Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020

## ANALISIS KINERJA HEAT EXCHANGER TYPE SHELL AND TUBE BERBAHAN TEMBAGA ALIRAN SEARAH DAN ALIRAN BERLAWANAN TANPA RADIATOR
FANNI FATTAH 1 AHMAD ISKANDAR 2 & Rudiyo 3 1,2,3 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Tangerang Jl. Perintis Kemerdekaan I/33 Cikokol-Tangerang E-mail: vanfattah@gmail.com

## ABSTRAK
Alat penukar kalor atau heat exchanger adalah suatu alat yang memungkinkan perindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas  terjadi  karena  adanya  kontak,  baik  antara  fluida  yang  bercampur  maupun  fluida  yang terpisahkan oleh sekat. Perubahan laju aliran pada heat exchanger tertunya berpengaruh terhadap pendinginan.Tujuan    penelitian  ini  adalah  (1)  Mengetahui  dan  memahami  sistem  kerja  heat exchanger  type  shell  and  tube.  (2)  Mampu  menganalisa  dan  menyimpulkan  hasil  penelitian  laju aliran  pada  shell  and  tube  dengan  tabel  maupun  grafik.  Perpindahan  kalor  tersebut  selisih temperatur tube (masuk dan keluar) untuk fluida panas tanpa pendingin dan hasil pada fluida panas dengan fluida dingin yang akan berhubungan dengan perbedaan rata-rata fluida panas dan dingin dan nilai afktifitas alat penukar kalor. Sebagai variebel laju aliran yang akan dirubah untuk mencari perbandingan.    Setelah  dilakukan  perbaikan  dan  perancangan  ulang  Alat  uji  heat  exchanger generasi ke-2 sudah lebih baik dibandingkan  dengan alat uji heat exchanger generasi pertama, dilihat dari  Efektifitas alat heat exchanger ditemukan adanya peningkatan keefektifan dari 12% menjadi  91,94%  kenaikan  Efektifitas  heat  exchanger  dikarenakan  sudah  tidak  adanya  kebocora pada sekat shell and tube (bufler).
Kata kunci : Konversi Energi; Perancangan; Manufaktur; Pengolahan Material; Teknik Mesin.

## ABSTRACT
A heat exchanger or heat exchanger is a device that allows heat transfer and can function as a heater or as a coolant. The heat exchanger is designed as much as possible so that heat transfer between fluids can take place efficiently. Heat exchange occurs due to contact between mixed fluids and fluids separated by a bulkhead. The change in flow rate of the heat exchanger has an effect on cooling. The objectives of this study are (1) Knowing and understanding the shell and tube type heat exchanger working system. (2) Able to analyze and conclude the results of the flow rate research on shell and tube with tables and graphs. The heat transfer is the difference in tube temperature (in and out) for hot fluids without cooling and the results for hot and cold fluids which will be related to the average difference between hot and cold fluids and the value of heat exchanger affinity. As the  flow  rate  variable  will  be  changed  to  find  a  comparison.  After  repairing  and  redesigning  the  second generation heat exchanger test equipment, it was better than the first generation heat exchanger test equipment, seen from the effectiveness of the heat exchanger, it was found that there was an increase in effectiveness from 12% to 91.94%. absence of leaks in the shell and tube bulkhead (bufler).
Keywords : Energy Conversion, Design, Manufacture, Materials Processing, Mechanical Engineering.

