BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat 3.1.1 Waktu
Waktu yang dibutuhkan dalam penelitian ini selama 2 bulan 14 hari, yaitu pada tanggal 10 April 2017- 24Juni 2017.
3.1.2 Tempat
Penelitian ini bertempat di Jalan Sutomo Ujung, Medan, Sumatera Utara dan Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor
Sebelum merancang sebuah alat penukar kalor tipe shell and tube, dibutuhkan asumsi-asumsi data dari laju aliran yaitu menentukan jenis fluida, temperatur masuk dan temperatur keluar dari dan tekanan operasi kedua fluida. Data ini dibutuhkan terutama untuk fluida gas jika densitas gas tidak diketahui. Untuk fluida berupa cairan, data tekanan operasi tidak terlalu dibutuhkan karena sifat-sifatnya tidak banyak berubah apabila tekanannya berubah.
Langkah-langkah yang biasa dilakukan dalam merencanakan atau mendesain alat penukar kalor adalah:
1. Penentuan besar kalor (Q) yang diperlukan. Penukarkalor yang direncanakan harus memenuhi atau melebihi syarat ini.
2. Menentukan ukuran alat penukar kalor dengan perkiraan yang masuk akal untuk koefisien perpindahan kalor keseluruhannya.
3. Menentukan fluida yang akan mengalir disisi tabung atau cangkang. Biasanya sisi tabung direncanakan untuk fluida yang bersifat korosif, beracun, bertekanan tinggi, atau bersifat mengotori dinding. Hal ini dilakukan agar lebih mudah dalam proses pembersihan atau perawatannya.
5. Menentukan ukuran cangkang. Langkah ini dilakukan setelah kita mengetahui jumlah tabung yang direncanakan. Kemudian perkirakan jumlah laluan dan jarak dua sumbu tabung yang akan digunakan.
6. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah sekatdan jarak antar sekat yang akan digunakan. Biasanya, sekat memiliki jarak yang seragam dan minimum jaraknya 1/5 dari diameter cangkang tapi tidak kurang dari 2 inchi.
7. Langkah yang terakhir adalah memeriksa kinerja dari alat penukar kalor yang telah direncanakan. Hitung koefisien perpindahan panas di sisi tabung dan sisi cangkang, hitung faktor pengotorannya apakah sesuai dengan standar yang diizinkan, dan penurunan tekanan di sisi tabung dan cangkang.
3.3 Menggambar Desain dengan Autocad
Autocad adalah perangkat lunak CAD untuk menggambar dua dimensi dan tiga dimensi yang dikembangkan oleh autodesk. Keluarga produk autoCAD, secara keseluruhan, adalah software yang paling banyak digunakan didunia.
Dimana pada perancangan alat penukar kalor ini, penulis menggunakan software autocad. Hasil gambar desain alat penukar kalor dapat dilihat pada lampiran.
3.4 Alat dan Bahan
Pada tahap ini dilakukan pencarian dari pengumpulan bahan-bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut ini adalah alat-alat dan bahan yang diperlukan dalam mengkonstruksi alat-alat penukar kalor.
3.4.1 Alat
Berikut ini alat-alat yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor sederhana tipe shell and tube satu laluan cangkang empat laluan tabung.
1. Water Heater
Heater digunakan untuk mengkondisikan agar fluida panas oli dapat dipanaskan kepada suhu yang diinginkan. Water heater yang digunakan memiliki daya 1000 Watt.
Gambar 3.1 Water heater
2. Pompa
Pompa digunakan untuk mendorong fluida yang mengalir dalam pengujian alat penukar kalor. Jenis pompa yang digunakan adalah pompa aquarium. Mengapa digunakan pompa aquarium karena pompa aquarium memiliki daya 6 Watt dan pada penelitian tidak membutuhkan daya pompa yang besar untuk mendorong fluida dengan debit maximal 400 l/jam.
