STUDI EKSPERIMENTAL EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR
KALOR SHELL AND TUBE DENGAN MEMANFAATKAN
GAS BUANG MESIN DIESEL SEBAGAI PEMANAS AIR
T E S I S
OLEH
ZAINUDDIN 017015021/TM
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
STUDI EKSPERIMENTAL EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR
KALOR SHELL AND TUBE DENGAN MEMANFAATKAN
GAS BUANG MESIN DIESEL SEBAGAI PEMANAS AIR
T E S I S
Untuk memenuhi Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Teknik Mesin
Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara
OLEH
ZAINUDDIN 017015021/TM
SEKOLAH PASCASARJANA
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Judul Tesis :
STUDI EKSPERIMENTAL EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL SEBAGAI PEMANAS AIR
Nama Mahasiswa : Zainuddin
Nomor Pokok : 017015021/TM
Program Studi : Teknik Mesin
Menyetujui Komisi Pembimbing
Dr.Ir. Farel H Napitupulu, DEA
Ketua
kkkkkkk
Prof.Dr.Ir. Merdang Sembiring, DEA Dr.Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc
Anggota Anggota
Ketua Program Studi Direktur SPs-USU,
Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME Prof.Dr.Ir. T.Chairun Nisa B, M.Sc
Telah Diuji Pada :
Tanggal : 19 November 2005
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr.Ir. Farel H Napitupulu, DEA
Anggota : 1. Prof.Dr.Ir. Merdang Sembiring, DEA
2. Dr.Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc
3. Ir. Zamanhuri, MT
ABSTRAK
Eksperimen ini bertujuan untuk mengetahui sejauh mana gas buang dari mesin diesel yang mengandung potensial energi termal dapat dimanfaatkan sebagai pemanas air dengan mempergunakan alat penukar kalor sehingga diperoleh gambaran efektivitas dari alat tersebut .
Peralatan yang dipergunakan dalam eksperimen ini adalah alat penukar kalor
shell and tube 1 pass shell and 1 pass tube yang dirancang dan dibuat berdasarkan hasil simulasi dengan program visual basic. Peralatan ini terbuat dari bahan ASME 304 jumlah tube 19 buah, diameter 19.05 mm, panjang 1.26 m, susunan segitiga, sekat 18 buah, baffle cut 26,5 % dan diameter shell 5. Pengamatan dilakukan dengan memvariasikan laju aliran fluida air dengan temperatur gas buang masuk ke alat penukar kalor untuk putaran mesin diesel 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm pada beban 0 kW, 10 kW, 20 kW dan 30 kW . Fluida air dialirkan disisi shell
dan gas buang dialirkan kedalam tube.
Hasil penelitian diperoleh, bahwa efektivitas dari hasil percobaan dipengaruhi oleh temperatur air keluar, temperatur gas buang keluar, besar laju aliran massa air dan banyak kalor yang diserap fluida dingin. Efektivitas yang paling efektif adalah € = 81,75 % pada putaran 2000 rpm dan beban 30 kW dan hubungan efektivitas alat penukar kalor terhadap banyak kalor yang diserap fluida dingin dan temperatur air keluar mempergunakan metode Regresi Linier Multiple adalah :
€30=-214,1324+27,1774 Q+ 0,322443 Tc,o berlaku laju aliran kalor 9,271<Q <10,372 dengan temperatur air keluar 99,13 oC
ABSTRACT
The experiment intends to know how far is the exhaust gas of diesel engine containing a potential thermal energy may be used as a water heater by using a heat exchanger to find the effectiveness of the tool .
The tool used in the experiment included heat exchanger of shell and tube one pass shell and one pass tube were designed and made on the base of the result of simulation using visual basic program. The tool was made of ASME 304 consisting of 19 tubes, with a diameter of 19.05 mm and length of 1.26 m with a triangle structure, 18 partitions, 26.5 % baffle cut and shell diameter of 5 inches. The measurement was carried out by alternating the flow rate of water fluid and temperature of exhaust gas incorporated into heat exchanger at 1500 rpm, 2000 rpm and 2500 rpm of diesel engine with each revolution receive payload at 0 kW, 10 kW, 20 kW and 30 kW. The water fluid was flowed in the edge of shell and the exhaust gas was flowed into the tubes.
The results of the experiment showed that the effectiveness of heat exchanger was influenced by outlet water temperature, outlet exhaust gas temperature, mass flow rate of water and the amount of heat absorbed by the cold fluid. The most effective of the effectiveness is € = 81.75 % at 2000 rpm and 30 kW load. The correlation of the heat exchanger effectiveness to the amount of heat absorbed by the cold fluid and outlet water temperature by using multiple linear regression method is :
€30 = - 214.1324 +27.1774 Q + 0.322443 Tc,o for heat flow rate more than 9.271 kW and less than 10.372 kW with outlet water temperature 99.13 oC
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan
rahmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini yang berjudul:
Studi Eksperimental Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell and Tube Dengan
Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air. Tesis ini sebagai
salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan program magister yang mana
penelitian dilakukan di Laboratorium Prestasi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik – USU. Penulisan tesis mendapat bimbingan dan arahan dari
berba-gai pihak yaitu Komisi Pembimbing dan Ketua program studi serta Sekretaris
Program Studi Teknik Mesin SPs-USU sehingga dapat dilaksanakan kegiatan
kolokium, seminar hasil dan ujian tesis.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof.Dr.Ir.
Bustami Syam, MSME selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin SPs-USU dan
Direktur IC-Star USU yang telah memberikan motivasi dan arahan kepada penulis
agar tesis menjadi lebih sempurna.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr.Ir. Farel H Napitupulu, DEA,
Prof.Dr.Ir. Merdang Sembiring, DEA, Dr.Ir. Ilmi Abdullah, MSc sebagai dosen
pembimbing yang telah memberikan saran dan arahan dalam pelaksanaan penelitian
sehingga menjadi sebuah tesis.
Ucapan terima kasih penulis kepada Prof.Dr.Ir.T. Chairun Nisa B, MSc selaku
Sekretaris Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang telah memberikan
kesem-patan kepada penulis dalam mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Studi
Teknik Mesin SPs-USU.
Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih kepada seluruh
Dosen dan Staf Sekretariat Program Studi Teknik Mesin SPs-USU yang memberikan
ilmu pengetahuan dan informasi berguna bagi penulis selama mengikuti pendidikan
di Program Studi Teknik Mesin SPs-USU.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada seluruh citivas akademika
ITM yang telah memberikan dukungan moril maupun materil serta Orang tua, isteri
dan anak-anak yang selalu berdoa dan memberikan semangat ataupun dorongan
sehingga dapat menyelesaikan pendidikan di SPs Teknik Mesin USU.
Penulis menyadari masih ada ketidaksempurnaan penulisan tesis ini, oleh
karena itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan. Akhir kata penulis
mengharapkan agar kiranya tulisan ini dapat memberikan kontribusi bagi dunia
pendidikan.
