PERANCANGAN DAN PREDIKSI UNJUK KERJA ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE UNTUK PEMANFAATAN BRINE PADA SISTEM WASTE HEAT RECOVERY

Zidni Fauzan Muhammad, Dr. Ir. Khasani, S.T., M.Eng., IPM, ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Pemanfaatan panas buang (waste heat recovery) dari fluida brine geothermal merupakan salah satu upaya strategis dalam meningkatkan efisiensi energi dari sumber daya panas bumi. Upaya ini menjadi penting mengingat isu global terkait keterbatasan energi fosil, peningkatan kebutuhan energi, serta urgensi pengurangan emisi karbon yang mendorong transisi menuju energi bersih dan berkelanjutan. Oleh karena itu, penelitian ini difokuskan pada perancangan dan prediksi unjuk kerja alat penukar kalor shell and tube sebagai media pemanfaatan panas buangan brine geothermal.

Perancangan dilakukan melalui tahap sizing untuk menentukan spesifikasi utama, seperti jumlah tube, dimensi tiap komponen, dan konfigurasi baffle. Selanjutnya, metode Bell–Delaware digunakan untuk melakukan perhitungan termal dan pressure drop secara mendetail dengan mempertimbangkan faktor-faktor koreksi aliran, antara lain kebocoran (leakage), gesekan, dan aliran pintas (bypass). Untuk meningkatkan validitas hasil, perhitungan analitik ini dibandingkan dengan hasil simulasi menggunakan perangkat lunak Heat Transfer Research, Inc. (HTRI). Hasil analisis menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) aktual adalah sebesar 627,5 W/m²·K, sedangkan nilai U hasil simulasi HTRI adalah 654,4 W/m²·K. Perbedaan sebesar 4,3% menandakan bahwa perhitungan analitik melalui metode Bell–Delaware cukup akurat dan masih berada dalam batas wajar.

Hasil variasi parameter menunjukkan bahwa peningkatan laju massa fluida dari 0,45 kg/s menjadi 0,55 kg/s pada sisi shell menurunkan temperatur keluaran fluida serta meningkatkan pressure drop dari 157 Pa hingga 232 Pa. Sementara itu, variasi temperatur inlet sisi shell dari 7 °C menjadi 13 °C meningkatkan nilai U dari 650,23 W/m²·K menjadi 658,37 W/m²·K dan nilai pressure drop konstan di 193 Pa. Secara keseluruhan, rancangan alat penukar kalor ini menunjukkan kinerja yang layak diterapkan sebagai teknologi waste heat recovery pada sistem geothermal, khususnya untuk aplikasi pemanas air hemat energi pada skala rumah tangga maupun penginapan.

The utilization of waste heat recovery from geothermal brine is a strategic effort to enhance energy efficiency from geothermal resources. This approach is particularly important considering global issues such as the depletion of fossil fuels, the increasing demand for energy, and the urgent need to reduce carbon emissions in support of the transition toward clean and sustainable energy. Therefore, this study focuses on the design and performance prediction of a shell and tube heat exchanger as a medium for recovering waste heat from geothermal brine.

The design process was carried out through a sizing stage to determine the main specifications, including the number of tubes, component dimensions, and baffle configuration. Subsequently, the Bell–Delaware method was employed to perform detailed thermal and pressure drop calculations by considering various correction factors such as leakage, friction, and bypass flows. To improve the validity of the results, the analytical calculations were compared with simulations conducted using Heat Transfer Research Inc. (HTRI) software. The analysis showed that the actual overall heat transfer coefficient (U) was 627,5 W/m²·K, while the HTRI simulation produced a U value of 654,4 W/m²·K. The deviation of 4,3% indicates that the analytical calculation using the Bell–Delaware method is sufficiently accurate and within a reasonable range.

The parameter variation results demonstrated that increasing the shell-side mass flow rate from 0.45 kg/s to 0.55 kg/s decreased the outlet fluid temperature while increasing the pressure drop from 157 Pa to 232 Pa. Meanwhile, varying the shell-side inlet temperature from 7°C to 13°C enhanced the overall heat transfer coefficient (U) from 650.23 W/m²·K to 658.37 W/m²·K, while keeping the pressure drop constant at 193 Pa. Overall, the design of this shell-and-tube heat exchanger demonstrates feasible performance for application as a waste heat recovery technology in geothermal systems, particularly for energy-efficient water heating in households and lodging facilities.

Kata Kunci : Alat Penukar Kalor Shell and Tube, Brine Geothermal, Waste Heat Recovery