3. Flowmeter
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran atau debit fluida panas dan fluida dingin dalam satuan liter per menit ataupun galon per menit. Jenis flowmeter yang digunakan merupakan jenis flowmeter manual vertikal dengan kemampuan mengukur debit air minimum sebesar 1 liter/menit dan debit fluida maximal 15 liter/menit.
Gambar 3.3 Flowmeter
3.4.2 Bahan
Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor.
1. Pelat Besi
Digunakan sebagai tempat menampung fluida panas dan fluida dingin. Pelat besi yang digunakan berukuran 300 mm x 300 mm dengan ketebalan 2 mm. Dipilih pelat besi karena memiliki nilai konduktifitas termal sebesar 80,2 W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan panas hingga mencapai 100oC dan memiliki kemudahan dalam pengelasan.
2. Glasswool
Digunakan untuk melapisi alat penukar kalor untuk meminimalisir panas yang keluar atau sebagai isolator.Glasswool yang digunakan memiliki
ketebalan 3,5 cm. Dipilih glasswool sebagai isolator karena memiliki kehilangan panas yang rendah.
3. Besi Segiempat
Besi segi empat digunakan sebagai pembuatan rangka alat penukar kalor.Dimensi besi segiempat 40 mm x 40 mm dan tebal 2 mm. Dipilih besi segi empat karena kemudahan dalam penyatuan yaitu pengelasan dan memiliki kemampuan untuk menahan massa dari alat penukar kalor itu sendiri.
4. Pipa Tembaga
Pipa tembaga digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida panas. Dipilih pipa tembaga dengan ketebalan 20 BWG karena memiliki nilai konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak yaitu sebesar 401 W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan fluida pada suhu tinggi dan tahan akan korosi.
5. Stop keran (Ball Valve)
Stop keran digunakan sebagai pemutus atau penyambung aliran fluida. Pada perancangan alat penukar kalor ini dipilih stop keran jenis ball valve karena kemudahan dalam mengatur debit fluida yang mengalir dibandingkan dengan jenis yang lain dan ball valve memiliki nilai koefisien kehilangan minor paling rendah.
Tabel 3.1 Koefisien kehilangan minor
No Jenis Katup Koefisien Kehilangan Minor
1 Katup Globe, terbuka penuh 10
2 Katu Angle, terbuka penuh 2
3 Katup Gate, terbuka penuh 0,15
7 Katup Ball, terbuka penuh 0,05
8 Katup Gate, 1/3 tertutup 5,5
6. Pipa Besi
Pipa besi digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida dingin. Dimensi pipa besi yang digunakan pada perancangan alat penukar yaitu 5 inci. Dipilih pipa besi karena memiliki nilai konduktivitas termal sebesar 80,2 W/m.K (tabel 4.2), tidak terlalu besar dibandingkan material yang lain karena pipa besi hanya sebagai tempat mengalirnya fluida dingin yaitu air dengan suhu tidak terlalu besar.
7. Engine oil
Engine oil atau oli mesin digunakan sebagai fluida panas. Oli yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
3.5 Skema Alat Penukar Kalor
Berikut adalah skema dari alat penukar kalor yang dibuat:
Gambar 3.4 Skema alat penukar kalor
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat
Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor, sebelumnya diperlukan tahapan-tahapan dalam proses pembuatannya hingga menghasilkan sebuah model jadi yang sesuai dengan keinginan yang diinginkan.
Pompa Stop kran ball valve Flowmeter Tangki dingin air Tangki panas oli Tangkip anas oli Fluida dingin air
Fluida panas oli
Tangkidi ngin air Heater Termocouple Stop kran ball valve 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9
Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan alat penukar kalor Ya Tidak Mulai Selesai Studi literatur
Perhitungan dimensi alat penukar kalor
Menggambar desain dengan autocad
Pembuatan alat penukar kalor
Apakahalat berfungsi baik?
