Lembaga Penellitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Vol 24, No 2 (2024): Juli, 1314-1318 DOI: 10.33087/jiubj.v24i2.4718

## Analisis Efisiensi Kinerja Heat Exchanger Tipe Shell and Tube Berdasarkan Parameter Laju Alir dan Fouling Factor

## Salwa Malani, Cintiya Septa Hasannah
Program Studi Teknik Kimia, Universitas Singaperbangsa Karawang Correspondence: 1910631230013@student.unsika.ac.id, cintiya.septa@ft.unsika.ac.id
Abstrak. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hasil evaluasi efisiensi kinerja heat exchanger tipe shell  and  tube berdasarkan  parameter  laju  alir dan fouling  factor .  Pada  evaluasi  kinerja Heat  Exchanger (HE- 105)  dilakukan  dua  jenis  pengumpulan  data  yaitu  pengumpulan  data  primer  digunakan  untuk  dasar  analisa evaluasi  kinerja Heat  Exchanger (HE-105)  pada  PT  X  dan  pengumpulan  data  sekunder  dilakukan  sebagai langkah perhitungan pada evaluasi kinerja Heat Exchanger (HE-105). Hasil penelitian menunjukkan nilai rata- rata Rd ( fouling factor ) aktual 0,0012 kcal/m 2 hr C lebih besar dari nilai Rd desain 0,0011 kcal/m 2 hr C, hal ini menunjukkan adanya fouling yang terakumulasi. Nilai rata-rata efisiensi pada desain sebesar 98,41%, dan pada efisiensi aktual 86,29%. Nilai efisiensi rata-rata aktual lebih kecil dibandingkan nilai efisiensi rata-rata desain, hal  ini  disebabkan  karena  pengaruh  tingginya  laju  alir  yang  menyebabkan  waktu  kontak  antar  temperatur berkurang.  Namun,  nilai  rata-rata  efisiensi  masih  tergolong  tinggi  menunjukkan Heat  Exchanger (HE-105) masih sangat layak digunakan.
Kata kunci : heat exchanger , parameter laju alir, fouling factor
Abstract.  The  purpose  of  this  study  is  to  determine  the  results  of  the  evaluation  of  shell  and  tube  type  heat exchanger performance efficiency based on flow rate parameters and fouling factors. In the evaluation of Heat Exchanger  (HE-105)  performance,  two  types  of  data  collection  were  carried  out,  namely  primary  data collection used for basic analysis of Heat Exchanger (HE-105) performance evaluation at refinery facilities at PT X and secondary data collection was carried out as a calculation step in the evaluation of Heat Exchanger (HE-105) performance. The results showed that the actual average Rd (fouling factor) value of 0.0012 kcal/m2 hr C is which greater than the design Rd, this is due to the accumulated fouling. The average value of efficiency in the design is 98.41%, and the actual efficiency is 86.29%. The actual average efficiency value is smaller than the design average efficiency value, this is due to the influence of the high flow rate which causes the contact time between temperatures to decrease. However, the average efficiency value is still relatively high, indicating that the Heat Exchanger (HE-105) is still very feasible to use.

## Keywords : heat exchanger, flow rate parameter, fouling factor

## PENDAHULUAN
Salah  satu  energi  yang  dapat  berpindah adalah  Panas.  Perpindahan  panas  terjadi  akibat adanya  perbedaan  suhu  antara  dua  (atau  lebih) tempat  maupun  zat  yang  berpindah  dari  suhu tinggi ke rendah (Eryati & Nur, 2021). Terdapat tiga  jenis  proses  perpindahan  panas  yaitu: konduksi,  konveksi  dan  radiasi  (Flynn  et  al., 2019). Konduksi adalah jenis perpindahan panas dimana  laju  perpindahan  energi  tidak  disertai dengan perpindahan media/partikelnya.
