Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
ISSN  0216-7492

## ANALISA PENUKAR KALOR AFTERCOOLER TYPE SHELL AND TUBE DENGAN METODE DELAWARE DAN WILL JOHNSTON
Akhmad Afandiyanto1, Mulfi Hazwi 2 , Andianto Pintoro 3 , Pramio G. Sembiring 4 1,2,3,4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: achamadafandiyanto@yahoo.com

## ABSTRAK
Fenomena  perpindahan  panas  dari  material  atau  fluida  yang  mempunyai  temperatur  tinggi  ke material  atau  fluida  yang  mempunyai  temperatur  rendah.Dalam  dunia  industri  fenomena perpindahan  panas  tersebut  dimanfaatkan  untuk  keperluan  proses  dengan  menggunakan  suatu alat  yang  biasa  disebut  sebagai  penukar  panas  atau heat  exchanger .  tujuan  dari  penelitian  ini adalah  untuk  memperoleh desain heat  exchanger yang  paling  optimal.  Penelitian  dilakukan  di PT. ANEKA GAS INDUSTRI. Penggunaan metode Delaware dan metode Wills and Johnstone dalam  perhitungan  perpindahaan  panas  untuk  membandingkan  hasil  perhitungan  dua  metode tersebut sehingga diperoleh metode yang paling baik dalam perhitugan perpindahan panas untuk fluida  di  dalam shell  and  tube .  Dari  hasil  analisa  didapat  Koefisien  perpindahan  panas  total dengan metode Delaware K m W . 2 12 , 709 lebih besar 79,6 % dibandingkan koefisien perpindahan panas  total  yang  dibutuhkan U used 394,8 K m W . 2 sedangkan  koefisien  perpindahan  panas  total dengan  metode  Wills  and  Johnston K m W . 2 36 , 679 lebih  besar    72  %  di  bandingkan  koefisien U used yang  dibutuhkan.  Dari  hasil  perhitungan  koefisien  perpindahan  panas  dan  penurunan tekanan  ke  dua  metode  tersebut  dianggap  sesuai  untuk  analisis  perpindahan  panas  pada heat exchanger tipe shell and tube .
Kata kunci : Heat exchanger, after cooler, koefisien.

## 1. PENDAHULUAN
Fenomena  perpindahan  panas  dari  material  atau  fluida  yang  mempunyai temperatur  tinggi  ke  material  atau  fluida  yang  mempunyai  temperature  rendah.  Dalam dunia  industri  fenomena  perpindahan  panas  tersebut  dimanfaatkan  untuk  keperluan proses dengan menggunakan  suatu  alat yang biasa disebut sebagai  penukar panas  atau heat exchanger .
Analisa  ini  akan  menggunakan  dua  metode  perhitungan  perpindahan  panas untuk heat exchanger tipe shell and tube , yaitu metode Bell Delaware dan metode Wills and  Johnston.  Metode-metode  tersebut  digunakan  untuk  menganalisis  perpindahan panas dan aliran fluida di dalam shell .
Analisa  ini  difokuskan  pada  analisa heat  exchanger di  suatu  perusahaan  yang digunakan  sebagai aftercooler kompresor  atau  pendingin  udara  hasil  kompresi  yang akan didistribusikan ke alat-alat dan instrumen lain pada perusahaan tersebut. Saat ini, heat  exchanger yang  digunakan  menunujukkan  kinerja  yang  kurang  memuaskan, dimana terjadi laju pengotoran atau fouling yang tinggi, serta temperature udara keluar heat exchanger lebih tinggi dari yang diharapkan.
Analisa heat  exchanger ini,  fluida  pendingin  yang  digunakan  adalah  air.  Air tersebut  dialirkan  di  dalam shell ,  sedangkan  udara  dari  kompresor  dialirkan  di  dalam susunan pipa-pipa atau tube.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA Pengertian Heat Exchanger
Heat  exchanger atau  dalam  bahasa  Indonesia  disebut  sebagai  penukar  panas merupakan  alat  yang  digunakan  untuk  menghasilkan  proses  pepindahan  panas  antara dua fluida yang memiliki beda temperatur. Panas berpindah dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih  dingin. Jenis  penukar panas yang paling sederhana  adalah sebuah wadah  dimana  fluida  yang  panas  dan  fluida  yang  dingin  dicampur  secara  langsung. Dalam  sistem  demikian  kedua  fluida  akan  mencapai  temperatur  akhir  yang  sama,  dan jumlah  panas  yang  berpindah  dapat  diperkirakan  dengan  mempersamakan  energi  yang dilepas oleh fluida yang lebih panas dengan energi yang diterima oleh fluida yang lebih dingin.  Jenis heat  exchanger yang  lebih  umum  dipakai  adalah heat  exchanger dimana satu  fluida  terpisah  dari  fluida  lainnya  oleh  satu  dinding  atau  sekat  yang  dilalui  oleh panas. Seperti terlihat pada gambar 1 Heat exchanger jenis ini disebut rekuperator[1].
Gambar 1 heat exchanger after cooler
Saat  ini, heat  exchanger yang  digunakan  menunujukkan  kinerja  yang  kurang memuaskan, dimana terjadi laju pengotoran atau fouling yang tinggi, serta temperature udara keluar heat exchanger lebih tinggi dari yang diharapkan.

