## KAJIAN VARIASI OD TUBE HEAT EXCHANGER SHELL & TUBE TERHADAP TEMPERATUR DAN LAJU PERPINDAHAN PANAS DENGAN HEAT TRANSFER RESEARCH INC
Aji Abdillah Kharisma (1*) dan Rangga Triatmaja (1)
(1) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma Depok, Jawa Barat, Indonesia
(*) E-mail Corresponding Author : ajiabdillah@staff.gunadarma.ac.id

## Abstrak
Pada proses produksi lempengan plat ( metal slab ) membutuhkan mesin yang bekerja secara terus- menerus.  Mesin  yang  digunakan  dalam  produksi metal  slab adalah  mesin hot  strip  mill yang dijalankan dengan sistem hidrolik. Proses produksi lempengan plat membutuhkan waktu yang lama sehingga  menimbulkan  suhu  panas  yang  tinggi  pada  mesin,  oleh  karena  itu  perlu  membutuhkan suatu alat penukar panas untuk mencegah terjadi nya overheat yang berlebihan. Pada peneltian ini akan  dilakukan  kajian  dari  alat  penukar panas shell & tube dari variasi OD  tube terhadap output yang  akan  dihasilkan  yaitu  temperature  dan  laju  perpindahan  panas.  Tipe  aliran  yang  digunakan adalah counterflow , baffle bertipe double segmental , tubepasses berjumlah dua pass dengan fluida air dari cooling tower pada sisi tube dan fluida oli pada sisi shell serta desain variasi OD tube yang dibuat adalah 19,050 mm, 22,225 mm dan 25,400 mm pada software HTRI.
Kata Kunci: OD tube, laju perpindahan panas, HTRI, shell & tube.

## Abstract
The metal slab production process requires a machine that works continuously. The machine used in the production of the metal slab is a hot strip mill which is run by a hydraulic system. The plate production process takes a long time, causing high heat temperatures in the machine, therefore it is necessary to require a heat exchanger to prevent excessive overheating. In this research, a study of the shell & tube heat exchanger will be carried out from the variation of the OD tube to the output to be produced, namely the heat transfer rate. The type of flow used is counterflow, double segmental baffle, two-pass tube passes with water fluid from the cooling tower on the tube side and oil fluid on the shell side and the design variations of the OD tube made are 19,050 mm, 22,225 mm, and 25,400 mm in the HTRI software.
Keywords: OD Tube, Heat Transfer Rate, HTRI, Shell & tube.

