## ANALISA HEAT EXCHANGER JENIS SHEEL AND TUBE DENGAN SISTEM SINGLE PASS

## Cahya Sutowo
Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Jakarta
Abstrak. Proses  perpindahan  kalor  pada  dunia  industri  pada  saat  ini,    merupakan  proses kunci  kerja  dalam  suatu  mesin, karena  semua  mesin  bekerja  dalam  temperatur  yang  cukup tinggi.  Salah  satu  alat  penukar  kalor  (Heat    Exchanger),  yang  digunakan  pada  untuk mempertukarkan kalor antara fluida kerja yang berbeda temperaturnya.
Oleh karena itulah penggunaan Heat Exchanger perlu diperhatikan kinerjanya secara teratur karena  penggunaan  Heat  Exchanger  dapat  menghemat  pemakaian  energy  pada  mesin dengan menjaga agar mesin tersebut tidak bekerja dengan temperatur  yang cukup tinggi.
Penelitian ini dilakukan untuk menganalisa unjuk kerja alat penukar kalor jenis shell and tube dengan system satu lintasan sebagai pendingin mesin pada PLTU, PJB Muara karang Unit 1 seperti  kompresor  ,  hydrogen  cooler.  Dimana  alat  penukar  kalor  ini  bekerja  untuk mendinginkan  kembali  air  pendingin  dari  mesin  selama  mesin  itu  bekerja,  dengan menggunakan air laut sebagai fluida pendinginnya.
Dari data yang diperoleh, hasil analisa alat penukar kalor ini didapat laju  perpindahan panas sebesar  2179,8  W  dan  keefektifan  alat  penukar  kalor  tersebut  selama  alat  penukar  kalor tersebut bekerja  sebesar  71,5  %,  dimana  dari  hasil  analisa  tersebut dapat  dikatakan  bahwa alat penukar kalor masih bekerja dengan baik.
Kata Kunci : heat exchanger, shell and tube

## PENDAHULUAN

## Latar belakang
Pada  dunia  industri  saat  ini,  proses  perpindahan  kalor  merupakan  salah  satu  proses  kunci dalam kerja mesin. Seperti pada industri pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), mesin-mesin industri bekerja menghasilkan berbagai macam perubahan energi, dari energi termis maupun energi mekanis yang dapat meningkatkan peningkatan suhu kerja dalam system. Untuk dapat mencegah  maupun  terjadinya  peningkatan  panas  yang  semakin  tinggi  maka  di  perlukan proses pendinginan.
Untuk  proses  pendinginan  maka  digunakan  alat  penukar  kalor,  sehingga  panas  dapat dipindahkan  dari  air  pendingin  mesin  dengan  memindahkan  panas  tersebut  dengan  sistem sirkulasi air dalam sistem kerja alat penukar kalor.
Proses  pendinginan  tersebut  diatas  digunakan  air  laut  sebagai  air  pendingin  untuk mendinginkan sejumlah air dalam sistem sirkulasi pendinginan yang telah mengalami proses perubahan  suhu  setelah  air  tersebut  mendinginkan  mesin,  selanjutnya  air  panas  tersebut didinginkan didalam alat penukar kalor.
Berbicara mengenai alat penukar kalor, defenisi dari alat penukar kalor  ialah suatu alat yang memfasilitasi perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda tamperatur , dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak saling bercampur. Fungsi dari alat penukar kalor ini tidak  hanya  terbatas  untuk  proses  pendinginan  saja,  tetapi  juga  di  fungsikan  untuk  proses pemanasan , namun dalam penyusunan tugas akhir ini penyusun akan membahas mengenai alat  penukar  kalor  yang  berfungsi  sebagai  pendingin  air  (  water  cooler  )  terutama  pada system pendinginan air pada PLTU.
Alat  penukar  kalor  disini  banyak  digunakan  oleh  dunia  industri  karena  tidak  menimbulkan kebisingan  yang  berarti  didalam  ruangan  mesin.  Selain  itu  dengan  menggunakan  alat penukar kalor jenis shell and tube sebagai pendingin, untuk penempatannya dapat dilakukan sesuai dengan keadaan ruangan.

