ALAT PENUKAR KALOR
PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT
PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN
TABUNG
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLIMPIANUS SINURAYA
NIM : 080421028
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
D E P A R T E M E N T E K N I K M E S I N
F A K U L T A S T E K N I K
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR
KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG
OLIMPIANUS SINURAYA NIM. 080421028
Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke – 161 pada Tanggal 01 Oktober 2011
Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II
Ir. Mulfi Hazwi, Msc Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP. 1949101 2198103 1 002 NIP. 19720610 200012 1 000
PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR
KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG
OLIMPIANUS SINURAYA NIM. 080421028
Penguji I Penguji II
Ir. Mulfi Hazwi, Msc Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP. 1949101 2198103 1 002 NIP. 19720610 200012 1 000
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan kasih-Nya yang telah memberikan kesempatan, pengetahuan, pengalaman, dan kekuatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini berjudul “Perancangan dan Simulasi 3D Alat penukar Kalor Tipe Selongsong dan Tabung”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh bagi setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU untuk memperoleh gelar kesarjanaan.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis telah banyak mendapat bantuan mulai dari awal sampai akhir penyelesaiannya. Melalui kesempatan ini penulis mengucapkan rasa hormat dan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT. selaku dosen pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Seluruh staff pengajar di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah membantu penulis dalam hal administrasi.
4. Kepada karyawan-karyawan Pertamina dan Palmechandra yang memberikan data-data survei, tabel dan buku khususnya kepada Mamed, Sukri Rahmadani, Sharonas Agung dan Ricky Chandra Sebayang.
5. Kedua orang tua penulis, Sofian Sinuraya dan Samaria Br. Gintingyang telah memberikan dukungan moril dan material serta doa selama dalam masa perkuliahan dan dalam menyelesaikan Skripsi ini.
6. Buat abang saya dan adik saya Indra Christopher Sinuraya, SH dan Renaldo Sinuraya dan adik saya Delen Oktalin Sinuraya S.E dan Sartika Sinuraya SH. 7. Untuk teman - teman yang telah memotivasi dan mendoakan penulis dalam
8. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin Ekstension yang telah banyak membantu penulis dan penyusunan Skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih banyak kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan koreksi untuk kesempurnaan Skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga Skripsi ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, September 2011 Penulis, Olimpianus Sinuraya 080421028
ABSTRAK
Skripsi ini membahas perancangan alat penukar kalor tipe selongsong dan tabung yang berfungsi sebagai pemanas air dengan memanfaatkan emisi gas buang sebagai media pemanas. Perencanaan ini dilakukan karena kinerja alat penukar kalor tidak sesuai dengan kebutuhan karena temperatur gas buang keluar lebih tinggi dari yang diharapkan.
Perancangan berdasarkan dari jurnal “Studi Ekperimental Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell and Tube dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air” oleh Zainnudin dan dilakukan perancangan ulang komponen-komponen alat penukar kalor yang disesuaikan standar TEMA. Rancangan dilakukan dengan menggunakan tiga alternatif yaitu APK 1 – 1 lintasan. APK 1 – 2 lintasan dan APK 1 – 4 lintasan.
Rancangan alat penukar kalor hanya dilakukan pada putaran mesin 1500 rpm dan beban 0 kW. Desain alat penukar kalor yang optimal dipilih adalah 1 – 4 lintasan karena efektivitas alat penukar kalor yang dihasilkan paling tinggi dibandingkan dua alternatif lainnya sebesar 83,35 %.
Metode Kern lebih mudah diaplikasikan dalam perhitungan perpindahan panas karena merupakan metode yang paling sederhana, namun metode ini akan memberikan hasil yang kurang akurat karena banyak faktor-faktor yang diabaikan. Metode Bell – Delaware akan memberikan hasil yang lebih akurat, namun akan diperlukan banyak parameter yang harus diketahui
Analisis aliran fluida dengan perangkat lunak SolidWorks Flow Simulation menghasilkan solusi yang cukup akurat atau sesuai analisis teroritis sehingga dapat dijadikan pedoman dalam perancangan sistem fluida karena ini dari perangakat lunak tersebut dapat diketahui fenomena-fenomena yang terjadi dalam sistem fluida yang dirancang. Hasil Skripsi ini diharapkan dapat menjadi salah satu alternatif yang dapat digunakan untuk menggantikan alat penukar kalor yang ada.