BAB IV
DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor
Dalam perancangan alat penukar kalor ini akan dilakukan terlebih dahulu penentuan spesifikasi dari alat penukar kalor seperti yang terlihat pada tabel 4.1, yang kemudian dilakukan analisa perhitungan perancangan alat penukar kalor untuk mendapatkan dimensi dari alat penukar kalor.
Tabel 4.1 Spesifikasi alat penukar kalor
Spesifikasi desain APK Shell and Tube Laju aliran fluida masuk tabung (mh) 0,025 kg/s
Temperatur fluida panas masuk (Thi) 100°C Temperatur fluida panas keluar (Tho) 40°C
Perencanaan alat penukar kalor digunakan nantinya di industri-industri di sumatera utara terkhusus kota Medan sebagai alat pendinginan oli yang menggunakan air sebagai media pendingin. Temperatur air masuk alat penukar kalor ditentukan berdasarkan tempat perencanaan alat penukar kalor digunakan. Oleh karena itu dipilih temperatur air masuk alat penukar kalor sebesar 27°C. Kemudian kenaikan suhu air pendingin direncanakan sebesar 7°C, sehingga temperatur air pendingin keluar alat penukar kalor sebesar 34°C.
Pipa yang digunakan sebagai media tempat mengalirnya fluida panas oli dipilih pipa berbahan tembaga dengan diameter ½ in dan tebal 20 BWG. Alasan dipilih pipa berbahan tembaga, karena tembaga tahan terhadap korosi dan memiliki konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak seperti yang terlihat pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Konduktivitas Material
No Material Konduktivitas termal (300K) W/m.K
1 Aluminium 237 2 Berillium 200 3 Boron 27 4 Cadmium 96,8 5 Kromium 93,7 6 Kobalt 99,2 7 Tembaga 401 8 Germanium 59,9 9 Emas 317 10 Iridium 147 11 Besi 80,2 12 Magnesium 156 13 Molybdenum 138 14 Nikel 90,7 15 Platinum 71,6 16 Perak 429 17 Silicon 148 18 Titanium 21,9 19 Tungsten 174 20 Vanadium 30,7
Berikut perhitungan perancangan dimensi alat penukar kalor:
1. Menghitung besar aliran energi panas yang diterima oleh fluida dingin (Qh), agar mendapatkan besar aliran energi panas yang diterima fluida dingin maka panas jenis fuida panas oli diasumsikan sebesar Cph = 2131 J/kg.K dan juga suhu fluida panas oli keluar dirancang sebesar 40°C.
) ( . h i o h h m Cp Th Th Q = − ) 40 100 ( . . / 2131 . / 025 , 0 kg s J kgK C C Qh = ° − ° Watt Qh =3196,5
2. Menghitung laju aliran air pendingin (mc), agar mendapatkan nilai laju aliran air pendingin, maka panas jenis fluida dingin air juga diasumsikan sebesar Cpc = 4178 J/kg.K. c h Q Q = c c c c T Cp Q m ∆ = . ) 27 34 ( . / 4178 5 , 3196 C C K kg J Watt mc = ° − ° s kg mc =0,1 /
3. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata logaritma kedua fluida dari alat penukar kalor untuk aliran searah (LMTD).
