Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Pengaruh Pemilihan Jenis Material Terhadap Nilai Koefisien Perpindahan Panas

pada Perancangan Heat Exchanger Shell-Tube dengan Solidworks

Arif Budiman1,a*, Sri Poernomo Sari2,b*.

1,2) Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma

Jl. Margonda Raya 100, Pondokcina, Depok 16424, Indonesia.

aarif.budiman49@gmail.com, bsri_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/m2K, brass 856.89 W/m

2K dan alluminium bronze 852.66 W/m

2K. Distribusi kecepatan aliran

dihasilkan dari simulasi dengan kecepatan inlet fluida air panas rata – rata dari semua material

adalah 0.789 m/s dan kecepatan outlet 0.769 m/s. Distribusi kecepatan inlet rata – rata fluida air

dingin 3.026 m/s dan kecepatan outlet 2.965 m/s. 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.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

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.

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), bagian-

bagian tersebut seperti bagian depan (front

head stationary head), bagian shell, bagian

belakang (rear end head) dan bagian tube

atau tube – bundle.

Gambar 2, Alat Penukar Kalor Heat

Exchanger Berdasarkan TEMA[5]

.

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]

.

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 (non-

fouling or fouling), karena menghasilkan

koefisien perpindahan kalor yang baik

dibandingkan dengan jenis layout tube

lainnya.

Gambar 4, Layout Tube[5]

.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

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.

01 =2$.3%

4=

5 / ��6�7 �

8.2$ 4 …………. (7)

01 =2".3%

4 ……….………. (8

Koefisien perpindahan panas masing –

masing fluida mengalir pada tube dijelaskan

pada persamaan 9 dan shell pada persamaan

10.

ℎ: =;*. .�&'�

�<

($ . ∅� ………….. (9)

ℎ> =;*. .�&'�

�<

2" . ∅� ……………….. (10)

Koefisien perpindahan panas keseluruhan

(Overal Heat Transfer Coefficient) dijelaskan

pada persamaan 11.

?> =�

*!+ 0A> +

,!

,$B

�(!�($�

� +

,!

,$B

�

*$+

,!

,$B 0A: (11)

Perhitungan overdesain dijelaskan pada

persamaan 12.

>C1DA1.E:F = ,�,'"G

,'"G B100%.. (12)

Penurunan tekanan (Pressure Drop) untuk

tube ditunjukkan pada persamaan 13 dan 14

sedangkan untuk shell pada persamaan 15

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

∆K =# 3�L �

� .3.M.2.∅� =

# 3�L �

N.�� + �O�P2 % ∅� �K.:� (13)

∆��Q1RSET:� = 5.�

% B

U�

�V �K.:� …. (14)

∆K. =# + �3%��+ W2% + �6X��

� +V + M +2% + ∅%

=# + �3%��+ W2% + �6X��

N.�� .�O�P + 2" + % + ∅% �K.:� ……......….. (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.

Tabel 1, Dimensi tube

Dimensi Satuan

(British)

Satuan (SI)

Diameter

Luar (OD)

¾ inchi 0.01905 m

Diameter

dalam (ID)

0.652 inchi 0.01656 m

BWG 18 -

Panjang

tube

2.15 m

Layout

tube

Triangular

pitch

Triangular

pitch

Jumlah

pass aliran

2 2

Tabel 2, Dimensi Shell

Dimensi Satuan

(British)

Satuan (SI)

Diameter

dalam shell

(Ds)

12 inchi 0.03048 m

Diameter luar

shell

12.787

inchi

0.03248 m

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)

15/16 inchi 0.0238 m

Clearen (Pt –

do tube) (C)

0.187 inchi 0.00475 m

Tabel 3, Data Hasil Perhitungan Perancangan

Tabel 4. Hasil Pemilihan Jenis Material

terhadap U (koefisien perpindahan

Parameter Copper Brass

Konduktivitas

Termal

386

W/m. K

111 W/m. K

U Assumsi 800 W/m2.K 800

W/m

Uo

Perhitungan

864.15

W/m2. K

856.89

W/m

Parameter Tube

(Fluida

Dingin) Fluida Air Mass Flow 5.8 kg/s Temperatur

Input 21

0C = 294

K Temperatur

output 34

0C ,307 K

Lmtd 32 K

Keseimbangan

energi 314025 J/s

Uassumsi 800 W/m

Luas

Perpindahan

Panas

12.27 m2

Jumlah tube 98 Reynold

number 10782

Koefisien

perpindahan

panas

2250.01

W/m2

K

Koefisie

perpindahan

panas

perhitungan

Uo (material

copper pada

Tube)

