Analisis Numeris Unjuk Kerja Penukar Kalor Shell and Tube dengan Baffle Segmental Berlipat

Widyastutifajri Nuha, Ir. Joko Waluyo, M.T., Ph.D., IPM., ASEAN Eng. ; Ir. Indro Pranoto, S.T., M. Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2024 | Tesis | S2 Teknik Mesin

Penukar kalor (heat exchanger) merupakan perangkat yang digunakan untuk mentransfer panas secara efisien antara dua fluida. Salah satu jenis penukar kalor yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi teknik yaitu shell and tube heat exchanger (STHE). Optimalisasi STHE dapat dilakukan melalui berbagai metode, salah satunya adalah dengan mengoptimalkan bentuk baffle. Pengoptimalan bentuk baffle pada STHE dapat berupa optimasi konfigurasi dan geometri baffle dengan tujuan untuk meningkatkan fenomena swirling atau aliran berputar pada fluida di dalam STHE. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan karakterisasi pengaruh variasi jenis baffle dan laju aliran massa terhadap kinerja penukar kalor shell and tube. Dalam penelitian ini dilakukan modifikasi bentuk baffle untuk mengatasi kekurangan single segmental baffle dan meningkatkan efisiensi penukar kalor secara keseluruhan. Modifikasi bentuk baffle dilakukan dengan melipat segmental baffle dalam beberapa variasi sudut yaitu 120?, 135?, dan 150?. Laju aliran massa dalam penelitian ini juga divariasikan pada 0,2 kg/s, 0,3 kg/s, dan 0,4 kg/s. Bentuk baffle berlipat dengan variasi laju aliran massa ini kemudian dianalisis dan disimulasikan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), data hasil simulasi divalidasi dengan data eksperimental. Hasil penelitian menunjukan bahwa penggunaan baffle yang berlipat dengan sudut 150° memberikan nilai efektivitas paling tinggi yaitu berturut turut 24,624 %, 28,970 %, dan 31,928% pada setiap variasi laju aliran massa. Penggunaan baffle berlipat dengan sudut 135° memberikan nilai pressure drop paling kecil yaitu 0,485 kPa, 1,129 kPa, dan 0,485 pada setiap variasi laju aliran massa.  Baffle yang berlipat dengan sudut 135° dan 150° memberikan area dead zone  yang lebih kecil dibandingakan dengan segmental baffle konvensional. 

A heat exchanger is a device used to transfer heat efficiently between two fluids. One type of heat exchanger that is widely used in various engineering applications is the shell and tube heat exchanger (STHE). STHE optimization can be done through various methods, and one of them is by optimizing the baffle shape. Optimization of the shape of the baffles at STHE can be in the form of optimizing the configuration and geometry of the baffles with the aim of increasing the phenomenon of swirling or rotating flow in the fluid inside the STHE. This study aims to characterize the effect of various baffle types and mass flow rates on the performance of shell and tube heat exchangers. In this research, modifications were made to the shape of the baffle to overcome the disadvantages of conventional segmental baffle and improve the efficiency of the overall heat exchanger. Modification of the baffle shape is carried out by folding the segmental baffle in several angle variations, namely 120?, 135?, and 150?. The mass flow rate in this study was also varied at 0,2 kg/s, 0,3 kg/s, and 0,4 kg/sThe shape of the folded baffle with variations in mass flow rate is then analyzed and simulated using Computational Fluid Dynamics (CFD), the simulation data is validated with experimental data. The results showed that the use of baffles folded at an angle of 150° provides the highest effectiveness values, namely 24.624%, 28.970% and 31.928% respectively for each mass flow rate variation. The use of baffles folded at an angle of 135° provides the smallest pressure drop values, namely 0.485 kPa, 1.129 kPa, and 0.485 at each mass flow rate variation. Baffles folded at angles of 135° and 150° provide a smaller dead zone area compared to conventional segmental baffles.

Kata Kunci : Shell and tube heat exchanger, baffle, laju perpindahan massa, simulasi, laju perpindahan panas, efektivitas.