Perpindahan  panas  ini  dapat  terjadi  pada  satu media  (panas,  cair,  dan  gas).  Konveksi  adalah jenis perpindahan panas dimana laju perpindahan energi disertai dengan berpindahnya partikel-partikel dari zat penghantarnya,  dimana  proses  perpindahan panas  konveksi  terjadi  antara  pergerakan  fluida yang  berkontakkan  dengan  permukaan  padat.
Radiasi  merupakan  perpindahan  panas  yang dipancarkan  oleh  benda  karena  suhunya, sehingga  proses  perpindahan  panas  oleh  radiasi tidak  memerlukan  media  perantara  seperti konduksi dan konveksi.
Heat  Exchanger (HE)  merupakan  alat yang berfungsi sebagai penukar panas antara dua fluida  dengan  analisa  yang  berbeda  tanpa mencampurkan  fluida  satu  dengan  yang  lain, sehingga terjadi perpindahan panas karen adanya perbedaan  suhu  diantara  kedua  fluida  tersebut (Sari  et  al.,  2022).  Panas  yang  dilepaskan  oleh suatu  benda  sama  dengan  panas  yang  akan diterima  oleh  benda  lainnya,  kemampuan  untuk menerima  panas  dipengaruhi  oleh  tiga  hal  yaitu overall  coefficient ,  luas  bidang  perpindahan panas, dan selisih rata-rata logaritmik (∆TLMTD) (Putra, 2017).
Dalam  memenuhi  kebutuhan  teknis berbagai  produk,  penggunaan Heat  Exchanger sebagai  alat  penukar  kalor  telah  banyak digunakan  pada  berbagai  analisa  (Putra,  2017). Berdasarkan TEMA ( Turbular Exchanger Manufacturer  Association )  jenis  penukar  kalor dibagi menjadi tiga kelompok kelas berdasarkan kegunaannya  (Sari  dkk.,  2022).  Kelas  R, seringkali  digunakan  pada  industri  minyak  dan analisa  kimia  dengan  kondisi  kerja  yang  berat. Kelas  B,  diperuntukkan  untuk  pelayanan  proses kimia  standar.  Kelas  C,  untuk  keperluan  umum ( general  purpose )  berdasarkan  produksi  yang lebih memperhatikan ukuran aspek ekonomi dan kapasitas panas yang kecil.
Berikut  ini  merupakan  beberapa  alat penukar  panas  berdasarkan  konstruksinya: Shell and  Tube  Heat  Exchanger memiliki ciri adanya sekumpulan  “ Tube ”  yang  berada  pada  bagian dalam “ Shell ”. Penukar kaor jenis shell and tube umumnya digunakan pada industri analisa kimia (Gresta  dkk.,  2022). Double  Pipe  Heat Exchanger merupakan jenis  penukar  kalor  yang terdiri dari pipa ganda dengan perbedaan ukuran diameter. Alat penukar kalor tipe ini menggunakan  proses  perpindahan  panas  secara konveksi (Robiyanyusra et al., 2021). Plate Heat Exchanger banyak  digunakan  pada  analisa Heating Ventilation dan Air-Conditioning (HVAC). Plate  Heat  Exchanger terdiri  dari beberapa  pelat  logam  tipis  tegak  lurus  yang bergelombang  atau  memiliki  pola  herringbone tipis (Li & Hrnjak, 2021).
Hambatan  pada  perpindahan  panas akibat adanya endapan – endapan didalam Heat Exchanger disebut fouling (Sebayang,  2019). Hambatan  terjadi  akibat  adanya  penumpukan kotoran  pada  alat,  penumpukan  kotoran  dapat berupa  kristal,  sedimen,  senyawa  biologi  dan korosi dari suatu partikel atau senyawa yang ikut terbawa oleh fluida. Hal ini dapat mempengaruhi produktivitas  dan  menurunkan  efisiensi Heat Exchanger (Wahyudi dkk., 2022).

