ANALISA PERANCANGAN DESAIN HEAT EXCHANGER SHELL & TUBE MENGGUNAKAN APLIKASI SOLIDWORK

PENDAHULUAN

Alat penukar kalor di industri – industri perminyakan atau kimia, tidak selamanya dapat beroperasi dengan baik. Alat penukar kalor lebih rentan untuk mengalami kerusakan di karenakan bahan kimia yang diproses (ammonia) yang bersifat korosif bila bersentuh dengan logam. Untuk mengurangi biaya produksi, perancangan alat penukar kalor terlebih dahulu sangatlah efektif dari pada langsung membeli alat penukar kalor yang sudah jadi.

Salah satu tipe dari alat penukar kalor yang paling banyak digunakan adalah Shell and Tube Heat Exchanger. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah tube di bagian dalam, di mana temperatur fluida di dalam tube berbeda dengan di luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi perpindahan panas antara aliran fluida di dalam tube dan di luar tube. Adapun daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube disebut tube side dan yang di luar disebut shell side.

LANDASAN TEORI

ALAT PENUKAR KALOR

Alat penukar kalor adalah suatu alat yang dapat memberikan fasilitas perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda temperaturnya, serta menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur.

Proses perpindahan panas yang paling sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin secara langsung. Dengan sistem demikian kedua fluida akan mencapai temperatur yang sama, dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan mempersamakan kerugian energi dari fluida yang lebih panas dengan perolehan energi yang lebih dingin.

ALAT PENUKAR KALOR SHELL & TUBE

Heat exchanger tipe shell & tube menjadi satu tipe yang paling mudah dikenal. Tipe ini melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya mengalir di luar tube. Pipa-pipa tube didesain berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut dengan shell, sedemikian rupa sehingga pipa-pipa tube tersebut berada sejajar dengan sumbu shell.

METODOLOGI PENELITIAN PERANCANGAN DAN ANALISA HEAT EXCHANGER SHELL & TUBE

Proses yang dilakukan oleh penyusun untuk menganalisa alat penukar kalor jenis shell and tube sampai didapatkan hasil analisa yang akurat mengenai kondisi kerja alat penukar kalor dengan melihat pada keefektifan dari alat penukar kalor tersebut dapat melihat pemecahan masalah, berikut langkah-langkah yang dilakukan :

1.     Kajian Pustaka

Kajian pustaka dilakukan dengan cara mencari dan mempelajari referensi teks, jurnal, paper, serta literatur lain yang terkait dengan penelitian.

2.     Pemodelan Desain Heat Exchanger

Tahapan ini adalah membuat rancangan heat exchanger mulai dari jenis material dan dimensi menggunakan software Solidwork.

3.     Simulasi dan Analisis Desain Heat Exchanger

Simulasi dan analisis desain mobil listrik menggunakan flow simulation pada Software Solidwork.

            4.     Analisis Hasil Simulasi

Hasil analisa pengujian diperoleh berupa perubahan suhu sebelum dan sesudah fluida panas dan dingin masuk ketabung heat exchanger.

ANALISA HEAT EXCHANGER SHELL & TUBE

Pada pembahasan kali ini, kita akan membahasan mengenai simulasi pengujian aliran fluida pada heat exchanger shell & tube menggunakan aplikasi solidwork. Gambar dibawah merupakan bentuk desain heat exchanger shell & tube dengan material stainless steel yang akan dialiri fluida cair panas dengan suhu 105^oC dengan fluida cair pendingin 8^oC pada tipe aliran counter flow.

PEMBUATAN DESAIN HEAT EXCHANGER SHELL & TUBE

Hal yang perlu dilakukan pertama kali sebelum melakukan proses simulasi adalah membuat model tabung heat exchanger shell & tube. Dalam hal ini model yang dibuat adalah berupa model volume. Asumsi penyederhanaan model yang dilakukan adalah dengan menganggap ketebalan pipa diabaikan. Dalam pembuatan model menggunakan SolidWork sebagai pembuat model. Dan model yang akan disimulasikan pada gambar dibawah ini : 

MENENTUKAN KONDISI FISIK MODEL

Hal yang perlu dilakukan selanjutnya adalah penentuan kondisi fisik dari model yaitu penentuan model penyelesaian, fluida yang dipakai dan kondisi operasi. Penentuan model penyelesaian dibagi menjadi dua yaitu model penyelesaian analisis tipe Internal flow dan External flow dan dalam hal ini analisis Internal flow merupakan pilihan yang tepat dalam menganalisis faktor gesek pada pipa heat exchanger. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara Pada Pengaturan Wizard Analysis Type, klik Internal untuk pengujian aliran pada bagian dalam pada kolom Analysis Type. Pada kolom Physical Features klik Heat Conduction In Solid. Setelah selesai klik next. Dibawah ini adalah gambar dialog box dalam pemilihan tipe analisis untuk menentukan model penyelesaian.

