Analisa Perancangan Desain Heat Exchanger Shell dan Tube Menggunakan 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 dalamtube dan di luar tube. Adapun daerah yang
berhubungan dengan bagian dalam tube disebuttube 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
materialdan dimensi menggunakan software Solidwork.
3. Simulasi dan Analisis Desain Heat Exchanger
Simulasi dan analisis desain mobil listrik menggunakan flow
simulation padaSoftware 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 105oC dengan fluida cair pendingin 8oC
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 menggunakanSolidWork 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 danExternal 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 boxdalam
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 boxdalam 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 velocityyang di berikan dalam melakukan proses simulasi.
Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara Pada pengaturan Wizard Initial Conditions, Masukkan Temperature
fluida sebesar 30oC. 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 8oc. 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 105oc.
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 8oc dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi
peningkatan suhu sebesar 10.78oc sehingga suhu menjadi 18.78oc.
Sementara fluida panas ketika masuk kedalam heat exchanger sebesar 105oc
dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi penurunan suhu sebesar 43.11oc
sehingga suhu menjadi 61.89oc.
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.
infonya sangat lengkap makasih ya kak
BalasHapusmarkaindo