## PENGARUH VARIASI BAFFLE SPACING DAN FLOW RATE TERHADAP EFEKTIFITAS HEAT EXCHANGER SHELL AND TUBE MENGGUNAKAN METODE NTU (NUMBER OF TRANSFER UNIT) DAN HTRI
Aji Abdillah Kharisma (1*) dan Wisnu Malik Pangestu (1)
(1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma
Depok, Jawa Barat, Indonesia
(*) E-mail Corresponding Author : ajiabdillah@staff.gunadarma.ac.id
Abstrak
Penelitian dilakukan dengan mendesain ulang heat exchanger berjenis shell-and-tube unit MOES C yang digunakan PT. Krakatau Steel  untuk mendinginkan Rolling Mill 5-6, menggunakan aplikasi HTRI  bertujuan  mencari  nilai  efektivitas  tertinggi  dari  standar  yang  ditetapkan  ( ε >  0,5).  Tipe alirannya  adalah counterflow , baffle bertipe double  segmental , tubepasses berjumlah  dua  pass dengan fluida air dari cooling tower pada tube-side dan fluida oli Turalik 52 pada shell-side , serta ditetapkan  variasi baffle  spacing 60  mm,  90  mm,  dan  100  mm, lalu  variasi flow  rate 5,716  kg/s,
5,781 kg/s, dan 5,808 kg/s. Dari hasil perhitungan HTRI, Kenaikan flow rate pada Heat Exchanger mengakibatkan penurunan efektivitas, sebaliknya  pada flow rate minimum  pada Heat  Exchanger terjadi kenaikan efektivitas. Semakin banyak jumlah baffle pada Heat Exchanger akan memperbesar nilai pressure  drop yang  terjadi  penurunan heat  transfer pada Heat  Exchanger .  Semakin  tinggi flowrate maka semakin besar juga nilai heat transfer , tetapi juga semakin besar massanya dan nilai pressure drop yang terjadi pada Heat Exchanger juga semakin besar. Banyaknya jumlah baffle dan flowrate juga memengaruhi nilai pressure drop dan heat transfer .
Kata Kunci: Heat Exchanger , HTRI, Number of Transfer Unit (NTU), Efektivitas.

## Abstract
The  research  was  conducted  by  redesigning  the  shell-and-tube  MOES  C  heat  exchanger  by  PT. Krakatau Steel, using the HTRI application to find the effectiveness value ε > 0.5.The flow type is counterflow, double segmental type baffles, two tube passes with water, oil fluid, and baffle spacing are 60 mm, 90 mm, and 100 mm, flow rate 5,716 kg/s, 5,781 kg/s, and 5,808 kg/s. The increase in flow  rate  on  the  Heat  Exchanger  results  in  a  decrease  in  effectiveness,  on  the  contrary,  at  the minimum  flow  rate  in  the  Heat  Exchanger  there  is  an  increase  in  effectiveness.  The  greater  the number of baffles in the Heat Exchanger, the greater the value of the pressure drop, which results in a decrease in heat transfer at the Heat Exchanger. The higher the flowrate, the greater the heat transfer value, but also the greater the mass and the greater the value of pressure drop that occurs in the Heat Exchanger. The large number of baffles and flowrate also affects the pressure drop and heat transfer values.
Keywords: Heat Exchanger, HTRI, Number of Transfer Unit (NTU), effectiveness.