## 1 PENDAHULUAN
Kinerja produksi memerlukan tingkat efektifitas yang sangat tinggi untuk memenuhi kuantitas dan kualitias suatu produk yang dihasilkan khususnya pada proses produksi lempengan plat ( metal slab ) pada mesin Hot Strip  Mill ,  Selain  itu,  kinerja  dari  suatu  mesin  juga mengacu  pada  pencapaian  stabilitas  yang  baik  serta kontinuitas  ( continuity )  pada  proses  beroperasinya suatu  mesin.  Produksi  lempangan  plat  memerlukan sebuah mesin hot strip mill yang bekerja secara terus- menerus  setiap  hari  dalam  memproduksi  suatu lempangan  plat  baja  dalam  kapasitas  yang  besar, sehingga untuk menghindari overheat yang berlebihan  pada  mesin  produksi  tersebut  khususnya mesin hot  strip  mill ,  maka  akan  digunakan  alat penukar panas ( heat exchanger ) jenis shell and tube . Heat  exchanger adalah  suatu equipment yang berfungsi  untuk  menukar  panas  antara  jenis  fluida
dingin  dan  panas  dengan  konsep  perpindahan panas atau disebut dengan heat transfer . Perancangan heat exchanger memerlukan  perhitungan  matematis berdasarkan perpindahan panas yang terjadi sehingga prediksi  nilai  matematis  harus  sesuai  dengan  teori yang  sudah  ada,  rangkaian  perhitungan heat exchanger cukup rumit mulai  menentukan  luas  area perpindahan panas, jumlah pass dan tube yang sesuai, diameter shell ,  menghitung  koreksi  koefisien perpindahan  kalor  keseluruhan  yang  harus  kurang dari 30%, dan menghitung over desain yang kurang dari  30%.  Jika  nilai  koreksi  koefisien  perpindahan kalor  keseluruhan  dan  nilai  over  desain  memenuhi berdasarkan  syarat  tersebut  maka  desain  layak dilanjutkan[1].
Pengaruh  variasi baffle spacing dan flowrate untuk mencari  nilai  efektivitas  tertinggi  dari  standar  yang ditetapkan (ε > 0,5) menggunakan jenis alat penukar
Kajian Variasi Od Tube Heat Exchanger Shell & Tube Terhadap Temperatur dan Laju Perpindahan Panas dengan Heat Transfer Research Inc
panas heat exchanger shell and tube . Semakin banyak jumlah baffle akan memperbesar nilai pressure drop , lalu  semakin  tinggi flowrate maka  besar  juga  nilai heat  transfer serta  banyaknya  jumlah baffle dan flowrate akan memengaruhi nilai pressure drop dan heat transfer [2].
Penukar  kalor  type shell dan tube dengan  media pendingin adalah air. Air terlebih dahulu didinginkan oleh unit chiller , kemudian disuplai dan bersirkulasi ke shell dan tube sehingga  ketika  biogas  masuk  ke dalam  unit heat  exchanger ,  temperatur biogas  turun dan mendapat temperatur yang dibutuhkan. Dari hasil perencanaan  diperoleh  kapasitas heat  transfer yang dilepas  air  cukup  besar  yang  melalui  248  tube panjang  2000  mm,  dan  kecepatannya  aliran  biogas menjadi laminer karena harus melewati 6 baffle[3].
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  laju perpindahan  kalor  dengan  melakukan  variasi temperatur inlet pada tube dan  mengetahui  efisiensi efektif pada heat exchanger jenis shell and tube . Alat penukar  kalor  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini terbuat  dari carbon  steel dengan  spesifikasi diantaranya  yaitu  spesifikasi  pada shell terdiri  dari diameter dalam (IDs) 10”, jumlah baffle (N) 4 buah, fluida yang digunakan berupa udara panas, sedangkan spesifikasi pada tube yaitu diameter luar (ODt) ¾ in, jumlah tube (Nt)  40  buah,  panjang tube (L)  70  cm, fluida yang digunakan yaitu udara dingin[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 kajian pengaruh desain variasi OD tube yaitu 19,050  mm,  22,225  mm  dan  25,400  mm  pada    alat penukar  panas  jenis shell and tube terhadap  laju perpindahan panas yang terjadi pada mesin produksi lempengan plat baja ( metal slab ) divisi Hot Strip Mill .

## 2 METODOLOGI
Kajian  variasi  desain  OD tube  heat  exchanger  shell dan tube ini  menggunakan  jenis  tipe  aliran counterflow ,  jenis baffle  double  segmental ,  2 tubepasses dengan fluida air dari cooling tower pada sisi tube. Berdasarkan literatur yang berkaitan dengan efektivitas  pada heat  exchanger ,  perhitungan  yang berkaitan adalah sebagai berikut :
Persamaan laju aliran massa dan debit aliran
Luas  penampang  (A)  dalam  rumus  atau  formula adalah  luas  penampang  yang  tidak  berubah-ubah, atau luas penampang yang konstan, seperti pipa dan lainnya. Maka persamaan laju aliran massa dan debit
aliran jika Qc = v . A, diperlihatkan pada persamaan (1) :
ṁ = ρ .Qc                                                           (1)
Persamaan Laju Perpindahan Panas
Laju perpindahan panas merupakan nilai perpindahan panas yang mungkin terjadi pada alat penukar kalor yang diperlihatkan pada  persamaan (2).
Qlaju perpindahan panas=m x c x ∆T (2)
Diagram Alir Penelitian
Penelitian  ini  memfokuskan  pada  pengaruh  variasi OD tube yang  memiliki  3  dimensi  masing-masing pada Heat  Exchanger terhadap transfer  rate menggunakan software Heat Transfer Research Inc . (HTRI).  Diagram  alir  penelitain  diperlihatkan  pada Gambar 1.
Mulai Desain OD tube
pada HTRI Running pada HTRI Input Ukuran Variasi OD tube : 1. 19,050 mm, 22,225 mm dan 25,400 mm 2. Flowrate shell 7,050 kg/s Parameter data  : 1. Suhu  Inlet  Tube
Nozzle :31,3°C
2. Suhu  Inlet  Shell Nozzle: 41,4 °C
3. Tekanan Inlet Tube
Nozzle  &  Outlet shell 551 kPa