Medan, Februari 2006
Penulis,
Zainuddin
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK i
ABSTRACT ii
KATA PENGANTAR iii
RIWAYAT HIDUP v
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN x
DAFTAR ISTILAH xi
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Batas Masalah 2
1.3. Tujuan Penelitian 3
1.4. Manfaat penelitian 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 5
BAB 3 METODE PENELITIAN 42
3.1. Tempat dan Waktu 42
3.2. Bahan dan Alat 42
3.3. Jalannya Penelitian 45
3.4. Pengamatan 48
3.5. Analisa Data 48
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 50
4.1 Hasil Penelitian 50
4.2 Laju Aliran Massa Gas Buang 53
4.3 Distribusi Temperatur 54
4.4 Perubahan Tekanan 54
4.5 Perhitungan Laju Perpindahan Kalor Nyata, Laju 55
Perpindahan Kalor Maksimum dan Efektivitas 4.6 Hubungan Temperatur Air Keluar, Temperatur Gas Buang 58 Keluar, Laju Aliran Massa Air dan Laju Perpindahan Kalor BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 68
5.1. Kesimpulan 68
DAFTAR KEPUSTAKAAN 71
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Hasil Perhitungan Temperatur Gas Keluar 25
Tabel 2.2 Hasil Perhitungan Panjang Alat Penukar Kalor 37
Tabel 3.1 Lay Out, Geometri dan Dimensi Alat Percobaan 46
Tabel 4.1 Rata-Rata Hasil Penelitian Pada Beban Nol 51
Tabel 4.2 Rata-Rata Hasil Penelitian Pada Beban 10 kW 51
Tabel 4.2 Rata-Rata Hasil Penelitian Pada Beban 20 kW 52
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Alat Penukar Kalor Shell and Tube 5
Gambar 2.2 Efek dari Baffle 7
Gambar 2.3. Penggunaan Baffle Cut 15 % 7
Gambar 2.4 Penggunaan Baffle Cut 25 % 8
Gambar 3.1 Alat Penukar Kalor Yang di Rancang 47
Gambar 3.2. Instalasi Percobaan Alat Penukar Kalor Shell and Tube 49
Gambar 4.1 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Temperatur Gas 58
Buang yang Keluar Beban Nol Gambar 4.2 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Temperatur Gas 59
Buang yang Keluar Beban 10 kW Gambar 4.3 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Temperatur Gas 59
Buang Yang Keluar Beban 20 kW Gambar 4.4 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Temperatur Gas 60
Buang Yang Keluar Beban 30 kW Gambar 4.5 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Laju Perpindahan 61
Kalor Beban Nol Gambar 4.6 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Laju Perpindahan 62
Kalor Beban 10 kW Gambar 4.7 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Laju Perpindahan 62
Kalor Beban 20 kW Gambar 4.8 Hubuangan Laju Aliran Massa Air Terhadap Laju Perpindahan 62
Kalor Beban 30 kW Gambar 4.9 Grafik Hubungan Temperatur Udara Panas Keluar dan Laju 64
Aliran Massa Air Terhadap Efektivitas Pada Beban Nol Gambar 4.10 Grafik Hubungan Temperatur Udara Panas Keluar dan Laju 65
Aliran Massa Air Terhadap Efektivitas Pada Beban 10 kW Gambar 4.11 Grafik Hubungan Temperatur Udara Panas Keluar dan Laju 65
Aliran Massa Air Terhadap Efektivitas Pada Beban 20 kW Gambar 4.12 Grafik Hubungan Temperatur Udara Panas Keluar dan Laju 66
RIWAYAT HIDUP
Nama : Zainuddin
Tempat/Tanggal Lahir : Medan, 10 Juni 1954
Pekerjaan : Dosen Kopertis Wil.I Dpk ITM
Alamat : Jalan Halat No. 61 Medan
Riwayat Pendidikan
1. Sekolah Dasar Taman Siswa di Medan tamat tahun 1968
2. Sekolah Menengah Pertama Ksatria di Medan tamat tahun 1971
3. Sekolah Menengah Atas Negeri 3 di Medan tamat tahun 1974
4. Sekolah Teknik Tinggi Medan ( S1 ) di Medan tamat tahun 1983
5. Tahun 2001 mengikuti Sekolah Pascasarjana Program Studi Teknik
Mesin Bidang Konversi Energi Universitas Sumatera Utara.
Riwayat Pekerjaan
1. Tahun 1984 sampai sekarang Staf Pengajar ITM
2. Tahun 1986 sampai dengan tahun 1993 sebagai Sekretaris Jurusan
Teknik Industri
3. Tahun 2000 sampai dengan 2004 sebagai Pembantu Dekan di ITM
4. Tahun 2005 sampai dengan 2009 sebagai Dekan Fakultas Teknologi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1 Diagram Alir Program 73
Lampiran 2 Hubungan Laju Aliran Massa Gas Buang dengan Laju Aliran 77 Massa Air, Temperatur, Dimensi dan Efektivitas APK
Lampiran 3 Hasil Pengamatan 84
Lampiran 4 Perhitungan Laju Aliran Massa Gas Buang 96
Lampiran 5 Simpangan Temperatur Hasil Pengamatan dengan Hasil 98 Perhitungan.
Lampiran 6 Simpangan Perubahan Tekanan Hasil Pengamatan dengan 100 Hasil Perhitungan
DAFTAR ISTILAH
Notasi Satuan
Ao = luas perpindahan kalor m2 As = luas aliran sisi shell m2 At = luas aliran sisi pipa m2 B = jarak antara baffle m C = jarak antara dua permukaan pipa / clearance m Cc = kapasitas kalor air kW/K Ch = kapasitas kalor gas kW/K cpair = kalor jenis air kJ/kg.K cpgas = kalor jenis gas kJ/kg.K De = diameter ekuivalen m Ds = diameter shell m Dp,i = diameter dalam pipa m Dp,o = diameter luar pipa m hi = koefisien perpindahan kalor di dalam pipa kW/m2.K ho = koefisien perpindahan kalor di luar pipa kW/m2.K k = konduktivitas termal kW/m.K kgas = konduktivitas termal gas kW/m.K kair = konduktivitas termal air kWm.K L = panjang pipa m LMTD = Log Mean Temperature Difference K mt = laju aliran massa gas buang didalam tube kg/s ms = laju aliran massa air didalam shell kg/s Pt = jarak antara dua pusat pipa / pitch m
Simbol-Simbol Yunani Satuan
= efektivitas alat penukar kalor % air = viskositas kinematik air m2/s gas = viskositas kinematik gas m2/s air = densitas air kg/m3 gas = densitas gas kg/m3
Bilangan Tak Berdimensi
Prair = bilangan Prandtl air Prgas = bilangan Prandtl gas F = faktor koreksi f = factor gesekan Nt = jumlah tube Np = jumlah pass pipa
Nus = bilangan Nusselt di dalam shell Nut = bilangan Nusselt di dalam tube P = efektivitas termal
R = perbandingan kapasitas kalor Res = bilangan Reynolds di dalam shell Ret = bilangan Reynolds di dalam tube
Subscript
c = kondisi pada aliran fluida dingin h = kondisi pada aliran fluida panas i = kondisi masuk
in = kondisi masuk o = kondisi keluar out = kondisi keluar p = pass
p = pipa s = shell
t = tube
BAB 1
1.1. Latar Belakang
Dengan berkembangnya kebutuhan akan energi dan ketersediaannya pada saat
ini, maka pemakaian energi yang optimal dan effesien dewasa ini menjadi topik yang
banyak dibicarakan. Teknik Manajemen energi dan teknik pemanfaatan kembali
limbah panas (heat recovery) menjadi hal yang lebih penting. Pemanfaatan gas buang
dari mesin diesel sebagai media pemanas perlu dikembangkan. Dalam usaha
penghematan energi, perlu di kaji pemanfaatan gas buang dari mesin diesel sebagai
pemanas air. Mesin diesel banyak dipergunakan pada hotel sebagai penggerak
generator maupun pada insdustri yang mempergunakan kompresor.
Gas buang yang dihasilkan mesin diesel masih mengandung potensi energi
thermal yang dapat dimanfaatkan. Menurut Smith A.J dan King G.H (1980), di
Inggris pada tahun 1980 sebesar 259 MJ/tahun energi thermal dari gas buang
terbuang kealam. Jackson R. (1980) menyampaikan bahwa pemanfaatan gas buang
akan mempunyai keuntungan memperkecil biaya pada proses pemanasan yang
dipakai, juga dapat menurunkan temperatur gas buang sehingga memperkecil
pencemaran thermal udara lingkungan.
Alat yang dapat memindahkan panas dari mesin diesel sebagai pemanas air
disebut alat penukar kalor dan disingkat APK. Di industri alat penukar kalor
merupakan peralatan vital terutama pada industri pengolahan yang mempergunakan
ditingkatkan. Menurut laporan Ahmad Zaini (1995), Asean EC Energi Management
Trainning and Research Centre (AEEMTRC) melakukan study pada tahun 1990,
bahwa dengan kenaikan efektifitas alat penukar kalor sebesar 5 % dapat menghemat
energi di sektor industri yang setara dengan minyak bumi 1 juta ton pada tahun 2000.
Sudargama dan Rahmat (1999) melakukan penelitian memfaatkan gas buang
mobil Daihatsu Chasy 1600 CC dengan alat penukar kalor double pipe dapat men-
capai temperatur air kondensor 99,9 0C untuk kapasitas kondensor 3 liter dalam
waktu 80 menit.
Tirtoatmojo Rahardjo (1999) melakukan penelitian memanfaatkan gas buang
motor diesel stasioner dengan pipa spiral jenis tembaga sebagai alat penukar kalor
dapat mencapai efesiensi 69,5 %.
Dari hasil penelitian – penelitian sebelumnya, hanya dilakukan pada alat
penukar kalor double pipe dan pipa spiral, oleh karena itu penulis tertarik untuk
melakukan penelitian dengan alat penukar kalor jenis shell and tube.
