Identifikasi Plant Purwarupa Heat Exhcanger Tipe Shell dan Tube Model Counter Flow Memanfaatkan Software Matlab
Hairil Budiarto 1 , Faikul Umam 2
1,2 Program Studi Teknik Mekatronika, Fakultas Teknik, Universitas Trunojoyo Madura
E-mail: irelunud@gmail.com
Abstrak-- alat penukar panas adalah heat exchanger,adalah alat yang berfungsi sebagai transfer energi panas antara dua fluida atau lebih, Terdapat berbagai cara untuk meningkatkan efektifitas alat penukar kalor, menurut ilmu teknik mesin yaitu dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan kalor konveksi, meningkatkan luas permukaan alat penukar panas dan memperbesar perbedaan suhu guna mencapai suhu yang ditentukan. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai transfer energi dari suatu sistem ke sistem lainnya sebagai akibat dari perbedaan temperatur, transfer energi ini selalu terjadi dari suatu sistem bersuhu tinggi ke sistem lain yang bersuhu lebih rendah dan akan berhenti setelah kedua sistem mencapai  temperatur  yang  sama,  perbedaan  temperatur  merupakan  syarat  utama  untuk  terjadinya perpindahan sistem tersebut. Perancangan purawarupa heat exchanger coolermodel counter flow telah dibuat dan dengan memanfaatkan software MATLAB, maka telah didapatkan model matematis plant orde 2, untuk menguji respon plant menggunkan simulink pada MATLAB, sehingga respon plant pada setpoint  yang  ditentukan  masih  berada  diatas,  sehingga  masih  dibutuhkan  metode  kontrol  guna memperbaiki kinerja atau respon plant.
Kata kunci: Heat exchanger, counter flow, shell and tube cooler, MATLAB
Abstract-- a heat  exchanger  is a  device  that  acts  as  a transfer  of  heat  energy between  two fluids or more.  There  are  various  ways  to  improve  the  effectiveness  of  heat  exchange  devices,  according  to mechanical engineering, by increasing the convection heat transfer coefficient, increasing the surface area of the heat exchanger and increase the temperature difference to reach the specified temperature. The heat transfer can be defined as the transfer of energy from one system to another as a result of the temperature difference, this energy transfer always occurs from a high temperature system to another lower  temperature  system  and  will  stop  after  the  two  systems  reach  the  same  temperature,  the temperature difference is the main requirement for the transfer of the system. The design of prototype heat exchanger coolermodel counter flow has been made and by utilizing MATLAB software, we have obtained mathematical model of plant order 2, to test the response of plant using simulink in MATLAB, so that the response of the plant at setpoint is still above, improve the performance or response of the plant.
. Keywords: Heat exchanger, counter flow, shell and tube cooler, MATLAB

## 1.  PENDAHULUAN
Alat penukar panas atau yang biasa disebut heat excanger adalah  alat  yang  berfungsi  untuk mentransfer  energi  panas  antara  dua  fluida  atau lebih. Heat excanger dapat berfungsi pula sebagai pembuang  panas,  yang  dalam  perencanaannya dibutuhkan pengetahuan tentang
ilmu perpindahan kalor agar dapat dilakukan rekayasa terhadap  alat  penukar  kalor  atau  panas  yang mempunyai  efektifitas  yang  tinggi  dan  dengan dimensi  yang  kecil  sehingga  dapat  menghemat energi dan biaya produksi.
Peralatan perpindahan panas yang menggunakan  fluida  ke  fluida  lainnya  adalah pemanas air – pengisi – ketel terbuka ( open feed – water heater ), tetapi yang lebih lazim digunakan adalah penukar panas dimana satu fluida terpisah dari  fluida  lainnya  oleh  suatu  dinding  atau  sekat yang  dilalui  oleh  panas,  penukar  panas  jenis
rekuperator adalah  alat  penukar  panas  yang berbentuk pipa didalam pipa.
Terdapat  berbagai  cara  untuk  meningkatkan efektifitas alat penukar kalor, menurut ilmu teknik mesin yaitu dengan cara meningkatkan koefisien perpindahan  kalor  konveksi,  meningkatkan  luas permukaan alat penukar panas dan memperbesar perbedaan  suhu  guna  mencapai  suhu  yang ditentukan [1].
