Desain dan perancangan Shell and tube heat exchanger

Model alat penukar kalor (heat exchanger) yang paling sering digunakan adalah model shell and tube. Shell and tube memiliki banyak aplikasi di pembangkit listrik, migas, industri kimia, dan sistem pendingin.

Komponen utama heat exchanger shell and tube adalah tube, baffle, shell, front head, rear head, dan nozzles. Semua komponen memiliki peran penting masing-masing. Perancangan dan pemilihan material shell and tube diatur oleh code dan standar tertentu seperti TEMA, ANSI, dan API.

Prinsip dasar kerja shell and tube adalah fluida kerja akan masuk menuju tube dan fluida lain yang digunakan untuk mentransfer kalor ke fluida kerja akan masuk melalui shell sehingga tube akan berubah temperatur karena pengaruh aliran fluida dari shell. Arah aliran fluida pada shell dirancang berkelok dengan bantuan pembatas baffle dan membentuk alur seperti ular. Alur berkelok ini bertujuan untuk meratakan dan memperlama transfer kalor pada permukaan pipa tube.

Heat exchanger shell and tube dikategorikan berdasarkan konfigurasi perancangan:

Klasifikasi berdasarkan konfigurasi perancangan

Klasifikasi tersebut dikelompokan berdasarkan jenis front head, konfigurasi shell, dan konfigurasi rear head. Setiap jenis shell and tube memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing tergantung dari penggunaan oleh industri.

Pada heat exchanger shell and tube terdapat rumus dasar yaitu kesetimbangan energi kalor dari input menuju output yang dapat dirumuskan menjadi:

Q = m(h).Cp(h).[T(h input) – T(h output)] = m(c).Cp(c).[T(c output) – T(c input)]

Q = Laju perpindahan kalor (kW)
m(h), m(c) = Laju aliran massa dari fluida panas dan fluida dingin (kg/s)
Cp(h), Cp(c) = Kalor spesifik dari fluida panas dan fluida dingin (kj/kg . C)
T (h input), T (c input) = Temperatur input dari fluida panas dan fluida dingin (C)
T (h output), T (c output) = Temperatur output dari fluida panas dan fluida dingin (C)

Inti dari kesetimbangan ini adalah jumlah energi kalor dari input sama dengan jumlah energi kalor dari output.

Kompleksitas aliran yang terjadi dalam heat exchanger, perhitungan secara analitis (matematika murni) menjadi terlalu kompleks bahkan tidak mungkin untuk dilakukan. Sehingga alternatif yang umum digunakan lainya adalah menggunakan metode-metode semi-empiris seperti e-NTU, P-NTU, LMTD, psi-P, dan lain sebagainya.

Meskipun demikian, penggunaan metode-metode di atas sangat dibatasi oleh data-data yang diketahui, atau urutan prosedur yang dilakukan, yang pada akhirnya juga merupakan proses yang iteratif.

Selain itu, metode-metode di atas juga memiliki limitasi jika model yang digunakan memiliki bentuk-bentuk yang unik seperti ukuran baffle yang tidak lazim, atau modifikasi fitur-fitur pada pipa, sehingga perhitungan di atas akan menjadi over-simplified.

Metode yang biasa digunakan untuk menganalisis kompleksitas aliran energi kalor pada heat exchanger adalah metode simulasi CFD. CFD adalah permodelan menggunakan komputer dengan model yang kita desain secara utuh sesuai dengan kondisi real nya; sehingga kita dapat memperoleh hasil perhitungan yang lebih komprehensif meskipun memiliki konfigurasi-konfigurasi yang unik.

>>KLIK DI SINI UNTUK SIMULASI HEAT EXCHANGER DENGAN CFD!

Bagi anda mechanical engineer yang ini meningkatkan skill di bidang heat exchanger, Kami juga menyediakan solusi yaitu training dengan topik-topik seputar heat exchanger dengan trainer yang sudah sangat berpengalaman di bidangnya untuk meningkatkan skill dan kompetensi anda sebagai seorang engineer profesional. Untuk training heat exchanger >>klik di sini!

KONTRIBUTOR : Daris Arsyada

By Caesar Wiratama