1.2. Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
- Alat Penukar Kalor yang dipergunakan shell and tube 1 pass shell and 1
pass tube susunan segitiga yang telah dirancang.
- Fluida yang dipergunakan dalam penelitian adalah air mengalir didalam shell
dan gas buang CO2 mengalir didalam tube.
masuk dan keluar dari alat penukar kalor.
- Mesin diesel yang dipergunakan pada putaran 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm
dengan beban nol, 10 kW, 20 kW dan 30 kW yang ada di laboratorium Presta-
si Jurusan Teknik Mesin USU.
- Fluida air yang mengalir didalam shell kapasitas 5 l/m,7,5 l/m,10 l/m, 2,5 l/m
dan 15 l/m.
- Laju massa gas buang dihitung berdasarkan perhitungan thermodinamika, hal
ini keterbatasan alat pengukuran.
- Untuk simulasi dipergunakan simulator yang dirancang dengan program
Visual Basic.dan tidak berlaku untuk perubahan fase .
1.3. Tujuan Penelitian
- Mengkaji secara eksperimen alat penukar kalor yang dirancang dan memban-
dingkan temperatur air keluar dan temperatur gas keluar serta perubahan
tekanan yang diperoleh dari hasil pengukuran dengan hasil perhitungan untuk
berbagai putaran, beban , laju massa air dan laju massa gas buang.
- Mendapatkan hubungan perubahan laju aliran dengan temperatur air yang
diinginkan.
- Mendapatkan ke efektifan alat penukar kalor yang diteliti serta diperoleh hu-
bungan laju aliran dengan temperatur.
1.4. Manfaat Penelitian
penukar kalor yang akan dipergunakan.
- Memperoleh gambaran ke efektifan alat penukar kalor dengan memanfaat-
kan gas buang sebagai pemanas air.
- Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan Teknologi (IPTEK).
- Sebagai pengembangan laboratorium Magister Teknik Mesin USU.
BAB 2
2.1. APK Jenis Shell and Tube
Shell and tube adalah salah satu jenis alat penukar kalor yang menurut
konstruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan tube (tube bundles) yang
dipasangkan didalam shell berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling
bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing – masing melalui sisi tube dan sisi
shell seperti terlihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Alat Penukar Kalor Shell and Tube
Umumnya, aliran fluida dalam shell and tube dari suatu APK adalah paralel
atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam shell and tube menjadi aliran
menyilang (cross flow) biasanya dibuat sekat (baffle)
Kern (1993) mengemukakan bahwa adanya pemasangan baffle yang ber-
fungsi untuk mengarahkan fluida dalam shell sehingga aliran tersebut melintang
(cross flow) terhadap bundle tube, juga akan menjadikan aliran tersebut lebih tur -
dibandingkan bila aliran tersebut mengalir axial sepanjang sumbu tube tanpa baffle.
Kern (1983) menambahkan bahwa semakin banyak jumlah baffle yang digunakan
atau dengan kata lain jarak antara sekat (baffle spacing) semakin kecil, maka akan
semakin bertambah derajat turbulensi aliran dan kerugian tekanan .
Mukherjee (1988) mengemukakan pemotongan ideal untuk baffle cut diambil
antara 20 % - 35 % diameter shell. Apabila pemotongan baffle diambil kurang dari
20 % dengan maksud agar koefisien perpindahan kalor konveksi dalam shell side jadi
bertambah, atau pemotongan diambil lebih dari 35 % dengan maksud agar kerugian
tekanan jadi berkurang, maka hasil yang diperoleh umumnya akan merugikan.
Pada gambar 2.2. dapat terlihat efek dari baffle cut.
Untuk cairan fase tunggal pada sisi shell, baffle cut horizontal sangat
dian-jurkan guna meminimumkan endapan pada bagian dasar shell. Jarak ideal baffle
spacing adalah 0,2 D dari diameter shell dengan 2 (dua) perbandingan pemakaian
baffle gambar 2.3. dan gambar 2.4 .
Shell Diamete
Main Flow
Eddles
r
Gambar 2.2. Efek dari Baffle
Gambar 2.3. Penggunaan Baffle Cut 15 % 2,400 Minimum Velocity = 0.12 m/s
2,200
2,000 Thermal Duty
Line
1,800 1,600
Tube Cou
nt
1000 1,200 1,400
Shellside Pressuree Drop
800
Tubeside Pressuree Drop
600 400
200 Maximum Velocity = 4 m/s
0 1 2 3 4 5 6
Length, m
Minimum Velocity = 0.12 m/s
Thermal Duty Line
Gambar 2.4. Penggunaan Baffle Cut 25 %
K. Poddar [13 ] mengoptimalkan 4 susunan dari tube yaitu : 30, 45, 60, dan 90
dengan ukuran tube dianjurkan ¾ “ dengan merekomendasi susunan tube sebagai
berikut :
1. Perencanaan susunan tube 45 o bila membutuhkan pembersih mekanik.
2. Perencanaan susunan tube 30 o bila pembersih mempergunakan bahan kimia.
Ada beberapa faktor mempengaruhi efektivitas yang telah diteliti sebagai
berikut :
1. Handoyo Ekadewi Anggraini (2000) melakukan penelitian penggunaan baffle
dapat meningkatkan efektivitas alat penukar kalor, hal ini sejalan dengan pening-
katan koefisien perpindahan kalor.
2. Handoyo Ekadewi Anggraini (2000) melakukan penelitian pengaruh tebal isolasi
pada bagian luar shell, efektivitas meningkat hingga suatu harga maksimum dan
kemudian akan berkurang.
3. Wahjudi Didik (2000) menyimpulkan dalam penelitiannya dengan
mempergu-nakan alat penukar kalor tabung konsentris, efektivitas berkurang, jika
kece-patan masuk udara dingin meningkat dan efektivitas meningkat, jika kecekece-patan
udara panas meningkat.
4. Mukherjee (1998) menganjurkan jarak antara baffle minimum 0,2 dari diameter
dalam shell sedangkan jarak maksimum adalah 1x diameter bagian dalam
shell. Jarak baffle yang panjang akan menyebabkan aliran membujur dan kurang
efesien dari pada aliran melintang.
5. Menurut Cengel (1987) hampir pada semua alat penukar kalor perpindahan
kalornya didominasi oleh konveksi dan konduks i dari fluida panas ke fluida
dingin,dimana keduanya dipisahkan oleh dinding perpindahaan kalor secara
konveksi dan dipengaruhi oleh bentuk geometri alat penukar kalor dan tiga
bilangan Prandtl. Besar bilangan tak berdimensi tersebut tergantung kepada aliran
serta properti fluida tersebut.
Faktor-faktor yang mempengaruhi dalam peningkatan perpindahaan kalor antara lain
memperbesar permukaan, menimbulkan aliran pusaraan Bergles (1985) dan Sunder
(1997) mengatakan bahwa suatu gas ke cair alat penukar kalor, luasan untuk gas
harus lebih besar dari yang untuk cairan karena koefisien perpindahan kalor konveksi
gas lebih kecil dari yang cair .Hal yang serupa dapat menjadi alasan kenapa
efektivitas lebih tinggi saat udara panas mengalir diisi tube dan udara dingin mengalir
disisi shell.
2.3. Landasan Teori
Alat uji yang dipergunakan dalam penelitian ini menggunakan alat penukar
panas jenis shell and tube, “ Satu lintas shell dan satu lintas tube” (one shell and one
tube passes).