Cara yang kedua untuk dapat tercapai temperatur yang diinginkan secara cepat adalah menggunakan metode kontrol, dengan input suhu fluida,  kecepatan  pompa shell ,  kecepatan  kipas pendingin  dan  diharapkan output adalah  suhu fluida yang diinginkan. Untuk memudahkan dalam perancangan  sistem  kontrol,  maka  purwarupa plant  Heat  Exchanger  harus  diketahui  model matematisnya  sehingga  dalam  penerapan  suatu metode kontrol akan sangat efektif [1].
2. KAJIAN PUSTAKA 2.1 Penelitian Sebelumnya Hairil Budiarto [2] dalam penelitiannya mengatakan bahwa variasi panjang static twisted tape dan  variasi  debit  fluida  oli  panas  memiliki pengaruh  yang  nyata  terhadap  penurunan tekanan  ( pressure  drop )  pada oil  cooler jenis counter flow, hasil dalam risetnya adalah semakin panjang static  twisted  tape yang  dipasang  pada inner tube alat penukar kalor dan dengan semakin bertambahnya  debit  aliran  fluida  panas,  pada
masing  masing  pengujian  dengan  variasi  debit fluida  oli  panas  yang  sama  akan  meningkatkan pressure drop , dan efektivitas.
Hubungan  antara  variasi  panjang static twisted  tape terhadap  penurunan  tekanan ( pressure drop ) pada pipa dalam ( inner tube ) yang ditimbulkan  akibat  adanya static  twisted  tape maupun  tanpa  pemasangan static  twisted  tape pada  tiap-tiap  variasi  debit  fluida  panas,  seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Grafik Hubungan Variasi Panjang Static Twisted Tape dan Variasi Debit Fluida Oli Panas Terhadap Penurunan Tekanan
Pada  variasi  debit  yang  sama  dengan pemasangan static  twisted  tape menyebabkan peningkatan  efektifitas  dari  alat  penukar  kalor dibandingkan  dengan  tanpa  pemasangan static twisted tape . Dengan semakin besarnya panjang static  twisted  tape ,  pada  debit  aliran  fluida  oli panas  yang  sama,  laju  perpindahan  kalor  nyata yang ditimbulkan pada masing-masing pengujian menjadi lebih tinggi.  Hal ini akan  mengakibatkan peningkatan  efektifitas  pada  masing-masing variasi  debit  pengujian.  Seperti  pada  Gambar  2 dapat  dilihat  bahwa  efektifitas  paling  baik  oleh static  twisted  tape dengan  panjang  1000  mm. Untuk  pengujian  alat  penukar  kalor  dengan pemasangan static twisted tape panjang 800 mm tidak terlalu  jauh berbeda  dengan pengujian alat
penukar kalor dengan pemasangan static twisted tape panjang 600. Panjang static  twisted  tape yang  paling  baik adalah  pada  panjang  pipa  1000mm  dengan  laju perpindahan  kalornya  sebesar  366,40  Watt  dan menimbulkan penurunan tekanan sebesar 1.106,98 Pa.
Subhransu  Padhee  [3],  pada  penelitiannya yang  berjudul Controller  design  for  temperatur control  of  heat  excanger  system  in  simulation studies ,  yang  fokus  penelitiannya  pada  analisa performansi  dari  beberapa  teknik  kontroler  yang akan  diterapkan  untuk  meregulasi  temperatur pada heat excanger , dan dari simulasi didapatkan bahwa  internal  model  control  mempunyai  nilai performansi  yang  lebih  tinggi  dibandingkan
Grafik Pengaruh Variasi Panjang Static Twisted Tape Dan Variasi Debit Fluida Oli Panas Terhadap Penurunan Tekanan  Pada Oil Cooler Jenis
Counter Flow
y = -18,721x 2 + 426,62x - 1597,3 R 2 = 0,9759 y = -2,7487x 2 + 106,29x - 166,84 R 2 = 0,9995 y = 0,792x 2 - 6,4576x + 217,7 R 2 = 0,9893 y = 4,9935x 2 - 66,306x + 1188,5 R 2 = 0,976 0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00 8 9 10 11 12 Debit (L/menit) Pe n u ru n a n T e k a n a n (P a ) tanpa turbulator panjang 600 mm
panjang 800 mm panjang 1000 mm Poly. (panjang 800 mm) Poly. (panjang 600 mm) Poly. (tanpa turbulator) Poly. (panjang 1000 mm)
metode feedback- and feedback plus-feedforward controller , implementasi menggunakan PID controller menunjukkan  derajat overshoot yang tinggi  pada setling  time yang  sama,seperti  pada Gambar 3.