## Pengolahan Data :
1. Temperature output tube
2. Temperature output shell
3. Laju perpindahan panas (Q)
Hasil Output
Selesai

## 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 B
TEMA Type AEU Diameter Shell 800 mm Panjang 3,658 m Material Tube Tembaga/Nikel Tebal Tube 1,651 mm Tipe Baffle Double Segmental Tube passes 2 Tube layout angle 45 ° Arah Aliran Countercurrent Shell Orientation Horizontal

## Pengukuran dan Pengambilan Data
Heat  Exchanger MOES  B  mempunyai  diameter berukuran 800 mm dan panjang 3,658 m. Pengukuran suhu dilakukan dengan thermometer gun digital pada pipa inlet nozzle shell sebesar 41,4 °C dan inlet nozzle tube sebesar 31,3 °C Heat Exchanger .
Karakteristik Fluida Air
Karakteristik  air  yang  digunakan  pada heat exchanger khususnya  pada  sisi tube diperlihatkan pada Table 2.
Tabel 2 .   Karakteristik Fluida Air
No. Karakteristik Fluida Air Data
1. Massa jenis ( 𝜌 h ) 994 kg/m 3 2. Panas jenis (c)
4,18 kJ/kg.˚C
3. Debit Aliran (Q c ) 425 l/min
Data parameter flow rate dengan mengubah debit aliran.
Q air = 425 L/min
Q air = 425 𝐿 𝑀𝑖𝑛 × 1 𝐿 × 1 1000 × 1 60 = 0,00708 m 3 /s
𝑚̇ 4 = Q 4 × 𝜌 h 𝑚̇ 4 = 0,00708 m 3 /s × 995,4 kg/m 3 𝑚̇ 4 = 7,050 kg/s
Flow  rate yang  digunakan  pada  sisi tube sebesar 7,050 kg/s.

## Input Pengolahan Data pada Software HTRI
Data-data mengenai spesifikasi Heat Exchanger unit MOES  B  diinput  ke  dalam software  Heat  Transfer Research Inc. (HTRI) diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Heat Exchanger Specification Sheet
Gambar 3. Input Geometry Software HTRI
Data-data mengenai flowrate , tekanan inlet pada shell dan tube , serta suhu inlet pada shell dan tube diinput pada  kolom  ‘ Process  Condition ’  diperlihatkan  pada Gambar 4.
Gambar 4. Input Process Condition
Kajian Variasi Od Tube Heat Exchanger Shell & Tube Terhadap Temperatur dan Laju Perpindahan Panas dengan Heat Transfer Research Inc
Perancangan  heat  exchanger  shell-and  tube horizontal multi passes flow TEMA AEU Gambar hasil perancangan heat exchanger shell-and- tube  horizontal  multi  passes  flow  TEMA  AEU diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Desain Heat Exchanger Shell-and-Tube horizontal multi passes flow