Perpindahan panas secara thermodinamika menurut Hewitt (2000) :
Besarnya panas yang diserap fluida dingin
(2.1)
(
c,o c,i)
air s
o c
c air s
o c
T T cp m Q
T cp m Q
− × × =
× × =
dimana : Qc = kalor yang diserap fluida dingin (kW)
s = laju aliran massa air (kg/s)
o
m
Tc,i = temperatur air masuk (K)
Sifat fluida dingin dievaluasi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu
2 T T
Tc = c,i+ c,o
Besarnya kalor yang dilepaskan fluida panas
(2.2)
(
h,i h,o)
gas t 0 h h gas t o h T T Cp m Q T Cp m Q − × × = × × =
dimana : Qh = kalor yang dilepaskan fluida panas (kW)
= laju aliran massa gas buang (kg/s)
o t
m
cpg = kalor jenis gas buang (kJ/kg.K) Th,o = temperatur gas buang keluar (K) Th,i = temperatur gas buang masuk (K)
Sifat fluida gas buang dievaluasi pada temperatur gas buang rata-rata, yaitu
2 T T
Th = h,i+ h,o
Perhitungan laju aliran massa gas buang dapat dihitung :
Qh = Qc
o t
m .cpgas .(Th,ii– Th,o) = s .cpair.(Tc,o– Tc,i)
o
m
(
)
(
h,i h,o)
2.3.1. Efektivitas alat penukar kalor
Untuk menentukan efektivitas alat penukar kalor menurut Hewitt (2000) harus
ditentukan fluida minimum, dimana kapasitas kalor yang minimum dipilih dari :
• Untuk fluida dingin : Cc = s×cpair
o
m
• Untuk fluida panas : t gas o
h m cp
C = ×
dimana : Cc = kapasitas kalor air (kW/K)
Ch = kapasitas kalor gas buang (kW/K)
Jika fluida dingin sebagai fluida minimum, maka efektivitas alat penukar
kalor dapat diperoleh dari persamaan
(
(
h,i c,i)
)
i c, o c, max
T T
T T Q
Q
− − = =
(2.4)
Jika fluida panas sebagai fluida minimum, maka efektivitas alat penukar kalor
dapat diperoleh dari persamaan
(
(
h,i c,i)
)
o h, i h, max
T T
T T Q
Q
− − = =
(2.5)
dimana : = efektivitas alat penukar kalor (%)
Q = perpindahan kalor nyata (kW)
2.3.2. Perpindahan kalor dengan menggunakan metode LMTD
Besarnya laju perpindahan kalor dengan metode LMTD menurut Sunders
(1997) dapat dihitung,yaitu:
LMTD F
A U
Q= o × o× × (2.6) dimana : Q = perpindahan kalor secara pindahan kalor (kW)
Uo = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (kW/m2.K) F = faktor koreksi
LMTD = Log Mean Temperature Difference (K)
Log Mean Temperature Difference (K)
(
(
) (
)
)
(
h,o c,i)
o c, i h, i c, o h, o c, i h, T T T T ln T T T T LMTD − − − − −
= (2.7)
Untuk mencari F menurut Sunders (1997) diperlukan parameter
i h, i c, i h, o h, T T T T P − − = dan i , h o , h o , c i , c T T T T R − − =
jika R = 1, maka diperoleh
(
)
(
)
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − − − − = 2 2 P 2 2 2 P 2 Ln 1 Pjika R≠1 menurut Sunders (1997) adalah :
( )
{ }
( )
( )
( )
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞ ⎜⎝ ⎛ + + + − ⎟⎠ ⎞ ⎜⎝ ⎛ + − + − × − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ × − − × + = 1 2 R 1 R P 2 1 2 R 1 R P 2 Ln 1 R R P 1 P 1 Ln 1 2 RF (2.9)
dimana : P = efektivitas thermal
R = perbandingan kapasitas kalor
Luas perpindahan kalor menurut William S (1986) adalah :
Ao = ×Dp,o×L×Nt (2.10) dimana : Ao = luas perpindahan kalor (m2)
Dp,o = diameter luar pipa (m) L = panjang pipa (m)
Nt = jumlah pipa
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh menurut Holman (1988) adalah :
o i p, o p, o p, i i p, o p, o h 1 D D Ln k 2 D h 1 D D 1 U + × × + ×
= (2.11)
dimana : hi = koefisien perpindahan kalor di dalam pipa (kW/m2.K) ho = koefisien perpindahan kalor di luar pipa (kW/m2.K) k = konduktivitas termal (kW/m.K)
Tahanan pada pipa diabaikan untuk konduktivitas tinggi dan tebal pipa yang
tipis, sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh menjadi
o i i p, o p, o h 1 h 1 D D 1 U + ×
= (2.12)
• Mencari koefisien perpindahan kalor di dalam pipa Bilangan Reynolds gas t gas i p, t t A D m Re × × ×
= (2.13)
dimana : Ret = bilangan Reynolds di dalam pipa gas = densitas gas (kg/m3)
gas = viskositas kinematik gas (m2/s) At = luas aliran sisi pipa (m2)
diameter dalam pipa
Dp,i = Dp,o – 2 × t (2.14)
dimana : t = tebal pipa (m)
luas aliran sisi pipa menurut William S [ 24 ] :
( )
p 2 i p, t t N 4 D N A × × ×= (2.15)
dimana : Nt = jumlah pipa Np = jumlah pass pipa
Jika alirannya merupakan aliran laminar ( Ret< 2100 ), menurut William S
3 1 i p, gas t gas i p, i t L D Pr Re 1,86 k D h Nu ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ × × × = ×
= (2.16)
Jika alirannya diantara 2100 < Ret < 10.000 ., menurut Vincent (1979)
bilangan Nusselt didalam pipa diperoleh dari persamaan
1/3
3 / 2 3 / 2 gas i p, i t Pr , 1 ) 125 (Re 116 , 0 k D h
Nu t x gas
L i Dp x x ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − = ×
= (2.17)
Jika alirannya merupakan aliran turbulen ( > 10000), bilangan Nusselt
didalam pipa diperoleh dari persamaan
t Re
45 gas0,4 t
gas i p, i
t 0,023 Re Pr
k D h
Nu = × = × × (2.18)
Jika alirannya merupakan aliran transisi atau bukan aliran laminar maupun aliran
turbulen (2100 ≤ ≤ 10000), menurut William S (1986) bilangan Nusselt didalam
pipa diperoleh dari persamaan t
Re
(
)
13gas 3 2 i p, 3 2 t gas i p, i t Pr L D 1 125 Re 0,116 k D h Nu × ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + × − × = ×
= (2.19)
dimana : Nut = bilangan Nusselt di dalam pipa kgas = konduktivitas panas gas (kW/m.K) Prgas = bilangan Prandtl gas
Sifat fluida di evaluasi pada temperatur gas rata-rata, yaitu
2 T T
Th = h,i+ h,o
Bilangan Reynolds air s air e s s A D m Re × × ×
= (2.20)
dimana : Res = bilangan Reynolds di dalam shell air = densitas air (kg/m3)
air = viskositas kinematik air (m2/s) As = luas aliran sisi shell (m2) De = diameter ekuivalen (m)
diameter ekivalen
( )
( )
p,0 2 p,0 2 t e D D P 4 D × × − ×= (2.21)
dimana : Pt = jarak antara dua pusat pipa / pitch (m)
luas aliran sisi shell menurut William S [ 24 ] :
t s s P B C D
A = × × (2.22)
dimana : Ds = diameter shell (m)
C = jarak antara dua permukaan pipa / clearance (m)
B = jarak antara baffle
jarak antara dua permukaan pipa
C=Pt −Dp,o (2.23) jarak antara baffle
1 N L B b+
Jika bilangan Reynold berada pada interval 0,1 < < 100000, menurut
Holman (1988) bilangan Nusselt didalam shell diperoleh dari persamaan s
Re
{
( )
s 0,55}
( )
air 0,3 aire o
s 0,35 0,56 Re Pr
k D h
Nu = × = + × × (2.25)
Jika bilangan Reynold berada pada interval 100000 < < 1000000,
menurut William S (1986) bilangan Nusselt didalam shell diperoleh dari persamaan s
Re
( )
( )
13air 55 , 0 s air e o
s 0,36 Re Pr
k D h
Nu = × = × × (2.26)
dimana : Nus = bilangan Nusselt di dalam shell kair = konduktivitas kalor air (kW/m.K) Prair = bilangan Prandtl air
Sifat fluida di evaluasi pada temperatur air rata-rata, yaitu
2 T T Tc = c,i+ c,o
2.3.3. Penurunan tekanan di dalam pipa dan di dalam shell
Penurunan tekanan menurut William S (1986) di dalam pipa dapat dihitung
yaitu : ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × + × × × × = p i p, p t c 2 t gas
t 4 N
D N L f g 2 V
P (2.27)
dimana : Pt = penurunan tekanan di dalam pipa (Pa) Vt = kecepatan gas buang di dalam pipa (m/s) gc = 1 kg.m/N.s2
friction factor di dalam pipa
ft =
(
0,79×Ln( )
Ret −1,64)
−2 (2.28) kecepatan gas buang di dalam pipa
t gas
t t
A m V
×
= (2.29)
Penurunan tekanan di dalam shell
f
(
N 1 DD g 2
V
P s b
e s
c 2 s air
s × × × × +
×
=
)
(2.30)dimana : Ps = penurunan tekanan di dalam shell (Pa) Vs = kecepatan air di dalam pipa (m/s) gc = 1 kg.m/N.s2
ft = friction factor di dalam shell
friction factor di dalam shell
fs =exp
[
0.576-0.19×ln( )
Res]
(2.31) kecepatan air di dalam shell
s air
s s
A m V
×
= (2.32)
2.4. Perhitungan Alat Penukar Kalor
Gas panas yang diambil dari gas buang mesin diesel dialirkan ke alat penukar
kalor yang telah terpasang lengkap.
