RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TIPE
SHELL AND TUBE SATU LALUAN CANGKANG
EMPAT LALUAN TABUNG
SKRIPSI
Skripsi Yang DiajukanUntukMelengkapi SyaratMemperolehGelarSarjanaTeknik
FERRY SIANTURI NIM. 120401033
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala berkat dan rahmat yang diberikan-Nya sehingga skripsi dengan judul “Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Empat Laluan Tabung” ini dapat penulis selesaikan.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan sarjana (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi Fakultas Teknik, Univeritas Sumatera Utara.
Didalam pengerjaan skripsi ini telah melibatkan banyak pihak yang sangat membantu dalam banyak hal. Oleh sebab itu, disini penulis sampaikan rasa terima kasih sedalam-dalamnya kepada:
1. Bapak Dr.Ir. M. Sabri, MT Selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Terang Ukur H.S. Ginting Manik, ST.MT Selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT Selaku Dosen Pembimbing yang telah
membimbing penulis dalam penyusunan skripsi ini, terimakasih banyak pak, bapak luar biasa.
4. Ayahanda Robinson Sianturi yang disurga dan Ibunda Rosmalina Manik yang sangat penulis kasihi dan cintai melebihi apapun yang telah banyak memberikan doa dan dukungan kepada penulis secara moril maupun meteril hingga skripsi ini dapat selesai, aku sayang kalian pak mak.
5. Abang dan Adik-adik tercinta Arya Eko Wijaya, Hotma Haryani, Luhut Haryanto, dan Vivi Mulya Sari, juga anggota keluarga dan kerabat yang senantiasa memberikan doa dan dukungan moril kepada penulis.
6. Rekan seperjuangan skripsi Junter S.R Sihite yang memberikan dukungan serta masukan-masukan kepada penulis.
8. Rekan-rekan seperjuangan angkatan 2012 yang memberikan dukungan moril kepada penulis terkhusus buat Sebastian Elkano Sitepu, Andi Siregar yang membantu penulis dalam pengerjaan alat.
Penulis juga menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan. Karena itu penulis memohon saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terimakasih.
Medan, Juli 2017 Penulis,
ABSTRAK
Alat penukar kalormerupakan peralatan yang digunakan untuk perpindahan panas antara dua fluida atau lebih. Penelitian ini dilakukan untuk merancang dan membangun alat penukar kalor tipe shell and tube satu laluan cangkang empat laluan tabung untuk pendinginan oli. Kapasitas oli yang didinginkan 0,025 kg/s dengan suhu masukan 100oC, digunakan air sebagai media pendingin. Fluida panas oli mengalir melalui tabungdan fluida dingin air mengalir melalui cangkang. Untuk material cangkang terbuat dari pipa besi dan tabung terbuat dari pipa tembaga. Diperoleh dimensi alat penukar kalor dengan panjang cangkang 0,8 m, diameter dalam cangkang 0,1266 m, jenis floating headcangkang jenis fixed and U-tube,jumlah tabung sebanyak 16, jarak antara dua sumbu tabung sebesar 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.
ABSTRACT
Heat exchangeris an equipment used for heat transfer between two or more fluids. This research was done to design and build a shell and tube type heat exchanger one passage of four shell tubes for oil cooling. Cooled oil capacity of 0.025 kg/s with an input temperature of 100°C, used water as a cooling medium. The oil hot fluid flows through the tube and the cold water fluid flows through the shell. Shell material is made of steel pipe and tube materialis made of copper pipe. Obtained dimension of heat exchanger with shell length is 0,8 m, internal diameter of shell is 0,1266 m, type of floating head shell is fixed type and U-tube, tube number is 16 tube, distance between two axis tubes equal to 0,01587 m, amount of barrier is 8 barriers with 0.05064 m separation distance, outside tube diameteris 0.0127 m, tube thickness is 20 BWG with 0.0109 m inner tube diameter,and tube length is 0,58 m.
