Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09

## Analisis  Efisiensi  dan  Efektifitas  Laju  Perpindahan  Panas  pada  Alat
Heat Exchanger tipe Double Pipe dengan Aliran Searah
Angga  Bahri  Pratama 1* ,  Al  Qadry 2 ,  Jandri  Fan  HT  Saragi 3 ,  Eka  Putra  Dairi  Boangmanalu 4 , Franklin Taruyun Hudeardo Sinaga 5 , Kadriadi 6 1). Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan 2,3,4,5). Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan
6). Program Studi Teknik Perawatan Mesin, Politeknik Industri Logam Morowali
* Email: anggabahri@polmed.ac.id

## ABSTRACT
Double  pipe  heat  exchangers  have  been  widely  used  in  various  fields,  one  of  which  is  in  the industrial. The design of this  heat exchanger has undergone many changes and modifications. This aims to get efficiency and effectiveness so that it can achieve maximum work on the tool. The focus of this research is to calculate and analyze the efficiency and effectiveness of the rate of  heat  transfer  in  a  double  pipe  type  heat  exchanger  with  unidirectional  flow.  The  data collection method was direct observation of the device, with an interval of two minutes for each test. The results of this study indicate that the effect of time variation on Vh = ±700 l/h, Vc = ±500 l/h fixed on the double pipe type, it can be concluded, at 2 minutes with Vh = ±700 l/h, efficiency is obtained 1.46% and effectiveness = 0.476. The longer the time in data retrieval, the efficiency increases. This can be seen in the table of research results, at 8 minutes Vh = ±700 l/h, efficiency = 1.478% and effectiveness = 0.919.
Keywords: Efficiency, effectiveness, rate of heat transfer, heat exchanger, double pipe

## 1. PENDAHULUAN
Peralatan pemindah panas ( heat exchanger ) memiliki aplikasi yang luas dalam perindustrian. Peralatan  ini  memiliki  beragam  jenis.  Salah  satu  peralatan  pemindah  panas  yang  sederhana adalah jenis double pipe . Pada heat exchanger beberapa parameter yang menjadi pertimbangan dalam  kinerja  sistem  adalah  temperatur  masuk  dan  keluar  sistem,  laju  aliran  fluida  panas  dan dingin serta besarnya penurunan tekanan. Beberapa hal teknis yang menjadi dasar pertimbangan adalah unjuk kerja, karakteristik operasional serta kemudahan perawatan heat exchanger . Heat exchanger merupakan peralatan yang digunakan untuk perpindahan panas antara dua atau lebih fluida. Banyak jenis heat exchanger yang dibuat dan digunakan dalam pusat pembangkit tenaga, unit  pendingin,  unit  pengkondisi  udara,  proses  di  industri,  sistem  turbin  gas,  dll.  Dalam heat exchanger tidak  terjadi  pencampuran  seperti  halnya  dalam  suatu  mixing  chamber.  Dalam radiator mobil misalnya, panas berpindah dari air yang panas yang mengalir dalam pipa radiator ke udara yang mengalir dengan bantuan kipas. Menurut Cengel (1997), hampir pada semua heat exchanger ,  perpindahan  panas  didominasi  oleh  konveksi  dan  konduksi  dari  fluida  panas  ke fluida  dingin,  dimana  keduanya  dipisahkan  oleh  dinding  [1].  Diantara  semua  jenis heat exchanger , double  pipe heat  exchanger adalah  yang  paling  sederhana  dalam  hal  desain,  dapat dioperasikan pada tekanan dan temperatur medium serta mudah dalam perawatannya. Cara kerja heat  exchanger type double  pipe adalah  dengan  menggunakan  fluida  panas  untuk  pipa  yang besar  dan  fluida  yang  dingin  menggunakan  pipa  kecil  yang  didorong  menggunakan  pompa, sehingga setelah bersinggungan akan menghasilkan perbedaan temperatur dan suhu [2].
Salah  satu  penunjang  keberhasilan  dalam  mencapai  jumlah  unit  maksimal  /  kapasitas produksi dalam jangka waktu tertentu yaitu dengan meningkatkan efisiensi dari alat atau mesin produksinya.  Upaya  untuk  meningkatkan  efisiensi  sesuai  dengan  fungsi  kerja  dari  alat  atau mesin  yang  digunakan,  salah  satunya  dengan  pemilihan  design  penukar  kalor  sehingga meminimalisir terjadinya beberapa kendala seperti: laju perpindahan kalor, faktor gesekan, pola aliran fluida  kerja, jenis  material heat  exchanger , efektifitas  perpindahan  kalor, dan juga jenis
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
heat exchanger . Pemilihan desain yang tepat, biaya operasional harian dan perawatan akan bisa diminimalisir [3].
Dalam  permasalahan  energi,  isu  mengenai  penggunaan  bahan  bakar  fosil,  ketimpangan penggunaan  energi  dunia,  ketersediaan  sumber-sumber  energi  serta  efisiensi  energi  dan  emisi rumah kaca menjadi hal yang mendesak untuk diselesaikan. Dalam hal transportasi energi, heat exchanger sebagai  peralatan  yang  menangani  energi  termal  banyak  digunakan  dalam  industri perhotelan,  perminyakan,  pembangkit  listrik,  petrokimia,  pendingin  maupun  industri  lainnya [4].
Umumnya  penukar  kalor  digunakan  dalam  jangka  panjang  dan  tanpa  merubah  kondisi operasinya.  Untuk  itu  yang  perlu  diperhatikan  adalah  jenis  fluida  yang  bekerja  di  dalamnya, dimensi  yang  dibutuhkan,  serta  bentuk  konfigurasinya.  Dalam  analisis  kinerja  alat  penukar kalor,  hukum  pertama  termodinamika  menyatakan  bahwa  perpindahan  kalor  rata-rata  antara fluida panas sama dengan perpindahan kalor rata-rata pada fluida dingin. Untuk mempermudah analisis  penukar  kalor  diperlukan  kombinasi  laju  aliran  massa  dengan  panas  spesifik  fluida sehingga  menjadi  satu  kuantitas  yang  disebut  kapasitas  panas  rata-rata.  Untuk  itu,  tulisan  ini bertujuan  untuk  menganalisis  kinerja  alat  penukar  kalor  yang  digunakan  untuk  mendinginkan generator, seberapa efektif dan berapa besar laju perpindahan panas yang terjadi antara air dan udara yang akan didinginkan di dalam alat penukar kalor tersebut [5].