## 1. PENDAHULUAN
Energi  berasal  dari  bahasa  Yunani  yaitu energia yang  berarti  kegiatan/aktivitas.  Menurut Michael J. Moran, energi merupakan properti fisika dari suatu objek dimana dapat berubah bentuk akan tetapi  tidak  dapat  diciptakan  atau  dimusnahkan, energi merupakan konsep dasar dari Termodinamika  yang  menjadi  aspek  yang  penting
dari analisis teknis. Ada banyak jenis bentuk energi dalam  kehidupan  sehari-hari.  Dari  sekian  banyak jenis energi kalor merupakan salah satunya.
Kalor  adalah  suatu  bentuk  energi  yang berpindah dari suatu benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dengan kontak langsung. Menurut Antoine  Laurent  Lavoiser  (1743  –  1794)  Kalor berasal  dari  kata caloric ,  Satuan  kalor  ditetapkan
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020
dengan  nama  kalori  (kal).  Energi  kalor  dapat berubah  menjadi  energi  mekanik  (joule)  atau sebaliknya  seorang  ilmuwan  berbangsaan  Inggris bernama  James  Prescott  Joule  (1818  –  1889), menemukan Hubungan ini dengan perbandingan 1 kkal = 4,184 x 10 3 joule.
Dari sekian banyak jenis heat exchanger yang telah  dikenal,  maka  penulis  tertarik  untuk melakukan penelitian heat exchanger dengan jenis TEMA  (Turbular  Exchanger  Manufacturers Association ) yaitu jenis asosiasi alat penukar panas jenis shell  and  tube .  Kontruksi  ini  adalah    satu selongsong  dengan  dua  pipa  atau  lebih  yang  di lengkapi dengan sekat yang biasa di sebut baffle . Aliran  pada heat  exchanger tentunya  terjadi perubahan.  Perubahan  terjadi  karena  terjadi penurunan  laju  aliran  akibat  sehingga  terjadi penurunan  tekanan.  Pada  luas  penampang  yang sama  laju  aliran  yang  berubah  maka  akan berpengaruh  pada  kecepatan  aliran.  Bentuk  aliran dapat  berupa  laminar,  turbulen  maupun  transisi antara laminar dan turbulen. Perubahan laju aliran pada heat exchanger tertunya berpengaruh terhadap pendinginan.  Pengaruh  perubahan  laju  aliran tersebut  tentunya  dapat  dihitung  dengan  rumus. Pada tahap penelitian generasi pertama ditemukan beberapa  kekurangan  dari  data  sebelumnya. Berdasarkan  latar  belakang  diatas  maka  dari  itu penulis  mengambil  judul  “Analisa  Kinerja Heat Exchanger Shell  and  Tube Aliran  Searah  dan Berlawanan“ .

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Pada  penelitian  ini  penulis  menggunakan beberapa  metode  diantaranya:  Metode  Observasi, Studi  Literatur  dan  eksperimen,  dimana  metode eksperimen  merupakan  metode  penelitian  yang digunakan  untuk  mencari  pengaruh  perlakuan tertentu  terhadap  yang  lain  dalam  kondisi  yang terkendalikan  (Sugiono:  2010).  Dalam  metode penelitian  ini  berupa  perancangan  serta  pungujian Heat Exchanger Shell and Tube. Adapun penujian pada  aliran  searah  dan  berlawanan  untuk mengetahui Kinerja alat dilihat dari fenomena aliran serta efktifitas.

## 2.1 Skema Aliran
Pada  peracangan  heat  exchanger  tentunya diketahui  skema  aliran  yang  akan  dibuat.  Skema aliran meliputi pendinginan pada menuju shell and tube  dan  penempatan  komponen  pendukung  pada heat  exchanger.    Berikut  skema  aliran  heat exchanger pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema laju aliran Heat Exchanger (Sumber: Ma’a (2013))
2.2 Aliran Heat  Exchanger  counter  flow /

