## ANALISIS PERFORMANSI PADA HEAT EXCHANGER JENIS SHEEL AND TUBE TIPE BEM DENGAN MENGGUNAKAN PERUBAHAN LAJU ALIRAN MASSA FLUIDA PANAS (Mh)
Aznam Barun, Eko Rukmana Universitas Muhammadiyah Jakarta, Jurusan Teknik Mesin

## ABSTRAK
Perpindahan  panas  adalah  proses  yang  sangat  penting  dalam  dunia perindustrian.  Ekonomisnya  suatu  proses  pabrik  sering  ditentukan  oleh keefektifan  dari  pemanfaatan  dan recovery panas  yang  dikandung  suatu  bahan. Banyaknya steam dan sistim pendingin yang dibutuhkan ditentukan oleh efisiensi dari  alat  yang  digunakan.  Ada  banyak  jenis heat  exchanger yang  dapat digunakan  dalam  industri,  tergantung  pada  proses  apa  yang  akan  ditangani. Kemudian dari satu jenis mempunyai bermacam-macam tipe, tetapi yang penting dari  karakter heat  exchanger ini  adalah  terjadinya  perpindahan  panas  dari  fase yang bersuhu tinggi ke fase yang bersuhu rendah atau sebaliknya sesuai dengan dari fungsinya. Untuk menentukan besar kecilnya panas yang dipindahkan pada beda  temperatur  yang  sama,  ini  tergantung  kepada  harga  koefisien  perpindahan panas  total  dari  alat  yang  digunakan,  dimana  pada  suatu  alat heat  exchanger tersebut koefisien ini dapat diperkirakan besarnya melalui perhitungan.

## Kata Kunci : Heat Exchanger, Shell, Tube, Fluida Panas

## 1. PENDAHULUAN
Dalam  kehidupan  sehari  –  hari  banyak  penomena  perpindahan  panas  dari  material  atau fluida  yang  mempunyai  temperatur  lebih  tinggi  ke  material  atau  fluida  yang  mempunyai temperatur  lebih  rendah.  Dalam  dunia  industri  penomena  perpindahan  panas  tersebut dimanfaatkan  untuk  keperluan  proses  dengan  menggunakan  suatu  alat  yang  biasa  disebut  alat penukar panas atau heat exchanger . Dalam aplikasinya alat penukar panas ini digunakan untuk menaikan  atau  menurunkan  temperatur  fluida  dan  juga  dipergunakan  untuk  mengubah  suatu fasa  fluida.Objek  penelitian  disini  adalah  heat  exchanger  yang  baru  saja  diproduksi  oleh  PT. Prakarsa Langgeng Maju Bersama dengan jenis shell and tube dengan tipe BEM (Bonnet – One pass shell – fixed tube sheet yang ) yang diharapkan bisa memiliki keefektifan sebesar 70% atau lebih, alat penukar panas ini dipergunakan untuk  suatu proses kondensasi dari uap  – uap  yang dihasilkan  oleh  suatu  reaktor  dalam  industri  perekat.  Alat  penukar  panas  ini  belum  diketahui apakah sudah memiliki  daya  guna (performance) yang diinginkan atau tidak.Untuk kebutuhan di  atas  tersebut  perlu  dilakukan  suatu  analisis  tentang  keefektifan  suatu  alat  penukar  panas (effektivness  pada  heat  exchanger) untuk  mengetahui  daya  guna (  performance  ) alat  penukar panas tersebut. Dalam melakukan penelitian ini perlu menggunakan sebuah perhitungan dengan menggunakan metode effektifnes number of trnsfer unit ( ε – NTU ) sehingga dapat mengetahui daya-guna (  performance  ) heat  exchanger tersebut  dan  mengetahui  apakah heat  exchanger tersebut dapat bekerja dengan baik atau sebaliknya.

## 2. LANDASAN TEORI

## Aliran Fluida.
Menurut  hukum  newton  Sebuah  aliran  fluida  jika  di  lihat  dari  pergerakannya  dapat dibedakan menjadi tiga aliran. Yaitu aliran laminar, turbulen dan transisi. Aliran laminar adalah sebuah aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan atau lamina - lamina dengan satu  lapisan  meluncur  secara  lancar.  Dalam  aliran  laminar  ini  viskositas  berfungsi  untuk meredam  kecendrungan  terjadinya  gerakan  relatif    antara  lapisan.  Sedangkan  aliran  turbulen adalah    aliran  dimana  pergerakan  dari  partkel  –  partikel  fluida  sangat  tidak  menentu  karena mengalami  percampuran  serta  putaran  partikel  antara  lapisan  yang  mengakibatkan  saling  tukar momentum  dari  satu  bagian  fluida  ke  bagian  fluida  yang  lain  dalam  sekala  yang  besar.  Dalam keadaan  aliran  turbulen  maka  turbulensi  yang  terjadi  membangkitkan  tegangan  geser  yang merata  diseluruh  fluida  sehingga  menghasilkan  kerugian  –  kerugian  aliran.  Sedangkan  aliran transisi  merupakan  aliran  peralihan  dari  aliran  laminar  ke  aliran  turbulen.  Untuk  mengetahui aliran itu lamninar, turbulen atau transisi dapat diketahui dengan menghitung seberapa besarnya bilangan reynold dari aliran – aliran tersebut dengan menggunakan rumus:

## Re = ρ VD  / µ
Dimana: V =  kecepatan  (rata-rata) fluida yang mengalir (m/s) D =  diameter dalam pipa (m) ρ  = masa jenis fluida (kg/m 3 ) µ  = viskositas dinamik fluida (kg/m.s) atau (N. det/ m 2 )
Dilihat dari kecepatan alirannya, aliran laminar mempunyai bilangan reynold kurang dari 2300,  aliran  turbulen  mempunya  bilangan  reynold  lebih  dari  4000  sedangkan  bilangan  transisi jika memiliki bilangan reynold antara 2300 dan 4000, bias juga disebut bilangan reynold kritis. Seperti telah diketahui sebelumnya bahwa ada dua macam aliran fluida yang mengalir di dalam alat  penukar  panas,  yaitu  aliran  fluida  yang  mengalir  melalui  pipa (  tube  side  ) dimana  fluida tersebut mengalir di dalam pipa dan aliran fluida yang mengalir di dalam cangkang ( shell side ) . Aliran fluida dalam pipa akan mengalami tiga hal, yaitu:
1. Kontraksi atau penyempitan aliran, yaitu pada saat fluida hendak masuk ke dalam pipa.
2. Ekspansi atau penyebaran, yang dialami saat fluida ke luar dari pipa.
3. Pembelokan arah aliran, di mana terjadi perubahan pass ( dari pass ke pass yang lain ) . Aliran fluida yang berada dalam cangkang ( shell ) , yaitu:
1. Aliran aksial, aliran yang sejajar dengan tube bundle.
2. Aliran melintang ( cross flow ) , yang menyebrangi tube bundle.

## Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan
Koefisien  perpindahan  panas  keseluruhan (  heat  exchanger  ) merupakan  suatu perbandingan yang tetap, yang apabila dikalikan dengan luas permukaan perpindahan panas dan rata – rata perbedaan suhu di antara dua fluida, akan menghasilkan laju perpindahan panas.
t o = suhu refrigerant                      t os x aliran air                                                    t is t i = suhu air
logam Ganbar 1. Perpindahan panas antara refrigerant dan air melalui sebuah pipa (ref:2)
Apabila panas  menembus  pipa seperti  gambar di  atas  yaitu  antara refrigeran di  sisi  luar dan air di sisi dalam, maka kondisi mantap ( steady state ) laju perpindahan panas q (dalam watt ) dari refrigeran ke permukaan pipa, dari permukaan luar pipa kepermukaan dalam pipa, dan dari permukaan dalam pipa ke air, sama besarnya. Rumusan untuk q dalam masing  – masing proses perpindahan panas tersebut adalah.
q = h o A o ( t o - t os ) q = m ( t os – t is ) q = h i A i ( t is – t i )
Untuk  menyatakan  koefisien  perpindahan  panas  keseluruhan,  maka  luas  bidang  tempat koefisien  tersebut  didasarkan  harus  diketahui.  Dua  rumusan  yang  bisa  digunakan  untuk menghitung koefisien perpindahan panas total adalah :
q = U o A o ( t o – t i ) q = U i A i ( t o – t o )
Besarnya  nilai  koefisien  perpindahan  panas  keseluruhan  berdasarkan  jenis  alat  penukar panas  dan  fluida  di  dalam  maupun  di  luar  pipa,  selain  dengan  menggunakan  perhitungan  – perhitungan  di  atas  bisa  juga  dengan  menggunakan  tabel  tipikal  keofisien  perpindahan  panas keseluruhan di bawah ini.
Tabel 1. Tipikal koefisien perpindahan panas keseluruhan (ref:8) Penukar panas menggunakan shell dan tube Fluida panas Fluida dingin U ( W/m 2 o C ) Heat exchanger Water Organic solvents Light oils Heavy oils Gases Water Organic solvents Light oils Heavy oils Gases 800 – 1500 100 – 300 100 – 400 50 – 300 10 – 50

## Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat di definisikan sebagai suatu perpindahan energi dari suatu  temapat ke tempat lain sebagai akibat dari beda temperatur antara tempat - tempat tersebut. Dalam hal ini
berpindahnya  energi  panas  dari  suatu  tempat  ke  tempat  yang  lain  dapat  diramalkan  laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu.

