## ANALISIS PENGARUH EFEKTIVITAS PERPINDAHAN PANAS DAN TAHANAN TERMAL TERHADAP RANCANGAN TERMAL ALAT PENUKAR KALOR SHELL & TUBE

## Chandrasa Soekardi
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta 11650 Email: csoekardi@gmail.com
Abstrak --  Kajian  dalam  tulisan  ini  berisi  gambaran  tentang  hasil  analisis  pengaruh  rata-rata  faktor efektivitas perpindahan panas dan faktor koefisien perpindahan panas global terhadap dimensi utama hasil  perancangan  APK  shell  &  tube  dengan  metode  efektivitas-NTU.  Faktor  efektivitas  perpindahan panas 35%, 40%,  dan 45% dan koefisien perpindahan panas global 1700 W/m 2 K, 1900 W/m 2 K, dan 2100  W/m 2 K  dipilih  sebagai  batasan  experimen.  Hasil  rangkaian  perhitungan  menunjukkan  bahwa APK  memiliki  dimensi  utama  yang  paling  ekonomis  pada  saat  dirancang  dengan  menggunakan efektivitas perpindahan panas 35% dan koefisien perpindahan panas global 2100 W/m 2 K.
Kata  kunci :  efectivitas  perpindahan  panas,  koefisien  perpindahan  panas  global,  jumlah  tube, diameter shell, kecepatan aliran di dalam tube
Abstract --  This  study  presents  analysis  results  of  the  influence  of  heat  transfer  effectiveness  and overall  heat  transfer  coefficient  onto  thermal  design  of  a  shell  &  tube  heat  exchanger  using  the effectiveness-NTU method. The  heat transfer effectiveness factor of  35%, 40%,  45% and  the  overall heat transfer coefficient factor of 1700 W/m 2 K, 1900 W/m 2 K, 2100 W/m 2 K are considered as variables. The results show that the heat exchanger will have an optimum dimension when it is designed using the  heat  transfer  effectiveness  factor  of  35%  and  the  overall  heat  transfer  coefficient  factor  of  2100 W/m 2 K.
Keywords :  heat transfer effectiveness, overall heat transfer coefficient, tube number, shell diameter, tube side velocity

## 1. PENDAHULUAN
Konsep efisiensi dipergunakan pad banyak bidang  teknik  untuk  menilai  seberapa  besar performance  suatu  sistem  atau  mesin  pada kondisi  tertentu.  Pada  peralatan  penukar  kalor, efisiensi  atau  efektivitas  perpindahan  panas  di dalam  sebuah  alat  penukar  kalor  (APK) didefinisikan  sebagai  perbandingan  antara  laju perpindahan panas yang aktual atau sebenarnya terjadi  di  dalam  sebuah  APK  dengan  laju perpindahan  panas  maksimum  yang  mungkin secara termodinamika berlangsung di  dalam alat tersebut.
Konsep  efektivitas  perpindahan  panas merupakan  salah  satu  pendekatan  yang  banyak dipergunakan  dalam  kegiatan  analisis  atau perancangan  sebuah  APK,  di  samping  metode beda temperatur rata-rata logaritmik. Perancangan sebuah APK menggunakan metode  beda  temperatur  rata-rata  logaritmik memerlukan  tersedianya  data  tentang  keempat temperatur  terminal  dari  kedua  fluida  yang bekerja  di  dalam  APK.  Dalam  hal  data  yang tersedia hanya salah satu  dari temperatur kedua fluida kerjanya maka penerapan metode tersebut
akan memerlukan perhitungan iterasi yang cukup kompleks  dan  membutuhkan  banyak  waktu. Sebagai alternatif untuk menghindari permasalahan  tersebut  kita  dapat  menerapkan metode yang didasarkan pada konsep efektivitas perpindahan panas.