) ( ) ( ln ) ( ) ( o o i i o o i i Tc Th Tc Th Tc Th Tc Th LMTD − − − − − = ) 34 40 ( ) 27 100 ( ln ) 34 40 ( ) 27 100 ( C C C C C C C C LMTD ° − ° ° − ° ° − ° − ° − ° =
4. Menghitung faktor koreksi (F) dapat dicari terlebih dahulu dengan menghitung
Rdan P. 11 , 0 100 40 34 27 1 2 2 1 = ° − ° ° − ° = − − = C C C C t t T T R 82 , 0 100 27 100 40 1 1 1 2 = ° − ° ° − ° = − − = C C C C t T t t P + + + − + − + − − − − + = 1 1 ( 2 1 1 ( 2 ln ) 1 ( 1 1 ln 1 2 2 2 R R P R R P R PR P R F C LMTD=26,81°
+ + + − + − + − − − − + = 1 11 , 0 1 11 , 0 ( 82 , 0 2 1 11 , 0 1 11 , 0 ( 82 , 0 2 ln ) 1 11 , 0 ( ) 11 , 0 )( 82 , 0 ( 1 82 , 0 1 ln 1 11 , 0 2 2 2 F 93 , 0 = F
5. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata (∆Tlm)
LMTD F Tlm = . ∆ C C x Tlm = ° = ° ∆ 0,93 26,81 25,02
6. Kemudian menentukan perencanaan jumlah tabung (Nt) yang akan digunakan. Jumlah tabung dipilih sebesar 16 tube.
7. Menghitung jarak dua sumbu tabung (Pt) dan bundle diameter (Db). do Pt =1,25 ) 7 , 12 ( 25 , 1 mm Pt = mm Pt =15,87 1 / 1 1 n t o b K N d D = 263 , 2 / 1 158 , 0 16 7 , 12 = mm Db mm Db =97,72
8. Tentukan jenis floating head dari alat penukar kalor. Jenis floating head dipilih jenis fixed and U-tube dan untuk mendapatkan Bundle Diameter Clearence (BDC) menggunakan grafik dibawah ini:
mm BDC=10
9. Menghitung diameter cangkang (Ds).
BDC Db Ds= + mm mm Ds=97,72 +10 mm Ds=107,72 mm Ds≈110
Maka dipilih pipa besi dengan ukuran 5 inci dengan diameter luar pipa (OD) 139,8 mm dan diameter dalam pipa (ID) 126,6 mm sesuai dengan permintaan Ds dengan diameter dalam cangkang 110 mm.
10.Menghitung jarak antar sekat (B). Ds B=0,4 ) 6 , 126 ( 4 , 0 mm B= mm B=50,64
11.Menghitung panjang tabung (L).
Untuk menghitung panjang tabung keseluruhan yang dibutuhkan sesuai dengan fungsinya yaitu sebagai tempat mengalirnya fluida panas oli, maka dapat dihitung menggunakan parameter-parameter fluida dan dimensi-dimensi yang sudah dintentukan sebagai berikut ini:
Tabel 4.3 Dimensi Cangkang dan Tabung
No Parameter Simbol Nilai Satuan
1 Diameter cangkang (shell) Ds 0,1266 m 2 Diameter tabung (tube) di 0,0109 m
3 Jarak antar sekat B 0,05064 m
4 Tebal tabung (tube) T 20 BWG
5 Jarak 2 sumbu tabung Pt 0,01587 m
6 Jumlah tabung (Nt) Nt 16 Tube
Kemudian diperlukan data-data dari sifat fisik fluida yang digunakan pada alat penukar kalor. Sifat fisik fluida diperoleh melalui temperatur rata-rata dari fluida.
Temperatur rata-rata fluida dingin air (Tfc): 273 2 + + = i o c Tc Tc Tf K C C Tfc 273 303,5 2 34 27° + ° + = =
Tabel 4.4 Sifat fisik fluida dingin air berdasarkan tabel A.6 Temperatur, T (K) Massa jenis, ρ (kg/m3) Viskositas,µx10-3 (N.s/m2) Konduktifitas, k x 10-3(W/m.K) 300 995,7 0,798 613 303,5 995,5 0,79 617,9 305 992,2 0,653 620
Temperatur rata-rata fluida panas oli (Tfh): 273 2 + + = i o h Th Th Tf K C C Tfh 273 343 2 40 100° + ° + = =
Tabel 4.5 Sifat fisik fluida panas oli berdasarkan tabel a.5 Temperatur, T (K) Massa jenis, ρ (kg/m3) Viskositas,µx10-2 (N.s/m2) Konduktifitas, k x 10-3(W/m.K) 340 859,9 5,31 139 343 858,1 4,78 138,7 350 853,9 3,56 138
Analisis Fluida Didalam Tabung: Menghitung luas aliran (At),
4 2 i t d A =π 2 2 000093 , 0 4 ) 0109 , 0 ( 14 , 3 m m At = =
Menghitung kecepatan massa aliran (Gt).