## Berlawanan
Pertukaran  panas  dengan  aliran berlawanan arah ( counter current / flow ) yaitu bila  kedua  fluida  mengalir  dengan  arah  yang saling  berlawanan  dan  keluar  pada  sisi  yang berlawanan.
Gambar 2. Aliran Counter flow /berlawanan (Sumber http://journal.unj.ac.id)
2.3 Aliran Heat Exchanger Searah
Penentuan  desain  aliran  fluida  di  dalam sebuah  heat  exchanger  tergantung  dari  kebutuhan tingkat  keefektifan  perpindahan  panas  yang diinginkan,  penurunan  tekanan  yang  diijinkan, kecepatan  aliran  fluida  minimum  dan  maksimum yang  diperbolehkan,  bentuk  aliran  fluida,  desain bentuk  heat  exchanger,  tegangan  termal  yang diijinkan,  perubahan  temperatur  yang  dibutuhkan, desain sistem perpipaan, serta berbagai pertimbangan  yang  lain.  Untuk  lebih  jelasnya perhatikan Gambar 3 di bawah ini.
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020
P-ISSN: 2549- 5038   E-ISSN: 2580-4979
Gambar 3. Aliran Paralel Flow Heat
Exchanger (Sumber http://journal.unj.ac.id)

## 2.4 Diagram Alir
Gambar 4. Diagram Alir.

## 2.5 Design Heat Exchanger
Desain  Heat  Exchanger  ini  disesuaikan dengan  permintaan  dalam  variable  pengujian atau  penelitian.  Tentunya  komponen  dan sistem pemipaan akan ditambah. Design dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Skema aliran heat exchanger (Drawing by Rhinoceros 5)
Dari  gambar  5.  menunjukan  sistem pemipaan dengan sistem katup. Ada tujuh katup  pada  heat  excharger  yang  sesuai permintaan pada pengambilan data.Permintaan tersebut antara lain : a. Aliran fluida searah tanpa radiator.
b. Aliran  fluida  berlawan  arah  tanpa radiator.
c. Aliran fuida searah dengan radiator.
d. Aliran fluida berlawan arah dengan radiator.

## 2.6 Improvement Komponen Pada Alat Uji Heat Exchanger
Pada  penelitian  ini  penulis  melakukan perbaikan terhadap beberapa komponen yang sudah rusak dan mengalami kebocoran pada bagian alat uji heat  exchanger  gererasi  pertaman,  setelah melakukan  analisa  dan  diskusi  menegenai banyakanya kerusakan pada alat uji heat exchanger gererasi  pertaman,  penulisa  melakuakan  beberapa perbaikan  dan  penggantian  pada  beberapa komponen  yang  sudah  tidak  berfungi  ataupun komponen  yang  masih  berfungsi  namun  tidak berfungsi  secara  maksimal.    Adapun  modifikasi yang dilakukan data dilihat di Tabel 1.
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020
P-ISSN: 2549- 5038   E-ISSN:
2580-4979
Tabel 1. improvement pada Design Alat Heat Exchanger

