PERANCANGAN DAN PREDIKSI NUMERIS UNJUK KERJA SUPERHEATER TIPE SHELL AND TUBE UNTUK CONCENTRATED SOLAR POWER

Widhi Adji Darma, Ir. Fauzun, S.T., M.T., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Energi surya merupakan salah satu sumber energi yang sangat potensial di Indonesia, mengingat letak geografisnya yang berada di wilayah khatulistiwa dengan rata-rata penyinaran matahari lebih dari 4 kWh/m²/hari sepanjang tahun. Salah satu sistem yang bisa dipakai untuk memanfaatkan energi surya tersebut yaitu teknologi Concentrated Solar Power (CSP) dengan sistem penyimpanan termal berbasis molten salt. Teknologi ini memungkinkan konversi energi surya menjadi energi termal, yang kemudian disimpan dalam bentuk energi panas laten untuk digunakan dalam pembangkitan listrik secara kontinu, bahkan saat malam. Dalam sistem ini, molten salt steam generator memainkan peran krusial sebagai penghubung antara penyimpanan panas dan sistem pembangkitan uap. Biasanya molten salt steam generator merupakan alat penukar kalor berjenis shell and tube karena dinilai efektif untuk aplikasi tersebut. Penelitian ini berfokus pada perancangan dan prediksi unjuk kerja alat penukar kalor tipe shell and tube yang berbasis standar Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA).

Proses perancangan alat penukar kalor pada penelitian ini dilakukan melalui tiga pendekatan utama, yaitu perhitungan analitik menggunakan metode Bell-Delaware, prediksi unjuk kerja melalui perangkat lunak HTRI Xchanger Suite,dan prediksi numeris CFD menggunakan Ansys Fluent. Tahapan perancangan diawali dengan proses sizing untuk menentukan spesifikasi utama, meliputi jumlah tube, dimensi shell, dan konfigurasi baffle. Metode Bell-Delaware digunakan untuk melakukan perhitungan termal dan pressure drop secara rinci, dengan mempertimbangkan faktor-faktor koreksi aliran seperti leakage dan bypass. Desain akhir beserta parameter kondisi operasi, dengan molten salt (60% NaNO?–40% KNO?) sebagai fluida panas dan saturated steam sebagai fluida dingin, kemudian disimulasikan menggunakan HTRI Xchanger Suite dan Ansys Fluent.

Hasil dari penelitian ini berupa rancangan alat penukar kalor tipe AEM shell and tube dengan diameter dalam shell 202,7 mm, panjang tube 1220 mm, 6 buah segmental baffle, jarak baffle spacing 150 mm, dan 30 buah tube berukuran ¾ inci BWG 16. Perhitungan dengan metode Bell-Delaware menghasilkan nilai koefisien perpindahan kalor total sebesar 83,47 W/m².?, hasil prediksi HTRI sebesar 83,19 W/m².?, dan prediksi numeris CFD sebesar 82,24 W/m².?. Ketiga metode menunjukkan keselarasan dengan dibuktikan dengan nilai persentase eror yang kecil di sebagian besar parameter penting. Nilai persentase eror tertinggi yaitu sebesar 35,042% pada pressure drop sisi shell. Akan tetapi, nilai tersebut masih termasuk dalam rentang toleransi desain yang dapat diterima yaitu sebesar ±40%.

Solar energy is one of the most promising energy sources in Indonesia, given its geographical location along the equator, with an average solar irradiation of more than 4 kWh/m²/day throughout the year. One of the systems that can be utilized to harness this solar energy is Concentrated Solar Power (CSP) technology with thermal energy storage based on molten salt. This technology enables the conversion of solar energy into thermal energy, which is then stored in the form of latent heat to allow continuous electricity generation, even at night. In this system, the molten salt steam generator plays a crucial role as the link between the heat storage system and the steam generation system. Molten salt steam generators are typically designed as shell and tube heat exchangers due to their effectiveness for such applications. This study focuses on the design and performance prediction of a shell and tube heat exchanger based on the standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA).

The heat exchanger design process in this study was carried out using three main approaches: analytical calculations based on the Bell-Delaware method, performance prediction through the HTRI Xchanger Suite software, and numerical prediction using ANSYS Fluent. The design stage began with the sizing process to determine the main specifications, including the number of tubes, shell dimensions, and baffle configuration. The Bell-Delaware method was used to perform detailed thermal and pressure drop calculations, taking into account flow correction factors such as leakage and bypass. The final design, along with the operating parameters—where molten salt (60% NaNO?–40% KNO?) served as the hot fluid and saturated steam as the cold fluid—was then simulated using both HTRI Xchanger Suite and ANSYS Fluent.

The results of this research are in the form of a design for an AEM-type shell and tube heat exchanger with an inner shell diameter of 202.7 mm, tube length of 1220 mm, six segmental baffles, baffle spacing of 150 mm, and 30 tubes of ¾ inch BWG 16. The calculations using the Bell-Delaware method yielded an overall heat transfer coefficient of 83.47 W/m².?, the HTRI prediction resulted in 83.19 W/m².?, and the numerical CFD prediction produced 82.24 W/m².?. The three methods show strong agreement, as evidenced by the small percentage error in most of the key parameters. The highest percentage error was 35.042% in the shell-side pressure drop, which, however, remains within the acceptable design tolerance range of ±40%

Kata Kunci : Alat Penukar Kalor Shell and Tube, Concentrated Solar Power, Molten Salt, Perancangan, Superheater, CFD