## Vikositas
Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.

## Vikositas Dinamik
Viskositas  dinamik  adalah  perbandingan  tegangan  geser  dengan  laju  perubahannya, besarnya nilai viskositas dinamik tergantung dari faktor- faktor diatas tersebut, untuk viskositas dinamik air pada temperatur standar lingkungan (27 0 C) adalah 8.6 x 10 -4 kg/m.s.

## Vikositas Kinematik
Viskositas kinematik merupakan perbandingan viskositas dinamik terhadap kerapatan ( density ) massa jenis dari fluida tersebut.
Dimana: µ = Viskositas dinamik. ρ = Kerapatan massa jenis fluida.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Metode  yang  dilakukan  di  penelitian  ini  adalah  metode  perhitungan  dimana  hasilnya nanti akan menggambarkan performa dari heat exchanger yang menggunakan fluida air panas
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
 Menghitung Temperature Fluida Panas Keluar.
m h .Cp h (T hi – T ho ) = m c .Cp c (T co -- T ci )
4,8  x 2,116 (130 – T ho ) = 16,8 x 2,326 (70 – 20)  = 62 o C
 Menghitung LMTD.
LMTD      = ( ) ( ) (       ) (       ) = (      ) (     ) (      ) (     ) = 51,4 0 c
 Menghitung beda suhu tanpa dimensi P.
P = ( ) ( ) P = (       ) (        ) = 0,45
 Parameter kurva Z.
Z = …. Z = = 1,36
 Menghitung beda suhu rata-rata.
= o C
 Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida dingin per jam (C c ).
-C h ( T hk -T hm ) = C c ( T ck -T cm ) = 13,813 KW/ 0 c   = 13,813 kw/ o C
 f.  Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida panas per jam(C h) .
C h = (m c. Cp c ) . = (16,8 x 2326) = 28,525 KW/ 0 C
 Konduktansi keseluruhan.
UA = ( ) = (        ) = 51,7 KW/ 0 C
 Keefektifan penukar panas.
[  ( ⁄ )] ( ⁄ ) = 67%
 Menghitung Temperature Fluida Panas Keluar.
m h .Cp h (T hi – T ho ) = m c .Cp c (T co -- T ci ) 4,8  x 2,116 (130 – T ho ) = 17x2,326(70–20)=64 o C  Menghitung LMTD.
LMTD      = ( ) ( ) (       ) (       ) = (      ) (     ) (      ) (     ) = 53,3 o c
 Menghitung beda suhu tanpa dimensi P. o P = ( ) ( ) P = (       ) (        ) = 0,45
 Parameter kurva Z
 Z = Z = = 1,3
 Menghitung beda suhu rata-rata.
o C
 Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida dingin per jam (C c ). -C h ( T hk -T hm ) = C c ( T ck -T cm ) = (4,8 x 2116) = 13,406 kw/ o C
 Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida panas per jam(C h) .
 C h = (m c. Cp c ) . = (17 x 2326) = 29,656 kw/ o C
 Konduktansi keseluruhan.
 UA = ( ) = (        ) = 48,3 kw/ o C
 Keefektifan penukar panas.
[  ( ⁄ )]
( ⁄ )
o [  ( ⁄ )]
( ⁄ ) = %
 Menghitung Temperature Fluida Panas Keluar. m h .Cp h (T hi – T ho ) = m c .Cp c (T co -- T ci ) =4,8  x 2,116 (130 – T ho ) =17,2 x 2,326 (70–20)=67 o C  Menghitung LMTD.
LMTD      = ( ) ( ) (       ) (       ) = (      ) (     ) (      ) (     ) = 54,2 o C
 Menghitung beda suhu tanpa dimensi P.
P = ( ) ( ) ,P = (       ) (        ) = 50 =
 Parameter kurva Z.
 Z = Z = =1,26
 Menghitung beda suhu rata-rata.
= 42,8 o c
 Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida dingin per jam (C c ). -C h ( T hk -T hm ) = C c ( T ck -T cm ) = (4,8 x 2116) = 12,797 kw/ o C
 Menghitung laju aliran kapasitas panas fluida panas per jam(C h) . C h = (m c. Cp c ) . = (17,2 x 2326) = 31,605 kw/ o C
 Konduktansi keseluruhan.
UA = ( ) = (        ) = 46,5 kw/ o C
 Keefektifan penukar panas.
[  ( ⁄ )]
( ⁄ )
[  ( ⁄ )]
( ⁄ ) %
Keefektifan yang didapat dari data-data di atas dengan laju aliran massa fluida panas (m h ) 4,8  kg/s  dan  dan  laju  aliran  massa  fluida  dingin  (m c )  sebesar  17,2  kg/s  adalah  sebesar  70%. Artinya perhitungan ini bisa digunakan pada suatu alat penukar panas ini.
Setelah  melakukan  perhitungan  seperti  yang  telah  dilakukan  di  atas,  maka performance heat  exchanger dengan  menggunakan  perbandingan  laju  aliran  massa  fluida  dingin  (m c )  dapat diketahui dengan tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2. Data hasil perhitungan
perhit ungan m c kg/s m h kg/s T ho o C LMT D o C P Z F T o C C c w/ o C C h W/ o C UA w/ o C % I 16, 8 4,8 62 51,4 0,4
5 1,3 6 0,7 3 37, 5 13,81 3 28,52 5 51, 7 67 II 17 4,8 64 53,3 0,4 5 1,3 0,7 6 40, 5 13,40 6 29,65 6 48, 3 68 III 17, 2 4,8 67 54,2 0,4
5 1,2 6 0,7 9 42, 8 12,79 7 31,60 5 46, 5 70
Jika  kita  melihat  dari  tabel  data  hasil  perhitungan  di  atas,  daya  guna  suatu  alat  penukar panas (performance  heat  exchanger) dapat  ditingkatkan  dengan  menggunakan  perubahan  laju aliran  massa  fluida  dinginnya  (m c ),  karena  setiap  fluida  dingin  yang  mengalir  ke  dalam  alat penukar  panas  akan  membawa  panas  yang  dialirkan  melalui  dinding-dinding  pipa  suatu  alat penukar  panas  tersebut (konduktansi) ,  selain  itu  kecepatan  fluida  dingin  yang  mengalir  akan semakin mempermudah panas meresap kedalam fluida dingin (konveksi) . Maka dari itu, semakin besar  laju  aliran  massa  fluida  dingin  yang  dialirkan  pada  suatu  alat  penukar  panas  maka  akan semakin besar keefektifan yang akan dihasilkan oleh alat penukar panas tersebut.