## Klasifikasi heat exchanger
Heat  exchanger diklasifiksikan  menjadi  beberapa  kelompok  pengelompokan penukar panas didasarkan pada beberapa kriteria, yaitu :
1. Recuperation atau regeneration
Pada  rekuperator  yang  ditunjukkan  oleh  gambar  2  proses  perpindahan  panas terjadi  diantara  dua  fluida  yang  mengalir.  Proses  perpindahan  panas  terjadi  secara kontinyu,  baik  melalui  dinding  yang  memisahkan  aliran  maupun  melalui  permukaan diantara aliran (kontak langsung)[1].
Gambar 2 recuperator.[1]
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018

## 2. Perpindahan panas kontak langsung atau transmural
Pada  gambar  3 heat  exchanger tipe  kontak  langsung  tidak  terdapat  dinding pemisah  antara  aliran  fluida  dingin  dan  aliran  fluida  panas  sehingga  terjadi  kontak langsung  antara  dua  fluida  tersebut  dan  membentuk  suatu  permukaan  perpindahan panas[1].
Gambar 3 transmural.[1]
3. Satu fase atau dua fase
Evaporasi  atau  kondensasi  yang  terjadi  pada  salah  satu  maupun  kedua  aliran pada heat  exchanger dua  fase  merupakan  hal  yang  kompleks  apabila  dibandingkan dengan heat exchanger satu fase yang di perlihat kan pada gambar 4[1].
Gambar 4 single phase.[1]
4. Geometri
Pada gambar 5 ukuran dan bentuk heat  exchanger sangat  bervariasi  tergantung dari kebutuhan dan fungsinya[1].

## Gambar 5 gemetri.[1]

## Kebaikan-kebaikan Heat Exchanger Tipe Shell and Tube
Walaupun  dewasa  ini  sangat  banyak  jenis  heat  exchanger  yang  dikembangkan pada  industri-industri,  namun heat  exchanger jenis  shell  and  tube ini  masih  jauh  lebih banyak digunakan dibanding dengan jenis lainnya. Hal ini adalah diakibatkan beberapa keuntungan yang diperoleh, antara lain adalah :
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
ISSN  0216-7492
➢ Mempunyai lay-out mekanik yang   baik,  bentuknya  cukup  baik  untuk  operasi bertekanan.
➢ Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-established)
➢ Mudah membersihkannya.
➢ Prosedur perencanaannya sudah mapan.
➢ Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
➢ Konstruksinya  dapat  dipisah-pisah  satu  sama  lain,  tidak  merupakan  satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang.[2]

## Prinsip kerja heat exchanger shell and tube
Prinsip kerja heat exchanger tipe shell and tube adalah perpindahan panas yang terjadi  antara  permukaan  material  baik  padat  maupun  cair  dengan  aliran  fluida  yang bergerak  di  sekitarnya  akibat  adanya  perbedaan  temperature  perpindahan  panas konveksi ini dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan aliran fluidanya
1. konveksi alamiah
perpidahan panas yang terjadi tanpa adanya bantuan dari luar
2. konveksi paksa
perpindahan panas yang terjadi karena aliran fluida yang mengalir di timbulkan factor dari luar, misalnya dari kipas atau pompa
proses perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang paling kompleks karena banyak sekali variabel – variabelnya [2]