t h t A m G = 2 000093 , 0 / 025 , 0 m s kg Gt = s m kg Gt 2 / 8 , 268 =
Menghitung bilangan reynold (Re), Re µ π. . . 4 i h d N m = Re 2 2 / 10 78 , 4 ). 0109 , 0 ( 14 , 3 4 / 025 , 0 . 4 m Ns x m s kg − =
Re=15,3(Re< 2300, Aliran Laminar) Menghitung bilangan prandtl (Pr),
Pr k Cp . µ = Pr K m W x K kg J m s N x . / 10 7 , 138 . / 6 , 2088 . / . 10 78 , 4 3 2 2 − − = Pr=719,8
Kemudian hitung bilangan nusselt untuk aliran laminar (Nu), Nu 14 , 0 3 / 1 . Pr . Re 86 , 1 = w L D µ µ
Karena untuk mencari bilangan nusselt membutuhkan variabel L yaitu panjang tabung, sementara itu panjang tabung belum diketahui, maka panjang tabung dapat dicari dengan try and error dengan persamaan:
t i o N d A L . . π = Iterasi I:
Menghitung luas area (Ao),
lm o T F U Q A ∆ = . . lm o T F U Watt A ∆ = . . 5 , 3196
Diperoleh nilai faktor pengotoran untuk kedua fluida berdasarkan tabel 2.2,
Oli (Rfi) = 0,0009m2K/W Air (Rfo) = 0,0001m2K/W
Kemudian diasumsikan koefisien perpindahan panas pada sisi tabung dan cangkang berdasarkan tabel 2.1,
Asumsi: hi = 60W/m2K ho= 400W /m2K + + + + = 0001 , 0 0009 , 0 401 0018 , 0 / 400 1 / 60 1 1 2 2 K m W K m W U K m W U =49,6 / 2 Menghitung luas area (Ao),
2 2 0,25 02 , 25 / 6 , 49 5 , 3196 m C x K m W Watt Ao = ° =
Menghitung panjang tabung (L),
t i o N d A L . . π = m x m x m L 0,47 16 0109 , 0 14 , 3 25 , 0 2 = =
Menghitung bilangan nusselt (Nu), Nu 14 , 0 3 / 1 47 , 0 0109 , 0 8 , 719 3 , 15 86 , 1 = w m m x x µ µ
Untuk nilai µpada suhu rata-rata, sedangkan nilai µwpada suhu dinding. Namun karena variabel belum lengkap, maka nilai µ µwdiabaikan sementara, sehingga Nu 3 / 1 47 , 0 0109 , 0 8 , 719 3 , 15 86 , 1 = m m x x Nu=4,9
Maka koefisien perpindahan panas (hi), i i d k Nu h = K m W m K m W x hi 2 3 / 3 , 62 0109 , 0 . / 10 7 , 138 9 , 4 = = −
Analisis Fluida Dalam Cangkang: Menghitung luas aliran (As).
(
)
t s o t s P B D d P A = − .(
)
mm mm mm mm mm As 87 , 15 64 , 50 . 6 , 126 7 , 12 87 , 15 − = 2 2 00128 , 0 58 , 1280 mm m As = ≈Menghitung kecepatan massa aliran (GS).