## 1 PENDAHULUAN
Heat exchanger adalah suatu alat yang dimana terjadi aliran  perpindahan  panas  diantara  dua  fluida  atau lebih  pada  temperatur  yang  berbeda,  dimana  fluida tersebut  keduanya  mengalir  di  dalam  sistem.  Di dalam heat  exchanger tersebut,  kedua  fluida  yang mengalir terpisah satu sama lain, biasanya oleh pipa silindris. Fluida dengan temperatur yang lebih tinggi akan mengalirkan panas ke fluida yang bertemperatur lebih rendah.
Jenis heat Exchanger atau biasa disebut Cooler yang digunakan  di  PT.  Krakatau  Steel adalah shell-and-
tube . Alat  tersebut  digunakan  untuk  menghindari overheat pada mesin produksi baja, mengingat bahwa setiap  hari  mesin  produksi  baja  bekerja  pada  suhu yang cukup tinggi selama 24 jam.
Analisis  kinerja  di  sini  terdiri  dari  nilai  koefisien perpindahan kalor, penurunan tekanan, dan efektivitas.  Hasil  analisis  menunjukkan  bahwa bertambahnya  jumlah  baffle  pada  penukar  kalor terjadi peningkatan nilai koefisien perpindahan panas sisi  shell,  terjadi  penurunan  tekanan  sisi  shell,  dan peningkatan  efektivitas  pada  alat  penukar  kalor  itu sendiri [1].
8 Pengaruh Variasi Baffle Spacing dan Flow Rate Terhadap Efektifitas Heat Exchanger Shell and Tube Menggunakan Metode NTU ( Number Of Transfer Unit ) dan HTRI
Perancangan  ini  berupa  perhitungan  dimensi  alat penukar  kalor  tipe shell  and  tube menggunakan metode  analisa  komputerisasi Heat  Transfer
Research Inc . (HTRI) dan metode analisa perhitungan  manual.  Perhitungan  dimensi  alat penukar  kalor  ini  bertujuan  untuk  mengetahui kualitas dari alat penukar kalor berdasarkan koefisien perpindahan  kalor  keseluruhan,  faktor  pengotoran, dan penurunan tekanan yang akan terjadi [2].
Penukar  kalor shell  and  tube terdiri  dari shell yang didalamnya terdapat banyak tube dengan baffle yang tersusun  sepanjang  sisi  shell.  Mengkaji  pengaruh jarak baffle terhadap kinerja penukar kalor shell and tube yang  geometri  nya  telah  ditentukan  terlebih dahulu  serta  metode  simulasi  yang  dikembangkan oleh Heat  Transfer  Research  Inc.  (HTRI) untuk mengetahui performansi heat exchanger [3].
Penggunaan heat  exchanger pada  sistem  COG booster bertujuan untuk mendinginkan temperatur oli yang  akan  digunakan  sebagai  pelumasan  dan pendinginan  bearing.  Semakin  lama heat  exchanger digunakan  akan  menyebabkan  terjadinya fouling (pengotoran)  di  bagian  dalam  heat  exchanger. Semakin besar fouling yang terjadi akan menyebabkan  terjadi  penurunan  kinerja heat exchanger seperti  besarnya  laju  perpindahan  panas aktual dan efektivitas [4].
Sejumlah  pendekatan  telah  digunakan  untuk  desain dan analisis penukar panas dua fluida. Pendekatan ini mencakup metode efektivitas (ε atau P) jumlah unit transfer (NTU), metode perbedaan suhu rata-rata, dan metode  yang  menggunakan  diagram Mueller dan Roetzel.  Tinjauan  komprehensif  disajikan  tentang metode  solusi  untuk  mendapatkan  hubungan efektifitas-NTU  untuk  unit  penukar  panas  dan penukar panas yang sederhana dan kompleks [5].
Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  akan  membahas tentang  kinerja  penggunaan heat  exchanger untuk proses  penukaran  panas  pada  mesin  produksi  pada divisi Hot Strip Mill .

## 2 METODOLOGI
Berdasarkan  literatur  yang  berkaitan  dengan efektivitas  pada heat  exchanger ,  perhitungan  yang berkaitan adalah sebagai berikut :
Perhitungan Laju Perpindahan Panas Aktual
Laju  perpindahan  panas  aktual  merupakan  panas yang dilepaskan oleh fluida panas atau yang diserap oleh  fluida  dingin,  yang  diperlihatkan  pada persamaan (1) dan (2).
Q act = C h (T h1 – T h2 ) (1)
Atau Q act = C c (T c2 – T c1 ) (2)

## Perhitungan Laju Kapasitas Panas
Untuk  mempermudah  menghitung  laju  perpindahan panas  dibutuhkan  laju  kapasitas  panas  yang diperlihatkan pada  persamaan (3) dan (4).
C c = 𝑚̇ c . Cp c (3)
Atau
C h = 𝑚̇ h . Cp h (4)
Perhitungan Laju Perpindahan Panas Maksimal
Laju  perpindahan  panas  maksimal  merupakan  nilai perpindahan  panas  terbesar  yang  mungkin  terjadi pada heat  exchanger yang  diperlihatkan  pada persamaan (5).
Q maks = C min (T h,i – T c,i ) (5)

## Perhitungan Efektivitas
Efektivitas shell-and-tube dapat  dihitung  dengan persamaan (6).
𝜀 = 𝑄𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑄𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 x 100% (6)

