell (W/m 2 k) Koefisien perpindahan panas 1464.49 pada sisi tube (W/m 2 k) Nilai Nusselt pada tube 42.43 Nilai Nusselt pada shell 3.66 Diameter Eqivalent layout 0.024 shell (m 2 ) Laju Perpindahan panas (W) 109652.30 MTD ( 0 C) 2.3 NTU 43.8 Pada alat penukar panas pada PLTU memiliki spesifikasi batas tekanan yang turun pada shell dan tube sebesar 245.2 kpa dan 882.5 kpa. Hasil HEDC diperhitungan tekanan yang turun tidak melebihi batas dari yang diperbolehkan. Ketika kecepatan naik maka tekanan yang turun juga bertambah sehingga koefisien perpindahan panas juga bertambah. Jika aliran fluida pada pipa diperbesar oleh pompa atau kompressor maka dapat dikatakan konsumsi energi yang dibutuhkan semakin besar. Tetapi jika aliran terlalu cepat maka pipa didalamnya akan mengalami erosi. Demikian juga bertambahnya aliran yang lewat ke total jumlah tube maka penurunan tekanannya juga akan bertambah. Analisis performansi dengan metode LMTD menunjukkan hasil 2.3 0 C yang artinya suhu pada setiap titik diarea alat penukar panas. Namun nilai tersebut belum mencukupi karena kecil dan belum informasi efektifitas belum mencukupi maka analisis efektifitas NTU dibutuhkan. Dari tabel 4.1 nilai perpindahan panas pada alat penukar panas tersebut sebesar 43.8. Tujuan dari analisis NTU ini adalah untuk mendapatkan nilai perpindahan panas yang maksimum dari alat penukar panas tersebut. Oleh karena dari hasil diatas menunjukkan bahwa laju perpindahan panas maksimum pada alat penukar panas tersebut sebesar 43.8. B. Perbandingan Data Setelah dilakukan perhitungan dengan HEDC langkah selanjutnya adalah membandingkan hasil perhitungan HEDC dan perangkat lunak lain adapun perbandingannya sebagai berikut : Tabel 3 Perbandingan hasil dari HEDC dan perangkat lunak lain Hasil perhitungan HEDC Perangkat Lunak lain Jumlah tube 1096 1192 Perpindahan panas seluruhnya 74.85 71 (W/m 2 k) Luas area (m 2 ) 320 472 MTD ( 0 C) 2.3 2.4 Hasil dari HEDC dan perangkat lunak lain berbeda karena perbedaan kostanta, fungsi algoritma dan perhitungan didalamnya. HEDC menggunakan persamaan yang ada pada beberapa literatur yaitu Chemical Engineering vol. 6, fundamental heat transfer third, dan jurnal desain alat penukar panas dari universitas Western Michigan. Hasil dari perangkat lunak lain yang digunakan adalah hasil perhitungan kondisi panas dan dingin pada keluaran alat penukar panas. Luas area yang digunakan dalam perhitungan perangkat lunak lain menggunakan luas area dari geometri alat penukar panas sehingga nilai laju perpindahan lebih besar dari HEDC. Namun untuk HEDC lebih sederhana karena hanya membutuhkan beberapa inputan dan hasilnya tidak jauh berbeda dengan perangkat lain yang digunakan. Algoritma yang digunakan pada HEDC lebih sederhana karena penyusunan algoritma sesuai dengan langkah-langkah perhitungan desain alat penukar panas. Penyebab perbedaan hasil dari perangkat lunak lainnya ini terdapat proses iterasi yang bertujuan untuk mendapatkan nilai area yang minimum dan koefisien perpindahan panas yang maksimum. Dari hasil tersebut didapatkan hasil perhitungan performansi yang lebih besar. Pada HEDC yang dibuat ini menghitung performansi berdasarkan data yang sudah ada sehingga hasilnya sesuai dengan kondisi yang ada. Algoritma HEDC dengan perangkat lunak jika dapat dianalogikan maka seperti jalan pulang kerumah. Algoritma HEDC lebih sederhana dan diibaratkan jalan yang lurus tidak berbelok sehingga dengan mudah sampai kerumah sedangkan algoritma pada perangkat lunak lain dapat diibaratkan jalan yang berbelok sehingga agak rumit namun sampai kerumah. C. Pengujian dengan Perbedaan Diamater Luar Tube dan Picth Tube Semakin sedikit jumlah tube, jarak antar tube, dan diameter shell maka semakin kecil pula biaya fabrikasinya. Untuk mendesain jarak antar tube pada susunan tube tringular dihitung dari 1.25 dari jarak diameter luar tube. Sedangkan untuk susunan tube square dihitung dari 1.4 in atau 6 mm dari standart TEMA.