Kata kunci: Alat penukar kalor, lintasan, air, gas buang, Metode Kern, Metode Bell – Dellaware, simulasi
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR SIMBOL ... ix
DAFTAR LAMPIRAN ... xii
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Tujuan Perencanaan ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Metodologi Penulisan ... 3 1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Jenis-jenis Alat Penukar Kalor ... 4
2.1.2 Konstruksi Alat Penukar Kalor ... 7
2.2 Analisis Perpindahan Panas... 16
2.2.1 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor ... 16
2.2.2 Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD ... 16
2.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam Tabung) ... 18
2.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam Selongsong) ... 20
2.2.4.1 Metode Kern ... 21
2.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal ... 21
2.2. 4.1.2 Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δps) ... 22
2.2.4.2 Metode Bell-Delaware ... 22
2.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong ... 22
2.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong ... 27
2.2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 30
2.2.6 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 31
2.3. Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation SolidWorks ... 31
2.3.1 Proses Penghitungan CFD ... 32
3.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam tabung)... 53
3.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam selongsong) ... 54
3.2.4.1 Metode Kern ... 55
3.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal ... 55
3.2.4.1.2 Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δps) ... 56
3.2.4.2 Metode Bell-Delaware ... 56
3.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong ... 56
3.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong ... 60
BAB 4 ANALISIS MENGGUNAKAN SOLIDWORKS FLOW SIMULATION ... 68
4.1. Proses Simulasi CFD ... 68
4.1.1 Preprocessor ... 68
4.1.2 Processor ... 72
4.1.3 Post Processor ... 73
4.2 Pengaruh Jumlah Grid terhadap Solusi Diskritasi ... 83
4.3 Pengaruh Laju Aliran Massa terhadap APK ... 84
4.4 Validasi ... 86
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 92
5.1 Kesimpulan ... 92
5.2 Saran ... 93
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Mesin refrigrasi pendiginan air (water cooled chiller) ... 4
Gambar 2.2 Kondensor ... 5
Gambar 2.3 Mesin pendingin ... 5
Gambar 2.4 Alat penukar kalor dengan tabung tipe U ... 5
Gambar 2.5 Alat pemanasan ulang ... 6
Gambar 2.6 Alat pemanas ... 6
Gambar 2.7 Alat pemanas uap lanjut ... 6
Gambar 2.8 Evaporator ... 7
Gambar 2.9 Alat pemanas air pengisi ketel ... 7
Gambar 2.10 Selongsong ... 8
Gambar 2.11 Sekat bentuk segmen ... 11
Gambar 2.12 Efek dari sekat ... 12
Gambar 2.13 Susunan pelat tabung multi aliran dalam alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan) .... 13
Gambar 2.14 Jenis-jenis flens ... 14
Gambar 2.15 Baffle spacer dan batang pengikat ... 15
Gambar 2.16 Tipe gasket ... 15
Gambar 2.17 Aliran internal dari air dalam sebuah pipa dan aliran eksternal dari udara di luar pipa (pipa yang sama) ... 18
Gambar 2.18 Distribusi aliran sisi selongsong dan identifikasi dari macam-macam aliran ... 20
Gambar 2.19 Hubungan geometri sekat terhadap alat penukar kalor segmen tunggal ... 24
Gambar 2.20 Luas kebocoran antara selongsong dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) ... 25
Gambar 2.21 Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) ... 26
Gambar 2.22 Aliran melintang bagian tengah ... 28
Gambar 2.23 Aliran daerah jendela ... 28
Gambar 2.24 Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong ... 28
Gambar 2.25 Model original ... 34
Gambar 2.26 Variasi tipe mesh komputasi ... 34
Gambar 3.1 Asemmbly alat penukar kalor ... 41
Flow Simulation ... 69
Gambar 4.3 Penentuan hasil mesh mula-mula ... 70
Gambar 4.4 Hasil Mesh ... 70
Gambar 4.5 Ilustrasi kondisi batas ... 71
Gambar 4.6 Penentuan tipe analisis ... 72