## Pendekatan dengan cara LMTD
Laju perpindahan kalor dari refrigerant ke air pendingin, dihitung menggunakan persamaan LMTD (Holman, J, 2010)
Q = U x A x (ΔT) LMTD (1) Tw [ ]   [ ] (2)
Qh = ṁ X Cph {Th 1 - Th 2 } (3)
Qc = ṁ X Cph {Tc 2 – Tc 1 } (4)
Untuk mendapatkan ρ dan Cp dari Th = (5)
Nilai Th bisa ditentukan dari tabel A.9 (Holman, J, 2010). Q nyata = Q air panas = Q air dingin
Setelah semua perhitungan di atas selesai, maka langkah selanjutnya adalah mencari efisiensi.
η = (6)
Menurut Incropera dan Dewitt (1981), efektivitas suatu heat exchanger didefinisikan sebagai perbandingan  antara  perpindahan  panas  yang  diharapkan  (nyata)  dengan  perpindahan  panas maksimum yang mungkin terjadi dalam heat exchanger tersebut.
å (7)
Perpindahan  panas  yang  diharapkan  dalam  penelitian  ini  adalah  perpindahan  panas  yang diterima udara dingin:
Q udara dingin = (m.cp) udara dingin (Tc,o – Tc,i)
(8)
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
Sedangkan  perpindahan  panas  maksimum  yang  mungkin  terjadi  dalam heat  exchanger ditentukan sebagai berikut: Jika (m.cp) udara dingin > (m.cp) udara panas , maka Q max = (m.cp ) udara panas (Th,i–Tc,i) Jika (m.cp) udara dingin < (m.cp) udara panas, maka Q max = (m.cp) udara dingin (Th,i-Tc,i)
Perpindahan  panas  maksimum  terjadi  bila  salah  satu  fluida  mengalami  perbedaan  suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam heat exchanger tersebut, yaitu selisih antara suhu  masuk  fluida  panas  dan  fluida  dingin.  Fluida  yang  mungkin  mengalami  perbedaan  suhu maksimum ini ialah fluida yang mempunyai nilai kapasitas panas (m.cp) minimum. Dengan demikian efektivitas heat exchanger dalam penelitian ini adalah:
å=
(9)
Zalir  dapat  bersikulasi  dalam  dua  cara  yang  berbeda,  yaitu  pada  arah  yang  sama  dan  yang berlawanan [pedoman pignat].
Gambar 1. Skema aliran pada arah yang sama
Pada gambar 1 di atas, arah aliran untuk air dingin sama dengan arah aliran masuk air panas. Zalir dingin masuk pada suhu t1 dan keluar dengan suhu t2. Gambar di atas juga menunjukkan bahwa zalir panas masuk pada suhu T1 dan keluar dengan suhu T2.
Gambar 2. Skema aliran pada arah yang berlawanan
Gambar 2 di atas menunjukkan bahwa, zalir panas memasuki penukar panas pada suhu T1 dan keluar pada suhu T2, sedangkan zalir dingin masuk pada suhu t1 dan keluar pada suhu t2. Perbedaan suhu diantara zalir-zalir, tetap konstan sepanjang alat penukar kalor. Lebih jauh lagi, suhu pada saluran keluar untuk zalir panas, dapat lebih rendah daripada suhu di saluran keluar zalir dingin.
Pada penelitian ini, laju aliran massa udara panas dibuat sama dengan laju aliran massa udara dingin. Hal ini dilakukan untuk menghilangkan pengaruh laju aliran massa dalam perpindahan panas antara udara panas dan udara dingin, mengingat panas jenis (cp) udara panas hampir sama
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
dengan panas jenis udara dingin. Ketika laju aliran massa keduanya dibuat sama, maka kenaikan atau  penurunan  suhu  benar-benar  disebabkan  perpindahan  panas  di  antaranya.  Pada  studi perhitungan  ini,  digunakan  untuk  mengetahui  efisiensi  dan  efektifitas  agar  memiliki  kinerja yang  baik  sehingga  diperoleh  hasil  yang  maksimal  dari  alat  penukar  kalor  pada  alat  penukar kalor tipe double pipe dengan fluida panas dan fluida dingin berupa air. [intan]