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Perancangan ... 2
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Perpindahan Kalor ... 4
2.2 Mekanisme Perpindahan Kalor ... 4
2.2.1 Perpindahan Kalor Konduksi ... 4
2.2.2 Perpindahan Kalor Konveksi ... 5
2.2.3 Perpindahan Kalor Radiasi ... 7
2.3 Alat Penukar Kalor ... 8
2.4 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ... 10
2.5 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 13
2.6 Shell and Tube ... 15
2.7 Pipa Ganda (Double Pipe) ... 18
2.8 Koil Pipa (Panelcoil) ... 18
2.9 Jenis Spiral (Spiral Plate) ... 19
2.11 Komponen Alat Penukar Kalor ... 20
2.11.1 Cangkang ... 20
2.11.2 Tabung ... 24
2.11.3 Sekat... 26
2.11.4 Pelat Tabung ... 28
2.12 Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran ... 28
2.12.1 Kesetimbangan Energi ... 28
2.12.2 Bilangan Reynold ... 29
2.12.3 Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl ... 30
2.12.4 Log Mean Temperature Difference (LMTD) ... 32
2.12.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 33
2.12.6 Faktor Koreksi (F) ... 36
2.12.7 Faktor Pengotoran ... 37
2.12.8 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan di Cangkang. 39 2.12.9 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan di Tabung... 40
2.13 Pendinginan Minyak Pelumas ... 42
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 44
3.1 Waktu dan Tempat ... 44
3.1.1 Waktu ... 44
3.1.2 Tempat ... 44
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor ... 44
3.3 Menggambar Desain dengan Autocad ... 45
3.4 Alat dan Bahan ... 45
3.4.1 Alat... 45
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat ... 50
BAB IV DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR ... 52
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor ... 52
4.2 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor ... 70
4.3 Dimensi Tangki Fluida ... 72
BAB VKESIMPULAN DAN SARAN ... 73
5.1 Kesimpulan ... 73
5.2 Saran ... 73
DAFTAR PUSTAKA ... 74
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Koefisien perpindahan panas (Kakac) ... 35
Tabel 2.2Faktor pengotoran untuk berbagai fluida (Incropera) ... 38
Tabel 3.1 Koefisien kehilangan minor ... 48
Tabel 4.1 Spesifikasi alat penukar kalor ... 52
Tabel 4.2Konduktivitas material ... 52
Tabel 4.3Dimensi cangkang dan tabung ... 57
Tabel 4.4 Sifat fisik fluida dingin air berdasarkan tabel A.6 ... 58
Tabel 4.5Sifat fisik fluida panas oli berdasarkan tabel A.5 ... 58
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi, difusi energi akibat aktifitas
molekul ... 5
Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi. (a) konveksi paksa (b) konveksi alamiah (c) pendidihan (d) kondensasi ... 7
Gambar 2.3 Perpindahan panas radiasi (a) pada permukaan (b) antara permukaan dan lingkungan ... 8
Gambar 2.4 Penukar kalor pipa konsentris (a) parallel flow (b) counter flow . 9 Gambar 2.5 Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur (b) tidak bersirip dengan satu fluida campur dan satu fluida lagi tidak campur ... 10
Gambar 2.6 Alat penukar kalor jenis shell and tube ... 15
Gambar 2.7 Penukar kalor tipe shell and tube CFU (standar TEMA) ... 16
Gambar 2.8 Penukar kalor jenis pipa ganda ... 18
Gambar 2.9 Alat penukar kalor koil pipa ... 19
Gambar 2.10 Alat penukar kalor jenis spiral plat ... 19
Gambar 2.11 Alat penukar kalor jenis plat ... 20
Gambar 2.12 Sket skematik dari beberapa tipe cangkang yang sering digunakan ... 21
Gambar 2.13 Standar tipe-tipe cangkang (berdasarkan standar TEMA) ... 22
Gambar 2.14 Konstanta untuk menggunakan persamaan 2.5 ... 23
Gambar 2.15 Grafik bundle diameter clearence vs bundle diameter ... 24
Gambar 2.16 Susunan tube alat penukar kalor ... 25
Gambar 2.17 Plat sekat, dimodifikasi oleh Mueller (1973) ... 27
Gambar 2.18 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin ... 29
Gambar 2.19 Daerah lapisan batasplat rata ... 29
Gambar 2.20 Alat penukar kalor aliran searah ... 32
Gambar 2.21 Alat penukar kalor aliran berlawanan arah ... 33
Gambar 2.22 Aliran temperatur dengan aliran searah ... 34
Gambar 2.24 Grafik faktor koreksi untuk alat penukar kalor dengan satu lintasan pada cangkang dan dua, empat, atau kelipatannya dari
lintasan pada tabung ... 37
Gambar 2.25 Grafik faktor koreksi untuk alat penukar kalor dengan 2 lintasan pada cangkang dan 4,8 atau kelipatannya dalam lintasan pada tabung ... 37
Gambar 3.1 Waterheater ... 46
Gambar 3.2 Pompa ... 46
Gambar 3.3 Flowmeter ... 47
Gambar 3.4 Skema alat penukar kalor ... 50
Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan alat penukar kalor ... 51
Gambar 4.1 Alat penukar kalor yang dirancang ... 68
Gambar 4.2 Alat penukar kalor telah dilakukan pengujian ... 69
Gambar 4.3 Besi segiempat ... 70
Gambar 4.4 Rangka alat penukar kalor ... 70
DAFTAR NOTASI
Notasi Keterangan Satuan
Ao luas areaalat penukar kalor m2
As luas aliran cangkang m2
At luas aliran tabung m2
B jarak antar sekat m
Cph panas jenis fluida panas J/kg.K Cpc panas jenis fluida dingin J/kg.K
Ds diameter cangkang m
Dh diameter hidrolik m
do diameter luar tabung m
di diameter dalam tabung m
F faktor koreksi f friction factor
Gs kecepatan massa aliran kg/m2.s Gt kecepatan massa aliran kg/m2.s hi koefisien perpindahan panas tabung W/m2K ho koefisien perpindahan panas canngkang W/m2K
k konduktivitas termal W/m.K
L panjang tabung m
mh laju aliran fluida panas kg/s mc laju aliran fluida dingin kg/s Nb jumlah sekat
Nu bilangan nusselt
Pt jarak antara dua sumbu tabung m Pr bilangan prandtl
Q banyaknya kalor yang dilepaskan Watt Re bilangan reynold
Rf faktor pegotoran m2K/W
Tci temperatur fluida dingin masuk oC Tco temperatur fluida dingin keluar oC
tw temperatur dinding oC
t tebal tabung m
U koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2K
lm
T
∆ perbedaan temperatur rata-rata logaritmik oC
Ps
∆ penurunan tekanan dicangkang Pa
Pt
