## KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS  PADA PIPA PENUKAR KALOR SELONGSONG ALIRAN SEARAH VERTIKAL

## Mahmuddin, Muhammad Syahrir
Jurusan Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muslim Indonesia Jl. Urip Sumoharjo KM. 05 Kampus II UMI, Makassar, Indonesia 90231 e-mail: mahmud_umitek@yahoo.co.id

## INTISARI
Telah melakukan penelitian tentang karakteristik Alat Penukar Kalor (APK) tipe selongsong dan tabung aliran searah vertikal dengan penambahan udara ke dalam aliran air panas. Pipa yang digunakan adalah pipa tembaga dengan panjang 0,75 m dan diameter dalm 0,0153 m. Sedangkan selongsong dari pipa transparan  ( fiberglass )  dengan  diameter  0,941  m.  Untuk  mengetahui  karakteristik  perpindahan  panas dengan  cara  memvariasikan  debit  air  panas  dan  debit  udara  sehingga  diperoleh  perubahan  temperatur masuk dan keluar. Pengukuran temperatur dengan termokopel digital yang dipasang pada sisi masuk dan keluar APK.
Data  pengukuran  menunjukkan  bahwa  menambahan  udara  ke  dalam  aliran  air  panas  mencapai 0,50 kg/s teridentifikasi panas yang dilepaskan APK fluktuatif dan kecenderungan konstan. Tetapi, dengan penambahan  debit  udara  hingga  mengakibatkan  terbentuk  lapisan  film  pada  permukaan  pipa  dan menambah tahanan termal konduksi. Sehingga laju perpindahan panas ke air pendingin menurun drastis. Fenomena tersebut menunjukkan efektivitas APK menurun.
Kata kunci: Alat penukar kalor, Efektivitas APK dan Injeksi udara .

## ABSTRACT
Study  was  conducted  to  examine  characteristics  of  a  sleeve  type  Heat  Exchanger  Tube  (HET)  with vertical unidirectional flow tube, with additional pressurized air injected into the hot water line. Tubes are made of copper with diameter  of  1.53 cm and 75 cm length, installed inside a transparent casing pipe (fiberglass) with diameter 9.41 cm. To determine heat transfer characteristics, adjustable flow rate of hot water and the injected air temperature  were  varied,  obtaining  series  of  inlet  and  outlet  temperatures.  Temperature  changes  were  observed through digital thermocouple mounted on the side of hot water inlet and outlet of the heat exchanger tube.
Observation data shows that additional injected air of 0.5 kg/s into hot water line resulted in a fluctuated temperature  released  from  the  HEP  outlet  with  decreasing  trend  of  performance.  The  additional  air  injections affect the formation of layer of air film on the pipe surface, adding resistance of thermal conduction. Rate of heat transfer was reduced and the cooling process was dropped dramatically, confirming the decrease effectiveness of the heat exchanger tube.
Keywords: Heat exchanger, effectiveness, air injection.

## PENDAHULUAN
Alat  Penukar  Kalor  (APK)  adalah  suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida  yang  lain  karena  adanya  perbedaan temperatur.  Alat tersebut dapat terjadi pertukaran dan  pengendalian  panas  dengan  menaikkan  dan menurunkan  temperatur  zat  dengan  jalan memindahkan  zat  bertemperatur  tinggi  ke  zat bertemperatur  rendah.  Industri-industri  yang
berkaitan dengan pemprosesan selalu menggunakan APK, misalnya kondenser, evaporator.
Tipe  APK  yang  banyak  dipakai  adalah selongsong  dan  tabung  ( Shell  and  Tube  Heat Exchanger) .  Alat  tersebut  terdiri  dari  sebuah selongsong di bagian luar dan sejumlah pipa-pipa di bagian  dalam.  Temperatur  fluida  di  dalam tube bundle berbeda  dengan  di  luar  pipa (di  dalam selongsong)  sehingga  terjadi  perpindahan  panas antara aliran fluida di dalam pipa dan di luar pipa.
Daerah  yang  berhubungan  dengan  bagian  dalam pipa disebut dengan tube side dan yang di luar dari pipa disebut shell side .
Berdasarkan  uraian  tersebut,  maka diperlukan  studi  lebih  lanjut  tentang  alat  penukar panas  dengan  penambahan  udara  ke  dalam  aliran air panas.
Adapun  tujuan  penelitian  yaitu  untuk mengetahui  panas  yang  diserap  dan  dilepaskan APK dan untuk mengetahui pengaruh penambahan laju aliran udara terhadap efektifitas APK. Batasan  masalah  yaitu  alat  penukar  kalor yang digunakan adalah tipe selongsong dan tabung vertikal  dengan  aliran  searah  ke  atas.  Pengukuran temperatur  air  panas  dan  air  pendingin  dilakukan pada kondisi aliran  stedi dan model analisis  adalah aliran satu fase.