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  desain  gambar  Heat  Exchanger  Shell  and Tube  dari  aplikasi  HTRI  dengan  variasi  OD TUBE
Hasil desain gambar Heat Exchanger Shell and Tube dari aplikasi HTRI dengan variasi OD TUBE  19,050 mm, 22,225 mm, dan 25,400 mm diperlihatkan pada Gambar 6,7, dan 8.
Gambar 6. Tube Layout dengan Ukuran 19,050 mm
Gambar 7. Tube Layout dengan Ukuran 22,225 mm
Gambar 8 . Tube Layout dengan Ukuran 25,400 mm
Dari  hasil  desain  alat  penukar  panas  dengan  variasi OD tube dapat disimpulkan semakin kecil ukuran OD ( outside  diameter ) Tube ,  maka  semakin  banyak jumlah tube yang  bisa  di  tempatkan  kedalam heat exchanger MOSE  B  ini.  Sementara  itu  jarak  antara satu tube dengan  yang  lainnya  ( Pitch )  berbanding terbalik  dengan  jumlah tube yang  dimana  semakin banyak jumlah tube maka semakin sempit jarak antar tube.

## Hasil temperature output Tube dan Shell
Adapun hasil temperature tube dan shell dari variasi OD tube yang dihasilkan diperlihatkan pada Tabel 3.
Tabel 3.  Hasil temperature output Tube dan Shell hasil dari simulasi menggunakan HTRI OD Tube (mm) Jumlah Tube Suhu output Tube (˚C) Suhu output shell (˚C) 19,050 205 34,45 35,08 22,225 142 33,83 36,34 25,400 96 33,77 36,46
Dari  tabel  diatas  dapat  diketahui  bahwa Tube yang menggunakan OD berukuran 19,050 mm mempunyai temperature output  shell lebih  kecil  dibandingkan tube yang  menggunakan  OD  berukuran  22,225  mm dan 25,400 mm. selain ukuran OD tube , jumlah tube yang digunakan juga berpengaruh terhadap perpindahan  panas  pada heat  exchanger MOSE  B. semakin  banyak  jumlah tube yang  digunakan semakin besar penurunan temperatur pada shell .
Gambar 9. Hasil grafik temperature output Tube dan Shell
Hasil  laju  aliran  panas  yang  terjadi  pada  heat exchanger dengan variasi ukuran  OD tube
Laju  aliran  panas  yang  dihasilkan  dari  OD  tube berukuran 19,050 mm
∆T  = (34,45 ˚C – 31,30 ˚C) = 3,15˚C Cair = 4,18 kJ/kg.˚C ṁ   = 7,050 kg/s
Sehingga, nilai laju aliran panas (Q) sebesar : Q=ṁ.c.ΔT
Q = 7,050 kg/s x 4,18 kj/kg.˚C x 3,15 ˚C
Q = 92,827 kW
Laju  aliran  panas  yang  dihasilkan  dari  OD  tube berukuran 22,225 mm
∆T  = (33,83 ˚C – 31,30 ˚C) = 2,53˚C Cair = 4,18 kJ/kg.˚C
ṁ   = 7,050 kg/s
Sehingga, nilai laju aliran panas (Q) sebesar : Q=ṁ.c.ΔT
Q = 7,050 kg/s x 4,18 kJ/kg.˚C x 2,53 ˚C
Q = 74,556 kW
Laju  aliran  panas  yang  dihasilkan  dari  OD  tube berukuran 25,400 mm
∆T  = (33,77 ˚C – 31,30 ˚C) = 2,47˚C Cair = 4,18 kJ/kg.˚C
ṁ   = 7,050 kg/s
Sehingga, nilai laju aliran panas (Q) sebesar :
Q=ṁ.c.ΔT
Q = 7,050 kg/s x 4,18 kJ/kg.˚C x 2,47 ˚C
Q = 72,788 kW
Gambar 10. Hasil grafik laju aliran panas di dalam tube.
Dari hasil perhitungan diatas dapat diketahui bahwa ukuran  OD tube laju  aliran  panas,  yang  dimana kerapatan antar tube semakin tinggi laju aliran panas. Nilai laju aliran panas tertinggi didapat yaitu sebesar 92,827  kW  yang  menggunakan  OD tube ukuran 19,050  mm,  selanjutnya  nilai  laju  aliran  panas terendah  didapat  yaitu  sebesar  72,788  kW  yang menggunakan OD tube dengan ukuran 25,400 mm.