s c s A m G = 2 00128 , 0 / 1 , 0 m s kg Gs = s m kg Gs =78,1 / 2
Menghitung diameter hidrolik (Dh),
o o t h d d P x D = − . ) ( 4 2 π m m m x Dh 0,0127 0,0129 ) 0127 , 0 ( 14 , 3 ) 01587 , 0 ( 4 2 = − =
Menghitung bilangan reynold (Re), Re µ h s D G . = Re 2 3 -2 / . 10 x 0,79 0129 , 0 . / 1 , 78 m s N m s m kg =
Menghitung bilangan prandtl (Pr), Pr k Cp . µ = Pr K m W x K kg J m s N . / 10 9 , 617 . / 4178 . / . 10 x 0,79 3 2 -3 − = Pr=5,34 Menghitung bilangan nusselt (Nu),
Nu 3 / 1 47 , 0 1266 , 0 34 , 5 3 , 1275 86 , 1 = m m x x Nu=8,8 Maka koefisien perpindahan panas (ho),
h o D k Nu h = K m W m K m W x ho 2 3 / 4 , 425 0129 , 0 . / 10 9 , 617 8 , 8 = = −
Menghitung suhu pada dinding tabung (tw),
o i c o h i w h h Tf h Tf h t + + =( . ) ( . ) K m W K m W K m W C K m W tw 2 2 2 2 / 4 , 425 / 3 , 62 ) 5 , 30 . / 4 , 425 ( ) 70 . / 3 , 62 ( + + ° = C tw =35,5°
Menghitung parameter suhu dinding tabung tembaga, Berdasarkan tabel A.5 dengan tw=35,5°C = 308,5 K. Untuk oli
T (K) Viskositas, µ.10−2(Ns/m2)
300 48,6
308,5 28,8
Untuk air
T (K) Viskositas, µ.10−6(Ns/m2)
305 769
308,5 717,2
310 695
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya (Nu),
Nu 3,8 / 10 8 , 28 / 10 78 , 4 9 , 4 14 , 0 2 2 2 2 = = −− m Ns x m Ns x
Maka koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi), K m W m K m W x hi 2 3 / 3 , 48 0109 , 0 . / 10 7 , 138 8 , 3 = = −
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya (Nu),
Nu 8,9 / 10 2 , 717 / / . 10 x 0,79 8 , 8 14 , 0 2 6 2 2 3 -= = − m Ns x m Ns m s N
Maka koefisien koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho), K m W m K m W x ho 2 3 / 3 , 426 0129 , 0 . / 10 9 , 617 9 , 8 = = − Iterasi 2: K m W hi 2 / 3 , 48 = K m W ho =426,3 / 2 + + + + = 0001 , 0 0009 , 0 401 0018 , 0 / 3 , 426 1 / 3 , 48 1 1 2 2 K m W K m W U K m W U =41,8 / 2
Menghitung luas area (Ao), 2 2 0,3 02 , 25 / 8 , 41 5 , 3196 m C x K m W Watt Ao = ° =
Menghitung panjang tabung (L),
t i o N d A L . . π = m x m x m L 0,55 16 0109 , 0 14 , 3 3 , 0 2 = =
Menghitung bilangan nusselt (Nu), Nu 3 / 1 55 , 0 0109 , 0 8 , 719 3 , 15 86 , 1 = m m x x Nu=4,7 Maka koefisien perpindahan panas (hi),
i i d k Nu h = K m W m K m W x hi 2 3 / 7 , 59 0109 , 0 . / 10 7 , 138 7 , 4 = = −
Analisis Fluida Dalam Cangkang: Menghitung bilangan nusselt (Nu),
Nu 3 / 1 55 , 0 1266 , 0 34 , 5 3 , 1275 86 , 1 = m m x x Nu=8,47 Maka koefisien perpindahan panas (ho),
h o D k Nu h = K m W m K m W x ho 2 3 / 9 , 405 0129 , 0 . / 10 9 , 617 47 , 8 = = −