## 3. METODE ANALISA Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)
Kasus heat  exchanger aliran  berlawanan  murni  gambar  6  adalah  Panas berpindah  dari  suatu  fluida  panas  pada  temperatur  T h menuju  fluida  dingin  pada temperatur T c , dimana fluida yang satu mengalir dalam arah yang berlawanan terhadap fluida lainnya[2]
Gambar 6 Heat Exchanger Aliran        Berlawanan Murni.[3]
Pada  kasus heat  exchanger aliran  berlawanan  murni,  perbedaan  temperatur  rata-rata disebut sebagai logarithmic mean temperatur difference ΔT LM yang dinyatakan sebagai. ( ) ( )   ( ) ( )   in c out h out c in h in c out h out c in h LM M T T T T T T T T T T , , , , , , , , / ln − − − − − =  =  [3]
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018

## Metode Bell Dellaware
Bell-Delaware  menemukan  metode  perhitungan  perpindahan  panas  dan penurunan  tekanan  untuk  aliran  fluida  di  dalam shell dengan  menggunakan  beberapa faktor koreksi. Faktor-faktor tersebut meliputi :
1. Kebocoran  yang  melalui  celah  anatar tube dan baffle serta  celah  antara baffle and shell
2. Aliran yang melalui celah antar tube bundle dan shell
3. Efek dari konfigurasi baffle
4. Efek kerugian gradient temperatur dalam perpindahan panas pada aliaran laminar.
Dengan Koefisien perpindahan panas di sisi shell ( 0  ) yang dinyatakan sebagai
0  = c  . J C . J L . J B [3]
Dimana : J L = faktor koreksi karena adanya celah antara shell Jc = Faktor koreksi untuk konfigurasi baffle J B = faktor koreksi akibat aliran bypass
c  = koefisien perpindahan panas aliran menyilang.[3]

## Metode Will johnstone
Gambar 7 menunjukkan fluida mengalir dari A ke B dengan berbagai rute yang masing-masing ditandai dengan subscript. Kebocoran-kebocoran terjadi antara tube dan baffle  (t), antara baffle dan shell  (s), bagian  aliran  menyilang  yang  melewati tube  (c), serta  bagian  aliran bypass di  luar bundle  (b). Aliran  menyilang  dan bypass bersatu membentuk aliran yang melalui celah di luar baffle-cut (w). [3]
Gambar 7 Aliran-aliran Berdasarkan Metode Wills and Johstone.[4]
Perhitungan koefisien perpindahan panas pada metode ini adalah sebagai berikut
( ) 34 , 0 0 0 Pr Re m u a D D N    = = [4]
dimana a =  0,273  dan m =  0,635  untuk  susunan staggered  tube  banks dan  bilangan Reynolds 3 x 10 2 < Re ≤ 2 x 10 5
Koefisien  perpindahan  panas  total (U) yang  merupakan  jumlah  dari  seluruh koefisien  perpindahan  panas  pada  metode  bell  Delaware  will  johnstone  dapat  dihitung dari persamaan
      +       + + + = i o i i o i w o o A A h A A r r r h U 1 1
1 [4]
dimana h o dan h i adalah  koefisien  perpindahan  panas  untuk  kedua  metode, r o dan r i , adalah  tahanan  termal  akibat  pengotoran  aliran  fluida,  serta r w adalah  tahanan  termal dinding tube. A o dan A i adalah luas permukaan luar dan dalam tube .
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
Persamaan  dasar  yang  digunakan  untuk  menghitung  laju  perpindahan  panas dalam heat exchanger adalah : Q = U . A . ΔT [5] Dimana Q = laju perpindahan panas total ΔT = perbedaan temperatur
A = luas permukaan perpindahan panas
U  =  koefisien  perpindahan  panas  total.  Luas  permukaan  perpindahan  panas  diperoleh dari :
A = n.(π.D.L)   [5]
Dimana N = jumlah tube L = panjang tube
Karena  luas  perpindahan  panas  yang  dipilih  sebagai  referensi  adalah  luas permukaan luar tube, maka diameter D yang digunakan adalah diameter luar tube.
Berdasarkan  hukum  keseimbangan  energi,  panas  yang  dilepaskan  oleh  fluida panas harus sama dengan panas yang diterima fluida dingin sehingga laju perpindahan panas total yang terjadi adalah :
) ( ) ( , , , , in c out c pc c out h in h ph h T T C M T T C M Q − = − =
[6]
subscript h dan c masing-masing  mempresentasikan  fluida  panas  dan  fluida  dingin. M h dan M c adalah laju aliran massa masing-masing fluida, T h,in dan T c,in adalah temperatur masuk  masing-masing  fluida.  T h,out dan  T c,out adalah  temperatur  keluar  masing-masing fluida, serta c ph dan c pc adalah kapasitas panas spesifik masing-masing fluida.[6]