Gambar 2. Grafik Pengaruh Variasi Panjang Static Twisted Tape dan Variasi Debit Fluida Oli Panas Terhadap Efektifitas
Gambar 3. Set Point Dan Load Disturbance Respon Menggunakan (A) PID Controller (B) Feedback plus Feedforward Controller (C) Internal Model Controller
Gambar 4. Respon Sistem Metode Fuzzy PID dengan Referensi Tetap
Grafik Pengaruh Variasi Panjang Static Twisted Tape Dan Variasi Debit Fluida Oli Panas Terhadap Efektivitas Pada Oil Cooler Jenis Counter Flow
y = 0,5998x 2 - 9,1244x + 92,462 R 2 = 0,9804 y = -0,2883x 2 + 7,7983x + 1,8526 R 2 = 0,972 y = 0,0799x 2 - 0,2748x + 36,661 R 2 = 0,9463 y = 0,3221x 2 - 4,9712x + 39,86 R 2 = 0,9763 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 8 9 10 11 12 Debit (L/menit) E fe k tiv ita s ( % ) tanpa turbulator panjang 600 mm panjang 800 mm
panjang 1000 mm Poly. (panjang 1000 mm) Poly. (panjang 800 mm) Poly. (panjang 600 mm) Poly. (tanpa turbulator)
Gambar 5. Sinyal PID dengan Referensi Tetap
Rohmat  Hidayat  [4],  dalam  seminar  tugas akhirnya  yang  berjudul aplikasi fuzzy  logic untuk tuning  parameter  kontrol  PID  pada  pengaturan suhu  cairan shell  and  tube  heat  excanger . Perancangan hardware nya menggunakan sensor suhu  LM35,  motor  servo  DC  yang  digunakan untuk  menggerakkan  kran  ( valve ),  sebuah pemanas ( heater ) dengan daya 300 watt dengan sumber  tegangan  AC  dan  mikrokontroler  yang berfungsi  sebagai  pusat  kendali  dan  PC, pengujian referensi dengan masukan tetap seperti ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5.

## 2.2 DASAR TEORI
Energi kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari satu sistem ke sistem yang  lain.  Pada  fluida  yang  mengalir steady di dalam  suatu  saluran  dimana  terdapat  satu inlet dan satu outlet maka laju aliran massa fluida yang masuk akan sama dengan laju aliran massa fluida keluar atau ̇ =   ̇ = ̇ , jika fluida tersebut tidak melakukan kerja maka besarnya energi kalor yang  ditansfer  akan  sama  dengan  perubahan energi  yang  terdapat  pada  sistem  tersebut, ilustrasi tentang hal ini dapat dilhat pada Gambar 6.
Gambar 6. Transfer Energi Kalor Pada Sistem Dengan Kontrol Volume [1]
Besarnya  laju  energi  kalor  pada  sistem tersebut dapat dinyatakan oleh Persamaan 1.
Q ̇ = m ̇ C p ∆T
(1)
Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai transfer energi dari suatu sistem ke sistem lainnya sebagai  akibat  dari  perbedaan  temperatur, transfer energi ini selalu terjadi dari suatu sistem bersuhu tinggi ke sistem lain  yang bersuhu lebih rendah  dan  akan  berhenti  setelah  kedua  sistem mencapai  temperatur  yang  sama,  perbedaan temperatur  merupakan  syarat  utama  untuk terjadinya perpindahan sistem tersebut.kalor, jika kedua sistem mempunyai temperatur yang sama maka  tidak  akan  ada  perpindahan  kalor  pada kedua,  model  heat  exchanger  yang  akan  dibuat seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Heat Exchanger Tipe Shell Dan Tube
Gambar 8. Perpindahan Kalor Secara Konduksi [1]
Perpindahan  kalor  konduksi  didefinisikan sebagai suatu proses perpindahan kalor memalui lapis  benda  padat,  perpindahan  kalor  konduksi dapat terjadi pada benda padat, cair maupun gas. Pada  benda  cair  dan  gas  perpindahan  kalor konduksi  terjadi  karena  adanya  tumbukan
(collision)  serta  difusi  pada  molekul  selama mengalami  gerakan  acak  akibat  kenaikan temperatur,  sedangkan  pada  benda  padat perpindahan  kalor  konduksi  terjadi  karena kombinasi getaran molekul pada kisi kisinya serta pepindahan  energi  oleh  elektron  bebas,  seperti pada Gambar 8.
