url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44

## Analisis Baffle Cut Pada Alat Penukar Kalor Shell and Tube Pada Susunan Tabung Segi Empat
Faisal Lubis 1* ,  Sudirman Lubis 2 * faisallubis@umsu.ac.id
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas TeknikUniversitas Muhammadiyah Sumatera Utara Jl. Kapten Muchtar Basri No.3 Medan, Sumatera Utara

## ABSTRAK
Aliran  fluida  dalam shell  and  tube  heat  exchanger adalah  paralel  atau  berlawanan.  Untuk  membuat aliran fluida dalam shell and tube heat exchanger menjadi cross flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Aliran cross  flow yang  didapat  dengan  menambahkan baffle akan  membuat  luas  kontak fluida dalam shell dengan dinding tube makin besar, sehingga perpindahan panas di antara kedua fluida meningkat.  Selain  untuk  mengarahkan  aliran  agar  menjadi cross  flow,baffle juga  berguna  untuk menjaga supaya tube tidak melengkung (berfungsi sebagai penyangga) dan mengurangi kemungkinan adanya  vibrasi  atau  getaran  oleh  aliran  fluida.  Penelitian  ini  dilakukan  untuk  menyelidiki  dan mengetahui pengaruh baffle cut terhadap perpindahan panas pada alat penukar kalos selongsong dan tabung 1-1  pass dengan  susunan  tabung  segi  empat.  Jenis baffle yang  digunakan  adalah  jenis baffle segmen tunggal dengan jarak baffle 40 mm. Pengujian dilakukan dengan 4 variasi baffle cut yaitu 11%, 25,6%,  38,88%,  dan  48,97%.  Dari  hasil  penelitian  diperoleh  koefisien  perpindahan  panas  yang dinyatakan  dengan  bilangan  Nusselt  (Nu)  yang  optimum  diperoleh  pada baffle  cut Nu  =  0,000829 (Re) 1,190241 (Bc/100) -0,09617 (untuk : 2100 < Re < 4000 dan Bc 11% sampai 48,97%).
Kata Kunci : Baffle Cut , Perpindahan Panas, Pada Alat Penukar Kalor

## PENDAHULUAN
Pada penelitian mengenai aliran dan proses perpindahan panas pada sisi selongsong, untuk memperkirakan koefisien perpindahan panas pada alat penukar kalor selongsong dan tabung telah  dipublikasikan    memperbaiki  ketepatan  perkiraan  dari  performa  dan  pengoptimalan perpindahan panas alat penukar kalor. Dalam suatu shell and tube heat exchanger , fluida yang satu mengalir dalam pipa kecil ( tube ) dan fluida yang lain mengalir melalui selongsong ( shell ). Perpindahan panas dapat terjadi di antara kedua fluida, dimana panas akan mengalir dari fluida bersuhu lebih tinggi ke fluida bersuhu lebih rendah[1][2].
Umumnya,  aliran  fluida  dalam shell  and  tube  heat  exchanger adalah  paralel  atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam shell and tube heat exchanger menjadi cross flow biasanya  ditambahkan  penyekat  atau baffle. Aliran cross  flow yang  didapat  dengan menambahkan baffle akan membuat luas kontak fluida dalam shell dengan dinding tube makin besar,  sehingga  perpindahan  panas  di  antara  kedua  fluida  meningkat.  Selain  untuk mengarahkan aliran agar menjadi cross flow,baffle juga berguna untuk menjaga supaya tube tidak  melengkung  (berfungsi  sebagai  penyangga)  dan  mengurangi  kemungkinan  adanya vibrasi atau getaran oleh aliran fluida[5]. Salah satu tipe dari alat penukar kalor yang banyak dipakai  adalah shell  and  tube  heat  exchanger. Alat  ini  terdiri  dari  sebuah shell silindris  di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam, dimana tempratur fluida didalam tube bundle berbeda dengan di luar tube (didalam shell ) sehingga terjadi perpindahan panas antara aliran fluida di  dalam tube dan di luar tube [6].
Perpindahan kalor secara radiasi yaitu perpindahan panas tanpa melalui media. Suatu energi dapat  dipindahkan  dari  satu  tempat  ketempat  lainnya  (dari  benda  panas  ke  benda  dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain. Radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda karena  suhunya  dinamakan  radiasi  termal  [9].  Pembahasan  thermodinamika  menunjukkan bahwa radiator (penyinar) ideal, atau benda hitam ( blackbody ), memancarkan energi dengan
url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44
laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding langsung dengan luas permukaan, jadi
𝑄𝑝𝑎𝑛𝑐𝑎𝑟𝑎𝑛 = 𝜎𝐴𝑇 4
(Pers. 1)
Dimana q ialah konstanta proporsional dan disebut konstanta stefan boltzman dengan nilai 5,669 𝑥10 −8 𝑊/ 𝑚 2 . 𝐾 4 .  Persamaan  diatas  disebut  hukum  stefan  boltzman  tentang  radiasi thermal, dan berlaku hanya untuk benda hitam [7,8,10].