## Diagram Alir Penelitian
Penelitian  ini  memfokuskan  pada  pengaruh  variasi jarak  antar baffle yang  memiliki  dimensi Heat Exchanger yang  sama  terhadap transfer  rate dan efektivitas  menggunakan software  Heat  Transfer Research Inc . (HTRI). Perhitungan digunakan untuk mendapatkan  efektivitas dari Heat Exchanger Shell- and-Tube menggunakan  metode 𝜀 -NTU  untuk mendapatkan  perbandingan  efektivitas  dari baffle spacing dan variasi flow rate .
Mulai Persiapan Peralatan Simulasi Software HTRI Baffle spacing : 1. Baffle  Spacing
60 mm, 90 mm, dan 100 mm 2. Flowrate shell 5,808kg/s, 5,781 kg/s, dan 5,716 kg/s Parameter data  : 1. Suhu Inlet Tube Nozzle & Inlet Shell Nozzle 44 ° C dan 30,7 ° C 2. Tekanan Inlet Tube  Nozzle  &
Outlet shell 400 kPa
Gambar 1 Diagram Alir Penelitian Efektivitas Heat Exchanger Shell-and-Tube
Spesifikasi Heat Exchanger Shell-and-Tube
Spesifikasi heat  exchanger tipe shell-and-tube yang digunakan  dalam  penelitian  ini  diperlihatkan  pada Table 1.
Tabel 1 Spesifikasi Heat Exchanger MOES C
TEMA Type BEU Diameter Shell 300 mm Panjang 2,8 m Diameter Luar Tube 9,525 mm Material Tube Tembaga/Nikel Tebal Tube 0,711 mm Tipe Baffle Double Segmental Tube passes 2 Tube layout angle 45 ° Arah Aliran Countercurrent Shell Orientation Horizontal
Karakteristik Fluida yang Digunakan Karakteristik Oli pada sisi Shell
Karakteristik  oli  yang  digunakan  pada heat exchanger khususnya  pada  sisi shell diperlihatkan pada Table 2.
Tabel 2. Karakteristik Fluida Oli pada sisi shell.
No. Karakteristik Fluida Oli Data 1. ISO grade Turalik 52 2. Manufacturer Pertamina 3. Massa jenis ( 𝜌 h ) 788,37 kg/m 3 4. Panas jenis (Cp h ) 1914,2 J/kg.°C 5. Debit Aliran (Q h ) 442 L/min, 440 L/min, dan 435 L/min Karakteristik Air pada sisi Tube
Karakteristik  air  yang  digunakan  pada heat exchanger khususnya  pada  sisi tube diperlihatkan pada Table 3.
Tabel 3 .   Karakteristik fluida air pada sisi tube . No. Karakteristik Fluida Air Nilai 1. Massa jenis ( 𝜌 c ) 994 kg/m 3 2. Panas jenis (Cp c ) 4182,7 J/kg.°C 3. Debit Aliran (Q c ) 408 L/min
Data  parameter flow  rate dengan  mengubah  debit aliran.
Tabel 4. Parameter flow rate oli dan air No. Karakteristik Fluida oli dan air Data 1. m 1 atau m h1 (oli) 5,808 kg/s 2. m 2 atau m h2 (oli) 5,781 kg/s 3. m 3 atau m h3 (oli) 5,716 kg/s 4. m 4 atau m c4 (air) 6,759 kg/s
Flow  rate yang  digunakan  pada  sisi shell sebesar 5,808  kg/s,  5,781  kg/s,  dan  5,716  kg/s.  Sedangkan pada  sisi tube , flow  rate yang  digunakan  konstan sebesar 6,759 kg/s.
Data input sheet pada HTRI
Proses input tersebut dihasilkan sebuah output berupa datasheet .  Hasil output dari  aplikasi  HTRI diperlihatkan pada Gambar 3.
Pengolahan Data :
1. Pressure drop
2. Heat Transfer Rate (U)
3. Heat Exchanged (Q)
4. Suhu Outlet Nozzle Shell Effectiveness 𝜀 > 50% Hasil Selesai A
10 Pengaruh Variasi Baffle Spacing dan Flow Rate Terhadap Efektifitas Heat Exchanger Shell and Tube Menggunakan Metode NTU ( Number Of Transfer Unit ) dan HTRI