Menghitung suhu pada dinding tabung (tw), o i c o h i w h h Tf h Tf h t + + =( . ) ( . ) K m W K m W K m W C K m W tw 2 2 2 2 / 9 , 405 / 7 , 59 ) 5 , 30 . / 9 , 405 ( ) 70 . / 7 , 59 ( + + ° = C tw =35,5°
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya (Nu),
Nu 3,64 / 10 8 , 28 / 10 78 , 4 7 , 4 14 , 0 2 2 2 2 = = −− m Ns x m Ns x
Maka koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi),
K m W m K m W x hi 2 3 / 3 , 46 0109 , 0 . / 10 7 , 138 64 , 3 = = −
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya (Nu),
Nu 8,56 / 10 2 , 717 / / . 10 x 0,79 47 , 8 14 , 0 2 6 2 2 3 -= = − m Ns x m Ns m s N
Maka koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho),
K m W m K m W x ho 2 3 / 410 0129 , 0 . / 10 9 , 617 56 , 8 = = − Iterasi 3: K m W hi 2 / 3 , 46 = K m W ho 2 / 410 = + + + + = 0001 , 0 0009 , 0 401 0018 , 0 / 410 1 / 3 , 46 1 1 2 2 K m W K m W U K m W U =39,9 / 2
Menghitung luas area (Ao), 2 2 0,32 02 , 25 / 9 , 39 5 , 3196 m C x K m W Watt Ao = ° =
Menghitung panjang tabung (L),
t i o N d A L . . π = m x m x m L 0,58 16 0109 , 0 14 , 3 32 , 0 2 = =
Menghitung bilangan nusselt (Nu), Nu 3 / 1 58 , 0 0109 , 0 8 , 719 3 , 15 86 , 1 = m m x x Nu=4,6 Maka koefisien perpindahan panas (hi),
i i d k Nu h = K m W m K m W x hi 2 3 / 4 , 58 0109 , 0 . / 10 7 , 138 6 , 4 = = −
Analisis Fluida Dalam Cangkang: Menghitung bilangan nusselt (Nu),
Nu 3 / 1 58 , 0 1266 , 0 34 , 5 3 , 1275 86 , 1 = m m x x Nu=8,32 Maka koefisien perpindahan panas (ho),
h o D k Nu h = K m W m K m W x ho 2 3 / 7 , 398 0129 , 0 . / 10 9 , 617 32 , 8 = = −
Menghitung suhu pada dinding tabung (tw), o i c o h i w h h Tf h Tf h t + + =( . ) ( . ) K m W K m W K m W C K m W tw 2 2 2 2 / 7 , 398 / 4 , 58 ) 5 , 30 . / 7 , 398 ( ) 70 . / 4 , 58 ( + + ° = C tw =35,546°
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya,
Nu 3,56 / 10 8 , 28 / 10 78 , 4 6 , 4 14 , 0 2 2 2 2 = = −− m Ns x m Ns x
Maka koefisien perpindahan panas sebenarnya (hi),
K m W m K m W x hi 2 3 / 3 , 45 0109 , 0 . / 10 7 , 138 56 , 3 = = −
Menghitung koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho), Menghitung bilangan nusselt sebenarnya (Nu),
Nu 8,4 / 10 2 , 717 / / . 10 x 0,79 32 , 8 14 , 0 2 6 2 2 3 -= = − m Ns x m Ns m s N
Maka koefisien perpindahan panas sebenarnya (ho),
K m W m K m W x ho 2 3 / 3 , 402 0129 , 0 . / 10 9 , 617 4 , 8 = = −
Setelah dilakukan iterasi ke 2, dipilih nilai hi dan ho yang sangat mendekati nilai asumsi yang dipakai, sehingga didapatkan panjang tabung (L) alat penukar kalor yang akan dirancang adalah sebesar 0,58 m dengan nilai
K m W hi 2 / 3 , 45 = dan ho W m K 2 / 3 , 402 = .