## METODE PENELITIAN
Pada  penelitisn  ini  pengambilan  data  dimulai  dengan  memanaskan  air  didalam  tangki terlebih  dahulu  dengan  mengatur  tempratur  air  bertahap  sampai  pada  skala  80 o C.  Adapun tangki pemanas air yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.

## Gambar 1. Rangkaian bak pemanas air

## Kerangka Konsep Penelitian
Hasil yang diperoleh dalam suatu penelitian dipengaruhi oleh variable-variabel itu sendiri. Kerangka konsep penelitian dapat dijelaskan seperti gambar 1. kerangka konsep penelitian ini didasarkan  pada  identifikasi  permasalahan  yaitu  peningkatan  koefisien  perpindahan  APK selongsong dan tabung susunan segitiga yang di pengaruhi oleh baffle cut.
Gambar 2. Rangkaian bak pemanas air
url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Penyerapan Kalor Pada APK
Gabungan dari konduksi dan aliran massa menyebabkan terjadinya perpindahan panas antara  batas  benda  pada  fluida.  Dalam  aliran  turbulen  mekanisme  konduksi  diubah  serta dibantu  oleh  banyaknya  aliran  pusaran-pusaran  yang  membawa  gumpalan-gumpalan  fluida melintas  garis-garis  aliran.  Partikel-partikel  ini  berperan  sebagai  pembawa  energi  dan memindahkan energi  dengan  cara  percampuran  dengan  partikel-partikel  lain  fluida  tersebut. Gambar 3. menunjukan pengaruh dari pemotongan baffle, pada bilangan Reynold yang sama dan  jarak  pemasangan baffle yang  sam  tetapi  pada  pemotongan baffle yang  berbeda  akan memberikan  dampak  penyerapan  kalor  oleh  udara  berbeda  pula.  Hal  ini  disebabkan  karena terjadinya pola aliran udara pada bundle yang disebabkan pemotongan baffl .
Gambar 3. Grafik hubungan antara bilangan reynold dan penyerapan kalor didalam selongsong
Pada  gambar  3.  tersebut  terlihat  penyerapan  kalor  yang  optimum  terjadi  pada baffle  cut 25,6% yaitu sebesar 979,83. hal ini  menyatakan pemotongan yang ideal untuk pemotongan baffle diambil 25%. apabila pemotongan baffle diambil kurang dari 20% atau lebih dari 35%. Akan terjadinya kesalahan aliran yang akan menghasilkan penurunan penyerapan kalor

## Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Selongsong
Konduktifitas termal fluida dan laju aliran massa memegang peranan penting dalam perpindahan energi konveksi. Bilangan Nusselt merupakan gabungan antara konveksi, diameter tabung dan konduktivitas termal fluida. Dengan meningkatnya turbulensi didalam selongsong maka akan meningkatkan bilangan Nusselt. Hal ini yang menyatakan kenaikan rasio bilangan Nusselt seiring deng    an ketinggian baffle . Pada gambar  terlihat dengan meningkatnya pemotongan baffle akan menurunkan bilangan Nusslet didalam selongsong. Terlihat pada bilangan Reynold yang sama tetapi pada baffle cut yang besar akan
url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44
menghasilkan bilangan Nusselt yang cendrung menurun.
Gambar 4. Grafik hubungan antara bilangan Reynold dan bilangan

## Nusselt didalam selongsong
Pada  Gambar  4.  terlihat  pemotongan baffle yang  memberikan  bilangan  Nusselt  optimum terjadi pada baffle cut 25% sebesar 4,604.  hal ini se menyatakan pemotongan yang ideal untuk pemotongan baffle diambil 25%. apabila pemotongan baffle diambil kurang dari 20% dan lebih dari 35% dari diameter selongsong maka akan menurunkan penyerapan kalor.
Sedangkan gambar 5. menunjukan Grafik hubungan antara bilangan Nusselt dan koefisien perpindahan kalor konveksi didalam selongsong. Hal ini juga sesuai dengan pernyataan yang menyatakan bahwasanya perbandingan bilangan Nusselt dan meningkatkan ketinggian baffle.