## LANDASAN TEORI

## ALAT PENUKAR KALOR
Alat penukar kalor adalah suatu alat yang dapat memberikan fasilitas perpindahan panas dari satu  fluida  ke  fluida  lain  yang  berbeda  temperaturnya,  serta  menjaga  agar  kedua  fluida tersebut tidak bercampur.
Proses perpindahan panas  yang paling sederhana adalah proses  yang terjadi dimana fluida yang  panas  dan  fluida  yang  dingin  secara  langsung.  Dengan  sistem  demikian  kedua  fluida akan mencapai temperatur yang sama, dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan  mempersamakan  kerugian  energi  dari  fluida  yang  lebih  panas  dengan  perolehan energi yang lebih dingin.
Gambar 1 Alat penukar kalor cangkang dan pipa, dengan satu lintas cangkang dan satu lintas pipa

## PROSES  PERPINDAHAN  PANAS  PADA  ALAT  PENUKAR  KALOR  JENIS  CANGKANG DAN PIPA
Proses perpindahan kalor pada alat penukar kalor jenis cangkang dan pipa adalah berlangsung secara konveksi, suatu fluida tergantung dari aliran fluida tersebut. Jenis aliran tersebut dapat ditentukan berdasarkan bilangan Reynolds  fluida tersebut.
Bilangan Reynolds merupakan bilangan tidak berdimensi, dan didapat dari :
  um.D.
Re 

## METODE NTU – EFEKTIFITAS
Efektifitas penukar kalor (heat exchanger efektiveness) didefinisikan sebagai  berikut :
mungkin yang maksimum kalor n Perpindaha nyata kalor n Perpindaha s Efektifita    mak q q  
Heat exchanger type
Effectiveness relation

## 1.  Double pipe
Perallel-flow
Counter-flow
2.  Shell and tube :
One-shell pass
2,4…tube passes
3.  Cross-flow single pass
Botn fluids unmixed
Both fluids mixed
Cmax mixed Cmin unimixed Cmin mixed Cmax unimixed 4.  All heat excngaers with C = 0
C 1 C)] (1 NTU [- exp - 1     C)] - (1 NTU [- Cexp - 1 C)] - (1 NTU [- exp - 1   1 2 2 2 ] C 1 [-NTU Cexp - 1 ] C 1 [-NTU exp 1 C 1 C 1 2                                1 exp exp NCn n C  where n= N -0,22     1 1 exp 1 exp 1 1               N NC C N  (-CNTU)]}) exp - C[1 exp{- - (1 C 1           NC C     exp 1 / 1 exp 1   = 1 – exp (-NTU)

## Daftar tabel 1 Persamaan-persamaan efektivitas penukar kalor
Dalam  banyak  hal,  tujuan  dari  analisa  adlah  untuk  membantu  NTU  (Number  Transfer  Unit) dan  untuk  itu  dapat  dibuat  persamaan  eksplisit  untuk  NTU  dengan  menggunakan  efektifitas dan perbandingan kapasitas. Beberapa persamaan tersebut diberikan dalam daftar tabel (2) berikut ini :
Heat Exchanger type NTU relation
1.  Double –pipe:
Parralel-flow
Counter-flow
2.  Shell and tube
One-shell pass
2,4...tube passes
3.  cross-flow (single-pass)
C max mixed, C max unmixed, C max mixed, C max unmixed,
4.  All heat exchanger With C = 0     C C NTU      1 1 1 ln            1 1 ln 1 1 C C NTU                      2 2 2 1 1 / 2 1 1 / 2 ln 1 1
C C C C C NTU               C C NTU  1 ln 1 ln     C C C NTU 1 1 ln ln            1 ln NTU

## Daftar tabel 2 Persamaan NTU, untuk penukar kalor.
Nilai faktor pengotoran untuk berbagai fluida dapat kita lihat dalam daftar tabel (2.5) dibawah ini.
Jenis Fluida
Tahanan Pengotoran (h. 0 F.ft 2 /BTU)
Air laut dibawah 125 0 F
Air laut diatas 125 0 F
Air pengisi ketel, diatas 125 0 F
Air east river dibawah 125 0 F
Bahan bakar minyak
Minyak pencelupan
Uap alkohol
Uap air, tidak mengandung minyak Udara industri Cairan pendingin mesin 0.0005 0.001 0.001 0.002-0.003 0.005 0.004 0.0005 0.0005 0.002 0.001
Daftar tabel 3 Daftar Faktor Pengotoran Normal

## METODOLOGI PENELITIAN

## Proses Analisa Alat Penukar Kalor Jenis Shell And Tube
Proses  yang  dilakukan  oleh  penyusun  untuk menganalisa  alat  penukar  kalor  jenis  shell  and tube sampai didapatkan hasil analisa yang akurat mengenai kondisi kerja alat penukar kalor dengan  melihat  pada  keefektifan  dari  alat  penukar  kalor  tersebut  dapat  digambarkan  pada diagram alir di bawah ini.