## Dasar Perpindahan Kalor
Perpindahan  kalor  dari  suatu  zat  ke  zat lain dapat terjadi dalam kehidupan sehari-hari baik penyerapan  atau  pelepasan  kalor  untuk  mencapai dan  mempertahankan  keadaan  yang  dibutuhkan dalam proses berlangsung.
Mekanisme  perpindahan  panas  dapat terjadi dengan tiga cara yaitu :
A. Konduksi ( conduction ) Konduksi yaitu proses perpindahan panas mengalir  dari  daerah  bertemperatur  tinggi  ke daerah  bertemperatur  lebih  rendah  dalam  satu medium  (padat,  cair,  gas).  Dalam  aliran  panas konduksi,  perpindahan  energi  terjadi  karena interaksi  molekul  secara  langsung  tanpa  adanya perpindahan molekul yang cukup besar B. Konveksi ( convection )
Perpindahan energi dari suatu permukaan yang  temperaturnya  di  atas  temperatur  sekitarnya dan angkutan energi, karena terjadinya dalam arah gradien  temperatur  sebagai  akibat  gerakan  massa partikel-partikel zat yang mengalir.
C. Radiasi ( radiation )
Proses  perpindahan  panas  mengalir  dari benda  yang  bertemperatur  tinggi  ke  benda bertemperatur  lebih  rendah  bila  benda  tersebut terpisah  di  dalam  ruang.  Energi  radiasi  bergerak dengan  kecepatan  3x10 8 m/s  dan  gejala-gejalanya seperti menyerupai radiasi cahaya.
Alat Penukar Kalor Di  industri,  banyak  sekali  peralatan penukar  kalor  seperti  ketel  uap  ( boiler ),  pemanas lanjut  ( super  heater ),  pendingin  oli  pelumas  ( oil cooler ),  kondensor  ( condensor ),  dan  lain-lain.  Di industri  semen,  peralatan  utama  produksi  seperti suspension  preheater , calciner , kiln ,  dan cooler
sebenarnya  juga  merupakan  alat  penukar  kalor. Selain  itu  APK  juga  dapat  dipergunakan  dalam industri  semen  seperti  pendingin  minyak  pelumas, pendingin  udara  untuk  kebutuhan jet  pulse  filter , dan lain sebagainya.
Alat penukar kalor selongsong dan tabung umumnya banyak digunakan dalam industri proses. Sekurang-kurangnya  60  %  dari  semua  APK  yang digunakan, karena dapat di-disain untuk enjalankan  lebih  banyak  variasi  tekanan  dan temperatur  seperti  yang  dijumpai  dalam  industri proses.  APK  tersebut  dapat  juga  dikonstruksi  dari bermacam  macam  material.  Beberapa  keuntungan APK  selongsong  dan  tabung  diantaranya  adalah konstruksinya  sederhana,  dapat  dipisah  satu  sama lain  (tidak  merupakan  satu  kesatuan  yang  utuh) sehingga pengangkutannya relatif mudah, pemakaian  ruang  relatif  kecil,  dan  mudah membersihkannya.  Farel  H  Napitupulu  dkk  (2005) melakukan  kajian  eksperimental  efektifitas  alat penukar kalor selongsong dan tabung ( shell and tube ) sebagai  pemanas  air  dengan  memanfaatkan  energi thermal  gas  buang  motor  diesel  bahwa  dapat mencapai  efektifitas  tertinggi  0,825  dengan  debit aliran air masuk konstan sebesar 5 liter/menit.