Laju
perpindahan kalor konduksi dikemukakan oleh J.B.J. Fourier pada tahun 1822 yaitu  besarnya  laju  perpindahan  kalor  konduksi proporsioanal  terhadap  luas  permukaan  yang dilalui kalor, perbedaan temperatur, dan konduktivitas thermal material, namun berbanding terbalik terhadap ketebalan dari permukaan yang dilalui oleh kalor.
̇ = − ( ) ∆ (2) Perpindahan
kalor konveksi adalah mekanisme perpindahan kalor melalui lapis fluida, baik  berupa  fluida  cair  atau  gas,  seperti  pada Gambar 9.
Gambar 9. Perpindahan Panas Konveksi Dari Permukaan Panas Dengan Aliran Udara Dingin

## 2.3 DATA DAN ANALISIS DATA
Purwarupa heat  exchanger menggunakan  dua bahan bahan yang berbeda untuk shell dan tube , bahan untuk pembuatan shell menggunakan pipa acrilyc  dan  untuk tube menggunakan  bahan tembaga,  Pada  perancangan  purwarupa heat exchanger untuk pipa shell mempunyai diameter 100  mm  dan  diameter  luar  110  mm,  dengan panjang shell ditentukan  1000  mm,  seperti  pada Gambar 10.
Gambar 10. Shell Dan Tube Pada Purwarupa
Heat Exchanger
Model  purwarupa heat  exchanger tersebut, dirancang  berdasarkan heat  transfer model
staggered  tube  bank ,  sebagaimana  ditunjukkan oleh Gambar 11.
Gambar 11. Model Staggered Tube Bank
Langkah  selanjutnya  adalah  dengan  cara mengidentifikasi keluaran dari input – output plant purwarupa, sehingga didapatkan model matematis  dari  palnt  tersebut.  Model  matematis yang  dimaksud  adalah  model  transfer  function dari  plant  purwarupa  heat  exchanger  tersebut. Langkah  langkah  untuk  mendapatkan  model matematis atau transfer function dengan memanfaatkan MATLAB adalah sebagai berikut:
a)  Tentukan masukan (input) plant:
 U1 = suhu oli masuk
 U2 = suhu air masuk
 U3 = flowrate air
 U4 = flowrate oli
b)  Tentukan keluaran (output) plant:
 Y1 = suhu oli keluar
 Y2 = suhu air keluar
Berdasarkan input dan output dari plant, maka diagram  blok  identifikasi  plant  seperti  pada Gambar 12.
Gambar 12. Diagram Blok Plant.