2.4.1. Analisa gas buang
Menurut Edward F Obert (1968) diperoleh suatu data bahan bakar mesin
in Hg adalah 4460 ft3/h. Jika Temperatur gas buang 300 0C (572 0F), maka laju aliran
gas buang :
Vol 572 = .4460 460 60
460 572
++ = 8851 ft3/hr
= 2,46 ft3/s
Perbandingan volume gas buang dengan udara pada t,p sama :
= Vu
Vt
Jumlah molekul gas buang / jumlah molekul udara
3,76) 2,975(1 11,186 1,4875 0,975 1 Vu Vt + + + + = = 1,02877
Perbandingan massa gas buang dengan massa udara
= mu mt
massa udara + massa bahan bakar / massa udara
= ) 28 . 76 , 3 32 ( 975 , 2 ) 28 . 76 , 3 32 ( 975 , 2 95 , 1 12 + + + + = 1,03422
Perbandingan suatu gas buang dengan kerapatan udara
1 1,0053 Vt Vu . m m u t u
t = ≈
=
Sedangkan menurut Edward Obert (1968) perbandingan udara dengan bahan bakar
Temperatur gas panas dari gas buang 300 oC diperoleh:
t= 0,0384 lbm/ft3
ct = 0,249 Btu/lbm
jadi laju massa gas buang
= . Volt
o t
m t
= 0,0384 x 2,46
= 0,0944 lbm/s = 0,04 kg/s
2.4.2. Data-data alat penukar kalor
Untuk merancang alat penukar kalor yang diperlukan perhitungan, data-data
sementara yang diketahui, dipilih, dan diharapkan adalah :
• Th,i = 300 oC (Temperatur gas buang yang keluar dari mesin diesel) • Tc,i = 30 oC (Temperatur air di laboratorium)
• Tc,o= 100 oC (Temperatur air yang diharapkan)
• t
o
m = 0,04 kg/s (Laju aliran massa gas buang)
• s
o
m = 0,025475 kg/s (Laju aliran massa air)
• Ds = 0,127 m (Diameter Shell yang dipilih) • Pt = 25,4 mm = 0,0254 m (Jarak pitch) • Nt = 19 ( Jumlah tabung yang diizinkan) • Nb = 18 (Jarak sekat yang direncanakan)
• t = 2 mm = 0,002 m (Tebal tube) • Np =1 (Jumlah pass yang direncanakan) • Susunan pipa : staggered (segitiga)
2.4.3. Temperatur gas buang keluar dari Alat Penukar Kalor
Perpindahan kalor secara termodinamika untuk fluida dingin
(
c,o c,i)
air s o c c air o c T T cp m Q T cp m Q − × × = × × = s C 65 2 100 30 2 T T T : temperatur
Pada c,i c,o o
c = + = + = K kg J cp
diperoleh air =4182,6 ⋅ , sehingga :
(
)
kW Q W Q Q c c c 7,45862145 7458,62145 30 100 4182,6 025475 , 0 = = − × × =Perpindahan kalor secara termodinamika untuk fluida panas
(
h,i h,o)
gas o h h gas t o h T T cp m Q T cp m Q − × × = × × = t
(
)
(
)
(
300 T)
186465,53625 cp 7458,62145 T 300 cp 0,04 Q T T cp m Q Q o h, gas o h, gas c o h, i h, gas o c h = − × = − × × = − × × = t(
)
gas o h, gas o h, cp 25 186465,536 300 T cp 25 186465,536 T 300 − = = −Trial-and error 1
misal : 300 T T T sem o h, i h, o h, = =
sifat fluida dievaluasi pada temperatur
C 300 2 300 300 2 T T
Th = h,i+ h,osem = + = o
diperoleh cpgas = 1063,89 J/kg.K,sehingga :
C 07591 124,732316 T 1063,89 25 186465,536 300 T o sem o h, sem o h, = − =
Trial-and error 2
Karena perbedaan Th,o sem yang dimisalkan dan Th,o yang di peroleh ini besar, maka
C 037955 212,366158 2 07591 124,732316 300 2 T T
Th = h,i+ h,osem = + = o
di peroleh cpgas = 1008,702603240 J/kg.K, sehingga :
C 14407 115,143199 T 3240 1008,70260 25 186465,536 300 T o sem o h, sem o h, = − =
Trial-and error 3
Karena perbedaan Th,o masih besar, maka sifat fluida di evaluasi kembali pada
temperatur C 572032 207,571599 2 14407 115,143199 300 2 T T
Th = h,i+ h,osem = + = o
di peroleh cpgas = 1004,962847688 J/kg.K, sehingga :
C 86586 114,455293 T 7688 1004,96284 25 186465,536 300 T o sem o h, sem o h, = − =
demikian seterusnya sehingga di peroleh Th,o trial-and-error terakhir dengan Th,o
trial-and-error sebelumnya besarnya dianggap sama [{Th,o(i+1) - Th,o(i)}<
Tabel 2.1. Hasil Perhitungan Temperatur Gas Keluar dengan Menggunakan Simulasi
Iterasi (i) Th,i Th,o
h
T Cpgas
0 300 300 300 1063,89
1 300 124,732316075910 212,366158037955 1008,70260324000 2 300 115,143199144070 207,571599572032 1004,96284768800 3 300 114,455293865860 207,227646932929 1004,69456668800 4 300 114,405748341320 207,202874170661 1004,67524187600 5 300 114,402178457370 207,201089228685 1004,67384957600 6 300 114,401921251660 207,200960625832 1004,67374926800 7 300 114,401902721300 207,200951360649 1004,67374209200 8 300 114,401901395640 207,200950697821 1004,67374154600 9 300 114,401901294780 207,200950647389 1004,67374150500 10 300 114,401901287200 207,200950643598 1004,67374150201 11 300 114,401901286650 207,200950643325 1004,67374150179 12 300 114,401901286610 207,200950643305 1004,67374150178 13 300 114,401901286610
Berdasarkan tabel diatas, maka di peroleh : Th,o = 114,401901286610 0C
2.4.4. Panjang Alat Penukar Kalor
Perpindahan kalor secara perpindahan kalor
LMTD F
A U
Q= o× o × ×
(
) (
)
(
)
(
)
(
) (
(
)
(
)
)
K 06 133,991448 LMTD 30 286610 114,401901 100 300 ln 30 286610 114,401901 100 300 T T T T ln T T T T LMTD i c, o h, o c, i h, i c, o h, o c, i h, = − − − − − = − − − − − =Untuk mencari F diperlukan parameter
i , h i , c i , h o , h T T T T P − − = 6 0,68740036 P 300 30 300 286610 114,401901 = − − = dan i , h o , h o , c i , c T T T T R − − = 6 0,37715903 R 300 286610 114,401901 100 30 = − − =
(
)
{
}
(
)
(
(
(
(
)
)
)
)
(
)
{
}
{
}
(
)
{
(
)
}
(
)
{
}
135643 0,85835372 1 6 0,37715903 1 6 0,37715903 6 0,68740036 2 1 6 0,37715903 1 6 0,37715903 6 0,68740036 2 Ln 1 6 0,37715903 6 0,37715903 6 0,68740036 1 6 0,68740036 1 Ln 1 6 0,37715903 1 R 1 R P 2 1 R 1 R P 2 Ln 1 R R P 1 P 1 Ln 1 R F 2 2 2 2 2 2 = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ + + + − ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ + − + − × − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ × − − × + = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + + + − + − + − × − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ × − − × + = FLuas perpindahan kalor
L A L N L D A o t o p o × = × × × = × × × = 137099461 , 1 19 01905 , 0 ,
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh
o i , p o , p o , p i i , p o , p o h 1 D D Ln k 2 D h 1 D D 1 U + × × + × =
Untuk bahan pipa wrought stainless steels type 304, diperoleh : k = 18,85 W/m.K.