## Analisis Perpindahan Panas
Perpindahan kalor dan yang terjadi pada alat  penukar  kalor  selongsong  dan  tabung  sangat bergantung pada bentuk geometri dan dimensi dari tabung dan sekat ( baffle ), serta sifat-sifat fisik fluida yang mengalir di dalam tabung dan selongsong . Neraca  energi  dalam  proses  perpindahan panas  pada  APK  dengan  memperhitungkan  panas yang  diserap  oleh  fluida  dalam  selongsong  akan sama dengan besar dengan panas yang dipindahkan oleh  fluida  dalam  tabung  secara  konduksi  melalui dinding tabung. Analisis tersebut juga mengasumsikan  bahwa  tidak  ada  kehilangan  kalor melalui  dinding  selongsong  ke  udara  luar.  Laju perpindahan  kalor  yang  diserap  oleh  fluida  dalam selongsong dapat dihitung dengan Persamaan (2.1).
Dengan : h u =  koefisien perpindahan panas konveksi uadra (W/m 2 .C) A o =  Luas penampang diding luar tabung (m 2 ) T so =  Temperatur dinding luar tabung ( o C) T mu = Temperatur rata-rata udara ( o C) T um = Temperatur fluida masuk selongsong ( o C) T uk =  Temperatur fluida keluar
selongsong ( o C) C pu =  Panas jenis udara (kJ/kg.C)
Laju perpindahan kalor yang dilepaskan oleh fluida (air)  dalam  tabung  dihitung  dengan  persamaan (2.2):
Dengan : h a =  koefisien perpindahan panas konveksi air (W/m 2 .C)
A i =  Luas penampang diding luar   tabung (m 2 )
T di =  Temperatur dinding dalam tabung ( o C) T a =  Temperatur rata-rata air ( o C)
T ain =  Temperatur air masuk ( o C) T aout =  Temperatur air keluar ( o C) C pa = Panas jenis air (J/kg.C) Laju  perpindahan  kalor  menyeluruh  dari  fluida melalui  dinding  tabung  ke  fluida  dihitung  dengan Persamaan (2.3):
(2.3) Dengan :  T lm =  Beda  Temperatur    rata-rata logaritmik dalam Kelvin.
Gambar 1. Diagram Temperatur.
Koefisien  perpindahan  panas  konveksi fluida (air) dalam sisi tabung dapat dihitung dengan Persamaan (2.4) dan (2.5).
(untuk aliran laminar Re≤2300) (2.4)
(untuk aliran turbulen Re≥4000) (2.5) Dengan : ka =  konduktifitas panas air (W/m 2 o C) n =  0,4 (untuk pemanasan) n =  0,3 (untuk pendinginan).
Efektivitas  suatu  alat  penukar  kalor merupakan  salah  satu  hal  yang  sangat  penting dalam  mendesain  alat  penukar  kalor.  Hal  ini disebabkan  karena  parameter  efektifitas  tersebut merupakan  suatu  ukuran  unjuk  kerja  sebuah  alat penukar kalor. Efektivitas alat penukar kalor ( heat- exchanger  effectiveness )  dapat  didefinisikan  dengan Persamaan (2.6).

## METODOLOGI PENELITIAN

## Tempat Penelitian
Penelitian  dilaksanakan  di  Laboratorium Pusat  Riset  Jurusan  Mesin  Fakultas    Teknik Universitas Muslim Indonesia.