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Heat  exchanger  atau  alat  penukar  /  pemindah panas  adalah  alat-alat  yang  digunakan  untuk mengubah  temperatur  fluida  atau  mengubah  fasa fluida  dengan  cara  mempertukarkan  panasnya dengan fluida lain.
Pada  sebuah  penukar  panas,  kemampuan mempertukarkan panas sangat ditentukan oleh jenis aliran  fluida  dan  fluida  yang  melewati  penukar panas tersebut.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui dan  menyempurnakan  alat  penguji  heat exchanger  yang  sudah  pernah  dilakukan sebelumnya. Pada penelitian pertama dilakukan selama  60  menit  namun  dimenit  ke  30 ditemukan  kebocoran  (trouble)  pada  dinding shell  atau  sekat  buffer,  oleh  sebab  itu  peneliti mencoba  melakukan  optimasi  pada  mesin  heat exchanger  generasi  pertam.  Volume  air  panas yang digunakan sebanyak 25 liter dan volume air dingin  120  liter.  Dalam  pengambilan  data  ini waktu yang di gunakan adalah selama 60 menit dengan  interval  waktu  5  menit  sehingga mendapatkan data sebanyak 13 kali pengambilan  data,  maka  dapat  di  peroleh  data pada Tabel 1.
Berdasarkan  data    hasil  penelitian  sesuai dengan gambar 7. Maka dapat dijelaskan bahwa kinerja heat  exchanger    type  shell  and  tube generasi  ke  dua  mengunakan  fluida  air  tanpa pendingin  atau  radiator  tidak  ditemukan kebocoran, dimenit ke 10 mengalami penurunan suhu pada temperature air panas menjadi 41.7 o C, di  menit  ke  30  diperoleh  data  uji  penelitian mengalami penurunan sebesar 39.0 o. C   di menit ke 60 mengalami kenaikan sebesar 39,7 0 C. Gambar 6. Aliran Searah (Fluida dingin Air) 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Te m pe ra tu r o C Menit Aliran Searah  Tanpa Menggunakan Radiator In tube Out tube In Shell Out Shell
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020
Gambar 7. Aliran Berlawanan (Fluida dingin Air).
Berdasarkan  pada  Gambar  7  pada temperatur  fluida  air  dingin  pada  menit  ke  10 mengalami  kenaikan  perpindahan  panas  sebesar 4.559 Watt sehingga mengakibatkan naiknya suhu fluida air dingin menjadi 35.7 o C.
3.1 Perhitungan Data Heat Exchanger Type Shell and Tube.
Setelah didapatkan data – data pengujian pada tabel diatas untuk menghitung nilai massa laju aliran pada shell and tube , nilai perpindahan panas pada shell  and  tube ,  ( Log  Mean  Temperature Difference )  LMTD,  luas  permukaan  pipa, menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh, menghitung luas penampang shell and tube,  menghitung  kecepatan  aliran  pada shell  and tube ,  menghitung  bilangan  reynold,  menghitung efisiensi heat  exchanger. Hasil  perhitungan heat exchanger Tabel 2.
Setelah  melihat  Tabel  2,  Penulis menyimpulkan  bahwa  rata  –  rata  perbandingan temperatur  pada  aliran  searah  air  6,99ºC,    aliran berlawanan  air  sebesar  5ºC,  aliran  searah  dengan radiator sebesar  2,3ºC  aliran    berlawanan  dengan radiator sebesar 3,3ºC, Massa laju aliran pada shell 0,33  m/s,  dan  untuk  Koefisien  perpindahan  panas pada  setiap  sisi  itu  berbeda  dikarenakan  seriap fenomena    pelepasan  dan  peneriman  kalor  pada setiap sisi itu berbeda-beda.
Untuk mengetahui perbandingan perubahan  temperatur  aliran  searah  dan  aliran berlawanan  tanpa  menggunakan  radiator  atau pendingin dengan aliran searah dan berelawanan menggunakan radiator atau pendingin yang mana data di lihat pada Gambar 8.
Tabel  2.  Hasil  perhitungan  searah  dan  berlawanan fluida air dengan Radiator