Untuk mencari koefisien perpindahan panas pada pipa dan juga pada shell diperlukan
m 0,3429 L
0,01905 18
D N L
sem
o p, b sem
= × =
× =
• Mencari koefisien perpindahan kalor didalam pipa BilanganReynolds
gas t gas
i p, o
t
A D m Re
× ×
×
t
aliran massa gas buang di dalam tube
= 0,04 kg/s
o t
m
diameter dalam tube
Dp,i = Dp,o – 2 × t
= 0,01905 – 2 × 0,002
Dp,i = 0,01505 m
pada temperatur : Th =207,200950643305 oC
diperoleh : gas = 1,10608614127151 kg/m3
( )
(
)
2 t 2 p 2 i p, t t m 8 0.,0337999 A 1 4 0,01505 19 N 4 D N A = × × × = × × × =di peroleh :
3 7960,42913 Re 4 8076051464 0,00002022 8 0,00337999 127151 1,10608614 01505 , 0 04 , 0 Re = × × × = t t
Untuk aliran 2100 < Ret < 10.000, bilangan Nusselt didalam tube di peroleh dari
persamaan [19]
(
)
13gas 3 2 i , p 3 2 t gas i , p i t Pr L D 1 125 Re 116 , 0 k D h Nu × ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + × − × = × =
pada temperatur : T oC
h =207,200950643305
di peroleh : gas = 1,10608614127151 kg/m3
kgas = 0,0308494798540376 W/m-K
(
)
[
]
K m W 5,76949003 6 ) 77151 1060861412 , 1 ( 0,3429 01505 , 0 1 125 3 7960,42913 116 , 0 98540376 0,03084947 01505 , 0 2 3 / 1 3 2 3 2 ⋅ = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + × − × = × i i h x h• Mencari koefisien perpindahan kalor di dalam shell
Bilangan Reynolds air s air e o s A D m Re × × × = s
aliran massa di dalam shell
= 0,025475 kg/s
o s m diameter ekivalen
( )
( )
0 , p 2 0 , p 2 t e D D P 4 D × π × π − × =(
)
(
)
m 6 0,01803352 D 0,01905 0,01905 0,0254 4 e 2 2 = × × − × =pada temperatur : Tc =65 oC
diperoleh : air = 980,6 kg/m3
luas aliran sisi shell t s s P B C D
A = × ×
m 0,00635 C 0,01905 0,0254 D P
C t p,o
= − = − = m 8 0,01804736 B 1 18 0,3429 1 N L B b = + = + = 2 s s m 4 0,00057300 A 0,0254 8 0,01804736 0,00635 0,127 A = × × =
di peroleh :
7 1846,96363 Re 397 2677037859 0,00000044 4 0,00057300 980,6 6 0,01803352 025475 , 0 Re = × × × = s s
Untuk bilangan Reynold yang berada pada interval : 0,1 < Res < 100000, bilangan
Nusselt di dalam shell di peroleh dari persamaan
{
( )
s 0,52}
( )
air 0,3 aire o
s 0,35 0,56 Re Pr
k D h
Nu = × = + × ×
di peroleh : Prair = 2,758
kair = 0,6585 W/m-K
di peroleh :
(
)
{
}
(
)
K h h o o ⋅ = × × + = × 2 3 , 0 52 , 0 m W 1402,16748 2,758 7 1846,96363 56 , 0 35 , 0 0,6585 6 0,01803352di peroleh koefisien perpindahan kalor menyeluruh :
K U Ln U o o ⋅ = + × × + × = 2 m W 7 50,1029751 1402,16748 1 01505 , 0 01905 , 0 85 , 18 2 01905 , 0 3 65,7694900 1 01505 , 0 01905 , 0 1
Jadi perpindahan kalor secara perpindahan kalor
m 9 1,13829078 L 06 133,991448 135643 0,85835372 L 096683 1,13709946 7 50,1029751 7458,62145 LMTD F A U Q o o = × × × × = × × × =
Karena besarnya L yang diperoleh ini tidak sama dengan L sementara yang
dimisalkan, maka harus dilakukan iterasi dengan menggunakan panjang yang di
peroleh ini.
Trial-and error 1
Bilangan Reynolds gas t gas i p, o t A D m Re × × × = t
aliran massa di dalam tube
= 0,04 kg/s
t o
m
diameter dalam tube
Dp,i = Dp,o – 2 × t
= 0,01905 – 2 × 0,002
Dp,i = 0,01505 m
pada temperatur : Th =207,200950643305 oC di peroleh : gas = 1,10608614127151 kg/m3
gas = 0,0000202280760514644 m2/s
luas aliran sisi tube
Untuk aliran 2100 < Ret < 10.000, bilangan Nusselt didalam tube di peroleh dari
persamaan [19]
(
)
13gas 3 2 i , p 3 2 t gas i , p i t Pr L D 1 125 Re 116 , 0 k D h Nu × ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + × − × = × =
pada temperatur : Th =207,200950643305 oC di peroleh : gas = 1,10608614127151 kg/m3
kgas = 0,0308494798540376 W/m-K
di peroleh
(
)
[
]
K m W 1 61,7621007 ) 6402 7261789429 , 0 ( 9 1,13829078 01505 , 0 1 125 3 7960,42913 116 , 0 98540376 0,03084947 01505 , 0 2 3 / 1 3 2 3 2 ⋅ = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + × − × = × i i h x hMencari koefisien perpindahan kalor di dalam shell
Bilangan Reynolds air s air e o s A D m Re × × × = t
aliran massa didalam shell
= 0,025475 kg/s
(
)
(
)
m De 0,018033526
01905 , 0 01905 , 0 0254 , 0
4 2 2
= × × − × = π π
pada temperatur : Tc =65 oC, diperoleh :
air = 980,6 kg/m3
air = 0,000000442677037859397 m2/s luas aliran sisi shell
t s s P B C D
A = × ×
m 0,00635 C 0,01905 0,0254 D P C t p,o
1 556,381407 Re 397 2677037859 0,00000044 4 0,00190214 980,6 6 0,01803352 025475 , 0 Re = × × × = s s
Untuk bilangan Reynold yang berada pada interval : 0,1 < Re < 100000, bilangan
Nusselt di dalam shell di peroleh dari persamaan
( )
{
}
( )
0,3air 0,52 s air e o
s 0,35 0,56 Re Pr
k D h
Nu = × = + × ×
pada temperatur : Tc =65 oC, diperoleh
Prair = 2,758
kair = 0,6585 W/m,K sehingga :
(
)
{
}
(
)
K h h o o ⋅ = × × + = × 2 3 , 0 52 , 0 m W 3 759,380377 2,758 1 556,381407 56 , 0 35 , 0 0,6585 6 0,01803352di peroleh koefisien perpindahan kalor menyeluruh
K U Ln U o o ⋅ = + × × + × = 2 m W 4 45,5987718 3 759,380377 1 01505 , 0 01905 , 0 85 , 18 2 01905 , 0 1 61,7621007 1 01505 , 0 01905 , 0 1
m 1 1,25073007
06 133,991448 135643
0,85835372 6683
1370994609 1,
4 45,5987718 7458,62145
=
× ×
× ×
=
× × × =
L
L LMTD
F A U
Q o o
Demikian seterusnya sehingga di peroleh L iterasi terakhir dengan L iterasi
sebelumnya besarnya dianggap sama [{L(i+1) - L(i)} < 0,000000000009], seperti
ditunjukkan tabel 2.2.