## 5.1.KESIMPULAN
1. Panjang  pipa  yang  digunakan  untuk  alat  penukar  panas  di  atas  adalah  sepanjang  3000  mm dan panjang cangkang yang digunakannya adalah sepanjang 2959 mm.
2. Mekanisme  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada  suatu  alat  penukar  panas  tersebut  yaitu dengan perpindahan panas konveksi dan perpindahan panas konduksi.
3. Semakin besar laju aliran massa fluida dingin (m c ) yang digunakan pada suatu alat penukar panas  maka  akan  semakin  efektif  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada  alat  penukar  panas tersebut.
4. Untuk  mendapatkan  kefektifan  suatu  alat  penukar  panas  sebesar  70%  dengan  laju  aliran massa fluida panas (m h ) sebesar 4,8 kg/s dapat digunakan laju aliran massa fluida dingin (m c ) sebesar 17,2 kg/s atau lebih.

## 5.2.SARAN
1. Selain dengan meningkatkan laju aliran fluida dingin (m c ), untuk menambah daya guna suatu alat  penukar  panas  bisa  juga  dengan  menambah  jumlah  pipa  pada  suatu  alat  penukar  panas tersebut.
2. Faktor  pengotoran  harus  di  minimalisasi  untuk  menjaga  kesetabilan  daya  guna  suatu  alat penukar panas tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
1. An internasional code 2010 asme boiler sect II A dan preasure vessel code.
2. Holman, Jack P, ( Terj. Jasjfi, E ). 1993 “Perpindahan panas , Cetakan 3” ,  Jakarta, Erlangga.
3. http://changerheat.blogspot.com/
4. http://priyantoreza.blogspot.com/
5. Megyesy, Eugene F. 1995 “Pressure Vessel Handbook, Tenth Edition”, Tusal, Pressure Vessel.
6. Munson, Bruce R, Young, Donald  F, Okiishi,  Theodore H. 2006 “ Mekanika Fulida, Edisi Keempat”, Jakarta, Erlangga.
7. Reynolds,  William  C,  Perkins,  Hanry  C,  (  Terj.  Harahap,  Filino  ).  1996  “  Termodinamika Teknik, Edisi Kedua ”, Jakarta, Erlangga
8. Sitompul,  Tunggal  M.  1993  “  Alat  Penukar  Kalor  ( Heat  Exchanger  ) ”  Jakarta,  Rajawali Pres.
9. Soeryatmo, F. 1975 “ Dasar – Dasar Pengetahuan Ir Conditioning ( AC ) ”, Bandung, Prakarya.
10. Streeer, Victor L, Wylie, E Benyamin ( Terj. Prijono, Arko ). 1988 “ Mekanika Fluida, Edisi Delapan, Jilid 1 ”, Jakarta, Erlangga.