## 4 KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  analisis  perhitungan  dari heat exchanger shell-and-tube dengan variasi ukuran OD TUBE, dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1.  Perbedaan  ukuran  dari  OD tube mempengaruhi perubahan temperature  fluida pada  saat  masuk dan  keluar  dari tube ,  yang  mengakibatkan  pada saat  fluida  yang  keluar  dari tube mempunyai temperatur yang berbeda-beda. Banyaknya tube yang  digunakan  juga  mempengaruhi  perubahan temperatur  pada  saat  fluida  keluar  dari tube . semakin  banyak tube yang  digunakan  maka semakin besar perubahan temperatur yang terjadi didalam  proses heat  exchanger ,  sebaliknya semakin  sedikit tube yang  digunakan  maka semakin kecil perubahan temperatur yang terjadi di  dalam  proses heat  exchanger .  Pada tube dengan  diameter  luar  (OD)  19,050  mm  dan menggunakan tube sebanyak 205 buah, pada saat masuk  temperatur  fluida  sebesar  31,30  ˚C  dan pada saat keluar menjadi 34,45 ˚C, sehingga ∆T sebesar 3,15 ˚C. Pada tube dengan diameter luar (OD)  22,225  mm  dan  menggunakan tube sebanyak 142 buah, pada saat masuk temperatur fluida  sebesar  31,30  ˚C  dan  pada  saat  keluar menjadi 33,83 ˚C, sehingga ∆T sebesar 2,53 ˚C.
Kajian Variasi Od Tube Heat Exchanger Shell & Tube Terhadap Temperatur dan Laju Perpindahan Panas dengan Heat Transfer Research Inc
Pada tube dengan diameter luar (OD) 25,400 mm dan menggunakan tube sebanyak 96 buah, pada saat  masuk  temperatur  fluida  sebesar  31,30  ˚C dan pada saat keluar menjadi 33,77 ˚C, sehingga ∆T sebesar 2,47 ˚C. maka perubahan temperatur terbesar  didapat  oleh tube yang  menggunakan ukuran diameter luar (OD) 19,050 mm dan tube sebanyak 205 buah. 2.  Ukuran OD tube dan jumlah tube mempengaruhi laju  aliran  panas,  yang  dimana  semakin  banyak jumlah tube dan  kerapatan  antar tube semakin tinggi  laju  aliran  panas.  Nilai  laju  aliran  panas tertinggi  didapat  yaitu  sebesar  92,827  kW  yang menggunakan  OD  tube  sengan  ukuran  19,050 mm.  sementara  nilai  laju  aliran  panas  terendah didapat  yaitu  sebesar  72,788  kW  yang menggunakan  OD tube dengan  ukuran  25,400 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Aji,  Abdillah  K.  Perancangan  Heat  Exchanger Tipe Shell dan Tube secara Metode Matematis dan Simulasi Software. Jurnal Rekayasa Mesin. 2020.
[2]   Aji,  Abdillah  K,  dan  Pangestu,  Wisnu. Pengaruh Variasi Baffle Spacing dan Flow Rate Terhadap Efektifitas Heat Exchanger Shell and Tube  menggunakan  Metode  NTU  (Number  of Transfer  Unit)  dan  HTRI.  Jurnal  Rekayasa
Mesin. 2021.
[3]  Iriansyah,  Putra.  Studi  Perhitungan  Heat Exchanger  Type  Shell  and  Tube  dehumidifier biogas  limbah  sawit  untuk  pembangkit  listrik tenaga  biogas.  Jurnal  Polimesin  :  Politeknik Negeri Lhoksumawe. 2017.
[4]  Muhammad,  Furqan,  Syukran,  Sariyusda.  Kaji Eksperimental  dan  Analisa  Kinerja  Penukar Panas  Udara  Type  Shell  and  Tube  jenis  aliran berlawanan. Jurnal Mesin Sains Terapan. 2020.
[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.