Dimensi utama sebuah APK hasil perancangan dengan metode efectivitas perpindahan  panas  sangat  bergantung  kepada harga efektivitas perpindahan panas dan tahanan termal  yang  kita  pilih.  Salim  Fetaka et  al. telah melakukan studi tentang
optimalisasi
perancangan  sebuah  APK  shell  &  tube  dengan menetapkan beberapa parameter sebagai variabel, dan hasilnya menunjukkan bahwa biaya bagi  APK  hasil  optimalisasi  menjadi  lebih ekonomis.  Di  tempat  yang  lain,  Z.Y.  Guo  et  al. melakukan  studi  dan  mengembangkan  korelasi antara  efektivitas  perpindahan  panas  dan tahanan  termal,  dan  hasilnya  memperlihatkan bahwa  kedua  parameter  tersebut  tidak  memiliki ketergantungan  dengan  konfigurasi  aliran  fluida di dalam APK. Mereka juga menunjukkan bahwa penurunan  efektivitas  perpindahan  panas  yang terjadi  akibat  naiknya  tahanan  termal  di  dalam
APK  dapat  dijelaskan  menggunakan  konsep irreversibilitas.  Sementara  itu,  penelitian  Lin Chen et  al. menunjukkan  bahwa  hubungan antara  pembangkitan  entropi  minimum  dengan laju  perpindahan  panas  maksimum  adalah  tidak nampak.  Sebagai  dampaknya  adalah  bahwa prinsip  pembangkitan  entropi  minimum  tidak dapat dipergunakan untuk mengoptimalkan perpindahan panas.
Kajian  pada  tulisan  ini  bermaksud  untuk memperoleh gambaran seberapa besar pengaruh  harga  efektivitas  perpindahan  panas dan  tahanan  termal  terhadap  hasil  perancangan sebuah  alat  penukar  kalor.  Untuk  keperluan tersebut serangkaian eksperimen dengan menerapkan  beberapa  variasi  pada  harga efektivitas  perpindahan  panas  dan  tahanan termal  akan  dilakukan.  Tujuan  utamanya  adalah untuk mengidentifikasi kondisi perancangan yang paling  optimal,  yaitu  kondisi  perancangan  yang memberikan  hasil  design  berupa  dimensi  utama yang paling ekonomis.

## 2. METODE
Untuk melaksanakan rangkaian
eksperimen untuk mengidentifikasi kondisi perancangan  yang  paling  optimal  maka  pada tahap pertama perhitungan perancangan sebuah APK  dengan  metode  efektivitas-NTU  akan dilakukan.
Sebagai  objek  studi  dipilih  perancangan sebuah  APK  shell  &  tube  yang  akan  berfungsi sebagai pemanas 60 000 kg/h aliran larutan gula bertemperatur  25 o C  pada  instalasi  industri pengolahan  gula.  Sementara  itu  sebagai  media pemanas  tersedia  75  000  kg/h  aliran  air  panas bertemperatur 80 o C. Untuk keperluan APK akan dipergunakan tube berukuran ¾” dengan panjang 3  m,  dan  membentuk  aliran  dengan  pola  2 lintasan  di  dalam  bagian  shell.  Berkas  tube  di dalam APK akan disusun menurut bentuk lay-out 45 o ,  dengan  jarak  antar  tube  per  diameter luarnya dipilih sebesar 1,25.
Selanjutnya, dengan kondisi termal seperti tersebut  di  atas  akan  dilakukan  perhitungan perancangan  dengan  metode  efektivitas-NTU untuk menganalisis besarnya parameter- parameter  :  laju  perpindahan  panas  yang  terjadi di  antara  kedua  fluida  kerja  di  dalam  APK,  luas permukaan  perpindahan  panas  yang  diperlukan, dimensi  utama  APK  (jumlah  tube  dan  diameter
shell  yang  diperlukan),  dan  temperatur  kedua fluida  kerja  saat  meninggalkan  APK  fungsi  dari beberapa  harga  efektivitas  perpindahan  panas dan  tahanan  termal  kedua  fluida  kerja.  Dalam studi  ini  tahanan  termal  kedua  fluida  kerja dinyatakan dengan parameter koefisien perpindahan panas global.
Tabel 1.  Beragam kondisi perancangan APK No. Kondisi Perancangan Efektivitas (%) Koefisien, Uf (W/m 2 K) 1 35 1700 2 35 1900 3 35 2100 4 40 1700 5 40 1900 6 40 2100 7 45 1700 8 45 1900 9 45 2100
Kemudian,  untuk  memperoleh  gambaran seberapa  besar  pengaruh  harga  efektivitas perpindahan panas dan tahanan termal terhadap hasil  perancangan  APK,  dalam  studi  ini  dipilih menggunakan  harga  efektivitas  perpindahan panas 35%, 40%, dan 45% serta harga koefisien perpindahan  panas  global  1700  W/m 2 K,    1900 W/m 2 K,  dan  2100  W/m 2 K  sebagai  variabel bebas.  Terdapat  sejumlah  9  buah  experimen dengan  kondisi  perancangan,  yaitu  kombinasi efektivitas  perpindahan  panas  dan  koefisien perpindahan  panas  global,  yang  berbeda-beda seperti yang diperlihatkan pada Tabel 1.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Rangkaian perhitungan perancangan  yang meliputi  laju  perpindahan  panas  yang  terjadi  di antara  kedua  fluida  kerja  di  dalam  APK,  luas permukaan  perpindahan  panas  yang  diperlukan, dimensi  utama  APK  (jumlah  tube  dan  diameter shell  yang  diperlukan),  dan  temperatur  kedua fluida  kerja  saat  meninggalkan  APK  bagi  ke sembilan  kondisi  perancangan  tersebut  di  atas telah dilakukan.