## Gambar 8.  Aliran Berlawanan menggunakan Radiator dan Nonradiator
Perubahan  suhu  pada  aliran  berlawanan tanpa menggunakan radiator mengalami kenaikan temperature di menit ke 40 dan aliran berlawanan menggunakan mengalami penurunan pada menit 40, dengan demikian system yang menggunakan radiator lebih efektif menurunkan temperature air dibandingkan  dengan  system  yang  tidak menggunakan  radiator  pada  mesin heat exchanger .
3.2 Hasil perhitungan Heat exchanger  Generasi 1 dengan generasi ke 2
Setelah  didapatkan  hasil  pengukuran  dari  data penelitian generasi pertama, maka pengolahan data dapat dilakukan untuk mendapatkan perbandingan besaran  laju  perpindahan  kalor  ( 𝑄 ),  koefisien
30 35 40 45 50 55 0 10 20 30 40 50 60 Tem per at ur o C Menit Aliran Berlawanan Tidak Menggunakan Radiator Fluida Air In Tube Out Tube In Shell Out Shell
Motor Bakar: Jurnal Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Tangerang, Vol. 4, No. 1, Januari – Juli, 2020
perpindahan  panas  ( ℎ ),  penurunan  tekanan  ( ∆𝑃 ! ), bentuk  aliran  ( 𝑅 " )  pada  tube  dengan  temperature 45 o C efisiensi ( 𝜀 ) heat exchanger Generasi pertama dengan  generasi  kedua.    Hasil  pengolahan  data dapat dilihat pada Tabel 3 di bawah.
Tabel  3.  Hasil  perhitungan  searah  dan berlawanan alat heat exchanger generasi 1
Setelah melihat tabel atas penulis menyimpulkan  bahwa  rata  –  rata  perbandingan temperatur  pada  aliran  searah  air  6,99ºC,    aliran berlawanan  air  sebesar  5ºC,  aliran  searah  dengan radiator sebesar  2,3ºC  aliran    berlawanan  dengan radiator sebesar 3,3ºC.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan  oleh peneliti, hasil dari tugas akhir dengan judul Analisa Kinerja  Aliran  Searah  dan  Berlawanan Heat Exchanger Shell  and  Tube berbahan  tembaga dengan Temperatur 45 o C.
Maka  penulis  dapat  mengambil  kesimpulan sebagai berikut :
1. Pada  dasarnya  performa heat  exchanger tergantung  dari  besarnya  nilai  kalor  yang dilepas  oleh tube dan  diterima  oleh shell karena  tujuan  dari heat  exchanger atau  alat penukar  kalor  adalah  memindahkan  panas dari satu fluida ke fluida lainnya yang lebih dingin.
2. Penggunaan  material  tembaga  sebagai tube merupakan  pilihan  yang  tepat  karena tembaga  merupakan  konduktor  panas  yang baik. Tembaga memiliki titik lebur mencapai 1083 o C  sehingga  sangat  cocok  digunakan pada tube yang dialiri fluida panas.
3. Rata  –  rata  perbandingan  temperatur    pada aliran  searah  fluida  air  6,99ºC,    aliran berlawanan  fluida  air  sebesar  5ºC,  aliran searah  dengan  radiator sebesar  2,3ºC  aliran berlawanan dengan radiator sebesar 3,3ºC.

## DAFTAR PUSTAKA
Harahap,Filipino.1982. Termodinamika Teknik Edisi Kedua .Jakarta: Penerbit Erlangga. http://www.damaruta.com/2018/01/perpindahan- kalor-secara-radiasi.html, diakses dari internet pada 4 Agustus 2020 pukul 0.42 https://www.gudangpustakailmu.me/2017/02/peng ertian-panas-dan-perpindahan-panas.html,
diakses  dari  internet  pada  4    Agustus  2020 pukul 0.36
http://www.thermopedia.com/content/946/, diakses dari internet pada 4 agustus 2020 pukul 1.08 http://www.thermopedia.com/content/946/, diaksesdari internet pada 4 Agustus 2020 pukul 1.11 https://www.slideshare.net/happynezzabolongaita/ convection-current-78123949,  diakses  dari internet pada 4 Agustus 2020 pukul 0.38 https://www.slideshare.net/riccoriyankurniawan/pp t-perpan-shell-and-tube,  diakses  dari  internet pada 4 Agustus 2020, pukul 0.58)
https://id.wikipedia.org/wiki/Penukar_panas, diakses  dari  internet  pada  5  Agustus  2020 pukul 13.46 Iskandar,  Soetyono.  2014. Perpindahan  Panas . Jakarta: Deepublish.
Koestoer.(2002). Perpindahan  Kalori .  Jakarta: Salemba Teknika.
Munson.(2003). Mekanika  Fluida .  Jakarta:  PT. Gelora Aksara Pratama.
Opiyan Gutama.(2019). Analisa  Efektifitas Alat Penukar Kalor Heat Exchager Modul Tabung Berbahan  Tembaga  Aliran  Searah  Dan Berlawanan  Dengan  Media  Air  Sebagai Fluida  Panas  Dan  Dingin.  Tangerang: Universitas Muhammadiyah
Q.Kern, Donald. 1965. Process Heat Transfer . New York: McGraw Hill Book.