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  laboratorium  ELDA,  Politeknik  Negeri  Medan.  Adapun  alat yang  digunakan  pada  penelitian  adalah Heat  exchangers  Pignat model  BME/4000  dengan dimensi L (165 cm), P (90 cm), H (190 cm).

## 2.1. Proses Pengambilan Data
Adapun proses pengambilan data adalah sebagai berikut:
● Hal  pertama  yang  dilakukan  adalah  memeriksa  kondisi  mesin  dan  lingkungan disekitarnya.
● Membuka katup supplay air (sumber air).
● Buka katup supply air yang berada di mesin.
● Pada  penelitian  ini  menggunakan  tipe double  pipe, maka  buka  katup  EXCH1  disisi kanan dan kiri secara bersamaan
● Hidupkan panel/layer, kemudian atur ke tampilan untuk pengambilan data EXCH1.
● Hidupkan  pompa  untuk  menaikkan  temperatur  dan  mendistribusikan  air  ke  mesin dengan cara memutar switch on dan tekan tombol play.
● Tekan tombol berbentuk logo api untuk menaikkan temperatur air hingga ±50°C.
● Setelah temperatur air sudah mencapai ±50°C, buka katup V3 (supply air panar) untuk penukar EXCH1.
● Atur Qh ( hot water flow ) menjadi 700 l/h dan Qc ( cold water flow ) menjadi 600 l/h.
● Setelah itu atur arah aliran air menjadi searah.
● Biarkn mesin beroperasi ± 5 menit.
Gambar 3. Heat exchangers Pignat model BME/4000
● Ambil  data  yang  tertera  pada  layar  selama  selang  waktu  yang  sudah  ditentukan  (2 menit).
● Apabila pengambilan data selesai, matikan pompa dengan menekan tombol berlogo api terlebih dahulu, sampai suhu yang terbaca di pompa ±30°C.
● Setelah  mencapai  suhu  tersebut,  pompa  dimatikan  sembari  menutup  katup-katup  yang dibuka pada saat langkah awal pengambilan data.
● Matikan layar pada mesin serta sumber arus, dan proses pengambilan data selesai.
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09