## Alat dan Bahan Penelitian
Alat: 1. Seperangkat  alat  penukar  panas  tipe selongsong.
2. Reservoir untuk  air  pendingin  dan  air panas.
3. Pipa PVC untuk instalasi pipa air pndingin dan air panas.
4. Pompa air dingin dan air panas
5. Regulator  listrik  untuk.  menstabilkan tegangan dan arus pemanas air.
6. Elemen pemanas air.
7. Flowmeter ,  untuk  mengukur  debit  air dingin dan air panas
8. Termokopel  digital  untuk  mengukur  suhu air  pendingin  dan  air  panas  yang  masuk dan keluar dari APK.
9. Katup pengatur debit aliran
10. Kompessor.
Bahan:
1. Air dingin yang mengalir                     di dalam selongsong.
2. Air panas yang  mengalir                            di dalam pipa-pipa.
3. Injeksi udara dari kompressor.

## Prosedur Penelitian
1. Mengalirkan air panas pada skala flowmeter 1 LPM.
2. Mengalirkan  air  pendingin  air  pada  skala flowmeter 2 LPM.
3. Mengalirkan udara dengan kompressor.
4. Penambahan debit udara dimulai 5,5 LPM dengan  mengatur  katup  masuk  pada flowmeter.
5. Mengulangi  prosedur  3  untuk  debit  air panas pada 2 LPM dan 3 LPM.
6. Pengambilan  dapat  dilakukan  apabila aliran dianggap steady state untuk aliran air panas dan air pendingin.
7. Pengukuran meliputi:
a. Temperatur air pendingin masuk (T c1 ).
b. Temperatur air pendingin keluar (T c2 ).
c. Temperatur air panas masuk (T h1 ).
d. Temperatur air panas keluar  (T h2 ).
e. Mengulangi prosedur 1-6 untuk debit air panas 2 LPM dan 3 LPM.
Gambar 2. Model alat uji APK.
Gambar 3. Skema instalasi penelitian Keterangan:
1. Reservoir I.
2. Reservoir II.
3. Pompa I untuk air panas.
4. Pompa II untuk air pendingin.
5. Kompressor.
6. Katup 1.
7. Katup 2.
8. Katup 3.
9. Flowmeter air panas.
10. Flowmeter air dingin.
11. Flowmeter udara.
12. Pemanas air I.
13. Pemanas air II.
14. Termokopel.
15. Alat penukar kalor.
16. Pipa separator.
17. Separator.