2.4.5. Efektivitas Alat Penukar Kalor
Efektivitas alat penukar kalor di peroleh dari persamaan
max Q Q = ε
Perpindahan kalor maksimum
(
h,i c,i)
min
max C T T
Q = × −
Kapasitas kalor yang minimum di pilih dari
min h gas o h c air o c C K W 600711 40,1869496 C 150178 1004,67374 0,04 Cp m C K W 106,551735 C 4182,6 0,025475 Cp m C ⇒ = × = × = = × = × = t s
di peroleh :
(
)
W 1 10850,4764 Q 30 300 600711 40,1869496 Q max max = − × =di peroleh efektivitas alat penukar kalor adalah
2.4.6. Penurunan tekanan di dalam Tube dan Shell
Penurunan tekanan di dalam tube dari persamaan [2.27]
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × + × × × × ρ = Δ p i , p p t c 2 t gas
t 4 N
D N L f g 2 V P
friction factor di dalam tube
( )
(
)
(
)
(
)
4 0,03359358 f 1,64 3 7960,42913 Ln 0,79 1,64 Re Ln 0,79 f t 2 2 t t = − × = − × = − −Kecepatan gas buang di dalam tube
s m 3 10,6692801 V 9 0,00337998 127151 1,10608614 0,04 A m V t t gas t o t = × = × =
di peroleh :
(
)
2 m N 1 4 0,01505 1 1 2 2 1 431,109298 1,2586909 4 0,03359358 10,6692801 127151 1,10608614 = Δ × + × × × × = Δ ⎢⎣⎡ ⎥⎦⎤ t P t PPenurunan tekanan di dalam shell dari persaamaan [2.30]
(
N 1)
f D D g 2 V
P s b
e s c 2 s air
s × × × +
friction factor di dalam shell
( )
[
]
(
)
[
]
4 0,54554344 f 3 503,160729 ln 0.19 -0.576 exp Re ln 0.19 -0.576 exp f s s s = × = × =Kecepatan air di dalam shell
s m 2 0,01235131 V 9 0,00210333 980,6 0,025475 A m V s s air s o s = × = × =
di peroleh :
(
)
(
)
2 m N 1 18 0,127 1 2 2 2 5,46001792 0,54554344 6 0,01803352 2 0,01235131 980,6 = Δ + × × × × × = Δ s P s P2.4.7. Perancangan Alat Penukar Kalor
Dari temperatur 300 0C dan laju aliran massa gas buang sebesar 0.04 kg/s
dilakukan simulasi dengan mempergunakan program Visual Basic.Temperatur air
masuk 30 0C dan temperatur air yang keluar dari alat penukar kalor yang diharapkan
100 0C. Harga tersebut dimasukan ke dalam simulator yang telah dirancang
diagram alir seperti terlihat pada lampiran 1. Hasil simulasi dapat dilihat pada
lampiran 2 .
Pertimbangan pemilihan dimensi alat penukar kalor sebagai berikut :
1. Dapat menghasilkan temperatur air keluar dari APK mencapai 100 0C .
2. Gas buang yang keluar dari APK dapat mengurangi dampak lingkungan .
3. Efektivitas alat penukar kalor cukup tinggi .
4. Bahan yang dipergunakan ada dipasaran .
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratoriun Prestasi Mesin Jurusan Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara (USU) dari bulan September s/d bulan Nopember
2004. Materi penelitian yang digunakan adalah air dan gas buang dari mesin diesel
yang ada di Laboratorium dan bahan-bahan lain yang dirakit menjadi peralatan.
3.2. Bahan dan Alat
3.2.1. Bahan
Bahan- bahan penelitian yang akan dirakit terdiri dari :
1. Pipa (tube)Kubo SpesialTube ASME 304 diameter luar 19,05 mm Pipa ini digu-
nakan untuk saluran gas buang dari mesin diesel .
2. Pipa wrought stainless steel 304 yang digunakan untuk saluran air (shell). Pipa
ini mempunyai diameter luar 0,127 m ( 5 “ )
3. Nozzle diameter 1,25 “ yang dipergunakan untuk saluran masuk dan keluar dari
fluida air dan gas buang.
4. Baffel (sekat) dari bahan wrought stainless steel. Baffle ini berjumlah 18 buah
dengan baffle cut 26,5 %.
5. T fitting yang dipergunakan untuk memasang Termocopel dan Pressure gauge
6. Isolasi yang terbuat dari bahan glass wool untuk melilit bagian luar dari shell.
7. Gave valve , elbow dan sambungan pipa yang digunakan masing -masing berdia-
meter 1 “.
8. Tangki air yang dipergunakan untuk menampung air.
9 . Rangka besi siku yang digunakan untuk menopang alat penukar kalor shell and
tube.
3.2.2. Alat
Alat-alat penelitian yang akan dipergunakan terdiri dari :
1. Mesin Diesel dengan spesifikasi :
Type : 4 silinder, 4 langkah
Langkah dan diameter : 3,125 inch – nominal dan 3,5 inch
Kompresi Ratio : 22 : 1
Valve type clearance : 0,012 inch3 ( 1,76 liter )
Firing Order : 1-3-4-2
2. Pompa air dengan spesifikasi :
Merek : Vero
Kapasitas maksimum : 50 l/m
Head maksimum : 42 m
3. Thermometer digital (Model TM-903 A) dengan spesifikasi :
Merek : Lutron
Accuracy : ( 0,5 % + 1 0C)
Termokopel : type J & type K
Temperatur : 100 s/d 1300 oC,max 0,1 0C
Thermometer digital dipergunakan untuk pembacaan temperatur
4. RS232
Model : UPCB-02
RS232 dipergunakan untuk menghubungkan thermometer digital ke komputer.
5. SOFTWARE
Model : SW-U801-WIN
- For windows 95, 98, Me & XP
- Data logging system, data recorder.
Software ini merupakan program yang dipakai untuk pembacaan temperatur
yang keluar dari termokopel digital .
6. Pressure gauge dengan spesifikasi :
Merek : Wika ( Conforms to EN 837 Standard)
Nominal size : 100 & 150 mm
Pressure range : 0 s/d 2,5 kg/cm2
Accuracy : 1 %
7. Termokopel type K ( Chromel – Alumel )
Termokopel ini dipergunakan untuk mengukur temperatur pada daerah pengu-
8. Flow meter dengan spesifikasi :
Model : L1025D-4
Range : 1 – 10 GPM / 4 – 36 l/m
Accuracy : - 4 %
9. Switch (konektor)
Switch ini dipergunakan untuk menghubungkan titik ukur dari thermometer
digital.
10. Komputer Pentium I yang berisi Loging System dan data recorder.
11. Komputer Pentium III yang telah diisi program simulator mempergunakan Visual
Basic dipergunakan untuk menghitung hasil penelitian, program ini juga dileng-
kapi Microsoft Office, Exel untuk mengolah data dalam bentuk tampilan grafik.
3.3. Jalannya Penelitian
3.3.1. Persiapan sebelum penelitian
a. Melakukan perhitungan awal secara manual untuk mendapatkan dimensi semen-
tara.
b. Membuat diagram alir dari proses perhitungan seperti terlihat pada lampiran 1.
c. Membuat program Visual Basic yang sesuai dengan diagram alir.
d. Menjalankan program Visual Basic dengan memasukan data-data input kedalam
Form yang tersedia sehingga menghasilkan dimensi yang sama dengan hasil
perhitungan secara manual.
berbeda-beda yang hasilnya dapat dilihat pada lampiran 2
[image:63.612.127.519.193.452.2]f. Memilih dimensi yang akan dirakit seperti terlihat pada tabel 3.1.
Tabel 3.1.Lay Out, Geometri dan Dimensi Alat Percobaan
Tube Shell Baffle
- Jumlah pass = 1
- Jumlah tube = 19
- Diameter tube = ¾”
- Bahan Kubo special
tube ASME 304 L
- Susunan segitiga
- Panjang = 1,26 m
- Jumlah pass = 1
- Diameter shell = 5”
- Bahan wrought
Stainless Steel
- Isolasi glass wool
tebal 4 mm
- Type single segmental
- Baffle Cut = 26,5 %
- Bahan wrought
Stainless Steel
- Jumlah Baffle = 18
- Baffle Space = 6,63 cm
3.3.2. Persiapan pendahuluan
a. Bahan penelitian dirangkai menjadi peralatan APK yang siap digunakan. seperti
Gambar 3.1. Alat Penukar Kalor Shell and Tube yang dirancang
b. Termokopel, Pressure Gauge, RS 232, Komputer Pentium I yang sudah dileng-
kapi software yang tersedia dan termometer digital telah terpasan dalam kea-
daan siap dipakai seperti terlihat pada gambar 3.2.
3.3.3. Percobaan awal
Mula-mula air diisikan kedalam tangki dan katup-katup semua dalam keadaan
terbuka ,kemudian switch pompa dinyalakan sehingga air mengalir didalam shell
dari alat penukar panas dan kemudian mesin diesel dihidupkan sehingga gas panas
mengalir didalam tube .Hal ini dilakukan untuk membuang udara yang terkurung
didalan APK, biarkan hal ini berlangsung beberapa saat hingga temperatur gas buang
3.4. Pengamatan
Langkah-langkah yang dilakukan pada pengamatan sama dengan percobaan
awal . Mula-mula dilakukan percobaan untuk putaran 1500 rpm dengan beban nol
dan debit air yang mengalir 5 l/m dan selanjutnya untuk debit air 7,5 l/m, 10 l/m,
12,5 l/m dan 15 l/m . Pencatatan dilakukan 5 kali percobaan untuk
masing-masing debit air.