## 2.2. Alat dan bahan
 Alat
Adapun alat yang digunakan pada penelitian ini, adalah sebagai berikut:
 Heat exchanger pignat model BME/4000
 Thermo bath (sumber air panas)
 Pompa
 Stopwatch
 Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
 Fluida (air)

## 2.3. Metode pengambilan data
Tabel 1. Form untuk data hasil penelitian Percobaan ±Vh (l/h) Thin (°C) Thout (°C) ±Vc (l/h) Tcin (°C) Tcout (°C) 1 2 3
Tabel  di  atas  adalah  form  untuk  pengisian  hasil  penelitian  yang  dikerjakan.  Adapun  langkah- langkah dalam proses pengambilan data adalah sebagai berikut:
 Pada penelitian ini, dilakukan tiga kali percobaan.
 Data yang diambil adalah Vh, Vc, Thin, Thout, Tcin dan Tcout.
 Selang waktu pengambilan data untuk masing-masing percobaan adalah 2 menit.
 Sebelum  mengambil  data  yang  ditunjukkan  di  layar,  fluida  yang  ada  di  mesin,  dibiarkan mengalir ±5 menit yang dibantu dengan pompa.
 Setelah mencapai waktu dan suhu kerja, maka data penelitian bisa dicatat.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil
Data  hasil  pengujian  laju  perpindahan  panas  pada  alat heat  exchanger tipe double  pipe dengan aliran searah dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 2. Data hasil penelitian
Percobaan ±Vh (l/h) Thin (°C) Thout (°C) ±Vc (l/h) Tcin (°C) Tcout (°C) 1 700 46.2 41.0 600 27.7 36.5 2 700 46.5 41.3 600 27.8 36.7 3 700 46.8 41.5 600 27.8 36.9
Berdasarkan  tabel  di  atas  dan  gambar  4,  5  dan  6,  bisa  dilihat  kecendrungan  data  Thin berbanding lurus dengan lamanya waktu pengambilan data. Pada percobaan pertama, temperatur yang  dideteksi  oleh  sensor  TT1  adalah  46.2°C.  Berdasarkan  buku  panduan  penggunaan Heat exchanger  Pignat, TT1  merupakan  sensor  untuk  mendeteksi  temperatur  air panas  yang  masuk ke dalam sistem. Temperatur pada Thout percobaan pertama, terbaca 41.0°C. Hasil ini dideteksi oleh sensor dengan kode TT2. Untuk aliran air dingin, pembacaan temperaturnya terdapat pada sensor  dengan  kode  TT3  dan  TT4.  TT3  membaca  temperatur  air  dingin  yang  masuk  kedalam sistem,  sedangkan  pada  TT4  merupakan  sensor  yang  membaca  temperatur  air  dingin  yang keluar dari sistem.
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
Gambar 4. Data percobaan 1
Gambar 5. Data percobaan 2
Gambar 6. Data percobaan 3
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
Pada  percobaan  ketiga,  selang  waktu  yang  semakin  lama,  juga  berpengaruh  terhadap temperatur yang dihasilkan. Thin yang terbaca pada percobaan ketiga naik menjadi 46.2 °C dan 41.5 °C untuk Thout. Hal ini juga berlaku untuk Tcin dan Tcout.