Gambar 1.  Perbandingan jumlah tube bagi kesembilan kondisi perancangan yang berbeda-beda
Pada Gambar 1 diperlihatkan hasil perhitungan  jumlah  tube  yang  diperlukan  APK untuk  kesembilan  kondisi  perancangan  yang berbeda-beda.  Bagi  sebuah  APK  shell  &  tube, semakin  banyak  jumlah  tube  yang  diperlukan  di dalam  APK  akan  semakin  besar  pula  diameter shellnya,  dan  pada  akhirnya  semakin  besar  juga dimensi  utama  APK.  Dalam  keadaan  yang sebaliknya, APK semakin ekonomis.
Selanjutnya,  apabila  kesembilan  kondisi perancangan  tersebut  diperbandingkan  satu dengan  lainnya  maka  terlihat  bahwa  kondisi
perancangan  No.  3  memberikan  jumlah  tube yang paling sedikit (79 tubes). Dalam hal ini, APK akan memiliki jumlah tube  yang paling ekonomis apabila  dirancang  dengan  menggunakan  harga efektivitas perpindahan panas 35% dan koefisien perpindahan panas 2100 W/m 2 K.
Hasil  perhitungan  yang  disajikan  pada Gambar  2  juga  memperlihatkan  apabila  APK dirancang  dengan  kondisi  perancangan  No.  3 juga  memberikan  diameter  shell  yang  paling ekonomis (25 cm).
Gambar 2.  Perbandingan Diameter shell bagi kesembilan kondisi perancangan yang berbeda-beda
97 87 79 119 106 96 144 129 117 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Jumlah tube 27.8 26.3 25 30.7 29.1 27.7 33.9 32 30.5 20 22 24 26 28 30 32 34 36 1 2 3 4
5 6 7 8 9

## Diameter shell (cm)
Gambar 3.  Kecepatan rata-rata aliran air di dalam tube bagi kesembilan kondisi perancangan
Gambar  3.  memperlihatkan  perkiraan besarnya  kecepatan  rata-rata  aliran  air  panas  di dalam  bagian  tube  untuk  berbagai  kondisi perancangan  yang  berbeda-beda.  Dari  hasil tersebut terlihat bahwa walaupun kondisi perancangan  No.  3  memberikan  jumlah  tube
yang paling ekonomis namun kecepatan rata-rata aliran  di  dalam  tube  paling  besar  dibandingkan dengan  kondisi  perancangan  lainnya,  walaupun masih  dalam  batas-batas  yang  lazim  bagi  aliran fluida air di dalam tube.
Gambar 4.  Perbandingan besarnya pengaruh rata-rata efektivitas dan koefisien perpindahan panas global terhadap jumlah tube APK Pada
Gambar
4
diperlihatkan perbandingan besarnya pengaruh rata-rata faktor efektivitas  perpindahan  panas  35%,  40%,  dan 45%  dan  faktor  koefisien  perpindahan  panas global  1700  W/m 2 K,  1900  W/m 2 K,  dan  2100 W/m 2 K  terhadap  jumlah  tube  hasil  perancangan APK. Dibandingkan dengan efektivitas perpindahan  panas  40%,  dan  45%,  terlihat
bahwa faktor efektivitas perpindahan panas 35% memberikan  pengaruh  yang  lebih  baik  karena memberikan  dampak  terhadap  jumlah  tube  yang paling  sedikit.  Pada  sisi  yang  lain,    faktor koefisien perpindahan panas global 2100 W/m 2 K memberikan  pengaruh  yang  lebih  baik.  Hasil analisis tentang perbandingan besarnya pengaruh  rata-rata  efektivitas  dan  koefisien
0.79 0.89 0.98 0.65 0.72 0.8 0.53 0.6 0.66 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9

## kecepatan aliran di tube (m/s)
60 70 80 90 100 110 120 130 140 E35% E40% E45% U-1700
U-1900 U-2100 Pengaruh rata-rata terhadap Jumlah tube
Jumlah tube rata-rata
perpindahan  panas  global  terhadap  jumlah  tube APK  mengkonfirmasikan  bahwa  rancangan  APK yang  optimal  yaitu  dengan  dimensi  utama  yang paling ekonomis dapat diperoleh dengan menggunakan  efektivitas  perpindahan  panas 35%  dan  koefisien  perpindahan  panas  global 2100 W/m 2 K (kondisi perancangan No.3). Gambaran tentang perbandingan besarnya pengaruh rata-rata faktor  efektivitas perpindahan panas  dan  faktor  koefisien  perpindahan  panas
global  terhadap  diameter  shell  APK  diberikan pada Gambar 5.