## PEMBAHASAN
Panas yang diserap air dingin. Kurva besarnya kalor yang serap oleh air pendingin pada alat penukar kalor (APK) terhadap laju  aliran  massa  udara  seperti  yang  diperlihatkan pada  Gambar  3.  Kurva  tersebut  menggambarkan bahwa pada laju aliran udara rendah besarnya kalor yang  diserap  kecenderungan  konstan,  kemudian secara  perlahan-lahan  besaran-besaran  tersebut akan  turun.  Fenomena  tersebut  menunjukkan bahwa  panas  yang  dikandung  air  panas dikonduksikan melalui pipa tidak dapat memberikan  perubahan  temperatur  air  pendingin signifikan walaupun laju aliran udara meningkat.
Hal  tersebut  diindikasikan  dapat  terjadi ketidaksetimbangan  termodinamika  dalam  aliran tidak  sempurna.  Perpindahan  panas  dari  air  panas ke  butiran-butiran  udara  atau  gelembung- gelembung masih kecil sehingga dapat dipertahankan kesetimbangan energi panas dari air panas dengan air pendingin. Pada laju aliran udara ditingkatkan panas yang diserap air pendingin akan menurun,  karena  sebagian  panas  yang  dikandung air  panas  diserap  oleh  udara  yang  mengalir. Penambhan    laju  aliran  udara  dapat  mendukung terbentuknya sluq  flow dan  terbentuk  pula  lapisan film  pada permukaan dinding pipa.
Efek  terbentuknya  lapisan  film  tersebut dapat menyebabkan lapis batas termal sangat tinggi sehingga  perpindahan  panas  menjadi  lambat, dimungkinkan  serapan  panas  air  pendingin  turun
air panas
air pendingin
udara
drastis.  Artinya  bahwa  terjadi  penurunan perpindahan panas di permukaan pipa. Peningkatan  laju  aliran  udara  akan  menambah fraksi  hampa  atau void di  dalam  pipa  akan mempengaruhi koefisien perpindahan panas konveski  dan  daya  hantar  panas  oleh  udara  yang dapat    menyebabkan  temperatur  permukaan  pipa menurun.  Dengan  penambahan  laju  aliran  udara terus  menerus  diatas  0,5  kg/s  menyebabkan sebagian  panas  diserap  oleh  udara  dan  sebagian dikonduksikan  melalui  permukaan  pipa.  Dengan demikian    panas  yang  diserap  air  pendingin menurun.  Berarti  batas  kritis  laju  aliran  udara untuk  suatu proses  teridentifikasi dengan terbentuknya tahanan termal konduksi lapisan film pada permukaan pipa.
Gambar 3. Kurva penyerapan panas.
Pelepasan  panas  untuk  laju  aliran  1  LPM yang  ditunjukkan  oleh  perbedaaan  suhu  antara temperatur air panas masuk dan keluar lebih besar, perbedaaan  temperatur  tersebut  mengindikasikan laju  penyerapan  panas  terhadap  air  pendingin besar.  Kondisi  tersebut  menunjukkan  bahwa potensi  air  panas  untuk  melepaskan  panas  yang dikandungnya  cukup  tinggi,  sebanding  dengan penyerapan  panas  air  pendingin.  Hal  tersebut mengikuti  hukum Fourier’s tentang  pendinginan bahwa gradien temperatur dT/dx akan mempengaruhi proses perpindahan panas.
Panas yang dilepaskan APK.
Kurva  kalor  yang  dilepaskan  air  panas melalui  permukaan  pipa  secara  konduksi  terhadap laju  aliran  massa  udara  yang  diperlihatkan  pada Gambar  4.  Pada  laju  aliran  udara  rendah menggambarkan    suatu  kurva  yang  memberikan karakteristik  perpindahan  panas  yaitu  besarnya energi  panas  yang  dilepaskan  oleh  air  panas kecenderungan konstan, walaupun laju aliran udara ditingkatkan.    Pada  kondisi  tersebut  potensial penggerak  aliran  panas  yang  menyebabkan  L/Ap setara  dengan  tahanan  termal  ( thermal  resistance )
dan besarnya tidak berubah terhadap penambahan laju  aliran  udara,  sehingga  perbedaan  temperatur juga  tidak  berubah  signifikan  ( Δ T).  Kondisi tersebut  akan  mempengaruhi  rambatan  panas konduksi. Tetapi pada laju aliran udara sebesar 0,5 kg/s  dan  fraksi  hampa  di  dalam  aliran  meningkat dapat  mengurangi  besarnya  panas  konduksi  yang merambat ke permukaan pipa.
Penambahan laju aliran udara di atas 0,5 kg/s  akan  meningkatkan  koefisien  perpindahan panas  konveksi,  tetapi  daya  serap  air  pendingin menurun.  Karena  konveksi  juga  menghasilkan pemindahan energi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur lebih rendah.
Gambar 4. Kurva pelepasan panas.
Bila  pola  aliran  berubah  menjadi  pola aliran pluq flow artinya bahwa terdapat lapisan film pada permukaan dinding pipa dan pada sisi tengah pipa  mengalir  udara  dengan  menyerupai  bentuk peluru.  Lapisan  film  tersebut  akan  menambah tahanan  termal  konduksi,  sehingga  proses perpindahan energi panas dengan tumbukan elastis ( elastic  impact )  pada  lapisan  material  pipa  menjadi rendah.  Sehingga  pertukaran  panas  dari  air temperatur  tinggi  ke  air  temperatur  lebih  rendah lebih lambat.