12.Menghitung Pressure drop dicangkang (∆Ps).
s h s b s s D D N G f P ϕ ρ. . 2 . ) 1 ( . 2 + = ∆
Mencari friction factor (f), Re) ln 19 , 0 576 , 0 exp( − = f 45 , 0 ) 3 , 1275 ln( 19 , 0 576 , 0 exp( − = = f
Mencari jumlah sekat (Nb),
8 4 , 8 1 05064 , 0 58 , 0 1= − = ≈ − = m m B L Nb
Maka penurunan tekanan dicangkang,
14 , 0 2 6 2 2 3 -3 2 2 / 10 2 , 717 / / . 10 x 0,79 ) 0129 , 0 )( / 5 , 995 ( 2 ) 1266 , 0 ( ) 1 8 ( ) / 1 , 78 ( ) 45 , 0 ( + = ∆ − m Ns x m Ns m s N m m kg s m kg Ps Pa Ps =121,7 ∆
13.Menghitung pressure drop ditabung (∆Pt),
2 4 . 4 2 + = ∆ ρ ρ t i t G N d N L f P
Mencari friction factor (f),
2 , 0 89 , 0 1 . Re 16 = w f µ µ 82 , 0 / 10 8 , 28 / 10 78 , 4 89 , 0 1 . 3 , 15 16 0,2 2 2 2 2 = = −− m Ns x m Ns x f
Maka penurunan tekanan di tabung,
2 / 1 , 858 / 8 , 268 ) / 1 , 858 ( ) 4 ( 4 0109 , 0 4 . 58 , 0 ) 82 , 0 ( 4 2 3 2 3 + = ∆ kg m s m kg m kg m m Pt Pa Pt =60129,6 ∆
Gambar 4.1 Alat penukar kalor yang dirancang
Gambar 4.2 Alat penukar kalor telah dilakukan pengujian
4.2 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor
kalor sekaligus tangki fluida panas dan dingin. Berikut dimensi-dimensi rangka alat penukar kalor yang digunakan.
Tabel. 4.6 Dimensi besi segiempat
No Dimensi (mm) Jumlah
1 500 x 40 x 40 2
2 1500 x 40 x 40 1
3 1600 x 40 x 40 4
4 170 x 40 x 40 2
Gambar 4.3 Besi segiempat
4.3 Dimensi Tangki Fluida
Tangki fluida dirancang sesuai dengan kapasitas aliran fluida dingin dikarenan kapasitas aliran fluida dingin air lebih besar dibandingkan fluida panas oli. Kapasitas aliran yang digunakan fluida dingin air adalah sebesar 0,1 kg/s atau sebesar 24 liter per menit. Tangki terbuat dari plat besi yang disatukan membentuk sebuah kubus dengan ukuran plat besi dipilih 300 mm x 300 mm x 2 mm sehingga volume tangki sesuai dengan kapasitas aliran fluida. Untuk mendapatkan volume tangki digunakan rumus sebagai berikut:
3 r V = 3 300 = V 3 6 10 27x mm V = liter V =27
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Telah dirancang dan dibangun sebuah alat penukar kalor sederhana tipe shelland tube satu laluan cangkang empat laluan tabung yang digunakan sebagai media pendinginan oli menggunakan air sebagai media pendingin. 2. Alat penukar kalor terdiri dari cangkang yang terbuat dari pipa besi dan
tabung yang terbuat dari pipa tembaga, dengan panjang cangkang 0,8 m, diameter dalam cangkang 0,1266 m, jenis floating headcangkang jenis fixed and U-tube,jumlah tabung sebanyak 16 tube, jarak antara dua sumbu tabung 0,01587 m, jumlah sekat sebanyak 8 sekat, jarak antar sekat 0,05064 m, diameter luar tabung 0,0127 m, tebal tabung 20 BWG dengan diameter dalam tabung 0,0109 m, dan panjang tabung 0,58 m.
5.2 Saran
1. Dalam perancangan sebuah alat penukar kalor agar lebih diperhatikan faktor lapangan yang mempengaruhi perancangan alat penukar kalor. 2. Peneliti selanjutnya agar dapat melakukan pengembangan melalui alat