## Gambar 3 Heat Exchanger Specification Sheet
Perancangan heat  exchanger  shell-and  tube dengan variasi baffle spacing .
Gambar hasil perancangan heat exchanger shell-and- tube dengan baffle spacing 60 mm, 90 mm, dan 100 mm akan diperlihatkan pada Gambar 4, 5, dan 6.
Gambar 4 Desain Heat Exchanger Shell-and-Tube dengan Ukuran Baffle Spacing 60 mm
Gambar 5 Desain Heat Exchanger Shell and Tube dengan Ukuran Baffle Spacing 90 mm
Gambar 6 Desain Heat Exchanger Shell and Tube
dengan Ukuran Baffle Spacing 100 mm

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  perhitungan pressure  drop dan heat  transfer rate shell
Hasil perhitungan Pressure Drop dan Heat Transfer Rate  Shell dari Heat  Exchanger terhadap  pengaruh
Flow  Rate dengan Pressure  Drop pada  masing- masing baffle  spacing .  Dari  grafik  tersebut,  akan terlihat  gambaran  pengaruh baffle  spacing terhadap Pressure Drop -nya.
Tabel 5. Data Hasil Perhitungan Pressure Drop dan Transfer Rate Shell dari Software HTRI Variasi Baffle (mm) Shell ∆ P (kPa) Flow Rate (kg/s)
U (W/m 2
K)
T in (°C) T out (°C) 60 44 36,88 25,755 5,808 675,61 44 36,86 25,524 5,781 673,76 44 36,82 24,970 5,716 669,31 90 44 36,71 10,622 5,808 721,22 44 36,69 10,527 5,781 719,24 44 36,65 10,299 5,716 714,46 100 44 36,65 8,853 5,808 735,19 44 36,64 8,773 5,781 733,17 44 36,60 8,584 5,716 728,30
Gambar 7 Grafik Flowrate terhadap Pressure Drop
Hasil perhitungan efektifitas dengan metode Number of Transfer Unit (NTU).
Perhitungan  secara  teoritis  menggunakan  metode Number of Transfer Unit (NTU) akan menghasilkan output perhitungan  efektivitas  dari  masing-masing variasi  jarak  antar  ( baffle  spacing) ,  kemudian  akan diketahui  perbandingan  nilai  efektivitas  mesin penukar  kalor  dari  masing-masing  variasi baffle spacing .
Perhitungan efektivitas pada Baffle Spacing berukuran 60 mm
Cc = 𝑚̇ c4 . Cp c Cc = 6,759 kg/s × 4182,7 J/kg.°C Cc = 28270,869 W/K
C h = 𝑚̇ h1 . Cp h C h = 5,808 kg/s × 1914,2 J/kg.°C C h = 11117,674 W/K Q maks = C h (T h,i – T c,i ) Q maks = 11117,674 W/K (44 °C  – 30,7 °C) Q maks = 147865,064 W 𝜀 = 78524 W 147865,064 W x 100%
𝜀 = 53,1 %
Perhitungan efektivitas pada baffle spacing berukuran 90 mm
Cc = 𝑚̇ c4 . Cp c Cc = 6,759 kg/s × 4182,7 J/kg.°C Cc = 28270,869 W/K
C h = 𝑚̇ h2 . Cp h C h = 5,781 kg/s × 1914,2 J/kg.°C C h = 11065,99 W/K
Q maks = C h (T h,i – T c,i ) Q maks = 11065,99 W/K (44 °C  – 30,7 °C) Q maks = 147177,667 W
𝜀 = 80201,2 W 147177,667 W x 100%
𝜀 = 54,5 %
Perhitungan efektivitas pada baffle spacing berukuran 100 mm
C c = 𝑚̇ c4 . Cp c C c = 6,759 kg/s × 4182,7 J/kg.°C C c =  28270,869 W/K
C h = 𝑚̇ h3 . Cp h C h = 5,716 kg/s × 1914,2 J/kg.°C C h = 10941,567 W/K
Q maks = C h (T h,i – T c,i ) Q maks = 10941,567 W/K (44 °C  – 30,7 °C) Q maks = 145522,841 W 𝜀 = 80231,9 W 145522,841 W x 100%
𝜀 = 55,1 %
Tabel 6. Nilai Q aktual dan Effectiveness Baffle Spacing (mm) Flow Rate (kg/s) Q aktual (W) Effectiveness (%) 60 5,808 78524 53,1 5,781 78334 53,2 5,716 77875 53,5 90 5,808 80409 54,4 5,781 80201 54,5 5,716 79704 54,8 100 5,808 80989 54,8 5,781 80780 54,9 5,716 80232 55,1 Gambar 8 Grafik Efektivitas terhadap Flow Rate