Langkah  selanjutnya  adalah  mengambil  data keluaran  dari  input  dan  output plant purwarupa, seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Data Keluaran dari Input dan Output
Flow rate water (L/min) Temp water in (C) Temp oil in (C) Temp oil out (C) 7.63 20.02 66.41 29.79 29.49 19.04 65.92 30.76 32.01 20.63 65.92 28.32 32.18 24.41 65.92 30.76 32.35 24.74 66.41 29.79 32.16 22.46 66.89 29.79 32.40 15.23 65.92 28.81 32.21 19.28 65.92 28.81 32.21 19.28 68.36 25.39 32.23 19.74 66.89 26.37 32.21 18.35 66.41 26.37 32.33 20.02 65.43 26.86 32.18 21.21 65.92 29.30 31.87 21.23 64.94 31.74 28.26 22.28 66.89 28.81 13.22 21.48 66.41 29.79 12.89 22.81 66.89 31.25 12.88 21.42 67.87 31.74 12.88 23.44 67.87 32.71 12.89 18.79 67.38 33.20 12.87 19.77 66.89 34.18 12.89 19.74 66.41 33.69 13.05 19.28 67.38 35.64 12.87 19.46 67.38 35.64 12.90 19.72 67.38 36.13 12.88 18.30 67.38 36.13 12.89 20.18 66.89 38.57 13.06 18.42 66.89 37.11 5.09 18.21 68.85 37.60 2.54 18.63 67.87 36.62 4.91 18.14 67.87 37.11 3.73 16.21 67.87 37.11 3.91 16.42 67.38 36.13 3.73 16.86 69.34 35.64 3.73 16.77 67.87 36.62 3.73 16.23 67.87 36.13 3.73 16.28 67.87 35.64 10.35 16.18 68.36 35.16 11.02 17.23 67.87 34.18 11.02 17.58 67.87 35.64 11.00 17.70 66.41 36.62 11.04 18.25 67.87 35.64
Langkah  selanjutnya  adalah  mengolah  data input  –  output  dari  plant,  dengan  memanfaatkan software  matlab  pada  menu  identifikasi  seperti pada  Gambar  13.  Langkah  selanjutnya  adalah memplotkan  hasil  sinyal  dari  input  dan  output plant, seperti pada Gambar 14.
Gambar 13. Identifikasi Plant Dengan Software MATLAB
Gambar 14. Ploting Sinyal Input-Output
Dengan  tidak  mengubah  nilai  pole,  maka  maka model  matematis  dalam  fungsi  (s)  didapatkan, seperti pada Gambar 15.
Gambar 15. Model Transfer Function Orde 2
Gambar 16. Respon plant tanpa kontroler
Langkah selanjutnya adalah memasukkan model matematis  pada  menu  simulink  MATLAB,  dan respon  plant  bisa  dilihat  pada  scope  simulink, seperti pada Gambar 16.

## 4.  KESIMPULAN
Kesimpulan pada penelitian ini adalah:
1. Plant purwarupa  heat  exchanger  sebagai cooler  telah  berfungsi  menurunkan  fluida panas berupa oli dan media pendingin berupa air.
2.  Identifikasi plant dengan  menggunakan software  MATLAB  menghasilkan  model matematis plant orde 2.
3.  Pengujian  dengan  simulink  MATLAB  untuk setpoint  tetap  maka  respon  plant  berada  di atas setpoin.
Saran pada penelitian ini adalah:
1.  Dibutuhkan  suatu  metode  kontrol  untuk emperbaiki kinerja respon plant.
2.  Untuk media selain oli belum diteliti, sehingga butuh penelitian lebih lanjut untuk media fluida lainnya.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Cengel.  Y.A.”Heat  transfer  A  Practical Approach”. McGraw Hill Companies, Amerika, 2003.(references).
[2].  Budiarto.  Hairil,  “Decrease  in  Oil  Cooler Pressure  of  Counter  flow  With  Variation Static  Twisted  Tape  Length”.  International
Journal Of Engineering Research &
Technology,  Vol.3  –  Issue  1.  2014.e- ISSN:2278-0181.
[3].  Padhee,  Subhransu,” Controller  Design  for Temperature  Control  Of  Heat  Exchanger System: Simulation Studies” . WSEAS TRANSACTION on SYSTEM and CONTROL. E-ISSN: 2224-2856, Vol.9, 2014.
[4].  Hidayat,  Rohmat,  “Fuzzy  Logic  Application for  Tuning  PID  Control  Parameters  in  Shell Temperatur  and  Tube  Heat  Exchanger Temperatur  Setting”.  National  Conferens, Final Duty departement of Electrical Engineering Diponegoro University Semarang, 2014.
[5].  Ekasari,  Fatimah,”Fluid  Temperatur  Control on  Heat  Exchanger  Using  Algorithm  Model Predictive  Control  (MPC)”,  Journal  of Engineering
POMITS, Vol.3,No.1,.ISSN:2337-3539,2014. [6].  Syahputra,  Romadoni,”Temperature  Control Simulation  on  Heat  Exchanger  Using Adaptive Neuro-Fuzzy”. Journal of Technology, Vol.8, No.2. 2015.
[7].  Umam, F., “Water Quality Control for Shrimp Pond Using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System:  The  First  Project”.Journal  of Physics: Conference Series.2018 .