## Gambar 2 Diagram Alir

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Heat Exchanger jenis Shell dan tube Tipe single Pass
 Luas permukaan total
(A)
= 275 m 2  Temperatur masuk air panas
(T hi ) = 43 o C
 Temperatur keluar air panas
(T ho ) = 38 o C
 Temperatur masuk air dingin
(Tci) = 32 o C  Temperatur keluar air dingin
(T co ) = 38 o C
 Laju aliran panas
(Q h ) = 0,11 m 3 /s
 Laju aliran air dingin
(Q c ) = 0,4167 m 3 /s
MULAI
Pengumpulan teori dan data-data meliputi
 Study Pustaka yang berhubungan dengan penelitian  Profile dari Heat Exchanger dan spesifikasi dari Heat Exchanger Pengolahan data dan perhitungan meliputi  Perhitungan LMTD
 Perhitungan pada cangkang
 Perhitungan pada pipa
 Faktor pengotoran pada Heat Exchanger
 Keefektifan Heat Exchanger
Analisa hasil perhitungan Heat Exchanger Jenis Shell and Tube Dengan Sistem Single Pass
SELESAI
 Diameter luar pipa (OD t ) = 0,0254 m  Diameter dalam pipa (ID t ) = 0,023 m  Diameter dalam cangkang (ID s ) = 1,10 m  Jumlah pipa dalam tabung (N) = 926 Buah  Panjang pipa
(L) = 3,75 m

## PERBEDAAN TEMPERATUR RATA RATA LOGARITMIK PADA ALAT PENUKAR KALOR
Dapat dihitung sebagai berikut :
Temperatur masuk air panas  T hi =  43 0 C Temperatur keluar air panas  T ho =  38 0 C Temperatur masuk air dingin T ci =  32 0 C Temperatur keluar air dingin  T co =  38 0 C dengan :
ΔT a = T hi – T co
Dan
ΔT b = T ho – T ci Sehingga Perbedaan temperatur rata-rata logaritmik, adalah :
 
             b a b a LMTD T T Ln T T T

## PERHITUNGAN PADA CANGKANG
Luas penampang cangkang (A s ) , yaitu :
A s = N ) ( 4 1 - ) (ID 4 1 2 1 2 s OD   Sifat-sifat pada T hi = 43 0 C, berdasarkan lampiran  adalah :
Cp = 4,174 kJ/kg 0 C  air = 990,6 kg/m 3  s = 0,000616 kg/s.m k = 0,637 W/m 0 C Pr = 4,04 Menentukan laju aliran massa refrijeran (m s ) : m s =  air x Q h
Kecepatan aliran massa pada cangkang (u s ) :
u s =
s s A m 
Diameter hidrolis (D h ) pada cangkang, yaitu :
D h =
  tot t s 2 1 2 1 2 2 ) (OD - ) (ID ) D (D ) D - (D 4 x 4     Dengan : (OD t(tot) ) = /4
(tot) At

Bilangan Reynolds (Re) untuk aliran dalam cangkang, adalah :
Re = s h μ . D .  s u
Berdasarkan  besarnya  nilai  Reynold  yang  didapat  yaitu  Re  >  10.000,  maka  aliran  pada cangkang  merupakan  aliran  turbulen  penuh,  aliran  turbulen  tersebut  timbul  disebabkan tingginya kecepatan aliran air pendingin didalam cangkang.
Karena alirannya turbelen, maka untuk menentukan harga (Nu) :
Nu = 0,023 (Re) 0.8 (Pr) 0.4
Jadi koefisien konveksi pada cangkang (h s ) , yaitu : h s = Nu x D k h

## PERHITUNGAN PADA PIPA (TUBE)
Luas penampang  pada pipa (tube) per panjang tabung adalah : A t =  . (ID t ) . L Dan A 0 =  . (ID 0 ) . L Sifat-sifat air pada T ci = 32 0 C, berdasarkan lampiran  adalah :
Cp = 4,174 kJ/kg 0 C  air = 994,9 kg/m 3  s = 0,000765 kg/s.m k = 0,623 W/m 0 C Pr = 5,12
Laju aliran massa refrijeran (m t ) : m t =  air x Q c
Kecepatan aliran massa pada pipa (u t ) adalah :
u t =
t t A m 
Bilangan Reynolds (Re) untuk aliran didalam pipa adalah :
Re = t h μ . D .  t u
Berdasarkan  besarnya  nilai  Reynold  yang  didapat  yaitu  Re  >  10.000,  maka  aliran  didalam pipa  ialah  aliran  turbulen  penuh,  aliran  turbulen  didalam  pipa    timbul  akibat  tingginya kecepatan aliran air pendingin yang masuk kedalam pipa
Koefisien konveksi pada pipa (h t ), yaitu :
h ti = Nu x D k
i dan h to = Nu x D k
o
Koefisien  perpindahan  kalor  menyeluruh  (U),  dengan  konduktivitas  (k)  untuk  tembaga berdasarkan lampiran.
k = 31,2 W/m 0 C
Sehingga
U =
o o i t t i h 1 A A kL 2 ) /ID (OD AiLn h 1 1   
Laju perpindahan panas pada pipa adalah : q = U.A.  T (LMTD)

