ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR
KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN SEJAJAR DENGAN
VARIASI KAPASITAS ALIRAN.
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HADY GUNAWAN (110401035)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2015
i ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar penurunan prestasi dari alat penukar kalor tersebut . Metode yang digunakan dalam penelitian yaitu dengan percobaan dan melakukan analisis baik secara perhitungan teori maupun hasil simulasi. Metode perhitungan secara teori dilakukan dengan menggunakan metode NTU dan perhitungan simulasi dilakukan dengan menggunakan Ansys Fluent. Pada hasil perhitungan didapatkan perbedaan yang cukup terlihat yaitu keefektifan hasil percobaan nilainya berbeda jauh dengan keefektifan yang diperoleh dari perhitungan teori dan hasil simulasi. Diperloleh hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum dari eksperimen sebesar 21,67 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 300 L/jam dengan suhu 55ºC dan aliran fluida dingin 240 L/jam dengan suhu 32ºC. Diperloleh hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum dari perhitungan secara teori sebesar 7,2% pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC dan aliran fluida dingin 360 L/jam dengan suhu 37ºC. Diperloleh hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum secara simulasi sebesar 9.5% pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC dan aliran fluida dingin 240 L/jam dengan suhu 36ºC
ii KATA PENGANTAR
Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaanNya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Analisis dan simulasi keefektifan alat penukar kalor tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar”. Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada :
1. Kedua Orang Tua penulis, yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A.selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Tulus B. Sitorus S.T M.T selaku dosen yang ikut membimbing
dalam proses pelaksanaan tugas skripsi ini.
4. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 6. Binsen Wijaya, Wilson, David Oktavianus dan Hendrico, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan.
7. Adik penulis yang terkasih, atas semangat dan doa yang diberikan.
iii 8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA!
9. “Kaum Terpelajar” sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi.
10.Daniel Christian Aritonang untuk setiap bantuan yang boleh diberikan.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhir kata penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih.
Medan, Juni 2015 Penulis,
iv DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR TABEL ... iviii DAFTAR NOTASI ...x
BAB I ...1
PENDAHULUAN...1
1.1 Latarbelakang ...1
1.2 Tujuan Penelitian ...2
1.3 Batasan Masalah Penelitian ...2
1.4 Manfaat Penelitian ...2
1.5 Metodologi Penulisan ...3
1.6 Sistematika Penulisan ...3
BAB II ...5
TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 Definisi Kalor ...5
2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor ...7
2.3 Jenis Alat Penukar Kalor ... 11
2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor………11
2.5 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... Error! Bookmark not defined.21 2.5.1 Konduksi ... 2121
2.5.2 Konveksi ... 2222
2.5.3 Radiasi ... 2323
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 255
2.7 Aliran Tabung Sepusat ... 277
2.8 Faktor Kotoran ... 2828
2.9 Metode LMTD ... 299
2.9.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar) ... 299
2.9.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan ... 3132
2.10 Metode NTU ... 356
2.11 Program Ansys 14.0 ... Error! Bookmark not defined.42
v 2.12 Metanol ... Error! Bookmark not defined.8
2.13 Persamaan yang Digunakan Dalam Perhitungan………...49
BAB III ... 5052
METODE PENELITIAN... Error! Bookmark not defined.52 3.1Tempat dan Waktu penelitian ... Error! Bookmark not defined.52 3.1.1 Tempat Penelitian ... Error! Bookmark not defined.52 3.1.2 Waktu Penelitian... Error! Bookmark not defined.52 3.2 Metode Penelitian ... Error! Bookmark not defined.52 3.3 Populasi dan Sampel ... Error! Bookmark not defined.53 3.3.1 Populasi Penelitian... Error! Bookmark not defined.53 3.3.2 Sampel Penelitian ... Error! Bookmark not defined.53 3.3.3Teknik Sampling ... Error! Bookmark not defined.54 3.4 Teknik Pengumpulan Data ... Error! Bookmark not defined.55 3.5 Instrumen Penelitian ... Error! Bookmark not defined.6 3.5.1Bahan Penelitian ... Error! Bookmark not defined.6 3.5.2 Alat Penelitian ... Error! Bookmark not defined.6 3.5.3 Skema Uji Penelitian ... Error! Bookmark not defined.62 3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ... Error! Bookmark not defined.63 3.5.5 Proses Percobaan………...………...64
3.6 Instrumen Simulasi ... Error! Bookmark not defined.64 3.6.1 Bahan Simulasi ... Error! Bookmark not defined.64 3.6.2 Alat Simulasi ... Error! Bookmark not defined.64 3.6.3 Diagram Alir Simulasi ... Error! Bookmark not defined.65 BAB IV ... 6466
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 6466
4.1 Perhitungan Teoritis ... 6466
4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian ... 7383
4.3 Perhitungan Dengan Simulasi ... 7692
BAB V ... 9499
KESIMPULAN DAN SARAN ... 9499
5.1 Kesimpulan ... 9499
5.2 Saran ... 9499
vi DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chiller ... 07
Gambar 2.2 Kondenser ... 08
Gambar 2.3 Cooler ... 08
Gambar 2.4 Evaporator ... 09
Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler ... 09
Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ... 10
Gambar 2.7 Heater ... 11
Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger ... 14
Gambar 2.9 Hair pin heat exchanger ... 14
Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current………...16
Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series ... 16
Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ... 17
Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung ... 18
Gambar 2.14 shell and tube heat exchanger ... 19
Gambar 2.15 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... 20
Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ... 21
Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi... 22
Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ... 23
Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas...24
Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat……… 25
Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis………..…26
Gambar 2.22 distribusi suhu APK aliran berlawanan………...32
Gambar 2.23 distribusi suhu pada APK sejajar……….37
Gambar 2.24 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi………...37
Gambar 2.25 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci………...37
vii
Gambar 2.26 grafik efektifitas untuk aliran sejajar ... 41
Gambar 2.27 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ... 42
Gambar 2.28 Persamaan Konservasi Momentum ... 45
Gambar 2.29 Flowchart Penerapan CFD ... 48
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat... 57
Gambar 3.2 Agilent ………..58
Gambar 3.3 Flowmeter ... 59
Gambar 3.4 alat pengatur suhu fluida panas ... 59
Gambar 3.5 pompa fluida panas ... 60
Gambar 3.6 tabung sepusat ... 61
Gambar 3.7 Skema Uji Penelitian ... 62
Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian ... 63
Gambar 3.9 Laptop………. ..65
Gambar 3.10 Diagram Alir Simulasi………..65
Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ... 66
Gambar 4.2 Dimensi dari alat penukar kalor ... 66
Gambar 4.3 Dimensi dari alat penukar kalor ... 67
Gambar 4.4 Mengatur geometry ... 81
Gambar 4.5 Mengatur mesh ... 81
Gambar 4.6 hasil pengecekan dan display mesh………82
Gambar 4.7 Mengatur setup ... 82
Gambar 4.8 Mengatur viscous ... 83
Gambar 4.9 Mengatur setup heat exchanger... 83
Gambar 4.10 Mengatur cell zone condition ... 84
Gambar 4.11 Mengatur mengatur setup boundary conditions ... 84
Gambar 4.12 Mengatur mengatur setup solution method ... 85
Gambar 4.13 Hasil perhitungan pada report ... 85
viii Gambar 4.15 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC………...90
Gambar 4.16 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC………...90
Gambar 4.17 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC………...91
Gambar 4.18 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC………...91
Gambar 4.19 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC………...92
Gambar 4.20 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC………...92
Gambar 4.21 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC………...93
Gambar 4.22 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC………...93
Gambar 4.23 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC………...94
Gambar 4.24 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC………...94
Gambar 4.25 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50ºC………...95
Gambar 4.26 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC………...95
ix DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double pipe exchanger fittings ... 15
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ... 29
Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ... 41
Tabel 2.4. Bilangan Nu pada pipa annulus sepusat………...50
Tabel 3.1 Variasi parameter sampel penelitian……… 53
Tabel 3.2 Variasi parameter sampel penelitian……… 54
Tabel 3.3 Variasi Sampel Penelitian………..54
Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi 74 Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi 77 Tabel 4.3 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi 80 Tabel 4.4 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 240 L/j) 83 Tabel 4.5 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 360 l/j) 84 Tabel 4.6 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 180 l/j) ... 85
Tabel 4.7 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 240 L/j dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j………...98
Tabel 4.8 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 360 L/j dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j………...99
Tabel 4.9 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 180 L/j dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j………...100
Tabel 4.10 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ... 101
Tabel 4.11 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ... 102
x DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
q laju pindahan panas Watt
Q kapasitas aliran m3/s
ṁh laju aliran massa fluidsa panas kg/s
ṁc laju aliran massa fluida dingin kg/s
Cph panas jenis fluida panas J/kg K
Cpc panas jenis fluida panas J/kg K
Thi Temperatur fluida panas masuk APK (oC)
Tho Temperatur fluida panas keluar APK (oC)
Tci Temperatur fluida dingin masuk APK (oC)
Tco Temperatur fluida dingin keluar APK (oC)
U koefisien perpindahan panas menyeluruh Watt/m2K
A Luas daerah perpindahan panas m2
∆Trl beda suhu rata-rata logaritma (oC)
μ viskositas dinamik Ns/m2
pr bilangan prandalt
Re bilangan reynold
ρ massa jenis kg/m3
Nu bilangan nusselt
f koefisien gesekan
NTU Number transfer unit
C kapasitas panas Watt/K
Cmin kapasitas panas minimum Watt/K
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
E Efektifitas APK %
Ch kapasitas panas fluida panas Watt/K
Cc kapasitas fluida dingin Watt/K
R hambatan total
Rf,i hambatan fluida di tabung dalam C/W
xi
Rf,o hambatan fluida di dalam anullus C/W
Di diameter tabung dalam m
Do diameter tabung luar m
Dh diameter hidrolik m
c Perbandingan Cmin dengan Cmax Kg/m3
k koefisien konduksi Watt/m K