864.15 W/m

Koreksi

koefisien

perpindahan

Panas

8 % < 30 % (assumsi desain

dapat digunakan)

Overdisain 2.1 % < 10 % (dapat di

terima)

Penurunan

Tekanan 0.4 Psi =

2757.92 Pa

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin

Banjarmasin,

Tabel 3, Data Hasil Perhitungan Perancangan

Jenis Material Tube

terhadap U (koefisien perpindahan panas)

Brass Aluminium

Bronze

W/m. K

83

W/m . K

W/m2. K

800

W/m2. K

856.89

W/m2. K

852.66

W/m2. K

Gambar 5. Koefisien Perpindahan

terhadap Jenis Material

Grafik nilai koefisien perpindahan kalor

sangat dipengaruhi oleh pemilihan dari

material yang digunakan

perpindahan kalor dari masing

material dipengaruhi oleh nilai dari

konduktivitas termal masing

material.

Koefisien perpindahan kalor tertinggi

dihasilkan oleh material

864.15 W/m2.K hal ini dikarenakan

memiliki konduktivitas termal yang tinggi

dibandingkan material

Bronze.

Hasil Simulasi dengan

Dimensi Perhitungan.

Gambar 6. Distribusi

dengan Material Copper

Gambar 7. Distribusi Kecepatan Aliran

dengan Material Brass

760

780

800

820

840

860

880

900

U (koefisien perpindahan panas) Shell

(Fluida

Panas) Air 1.5 kg/s 90

0C ,363 K

40 0C ,313 K

32 K 314025 J/s

800 W/m2

K

5611

2735.62

W/m2

K

864.15 W/m2

K

8 % < 30 % (assumsi desain

dapat digunakan)

2.1 % < 10 % (dapat di

terima) 0.26 Psi =

1792.64 Pa

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Koefisien Perpindahan Panas

terhadap Jenis Material

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

ndahan kalor tertinggi

dihasilkan oleh material copper sebesar

K hal ini dikarenakan Copper

memiliki konduktivitas termal yang tinggi

dibandingkan material Brass dan Aluminium

Hasil Simulasi dengan Mengunakan

Distribusi Kecepatan Aliran

Copper pada Tube

Distribusi Kecepatan Aliran

Brass pada Tube

U Assumsi

(W/m2K)

Uo

perhitungan

(W/m2K)

perpindahan panas)

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

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 m/s

dan kecepatan tersebut mengalami kenaikan

dan penurunan ketika mengalir melewati

baffle yang ada pada shell dengan kecepatan

0.1 m/s hingga 0.4 m/s dan kecepatan outlet

yang dihasilkan sebesar 0.769 m/s.

Kecepatan inlet dari fluida air dingin yang

melewati stationary head, tube dan rear head

sebesar 3.026 m/s kemudian kecepatan

tersebut mengalami penurunan sekitar 0.4 m/s

– 1 m/s ketika aliran mengalir di sepanjang

tube berdasarkan gradasi warna yang

dihasilkan dan kecepatan outlet sebesar 2.965

m/s.

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

m/s

0.769

m/s

3.026

m/s

2.965

m/s

Brass 0.789

m/s

0.77

m/s

3.026

m/s

2.966

m/s

Aluminiu

m Bronze

0.789

m/s

0.769

m/s

3.026

m/s

2.966

m/s

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 0C

(363 K) kemudian mengalami penurunan

temperatur mulai dari inlet menuju outlet

dengan temperatur outlet sebesar 41 0C (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 0C (294 K)

dan temperatur outlet sebesar 33 0C (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.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Tabel 6, Perbandingan Distribusi

Temperature dengan Menggunakan Material

yang Berbeda pada Tube

Material Air Panas Air Dingin

Inlet Outlet Inlet outlet

Copper 90 oC 41

oC 21

oC 33

oC

Brass 90 oC 42

oC 21

oC 33

oC

Aluminiu

m Bronze

90 oC 43

oC 21

oC 33

oC

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 410C dan perhitungan termal sebesar

400C sedangkan kenaikan temperatur 33

0C

dan perhitungan termal 340C.

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

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

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]

.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

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/m2K

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/m2k, Brass 856.89

W/m2K dan Alluminium Bronze 852.66

W/m2K.

Berdasarkan hasil simulasi distribusi

temperature dari ketiga percobaan

menghasilkan perbedaan output dibagian air

panas sebesar 10C – 3

0C 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.

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.

[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]

.