## 4 KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  analisis  perhitungan  dari heat exchanger
shell-and-tube , dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Kenaikan flow  rate pada Heat  Exchanger mengakibatkan penurunan efektivitas, sebaliknya pada flow rate minimum pada Heat Exchanger terjadi  kenaikan  efektivitas.  B affle spacing 60  mm,  nilai  efektivitas  pada flowrate 5,716 kg/s sebesar 0,535. Pada flow rate 5,781 kg/s,  nilai  efektivitasnya  menjadi  0,532.  Lalu ketika Flow rate 5,808 kg/s dan nilai efektivitas 0,531.  B affle  spacing 90  mm,  nilai  efektivitas pada flow rate 5,716 kg/s sebesar 0,548. Pada flow  rate 5,781  kg/s,  nilai  efektivitasnya menjadi  0,545. Flow  rate kembali  dinaikkan sebesar 5,808 kg/s dan nilai efektivitas n 0,544. B affle  spacing 100  mm,  nilai  efektivitas  pada flow  rate 5,716  kg/s  sebesar  0,551.  Saat flow rate 5,781  kg/s,  nilai  efektivitasnya  menjadi 0,549. Flow  rate sebesar  5,808  kg/s,  lalu  hasil nilai efektivitas adalah 0,548 kg/s.
2. Semakin  banyak  jumlah baffle pada Heat Exchanger akan  memperbesar  nilai pressure drop yang terjadi penurunan heat transfer pada Heat Exchanger . Semakin tinggi flowrate maka semakin  besar  juga  nilai heat  transfer ,  tetapi
12 Pengaruh Variasi Baffle Spacing dan Flow Rate Terhadap Efektifitas Heat Exchanger Shell and Tube Menggunakan Metode NTU ( Number Of Transfer Unit ) dan HTRI
juga semakin besar massanya dan nilai pressure drop yang  terjadi  pada Heat  Exchanger juga semakin  besar.  Banyaknya  jumlah baffle dan flowrate juga memengaruhi nilai pressure drop dan heat transfer. Pada flowrate 5,716 kg/s, nilai pressure drop pada baffle spacing 60 mm adalah 24,970 kPa dan heat transfer sebesar 77875 W, pada baffle  spacing 90  mm  mencapai  10,299 kPa  dan heat  transfer sebesar  79704  W, sementara  pada baffle  spacing 100  mm mencapai  8,584  kPa  dan heat  transfer sebesar 80232 W. Pada saat flow rate berada pada angka 5,781  kg/s,  nilai pressure  drop pada baffle spacing 60 mm mencapai 25,524 kPa dan heat transfer sebesar  78332  W,  pada baffle  spacing 90 mm mencapai 10,527 kPa dan heat transfer sebesar 80201 W, pada baffle spacing 100 mm mencapai  8,773  kPa  dan heat  transfer sebesar 80780 W. Pada saat flowrate berada pada angka 5,808  kg/s,  nilai pressure  drop pada baffle spacing 60 mm mencapai 25,755 kPa dan heat transfer sebesar  78524  W,  pada baffle  spacing 90 mm mencapai 10,622 kPa dan heat transfer sebesar  80409,  pada baffle  spacing 100  mm mencapai  8,853  kPa  dan heat  transfer sebesar 80989 W.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Elvine  Handika  Putra,  Irwin  Bizzy,  Pengaruh jumlah baffle terhadap kinerja alat penukar kalor tipe shell  and  tube. Palembang  :  Universitas Sriwijaya, 2020.
[2]   Bizzy, R., dan Setiadi, R. Studi Perhitungan Alat Penukar  Kalor  Tipe Shell-and-Tube dengan Program Heat  Transfer  Research  Inc .  (HTRI), Jurnal Rekayasa Mesin, 2013.
[3]  Triyono, Sugit., Ariwibowo, Teguh Hady., dan Permatasari,  Prima  Dewi. Numerical  Study  of
Shell-and-Tube  Heat  Exchanger  Performance with Various Baffle Spacing , 2016. [4]  Sudrajat, Jajat. Analisis Kerja Heat  Exchanger Shell  &  Tube pada  Sistem  COG  Booster  di Integrated Steel Mill Krakatau. 2017.
[5]  Sekulic´, D. P., R. K. Shah, and A. Pignotti. A
Review  of  Solution  Methods  for  Determining Effectiveness–NTU  Relationships  for  Heat
Exchangers with Complex Flow Arrangements . 1999.