## 4. HASIL ANALISA
Gambar  dibawah  memperlihatkan  diagram  proses  pada aftercooler kompresor. Sebagai input data dalam analisa heat exchanger, data-data yang diketahui adalah
1. Fluida pada sisi tube : Udara bertekanan
i. Komposisi udara masuk
m u = 8900 m 3 /h
ii. Temperatur udara masuk, Tu ,i = 85 0 C iii. Temperatur udara keluar, Tu ,o = 37 0 C iv. Tekanan udara masuk, p 1 = 2,6 MPa = 26 bar
2. Fluida pada sisi shell : Air
i. Temperatur air masuk, T a,i = 28 0 C ii. Tekanan air masuk, p w = 0,30 MPa = 3 bar iii. Temperatur air keluar, T a,o = 40 ˚C
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
Parameter  analisa  ini  berdasarkan survey yang  dilakukan  di  PT.  Aneka  Gas Industri Region I Sumatera Utara
a. Komposisi udara masuk 1. Laju aliran udara kering : 8900 m 3 /h 2. Temperatur udara masuk : 85 0 C 3. Temperatur udara keluar : 37 0 C 4. Tekanan masuk : 2,6 MPa = 26  bar b. Komposisi air masuk 1. Tekanan air masuk : 0,30 Mpa = 3 bar 2. Temperatur air masuk : 28 0 C 3. Temperatur air keluar : 40 0 C 4. Laju massa aliran air m a : 9,76 kg/s
Sifat-sifat udara didapat dari tabel heat transfer dengan data-data sebagai berikut :
P = 26 bar = 2600 kPa R = 0,287 K kg m kPa   3
T = 85 0 C = 358 K 3 3 31 , 25 358 287 , 0 2600 m kg K kg m kPa kPa RT P =   = =   Maka laju aliran massa udara : s kg hr kg hr m m kg u v m 5 , 62 225259 8900 31 , 25 3 3 = =  =  = 

## Analisis Kesetimbangan Energi
1. Laju perpindahan panas aktual yang terjadi di dalam heat exchanger pada sisi tube adalah :
) .( . , , . . out h in h h h T T Cp m Q − = Panas spesifik udara kering diperoleh dari temperatur rata-rata udara : K C C T T T out u in u  = = + = + = 334 61 2 37 85 2 0 0 , ,
Sehingga  panas  spesifik  udara (Cp h ) =  1,007 K kg kJ . Jadi,  laju  perpindahan  panas yang terjadi adalah :
kW K T T Cp m Q K kg kJ s kg out h in h h h 3021 ) 310 358 .( 007 , 1 . 5 , 62 ) .( . . , , . . = − = − = 2. Laju  perpindahan  panas  maksimal  rata-rata  yang  terjadi  di  dalam heat  exchanger adalah :
c c c h h T Cp m T Cp m Q  =  = . . . .
Panas spesifik (Cp h ) udara pada temperatur rata-rata :
K kg kJ h out u in u Cp K C C T T T . 0 0 , , 007 , 1 334 61 2 37 85 2 = = = + = + = Panas spesifik air (Cp c ) = 4,18 K kg kJ .
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
Maka :
K kW K kg kJ s kg c c c K kW K kg kJ s kg h h h Cp m C Cp m C 7 , 40 18 , 4 . 76 , 9 . 42 , 61 007 , 1 . 61 . . . . . = = = = = = Oleh karena itu C min = C h = 61,42 K kW Jadi laju perpindahan panas maksimum rata-rata adalah kW K T T C Q K kW in c in h 9 , 3500 ) 301 358 .( 42 , 61 ) .( , , min max . = − = − = Efektivitas heat exchanger :
86 , 0 9 , 3500 3021 max = = = kW kW Q Q 