Pemilihan jenis fluida merupakan salah satu faktor yang penting dalam menentukan hasil analisa yang akan diperoleh, dimana fluida ini terdiri dari fluida Newtonian, Non-newtonian dan Gas. Dan dalam analisis ini fluida yang dipakai adalah fluida Newtonian air ( water). Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara Pada pengaturan Wizard Default Fluid, pilih jenis fluida yang akan digunakan. Pada simulasi kali ini kita akan menggunakan fluida Water. Klik fluida water pada kolom Fluids lalu klik Add. Pada Flow Type pilih jenis aliran Laminar Only. Setelah selesai klik next. Dibawah ini adalah gambar dialog box dalam pemilihan tipe analisis untuk menentukan model penyelesaian.

Menentukan kondisi operasi dalam melakukan analisis adalah suatu hal yang harus dilakukan peneliti dalam menentukan besarnya nilai Pressure, Temperature dan velocity yang di berikan dalam melakukan proses simulasi. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara Pada pengaturan Wizard Initial Conditions, Masukkan Temperature fluida sebesar 30^oC. Setelah selesai klik next. Dibawah ini adalah gambar dialog box dalam pemilihan tipe analisis untuk menentukan model penyelesaian.

PROSES MESHING

Meshing adalah proses dimana geometri secara keseluruhan dibagi-bagi dalam elemen-elemen kecil. Elemen-elemen kecil ini nantinya berperan sebagai kontrol surface atau volume data perhitungan yang kemudian tiap-tiap elemen ini akan menjadi input untuk elemen disebelahnya. Hal ini akan terjadi berulang-ulang hingga domain terpenuhi. Dalam meshing elemen-elemen yang akan dipilih disesuaikan dengan kebutuhan dan bentuk geometri. Aplikasi meshing yang dipakai adalah Result and Geometry Resolution, Setelah geometri berhasil di input selanjutnya adalah proses meshing. Dalam penelitian ini semua konfigurasi tipe elemen di simulasi menggunakan elemen hybrid atau tetrahedron interval Result resolution sebesar 3 dan besarnya minimum gap size box sebesar 0.3322m. Dibawah ini adalah proses pembuatan meshing pipa melalui Result and Geometry Resolution dan gambar hasil meshing :

Pada pengaturan Wizard Result and Geometry Resolution, pastikan besar Result Resolution berada pada angka 3. Setelah selesai klik finish.

PROSES INPUT DAN OUTPUT FLUIDA

Langkah 1  yaitu menentukan posisi fluida pendingin mengalir masuk pada pipa. Klik kanan pada Computation Domain lalu pilih Insert Fluid Subdomain.

Pada pengaturan Fluid Subdomain, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai awal fluida pandingin masuk ke pipa. Setelah selesai klik ok atau tanda ceklis.

Langkah 2 yaitu menentukan posisi fluida panas mengalir masuk pada pipa. Klik kanan pada Computation Domain lalu pilih Insert Fluid Subdomain.

Pada pengaturan Fluid Subdomain, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai awal fluida panas masuk ke pipa. Setelah selesai klik ok atau tanda ceklis.

Langkah 3, klik kanan pada Solid Material lalu pilih Insert Material From Model.

Pada pengaturan Insert Material From Model pilih stainless steel lalu klik OK.

Langkah 4 yaitu menetukan temperatur fluida pendingin masuk pada pipa heat exchanger. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition.

Pada pengaturan Boundary Condition, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai awal fluida pendingin  masuk ke pipa heat exchanger. Pada kolom Type pilih Inlet Mass Flow. Pada kolom Flow Parameters masukan nilai ṁ sebesar 0.5 kg/s. Pada kolomThermodynamic Parameters masukan suhu fluida pendingin sebesar 8^oc. Setelah selesai klik ok atau tanda ceklis.