## METODE
Pada  evaluasi  kinerja Heat  Exchanger (HE-105)  dilakukan  dua  jenis  pengumpulan data.  Adapun  data  tersebut  diambil  dari  nilai rata-ratanya  dan  dibandingkan  dengan  kondisi desain  alat  diantaranya:  (a)  pengumpulan  data primer digunakan sebagai dasar analisa evaluasi kinerja Heat Exchanger (HE-105) di PT X; dan (b)  pengumpulan  data  sekunder  dilakukan sebagai  langkah  perhitungan  pada  evaluasi kinerja Heat Exchanger (HE-105). Data tersebut diperoleh dari studi lapangan dan studi literatur. Pada studi lapangan data yang diperoleh berupa data  kondisi  operasi  aktual  mencakup  data tempratur inlet dan outlet ,  serta  laju  alir  pada shell dan tube Heat  Exchanger (HE-105). Sedangkan  pada  studi  literatur,  data  yang diperoleh  berupa  langkah  perhitungan Heat Exchanger (HE-105) , Grafik dan Tabel.

## HASIL
Tabel 1 Spesifikasi Heat Exchanger Parameter Shell side Tube side Fluid circulated RA CO State Liquid Liquid Flowrate (kg/hr) 542640 774710 Temperature in/out ( o C) 221 178 115 147 Pressure (kg/cm 2 ) 19 14 Rd (kcal/m 2 hr o C) 0,0011 Efisiensi 98,4% Sumber: data olahan
Pengamatan  kondisi  aktual  HE-105  di PT  X  dilakukan  selama  7  (tujuh)  hari  untuk memperoleh  data  yang  diperlukan  untuk
perhitungan  evaluasi  kinerja  HE-105,  data  yang hasil  observasi  pada  Tabel  2  diasumsikan  telah mewakili kondisi sebenarnya pada HE-105. Tabel 2 Kondisi aktual HE-105 Hari ke- Flow RA T in ( o C) T out ( o C) Flow CO T in ( o C) T out ( o C) 1 443.538 207 165 828.658 122 143 2 405.833 197 155 837.875 117 136 3 424.421 203 161 835.597 122 142
4 451.261 205 162 831.401 113 135 5 451.187 205 162 832.747 114 135 6 448.831 206 162 830.883 114 136 7 451.261 208 162 831.401 113 135 Sumber: data olahan
Berdasarkan  Tabel  2  data  yang  telah diperoleh maka dilakukan penyelesaian masalah berupa  pengolahan  data  melalui  perhitungan pada langkah-langkah berikut ini:
1. Menghitung Neraca Panas (Kern, 1965)
Q =   m x cp x ∆T
2. Menghitung Log Mean Temperature Diffrence (LMTD) (Kern 2 nd Ed)
LMTD = ∆T 1 −   ∆T 2 ln  ( ∆T 1 ∆T 2 ) 3. Menghitung Log Mean Temperature Difference (LMTD) Correction Factor
(Kern, 2 nd Ed)
R = T 1 −   T 2 t 2 −   t 1 P = t 2 −   t 1 T 1 −   T 2 Hasil  perhitungan  dapat  diketahui  nilai  F T sesuai  pada  Kern,  1965  Fig.  18,  sehingga diperoleh: (Kern, 1965)
∆T LM = F T x LMTD 4. Menentukan Temperatur Kalorik (Kern,1965) Tc =   T 2 + Fc ( T 2 −   T 1 ) tc = t 1 + Fc ( t 1 −   t 2 ) Fc (Kern, 1965 Fig.17) 5. Menghitung Flow Area Pada Shell
a s = ID x C ′ x B 144 x P T Pada Tube a t = Nt x at ′
144 x n 6. Menghitung Mass Velocity Fluid
Pada Shell