5 Langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian dengan HEDC dengan perbandingan diameter luar dari tube dan jarak antar tube untuk memberikan rekomendasi. Dari penelitian ini menggunakan lima variabel diameter luar tube dan jarak antar tube dengan masing-masing sudut picth layout 30, 45, 60, dan 90. Tabel 4 Variabel yang digunakan untuk pengujian D out tube Picth tube 0.0254 m 0.0317 m 0.03175 m 0.0381 m 0.0381 m 0.0445 m 0.0445 m 0.0508 m 0.0508 m 0.0571 m Dari gambar 4 ketika diameter luar tube diperbesar maka luas area juga semakin kecil karena untuk perhitungan luas area dipengaruhi oleh jumlah tube, semakin sedikit jumlah tube didalam alat penukar panas maka luas areanya semakin kecil. Namun untuk sudut picth layout tube tidak mempengaruhi luas area karena sudut pitch layout hanya mempengaruhi jumlah tube didalam alat penukar panas. Gambar 5 Grafik koefisien perpindahan panas pada sisi tube terhadap diameter luar tube yang diperbesar. Pada gambar 5 hasil ketika diameter luar tube diperbesar maka koefisien perpindahan panas pada tube semakin besar. Dapat ditunjukkan pada sudut picth layout 60 dan 90 dengan diameter tube 0.0508 didapatkan nilai koefisien perpindahan panas pada tube sebesar 8318 W/m k dan 9350.6 W/m k. Peningkatan ini disebabkan adanya pengaruh tingginya kecepatan didalam alirannya sehingga mengalami peningkatan Gambar 4 grafik jumlah tube terhadap penambahan diameter luar tube. Pada gambar 5 didapatkan hasil perhitungan HEDC ketika diameter luar tube diperbesar maka koefisien perpindahan panas pada tube semakin besar. Dapat ditunjukkan pada sudut picth layout 60 dan 90 dengan diameter tube 0.0508 didapatkan nilai koefisien perpindahan panas pada tube sebesar 8318 W/m k dan 9350.6 W/m k. Peningkatan ini disebabkan adanya pengaruh tingginya kecepatan didalam alirannya sehingga mengalami peningkatan. Gambar 6 Grafik koefisien perpindahan panas keseluruhan terhadap penambahan diameter luar tube Hasil perhitungan HEDC pada koefisien perpindahan panas secara menyeluruh menunjukkan bahwa perubahan diameter tube yang diperbesar maka hasil koefisien perpindahan panas keseluruhannya menjadi besar seperti pada gambar 6.

6 agar dapat dilakukan pengujian kinerja dari alat penukar panas yang ada pada PLTU Perak Grati. Gambar 7 Grafik laju perpindahan panas terhadap penambahan diameter luar tube Dari gambar 7 pada laju perpindahan panas pada diameter luar tube 0.0508 lebih kecil dari pada 0.01905 karena luar area pada diameter 0.01905 lebih besar. Tujuan utama pada perhitungan desain termal pada alat penukar panas adalah menentukan luas area yang diperlukan untuk laju perpindahan panas optimum (Donald R. Pitts, 1983). Jadi laju perpindahan panas dan luas area yang paling besar pada diameter 0.01905 dengan sudut picth layout 60 0 atau 90 0 namun ketika menggunakan sudut picth layout 60 0 atau 90 0 jumlah tube didalamnya juga semakin sedikit seperti pada tabel 4.5 dan biaya fabrikasi tidak terlalu mahal. DAFTAR PUSTAKA [1] Dean Barlet. 1996 The Indusrial Physicist. American Institute of Physics. [2] Su Thet, Khin Aung, Mi Sandar. 2008. Heat Exchanger Design. World Academy of Science.. [3] M. El-Harbawi, David Acellam, Chun-yang yin. 2011 Development of educational software for designing shell and tube heat exchangers.. Manchester University Press. [4] J.M. Ponce-Ortega, M. Serna-Gonzales, Jimenez-Gutierrez. 2008. Design and Optimazation of Multipass Heat Exchanger.. Chemical Engineering and Processing 47. (2008) 906 913. [5] M. Reppich, J. Kohoutek. 1994. Optimal Design of Shell and Tube Heat Exchanger. Computers chem. Engng, Vol. 18, 5uppl., pp. 5295-5299, 1994 [6] Andre L.H. Costa, Eduardo M. Queiroz. 2007 Design Optimazation of Shell and Tube Heat Exchanger. 2008. Applied Thermal Engineering 28 (2008) 1798 1805 [7] I Nyoman Mahardika. 1996. Rancang Bangun Pemanas Udara Pembakaran Jenis Turbulan dengan Memanfaatkan Gas Buang Boiler di PPT Migas Cepu.ITS Press. [8] Frank D. Incopera,David P. Dewit. 1996 Fundamental of Heat and Mass Transfer Fifth Edition. United State of America. [9] Donald R. Pitts, Leighton E. Sissom, 1983 Theory and Problems of Heat Transfer. McGraw-Hill International Book Company, Singapore. [10] J.P. Holman, 1995. Heat Transfer Tenth Edition. Departement Mechanical Engineering, Southern Methodist University. [11] T. Kuppan, 2000. Heat Exchanger Design Handbook. Dekker Mechanical Engineering. [12] Cyntia Fabian M, 1998. Chemical Engineering Progress. American Institute of Chemical Engineers [13] Peter Von Bockh, 2012 Heat Transfer : basic and practice. Springer-Verlag Berlin A. Kesimpulan V. KESIMPULAN DAN SARAN Dari perancangan perangkat lunak ini dapat disimpulkan sebagai berikut. Perbedaan hasil dari HEDC dan perangkat lunak lain yang digunakan tidaklah jauh berbeda. Alat penukar panas di PLTU Perak Indonesia Power memilik nilai laju perpindahan panas sebesar 63652.5 Watt dengan nilai perbedaan temperatur sebesar 2.3 0 C Untuk modifikasi alat penukar panas pada PLTU Perak Indonesia Power dapat menggunakan diameter luar tube 0.01905 meter dengan sudut pitch layout 60 0 atau 90 0 untuk dapat menghasilkan laju perpindahan panas sebesar 64501.2 W. Keunikan dari HEDC ini adalah perangkat lunak ini hanya membutuhkan beberapa inputan karena didalamnya terdapat korelasi-korelasi sehingga menghasilkan beberapa nilai keluar desain yang kita butuhkan. B. Saran Saran untuk penelitian ini adalah menambahkan data spesifikasi yang lebih lengkap pada alat penukar panas lainnya