Sama halnya dengan pengaruhnya terhadap jumlah tube, hasil perhitungan menunjukkan bahwa faktor efektivitas perpindahan  panas  35%  dan  faktor  koefisien perpindahan panas global 2100 W/m 2 K memberikan pengaruh yang lebih baik diabndingkan dengan faktor lainnya.
Gambar 5.  Perbandingan besarnya pengaruh rata-rata efektivitas dan koefisien perpindahan panas global terhadap diameter shell APK
Gambar 5.  Perkiraan besarnya temperatur rata-rata aliran larutan gula saat meninggalkan APK (T co ) dan temperatur rata-rata aliran air pemanas saat meninggalkan APK (T ho ) 24.0 25.0 26.0 27.0 28.0 29.0 30.0 31.0 32.0 33.0 E35% E40% E45% U-1700
U-1900 U-2100
Pengaruh rata-rata terhadap Diameter shell Diameter shell rata-rata 40 45 50 55 60 65 70 1 2 3 4
5
6 7 8 9 Tco Tho
Hasil perhitungan pada Gambar 5 memperlihatkan  bahwa  besarnya  temperatur rata-rata  aliran  larutan  gula  saat  meninggalkan APK  (T co )  dan  temperatur  rata-rata  aliran  air pemanas  saat  meninggalkan  APK  (T ho )  tidak bergantung kepada koefisien perpindahan panas global,  namun  berubah  dengan  berubahnya harga efektivitas perpindahan panas  yang terjadi di dalam APK.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  pengujian  dan  analisa  yang telah dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal, yaitu:
a.  Analisis  pengaruh  rata-rata  faktor  efektivitas perpindahan  panas  dan  faktor  koefisien perpindahan  panas  global  terhadap  dimensi utama  hasil  perancangan  APK  shell  &  tube telah  dilakukan.  Hasil  analisis  kemudian dipergunakan  untuk  menentukan  batasan termal  yang  memberikan  hasil  perancangan yang paling optimal.
b.  Setelah  memperbandingkan  pengaruh  faktor efektivitas perpindahan panas 35%, 40%, dan 45% serta faktor koefisien perpindahan panas global  1700  W/m 2 K,  1900  W/m 2 K,  dan  2100 W/m 2 K  diketahui  bahwa  dimensi  utama  APK yang paling ekonomis dapat diperoleh dengan menggunakan  efektivitas  perpindahan  panas
35%  dan  koefisien  perpindahan  panas  global 2100 W/m 2 K.
c.  Namun  demikian,  pada  APK  dengan  dimensi utama yang paling ekonomis tersebut memiliki kecepatan  rata-rata  aliran  di  dalam  tube paling  besar,  walaupun  masih  dalam  batas- batas yang lazim bagi aliran fluida air di dalam tube.

## DAFTAR PUSTAKA
1.  Salim Fetaka et al. “Design of shell and tube heat exchangers using multiobjective optimization”,  International  Journal  of  Heat and Mass Transfer, vol.60, May 2013, p.343- 354
2. Z.Y.  Guo  et  al.  “Effectiveness-thermal resistance method for heat exchanger design and  analysis”,  International  Journal  of  Heat and  Mass  Transfer,  vol.53,  June  2010, p.2877-2884
3. Lin  Chen  et  al.  “Optimization  for  a  Heat Exchanger  Couple  based  on  the  Minimum Thermal  Resistance  Principle”,  International Journal  of  Heat  and  Mass  Transfer,  vol.52,
October 2009, p.4778-4784
4.  Kakac, Sadik & Liu, Hongtan, Heat
Exchanger:  Selection,  Rating,  and  Thermal
Design,USA, CRC Press, 2002