## FAKTOR PENGOTORAN PADA ALAT PENUKAR KALOR
Dari  daftar  tabel  (3)  dapat  kita  lihat  faktor  pengotoran  (Rd)  untuk  air  panas  dan  air  laut, sebagai berikut :
Rd (air laut) =  0,00009 m 2o C/W
Rd (air panas)  = 0,00009 m 2o C/W Rd (total) = 0,00018 m 2o C/W = 1,8 x 10 -4 m 2o C/W
Koefisien perpindahan kalor kotor (U d ) :
Rd = c d U 1 - U 1
Sehingga :
U d = C
W/m 59 , 470 1 dengan U , 1 ) x U (Rd U 2O c c c  
Penurunan koefisien perpindahan kalor adalah : Rd (tot) x U d

## KEEFEKTIFAN PADA ALAT PENUKAR KALOR
Keefektifan penukar kalor cangkang dan pipa dengan sistem satu kali lintas dapat ditentukan dengan rumus pertama dengan tipe aliran lawan arah (counter flow) pada daftar (1), yaitu :
C)) - (1 NTU (- exp C - 1 C)) - (1 NTU (- exp - 1  
Dengan : C h = m h . C ph dan      C c = m c . C pc
Dengan :
0,89 C kW/ 454.8 m 275 x C W/m 1470,59 C U.A NTU 0 2 20 min    Maka keefektifan penukar kalor adalah : C)) - (1 NTU (- exp C - 1 C)) - (1 NTU (- exp - 1  

## KESIMPULAN
Heat  Exchanger jenis Shell  and  Tube  single  pass berfungsi  sebagai  pendingin  tambahan yang  berkerja  untuk  mendinginkan  kembali  air  pendingin  dari  mesin  selama  mesin  tersebut bekerja, dengan menggunakan air laut sebagai fluida pendinginnya.
Dari  penelitian  dan  perhitungan  yang  dilakukan  alat  penukar  kalor  jenis  cangkang  dan  pipa satu lintas sebagai pendingin tambahan maka dapat diambil kesimpulan :
 Dengan  bilangan  Reynold  Pada  cangkang  maupun  pada  pipa  semua  hasil  bilangan tersebut  (Re>10.000),  maka  didapat  aliran  yang  mengalir  pada  pipa  maupun  pada cangkang  adalah  aliran  Turbulen,  hal  tersebut  diakibatkan  dengan  besarnya  nilai kecepatan  aliran  massa  pada  cangkang  dan  pada  pipa  sehingga  aliran  yang  timbul adalah aliran turbulen.
 Keuntungan  timbulnya  aliran  turbulen  dari  pada  aliran  laminar  adalah  dengan  tingginya kecepatan  aliran  massa  maka  akan  mempercepat  proses  perpindahan  panas  dari  air panas ke air dingin melalui pipa.

## SARAN
Guna  menjaga  kondisi  dan  keefektifan  alat  penukar  kalor  agar  dapat  bekerja  dengan  baik maka ada beberapa hal yang harus diperhatikan yaitu  :
 Melakukan perawatan berkala pada alat penukar kalor.
 Melakukan  pengecekan  pada  alat  penukar  kalor,  agar  alat  tersebut  tidak  bekerja melewati batas maksimum suhu yangtelah di tetapkan
 Melakukan  proses  penyaringan  air  laut  secara  lebih  ketat  lagi,  agar  mendapatkan kualitas  air  laut  yang  bersih  sehingga  tidak  akan  terjadi  pengotoran  pada  pipa  Heat Exchanger.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  Black  &  Veatch  Internasional  consulting  Engineers,  Kansas  City,  Missouri.USA  1979, “Intruction Book For Feed Water Heaters and Heat Exchangers”, P.122.M.00 (07) Mit.1.
2.  Frank  Keith,  terjemahan  Arko  Prij ono,  “Prinsip-prinsip  Perpindahan  Panas”,  Erlangga, Jakarta,1994.
3. “Fundamental Of Heat Transfer”, Frank P.Incopera & David P. De Witt.
4. J. P. Holman, terjemahan Ir. E. Jasfi, “Perpindahan Kalor”, Erlangga, Jakarta, 1994.
5. Kern,Donald .Q, ” Proces Heat Transfer” , McGraw-hill Company, Edtion 1965.
6. Max Jacob  & George A. Hawkins, Purdue Univerity, ”Elements Of Heat Transfer”, Jhon Wiley & sons.inc, edisi 3,Th 1957.
7.  Operating Intsruction Unit 1,2,3, Volume I (621.311.22).
8. Sitompul,Tunggul,M. ”Alat Penukar Kalor” ,PT. Raja Grafindo Persada, Jakarta, 1991.