## 3.2. Pembahasan
Percobaan 1
 Temperatur rata-rata air panas
Th =
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua = 43.8
 Percobaan ketiga = 43.9
 Percobaan keempat  = 44.15
 Menghitung Cp Air Panas ( menggunakan interpolasi)
Cp =
= 0.04856 x {0} + 4.174
= 4.174 kj/kg°C
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua = 4.174
 Percobaan ketiga = 4.174
 Percobaan keempat  = 4.174
 Laju aliran air panas (Qh)
ṁh = ρ x Qh = 997 kg/m 3 x 1.94 x 10 -3 = 0.1934
Qh = ṁ x Cph {Th 1 - Th 2 }
= 0.1934 x 4.174 x {46.2 – 41} = 0.807 x 5.2
= 4.197 m 3 /s
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua = 4.1964
 Percobaan ketiga = 4.1964
 Percobaan keempat  = 4.2771
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
 Temperatur rata-rata air dingin
Th =
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua  = 32.2
 Percobaan ketiga  = 32.25
 Percobaan keempat = 32.35
 Menghitung Cp Air Dingin ( menggunakan interpolasi)
Cp =
= 0.978 x {-0.005} + 4.179
= 4.1741 kj/kg°C
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua  = 4.174
 Percobaan ketiga  = 4.174
 Percobaan keempat= 4.174
 Laju aliran air dingin (Qc)
ṁc = ρ x Qc = 997 kg/m 3 x 1.67 x 10 -4 = 0.1665
Qc = ṁ x Cpc {Tc 1 - Tc 2 }
= 0.1665 x 4.1741 x {36.5 – 27.7} = 0.69499 x 8.8
= 6.1159 m 3 /s
Untuk  percobaan  kedua,  ketiga,  dan  keempat.  Dengan  rumus  dan  perhitungan  yang sama didapatkan hasil sebagai berikut:
 Percobaan kedua  = 6.1157
 Percobaan ketiga  = 6.185
 Percobaan keempat = 6.3423
 Efisiensi
η = =
Url: https://ceredindonesia.or.id/index.php/mesil Vol.04, No.02, Desember 2023, Hal 01-09
 Efetktifitas
ε =

## 4. KESIMPULAN
Pada penelitian ini, yaitu menganalisis efisiensi dan efektifitas laju perpindahan panas telah berhasil  dihitung  dan  dianalisa.  Setelah  dilakukan  penelitian  dan  Analisa,  hasil  penelitian  ini menunjukkan bahwa pengaruh variasi waktu terhadap Vh = ±700 l/h, Vc = ±500 l/h yang dibuat tetap  pada  tipe double  pipe ,  dapat  disimpulkan,  pada  waktu  2  menit  dengan  Vh  =  ±700  l/h, didapatkan  efisiensi  1.46%  dan  efektifitas  =  0.476.  Semakin  lama  waktu  dalam  pengambilan data,  maka  efisiensi  semakin  meningkat.  Hal  ini  bisa  dilihat  pada  tabel  hasil  penelitian,  pada waktu 8 menit Vh = ±700 l/h, didapatkan efisiensi = 1.478% dan efektifitas = 0.919.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  banyak  kepada  pihak-pihak  yang  sudah  terlibat  pada penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Handoyo,  E.A,  “Pengaruh  Kecepatan  Aliran  Terhadap  Efektivitas  Shell-and-Tube  Heat Exchanger,” in JURNAL TEKNIK MESIN Vol. 2, No. 2, Oktober 2000: 86 – 90.
[2] Harini,  “Analisis  Perhitungan  Laju  Perpindahan  Panas  Alat  Penukar  Kalor  Type  Pipa Ganda  Di  Laboratorium  Universitas  17  Agustus  1945  Jakarta,”  Jurnal  Konversi  Energi dan Manufaktur UNJ, Edisi terbit II– Oktober 2017.
[3] I.  M.  Ainursyiam  and  N.  Hendrawati,  “Studi  Perhitungan  Heat  Exchanger  Tipe  Double Pipe  Sebelum  Reaktor  Pada  Pra-Rancangan  Pabrik  Kimia  Cucumber  Soap  Kapasitas Produksi 6.300 Ton/Tahun,” Distilat. 2022, 8 (2), 367-376.
[4] Putu. W. S, Daud. S. A, and Wayan. G. S, “Efektifitas Perpindahan Panas Pada Double Pipe  Heat  Exchanger  Dengan  Groove,” Proceeding  Seminar  Nasional  Tahunan  Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) , Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015.
[5] Anwar,  Khairil,  “Efektivitas  Alat  Penukar  Kalor  Pada  Sistem  Pendingin  Generator PLTA,” in “MEKTEK” Tahun XIII No. 3, September 2011.
[6]            Rue  Calmette  BP,  Pignat; Heat  Exchanger .  MP-21311186.  Prancis  :  GENAS  cedex Prancis, 2014.