Langkah 5 yaitu menetukan temperatur fluida pendingin keluar pada pipa heat exchanger. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition. Untuk mengatur tempat keluar fluida pada pipa. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition. Pada pengaturan Boundary Condition, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai tempat keluar fluida keluar dari pipa. Pada kolom Type klik icon Pressure Opening dan pilih Environment Pressure. Setelah selesai klik Ok atau tanda ceklis.

Langkah 6 yaitu menetukan temperatur fluida panas masuk pada pipa heat exchanger. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition. Pada pengaturan Boundary Condition, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai awal fluida panas  masuk ke pipa heat exchanger. Pada kolom Type pilih Inlet Mass Flow. Pada kolom Flow Parameters masukan nilai ṁ sebesar 0.2 kg/s. Pada kolomThermodynamic Parameters masukan suhu fluida panas sebesar 105^oc. Setelah selesai klik ok atau tanda ceklis.

Langkah 7 yaitu menetukan temperatur fluida pendingin keluar pada pipa heat exchanger. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition. Untuk mengatur tempat keluar fluida pada pipa. Klik kanan pada Boundary Condition lalu klik Insert Boundary Condition. Pada pengaturan Boundary Condition, klik sisi bagian dalam lubang pipa sebagai tempat keluar fluida keluar dari pipa. Pada kolom Type klik icon Pressure Opening dan pilih Environment Pressure. Setelah selesai klik Ok atau tanda ceklis.

Setelah semua langkah-langkah dilakukan, langkah terakhir adalah menjalankan proses simulasi dengan cara klik icon RUN pada toolbar flow simulation. Tunggu beberapa saat sampai proses run selesai.

PROSES ANALISA

Setelah dilakukan simulasi maka akan diperoleh hasil pengujian berupa perubahan suhu yang dapat ditunjukan dengan perbedaan warna.

ANALISA TEMPERATURE

Pada hasil Analysis aliran pada heat exchanger kita dapat mengetahui besarnya pertukaran suhu pada fluida berdasarkan warna dan besarannya. Dari hasil analisis tersebut, diketahui bahwa suhu fluida pendingin ketika masuk kedalam heat exchanger sebesar 8^oc dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi peningkatan suhu sebesar 10.78^oc sehingga suhu menjadi 18.78^oc. Sementara fluida panas ketika masuk kedalam heat exchanger sebesar 105^oc dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi penurunan suhu sebesar 43.11^oc sehingga suhu menjadi 61.89^oc.

ANALISA TEMPERATURE BERDASARKAN HUBUNGAN DESIGN

Heat exchanger tipe shell & tube melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida panas mengalir di dalam tube, sedangkan fluida pendingin mengalir di luar tube dengan bentuk aliran fluida didalam heat exchanger secara berkelok sehingga membuat alur pendinginan lebih lama sehingga proses pertukaran suhu dapat menjadi maksimal. Pipa-pipa tube didesain berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut dengan shell, sedemikian rupa sehingga pipa-pipa tube tersebut berada sejajar dengan sumbu shell.

ANALISA TEMPERATURE BERDASARKAN MATERIAL DAN INPUT DATA

Pada pengujian kali ini, kita menggunakan jenis material stainless stell dengan konduktivitas termal sebesar 22.5 W/mK. Konduktivitas termal dibentuk dengan variasi temperature. Pada konduktor, konduktivitas termal menurun dengan temperature disebabkan impedansi ke aliran.

electron dari densitas electron yang lebih tinggi. Untuk input data pada pengujian, menggunakan jenis aliran contra flow. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor (T4) lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar kalor

DAFTAR PUSTAKA

Ramesh K Shah, Dosan P Sekulic, Fundamentals Of Heat Exchanger Design, John Wiley & Sons: Canada, 2003.

I Bizzy, R Setiadi,  Studi Perhitungan Alat Penukar Kalor Tipe Shell And Tube Dengan Program Heat Transfer Research Inc, Universitas Sriwijaya.

Cahya Sutowo, Analisa Heat Exchanger Jenis Sheel And Tube Dengan Sistem Single Pass. Universitas Muhammadiyah: Jakarta.

 Ahmad Indra , Ridwan , Yugo Kuswantoro ,Analisis Pengaruh Faktor Gesek Terhadap Pressure Drop Pada Pipa Baja Bergelombang Dengan Computational Fluid Dynamics ( Cfd ), Universitas Gunadarma: Jakarta.