## Efektivitas Alat Penukar kalor
Efektivitas  dapat  dinyatakan  dengan perbandingan  panas  minimum  terhadap  laju pertukaran panas maksimum yang mungkin terjadi pada APK. Nilai efektivitas adalah suatu parameter untuk  mengklasifikasi  unjuk  kerja  ( performance ) suatu alat penukar panas. Bila APK berfungsi baik akan  memberikan  nilai  efektivitas  yang  tinggi berarti  proses perpindahan panas berlangsung baik. Perhitungan  efektivitas  alat  penukar  kalor  yang
dikurvakan    seperti  yang  diperlihatkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Efektivitas penukar kalor.
Tahanan  termal  yang  terjadi  dapat berlangsung  dengan  konveksi  air  panas,  konduksi pada  pipa  dan  konveksi    pada  air  pendingin  akan mempengaruhi  laju  perpindahan  panas.  Tentu  saja diperoleh  dengan  gradien  temperatur  diupayakan tinggi  antara  permukaan  pipa  bagian  dalam  dan luar.  Gradien  temperatur  tinggi  mengambarkan penurunan  temperatur  terhadap  ketebalan  pipa tinggi, pada proses pertukaran air temperatur tinggi terhadap  air  temperatur  lebih  rendah  pada permukaan luar pipa dapat berlangsung cepat. Hal tersebut merupakan indikator kinerja APK.
Penambahan  laju  aliran  air  panas menunjukkan  bahwa  terjadi  penurunan  efektivitas APK.  Selain itu,  memperlihatkan pula  unjuk  kerja ( performance )  alat  APK  dengan  penambahan  debit air  panas  1  LPM  relatif  lebih  baik,  jika dibandingkan  dengan  debit  2  LPM  dan  3  LPM. Sedangkan  penambahan  laju  aliran  udara  tidak signifikan dapat mempengaruhi  efektivitas APK.
Hasil perhitungan dapat diuraikan bahwa pada  laju  aliran  udara  sebesar  0,11  kg/s–0,8  kg/s dengan debit aliran air panas sebesar 1 LPM, maka efektivitas  APK  adalah  sebesar  0,765.  Namun pertambahan debit aliran air panas sebesar 2 LPM, diperoleh  nilai  efektivitas  APK  mengalami penurunan  dengan  nilai  efektivitas  APK  sebesar 0.59, selanjutnya pada debit aliran air panas 3 LPM diperoleh efektivitas APK sebesar 0,47.

## KESIMPULAN
Penambahan  debit  udara  ke  dalam  aliran air panas dapat menurunkan penyerapan panas dan teridentifikasi  pula  bahwa  kondisi  tersebut menunjukkan unjuk kerja APK menurun, terutama terbentuknya lapisan film pada permukaan pipa.

## DAFTAR PUSTAKA
Adrian  Bejan ,  Heat  Transfer ,  John  Wiley  &  Sons, Inc, 1993.
Ekadewi  A.  Handoyo,  2000,  Pengaruh  Kecepatan Aliran  Terhadap  Efektivitas  Shell  and Tube  Heat  Exchanger,  Jurnal  Teknik Mesin Universitas Kristen Petra. Jakarta. Sugiyanto.    2005.    Analisis    Alat    Penukar    Kalor Tipe    Shell    and    Tube    Dan    Aplikasi Perhitungan  Dengan  Microsoft  Visual Basic  6.0,  Jurnal,  Jurusan  Mesin Fakultas  Teknologi  Industri  Universitas Gunadarma. Depok. Jakarta.
Sitompul,  Tunggul  M,  Alat  Penukar  Kalor,  PT. Raja Grafindo Persada. Jakarta. 1993.