Langkah berikutnya dilakukan dengan cara yang sama untuk putaran
2000 rpm dan 2500 rpm dengan beban nol, 10 kW, 20 kW dan 30 kW. Pada setiap
pengamatan dilakukan pencatatan sebagai berikut :
1. Mencatat tekanan gas buang sebelum dan setelah alat penukar kalor
2. Mencatat tempertur gas buang sebelum dan setelah alat penukar kalor
3. Mencatat tekanan air sebelum dan setelah alat penukar kalor
4. Mencatat temperatur air sebelum dan setelah alat penukar kalor
5. Mencatat putaran dan beban dari mesin diesel yang dipergunakan
Setiap pengujian dilakukan 5 kali percobaan.
3.5. Analisa Data
Data hasil pengamatan ditabelkan dan dibandingkan dengan hasil perhitungan
mempergunakan program Visual Basic . Untuk memperoleh hubungan persamaan
Efektivitas terhadap laju aliran massa air dan temperatur gas buang keluar
memper-gunakan metode Regresi Linier Multiple, sedangkan tampilan grafik untuk
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian
Data yang diambil dari pengamatan di laboratorium tidak dapat langsung
ditentukan laju aliran massa gas buang, laju aliran massa air, perubahan tekanan,
laju perpindahan kalor serta efektivitas dari alat penukar kalor yang dipergunakan.
Pengamatan dilakukan 5 kali percobaan dan merupakan hubungan antara debit air
dengan temperatur dan tekanan untuk beban nol, 10 kW, 20 kW dan 30 kW
pada putaran 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm dan hasilnya dapat dilihat pada
lampiran 3. Dari 5 kali pengamatan untuk setiap kasus, hasilnya dirata-ratakan dan
selanjutnya dipergunakan untuk perhitungan laju aliran massa air, laju aliran massa
gas buang, perubahan tekanan dan efektivitas. Hasil pengamatan rata-rata dapat
Tabel 4.1. Rata-Rata Hasil Penelitian pada Beban Nol
Tabel 4.1. Rata-Rata Hasil Penelitian pada Beban 20 kW
4.2. Laju Aliran Massa Gas Buang.
Hasil temperatur pada lampiran.3. dipergunakan untuk menghitung laju massa
air dan selanjutnya dipergunakan menghitung laju aliran massa gas buang.
Laju aliran massa gas buang dapat dihitung dengan persamaan 2.3) , yaitu :
(
)
(
h,i h,o)
p i c, o c, air p s o t o T T . c T T . .c m m gas − −
= (kg/s)
dimana : o
m s = Q . ( kg/s )
Q = debit air = 5 l/m = 5/60.1000 ( m3/s) = density = 994,494 ( kg/m3 )
Th,i = 159,68 ( o C ) Th,o = 64,14 ( 0 C ) Tc,i = 28,00 ( 0 C )
Tc,o = 38,82 ( 0 C )
cp.c = 4174 ( J/kg. 0 C ) . cp,h =929,08 ( J/kg. 0 C ) sehingga : 64,14) 9,68 929,08x(15 28,00) 174x(38,82 994,4938x4 5/60x1000x mt − − =
= 0.042 kg/s
Hasil perhitungan laju aliran massa gas buang selengkapnya dapat dihitung dengan
4.3. Distribusi Temperatur
Pembahasan distribusi temperatur akan dilakukan membandingkan temperatur
air keluar dengan temperatur gas buang yang keluar dari hasil pengamatan dengan
hasil perhitungan mempergunakan simulator yang dirancang dengan
mem-pergunakan program Visual Basis. Perbandingan ini menghasilkan simpangan
temperatur dari hasil penelitian dengan hasil perhitungan. Penyimpangan antara
hasil pengamatan dan hasil perhitungan dapat dilihat pada lampiran 5. Simpangan
maksimum dari temperatur gas buang yang keluar adalah 10,99 % dan minimum
0,91 % dan simpangan maksimum dari temperatur air keluar adalah 3,34 %.
4.4. Perubahan Tekanan
Perubahan tekanan dihitung berdasarkan perbedaan tekanan dari sisi masuk
dan sisi keluar dari alat penukar panas dibandingkan dengan hasil perhitungan.
Perubahan tekanan air yang mengalir didalam shell dan gas buang yang mengalir
didalam tube yang akan dibandingkan diukur pada kondisi laju massa gas buang
rata-rata dan laju massa air bervariasi pada putaran yang sama. Penyimpangan dari
perubahan tekanan hasil pengamatan dengan hasil perhitungan cukup besar dan
4.5. Perhitungan Laju Perpindahan Kalor Nyata , Laju Perpindahan Kalor
Maksimum dan Efektivitas
4.5.1. Laju perpindahan kalor nyata
Laju perpindahan kalor nyata yang terjadi pada alat penukar kalor shell and
tube dari panas gas buang ke fluida air dengan kondisi laju aliran massa gas buang
rata-rata dapat dihitung dengan persamaan 2.1),yaitu
Q = .cp,h.( Th,i – Th,o )
o
mt
dimana :
mto = 0,044 kg/s
= 0.009 kg/s
o
ms
Th,I = 159,68 oC Th,o = 95,09 oC cp,h = 942 J/kg.K
sehingga :
Q = 0,04353 . 942 .( 159,68 - 95,09 )
= 2648,530 Watt = 2,649 kW
4.5.2. Laju perpindahan kalor maksimum
Laju perpindahan kalor maksimum dapat dihitung dengan persamaan :
Qmak = Cmin (Th,i – Tc,i )
dimana :
= 0,044 kg/s
o
= 0.009 kg/s
o
ms
Th,I = 159,68 oC Th,o = 95,09 oC Tc,i = 28 ,0 oC Tc,o = 99,43 oC cp,h = 942 J/kg. K
cp,c = 4181,4 J/kg. K
Ch = . cp,h = 41,005 W/ K
o
mt
Cc = . cp,c = 37,089 W/ K
o
ms
sehingga :
Qmak= Cmin (Th,i – Tc,i )
= 37,089 ( 159.68-28.0 )
= 4883,882 Watt = 4,884 kW
Hasil perhitungan laju perpindahan kalor nyata dan laju perpindahan kalor
maksi-mum selengkapnya dapat dihitung dengan cara yang sama dan hasilnya dapat
ditabelkan terlihat pada lampiran 7.
4.5.3. Efektivitas
Efektivitas alat penukar kalor didefinisikan sebagai perpindahan kalor nyata
terhadap perpindahan kalor maksimum yang mungkin. Perpindahan kalor maksimum
didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan temperatur yang maksimum .
mempunyai kapasitas kalor terkecil. Penyimpangan temperatur antara hasil
pengamatan dengan hasil perhitungan rata-rata dibawah 10 %, sehingga
temperatur hasil perhitungan dapat dipergunakan sebagai data untuk menghitung
efektivitas alat penukar kalor. Dengan mempergunakan persamaan 2.5) efektivitas
alat penukar kalor untuk beban nol pada putaran 1500 rpm dapat dihitung yaitu :
100% Q
Q
max × =
∈
dimana
Q = 2648,530 Watt = 2,649 kW Qmak= 4883,882 Watt = 4,884 kW
sehingga :
% 242 , 54
100% 4,883882
2,64853
=
× =
∈
Hasil perhitungan efektivitas selengkapnya dapat dihitung dengan cara yang sama
4.6. Hubungan Temperatur Air Keluar, Temperatur Gas Buang Keluar, Laju Aliran Massa Air dan Laju Perpindahan Kalor
4.6.1. Hubungan laju aliran massa air terhadap temperatur air keluar dan temperatur gas buang keluar
[image:75.612.148.510.378.638.2]Dari hasil pengamatan tabel 4.1 s/d tabel 4.4 dapat diplot dalam bentuk
grafik seperti pada gambar 4.1. s/d gambar 4.4. Grafik menunjukkan, bahwa
temperaur air keluar dan temperatur gas buang yang keluar dari alat penukar kalor
turun dengan bertambahnya laju aliran massa air. Namum penurunan ini tidak
berlangsung terus untuk temperatur gas buang keluar, setelah mencapai temperatur
minimum, temperatur gas buang keluar akan naik kembali dengan bertambahnya
laju aliran massa air. Hal ini berarti kalor yang diserap oleh fluida air berkurang