## Koefisien Perpindahan Panas Total Hasil analisa
1. Koefisien Perpindahan Panas Total Yang Dibutuhkan Pengaruh tebal dinding pipa ( tube ) :
3 3 3 10 8 , 1 10 9 , 10 10 7 , 12 − − −  =  −  = − = i o D D pipa dinding tebal K m W K m W K m W o i U U pipa dinding tebal pengaruh h h U . 3 . . 2 2 2 80 , 394 ) 10 8 , 1 ( 6 , 3919 1 7 , 2092 1 1 1 1 1 =  + + = + + = − 2. Berdasarkan hasil perhitungan metodedellaware K m W K m W W K m W K m W K m K m W i o i i o i w o o U m m m m U D D h D D r r r h U . . 5 . 2 2 2 2 2 2 12 , 709 0109 , 0 0127 , 0 7 , 2092 1 0109 , 0 0127 , 0 0004 , 0 10 43 , 4 0002 , 0 1 , 11324 1 1 1 1 1 =       +       +  + + =       +       + + + = − 3. Berdasarkan hasil perhitungan metode Wills and Johnston K m W K m W W K m W K m W K m K m W i o i i o i w o o U m m m m U D D h D D r r r h U . . 5 . 2 2 2 2 2 2 36 , 679 0109 , 0 0127 , 0 7 , 2092 1 0109 , 0 0127 , 0 0004 , 0 10 43 , 4 0002 , 0 1 , 6978 1 1 1 1 1 =       +       +  + + =       +       + + + = −

## Dimana
1. Fouling resistance pada sisi tube Fluida di dalam tube adalah udara bertekanan sehingga : r i = 0,0004 W K m 2 [7]
2. Fouling resistance pada sisi shell
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018
Fluida di dalam shell adalah air sumur sehingga :
r o = 0,0002 W K m 2 [7]
Gambar 13 Kolom perbandingan koefisien perndahan panas total yang terjadi
Dari  kolom  perbandingan  diatas  telah  dihitung  sebelumnya  bahwa  koefisien perpindahan  panas  total  yang  dibutuhkan  adalah U used =  394,8 K m W . 2 .  Koefisien perpindahan  panas  total  dengan  metode  Delaware  lebih  besar  79,6  %  dinbandingkan U used , sedangkan koefisien perpindahan panas total  dengan metode Wills  and Johnston lebih  besar  72  %  dibandingkan U used .  Dengan  demikian,  koefisien  perpindahan  panas total yang terjadi sudah sesuai dengan kebutuhan.

## 5. KESIMPULAN
1. Hasil perhitungan koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan fluida di dalam shell antara metode Delaware dan metode Wills and Johnston mempunyai perbedaan  yang  kecil  sehingga  ke  dua  metode  tersebut  dianggap  sesuai  untuk analisis perpindahan panas pada heat exchanger tipe shell and tube . 2. Koefisien  perpindahan  panas  total  dengan  metode  Delaware
K m W . 2 12 , 709 lebih besar 79,6 % dibandingkan U used 394,8 K m W . 2 sedangkan koefisien perpindahan panas total dengan metode Wills and Johnston K m W . 2 36 , 679 lebih besar  72 % di bandingkan U used .

## 6. SARAN
1. Analisa  heat  exchanger  yang  telah  dilakukan  tidak  mencakup  bagian-bagian yang sangat detail sehingga diperlukan analisa pada komponen-komponen yang lebih detail dan analisis yang lebih mendalam agar diperoleh hasil analisis yang siap difabrikasi dan mempunyai kinerja yang sangat baik.
2. Perlu  adanya  rumusan  yang  tepat  dalam  penentuan  jumlah tube pada heat exchanger, karena dalam perhitungan sebelumnya tube dihitung secara manual.
Jurnal Dinamis, Volume.6, No.1 Maret 2018

## 7. DAFTAR PUSTAKA
[1] Richard  C.byrne  (1988). Tubular  Exchanger  Manufacture  Assoaciation (TEMA) 8 th edition. New York.
[2] E U Schlunder ( 2000 ). Heat Exchanger Design Handbook . Marcel Dekker. New York.
[3] Cengel,  Y.  A.  (  1997  ). Introductions                      to  Thermodynamics  and  Heat Transfer . New York. Mc. Graw Hill.
[4] Yildiz bayazitoglu. ( 1988 ). Element of Heat Transfer. New York. Mc. Graw Hill.
[5] Warren, M. Rohsenow. ( 1985 ). Hand Book of Heat transfer application 2 nd edition . New York. Mc. Graw Hill.
[6] Kakac, Sidic dan Hongtan Liu. (1997). Heat Exchanger, Selection, Rating dan Thermal Design . CRC Press. New York
[7] Kern, D. Q. (1983). Process Heat Transfer 2 nd . Tokyo . McGrow Hill Book Company Inc.