𝐺 𝑠 = 𝑊 𝑠 𝑎 𝑡 Pada Tube 𝐺 𝑡 = 𝑤 𝑡 𝑎 𝑡
7. Menghitung Reynold  Number (Re)  (Kern, 1965 – Tabel 10) Pada Shell
Re s = D e x G s μ Pada Tube
Re t = D x G t μ 8. Menghitung  faktor  perpindahan  panas  jH (Kern, 1965)
Pada Shell (Fig 28)
j H = h o D e k ( Cp x μ k ) − 1 3 ( 𝜇 𝜇 𝑤 ) −0,14 Pada Tube (Fig 24)
j H = h i D k ( Cp x μ k ) −1/3 ( 𝜇 𝜇 𝑤 ) −0,14
9. Menghitung Koefisien Panas (h)
Pada Shell
h o =  jH  ( k De ) ( Cp x μ k ) 1 3 ∅s Pada Tube h i =  jH  ( k De ) ( Cp x μ k ) 1/3 ∅t
10. Menghitung Tube  Wall  Temperature (Flynn et al., 2019)
tw = tc + ho ∅s hio ∅t + hio ∅s x (T c −   t c )
11. Menghitung Corrected Coefficient Pada Shell
h o = ho ∅s 𝑥 ∅𝑠 Pada Tube ho = hi ∅t 𝑥 ∅𝑡 12. Overall  Heat  Transfer  Coefficcient  Design (Ud)
Ud = Q A x ∆T LM a” dapat dilihat pada tabel-10 Kern 1965 13. Clean  Overall  Heat  Trannsfer  Coefficient (Uc)
Uc = h o x h i o h o +   h i o 14. Fouling Factor (Rd) 𝑅𝑑 = 𝑈 𝑐 − 𝑈 𝑑 𝑈 𝑐 − 𝑈 𝑑 15. Efisiensi
Efisiensi = 𝑄 𝑐𝑜𝑙𝑑 𝑄 ℎ𝑜𝑡 𝑥 100%
Tabel 3 Hasil perhitungan data aktual HE-105 Hari ke- Rd (kcal/ m 2 r o C) Efisiensi 1 0,0011 87,93% 2 0,0011 84,97% 3 0,0011 86,09% 4 0,0012 87,79% 5 0,0012 86,33% 6 0,0012 85,05% 7 0,0012 85,85% Rata-rata 0,0012 86,29% Sumber: data olahan
Berdasarkan  perhitungan  nilai fouling factor yang  telah  dilakukan,  didapatkan  hasil perhitungan  berupa  data  perbandingan  antara data  desain  dengan  data  aktual.  Pada  Tabel  1 diketahui  nilai  rata-rata  Rd  aktual  (0,0012  kcal/ m 2 hr o C) yang didapatkan lebih tinggi dari nilai Rd  pada  desain  (0,0011  kcal/  m 2 hr o C),  hal  ini menunjukkan  adanya  akumulasi  pengotor  pada permukaan heat transfer yang dapat menghambat  proses  perpindahan  panas  jika dibiarkan  dalam  jangka  waktu  yang  lama.  Oleh sebab  itu,  perlu  dilakukan maintenance dan cleaning secara  berkala  untuk  memaksimalkan proses  perpindahan  panas  dan  mencegah kerusakan pada alat.
Kemudian, untuk mengetahui efektivitas proses perpindahan panas pada Heat Exchanger , dilakukan  perhitungan  terhadap  nilai  efisiensi HE-105. Berdasarkan tabel yang telah disajikan, nilai rata-rata efisiensi desain (98,41%) pada alat lebih besar dibandingkan nilai rata-rata efisiensi pada  data  aktual (86,31%).  Hal  tersebut disebabkan  oleh  besarnya  selisih  pada  nilai  Q. Salah  satu  hal  yang  mempengaruhi  nilai  Q adalah  laju  alir.  Tingginya  laju  alir  dapat menyebabkan  waktu  kontak  antara  temperatur panas dan temperatur dingin berkurang sehingga, efisiensi pada alat berkurang. Namun, nilai  rata-rata  efisiensi  yang  didapatkan  pada kondisi aktual masih tergolong tinggi, menunjukkan HE-105 masih layak digunakan.

## SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  evaluasi  dari  analisa pehitungan  dan  pembahasan  data  desain  serta aktual  terhadap  kinerja Heat  Exchanger (HE- 105)  pada  PT  X , dapat  disimpukan  bahwa  nilai rata-rata  Rd  ( fouling  factor )  aktual  0,0012 kcal/m 2 hr  C  lebih  besar  dari  nilai  Rd  desain, menunjukkan adanya pengotor yang terakumulasi, sehingga perlu dilakukan maintenance dan cleaning secara  berkala  untuk
menghindari  akumulasi  pengotor  pada Heat Exchanger yang  dapat  menyebabkan  kerusakan pada  alat.  Nilai  rata-rata  efisiensi  pada  desain sebesar  98,41%,  dan  pada  efisiensi  aktual 86,29%.  Nilai  efisiensi  rata-rata  aktual  lebih kecil  dibandingkan  nilai  efisiensi  rata-rata desain,  hal  ini  disebabkan  oleh  tingginya  laju alir,  sehingga  menyebabkan  waktu  kontak  antar temperatur  berkurang.  Namun,  nilai  rata-rata efisiensi  masih  tergolong  tinggi  menunjukkan Heat  Exchanger (HE-105)  masih  sangat  layak digunakan.

## DAFTAR PUSTAKA
Flynn,  A.  M.,  Akashige,  T.,  &  Theodore,  L. 2019. Kern’s  Process  Heat  Transfer Second Edition . Kern, D. Q. 1965. Process Heat Transfer .
Li,  W.,  &  Hrnjak,  P.  2021.  Single-phase  flow distribution  in  plate  heat  exchangers: Experiments  and  models. International Journal of Refrigeration , 126 , 45–56. Nur’ain  Hanna  Eryati,  &  Hidayati  Nur.  2021.
Evaluasi  Kinerja  Hot  Main  Column Bottooms  Raw  Oil  Exchanger  (15-E- 101) Pada Unit Recidu Catalytic Cracing (RCC).
Putra,  I.  2017.  Studi  Perhitungan  Heat Exchanger  Type  Shell  and  Tube Dehumidifier  Biogas  Limbah  Sawit Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Biogas. Jurnal  Polimesin , 15 (2),  1693–
5462.
Robiyanyusra, Gani Usman A, & Taufiqurrahman Muhammad. 2021.
Analisis  Efektivitas  Laju  Perpindahan Panas  Alat  Penukar  Kalor  Tipe  Double
Pipe. Jurnal Teknologi Rekayasa Teknik Mesin (JTRAIN) , 2 (2), 97–104.
Sari, H. N., Made Arsana, I., & Hidayatulloh, M.
2022. Pengaruh Fouling Factor
Terhadap  Performa  Heat  Exchanger Tipe  Shell and  Tube. Jurnal  Mekanova ,
8 (1), 55–1.
Sebayang,  M.  2019.  Evaluasi  Kinerja  Heat Exchanger  dengan  Metode  Fouling Faktor  di  Laboratorium  Satuan  Operasi PTKI Medan.
Tumbade  F  Gresta,  Sappu  Frans  P,  & Lumintang Romels A. C. 2022.
Revitalisasi  Alat  Penukar  Kalor  Tipe Shell  and  Tube.  In Jurnal Poros  Teknik Mesin Unsrat , 11(1).
Wahyudi,  A.  T.,  Leestiana,  F.,  &  widodo,  R.
2022.  Evaluasi  kinerja  Heat  Exchanger
pada  Fasilitas  Kilang  PPSDM  Migas dengan  Metode  Perhitungan  Fouling Factor. Majalah  Ilmiah  Swara  Patra , 12 (1).