## Gambar 5. Grafik hubungan antara bilangan Nusselt dan koefisien perpindahan panas
konveksi didalam selongsong
Koefisien perpindahan kalor konveksi berbanding lurus dengan bilangan Nusselt. Hal ini terlihat  dari  gambar  5  dengan  meningkatnya  bilangan  Nusselt  maka  koefisien  perpindahan kalor konveksi juga akan meningkat. Koefisien perpindahan kalor konveksi maksimum sebesar 170,16 W/ 𝑚 2 o C terjadi pada baffle cut 25%.
url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44

## Efektifitas APK Selongsong dan Tabung
Perbandingan  antara  jumlah  kalor  yang  diserap  terhadap  jumlah  kalor  maksimum merupakan  salah  satu  hal  yang  perlu  diperhatikan  dalam  pembuatan  APK  selongsong  dan tabung, peningkatan efektivitas APK selongsong dan tabung meningkat dengan peningkatan bilangan  Reynold.  Hal  ini  menunjukan  bahwa  dengan  meningkatnya  turbulensi  maka  akan meningkatkan koefisien perpindahan panas dan akhirnya akan meningkatkan penyerapan kalor yang terjadi.

## Gambar 6. Grafik hubungan antara bilangan Reynold dan efektivitas APK selongsong dan tabung susunan segi empat
Pada Gambar 6. terlihat dengan meningkatnya pemotongan baffle akan menurunkan efektivitas APK,  dan  terlihat  pada  bilangan  reynold  yang  sama  tetapi  pada baffle  cut yang  berbeda  akan menghasilkan efektivitas yang berbeda pula. Efektivitas maksimum APK pada penelitian ini sebesar 0,987 terjadi pada baffle cut 25%.

## Kesimpulan
1. Koefisien perpindahan kalor konveksi berbanding lurus dengan bilangan   Nusselt. dengan meningkatnya  bilangan  Nusselt  maka  koefisien  perpindahan  kalor  konveksi  juga  akan meningkat.  Koefisien  perpindahan  kalor  konveksi  maksimum  sebesar  170,167  W/ 𝑚 2 o C terjadi pada baffle cut 25%. 2. Bahwa harga yang optimal ada pada baffle cut 25,6% dengan kecepatan udara 2,6 m/s belum terjadi turbulensi.
3. Kalau pada baffle cut 11% terjadi pressure drop, sehingga terjadi turbulensi dan itu tidak diharapkan.
4. Kalau pada baffle cut 38,88% baffle cut 48,97% pressure drop terlalu rendah sehingga tidak optimal.
url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.3, No.1, Juni 2021, Hal 39-44

## Daftar Pustaka
[1] Ariyanto.Henry. 2000.,Pengaruh laju aliran massa dan jarak antara baffle terhadap Efektivitas Heat Exchanger model Shell and Tube .
[2] Lubis F. (2015).Pengaruh baffle cut terhadap unjuk kerja termal dan penurunan tekanan shell and tube susunan tabung segi empat. Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara.
[3] Holman J.P. Perpindahan kalor, edisi keenam, Penerbit Erlangga, (1997), hal. 226-227.
[4] Ibrahim  Husin, pengaruh  jarak  baffle  terhadap  unjuk  kerja  termal  dan  penurunan tekanan pada alat penukar kalor shell and tube susunan segitiga Tesis Magister Teknik, Jurusan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara (2007).
[5] J.P  Hughes,  T.E.R  Jones,  and    P.W  James, Numerical  simulation  and  experimental Measurements of  the flow in a multi-tube heat exchanger, Proceeding of institution of Mechanical Engineering Nov. 2005 ; 219 ;
[6] Mica Vukic, Gradimir Ilic, Nenad Radojkovic, Velimir Stefanovic, A new approach to the  prediction  and  design  of  shell  and  tube  heat  exchanger, Series:  Mechanical Engineering Vol. 1, No. 7, 2000, pp 77-787.
[7] Rajiv  Mukherjee, Effectivity  Design  Shell  an  Tube  Heat  Exchanger, Chemical Engineering Process, (1998), pp. 21-37
[8] R,  Kukral,  L.  Stephen, The  effect  of  internal  leakage  on  steady  stade  and  transient behavior  of  shell  and  tube  heat  exchanger, International  Heat  Transfer  Conference, Bringhton, UK, August 1994, pp. 393-3
[9]    Tinker, T, Shell side characteristic of shell and tube heat exchanger, parts I, II, III, General Discussion on Heat Transfer . The Institutel of Mechanical Engineering, London, 1951, pp. 89-116
[10]   Yunus A. Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition, International Edition, Mc Graw-Hill, Book Company, Inc, Singapore (2003), pp. 690-694