Gambar 4.7 Hasil iterasi mencapai konvergen ... 72
Gambar 4.8 Distribusi kecepatan 1 – 1 pass ... 73
Gambar 4.9 Distribusi kecepatan 1 – 2 pass ... 74
Gambar 4.10 Distribusi kecepatan 1 – 4 pass ... 75
Gambar 4.11 Distribusi temperatur 1 – 1 pass ... 77
Gambar 4.12 Distribusi temperatur 1 – 2 pass ... 78
Gambar 4.13 Distribusi temperatur 1 – 4 pass ... 80
Gambar 4.14 Distribusi tekanan 1 – 1 pass ... 81
Gambar 4.15 Distribusi tekanan 1 – 2 pass ... 82
Gambar 4.16 Distribusi tekanan 1 – 4 pass ... 83
Gambar 4.17 Hubungan inisialisasi mesh untuk laju kalor pada CFD dan hitungan ... 84
Gambar 4.18 Hubungan perpindahan kalor untuk APK 1 – 1 lintasan pada CFD dan perhitungan pada tiap laju aliran massa ... 85
Gambar 4.19: Cut plot pandangan depan kecepatan maximum diset 17 m/s ... 87
Gambar 4.20: Cut plot pandangan depan kecepatan maximum diset 0,021 m/s ... 88
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 : Parameter dasar tata letak tabung Tabel 3.1 : Data desain alat penukar kalor Tabel 3.2 : Desain rancangan
Tabel 3.3 : Nossel masuk dan keluar pada tabung dan selongsong Tabel 3.4 : Data operasi alat penukar kalor
Tabel 3.5 : Hasil iterasi pada gas buang
Tabel 3.6 : Konfigurasi geometri alat penukar kalor
Tabel 3.7 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di dalam tabung Tabel 3.8 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung
(Metode Kern)
Tabel 3.9 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung (Metode Bell- Delaware)
Tabel 3.10 : Efektivitas alat penukar kalor berdasarkan hitungan
Tabel 4.1 : Jumlah grid dan waktu kalkulasi pada tiap inisialisasi mesh
Tabel 4.2 : Perbandingan perpindahan kalor pada CFD dan hitungan untuk tiap inisialisasi mesh
Tabel 4.3 : Perbandingan hasil dari jurnal, perancangan dan simulasi CFD untuk alternatif 1 pada mesh tingkat 5
Tabel 4.4 : Kapasitas kalor untuk APK 1 – 1 lintasan pada CFD dan perhitungan pada tiap laju aliran massa air
Tabel 4.3 : Hasil Surface Parameter untuk sisi tabung Tabel 4.4 : Hasil Surface Parameter untuk sisi selongsong Tabel 4.5 : Hasil simulasi APK 1 – 1 lintasan
DAFTAR SIMBOL
= luas kebocoran melintang untuk bypass (m2)
Am = luas aliran melintang tabung (m2)
Ao = luas perpindahan kalor (m2)
= luas aliran sisi selongsong (m2)
= Luas bocoran antara selongsong dan sekat (m2) = Luas bocoran antara tabung dan sekat (m2)
Aw = Luas aliran jendela sekat bersih (m2)
Aw,g = Luas aliran jendela sekat kotor (m2)
Aw,t = Luas aliran jendela yang ditempati oleh tabung (m2)
= Jarak antara dua permukaan tabung (m)
cp,s = Kalor jenis fluida di sisi selongsong (J/kg.K) cp,t = Kalor jenis fluida di sisi tabung (J/kg.K)
De = Diameter ekuivalen (m)
Dotl = Diameter bundel tabung (m)
Dctl = Diameter pusat tabung dari bundel tabung terluar (m)
Do = Diameter luar selongsong (m)
Ds = Diameter dalam selongsong (m)
di = Diameter dalam tabung (m)
do = Diameter luar tabung (m)
= Laju aliran massa per satuan luas di sisi selongsong (kg/m2.s)
ho = Koefisien perpindahan eksternal (W/m2.K)
hid = Koefisien perpindahan panas ideal (W/m2.K)
hi = Koefisien perpindahan internal (W/m2.K)
k = Konduktivitas termal (W/m.K)
L = Panjang tabung (m)
= Jarak antar sekat (m)
Lb,i = jarak sekat di sisi masuk selongsong (m) Lb,o = jarak sekat di sisi keluar selongsong (m)
Lc = Jarak pemotongan sekat (m)
Ls = Panjang selongsong (m)
LMTD = Beda temperatur rata-rata logaritma (oC, K)
= Laju aliran massa sisi tabung (kg/s)
= Laju aliran massa sisi selongsong (kg/s)
= Jarak antara dua permukaan tabung (m)
ps = tekanan pada sisi selongsong (Pa)
pt = tekanan pada sisi tabung (Pa)
Qc = Kalornya yang diserap fluida dingin (W)
Qh = Kalornya yang diserap fluida panas (W)
Q = Parpindahan kalor (W)
Tc,o = Temperatur fluida dingin keluar (oC, K) Tc,i = Temperatur fluida dingin masuk (oC, K) Th,o = Temperatur fluida panas keluar (oC, K)
Vt = Kecepatan fluida di dalam tabung (m/s)
Vs = Kecepatan fluida di dalam selongsong (m/s)
wp = Lebar bypass (m)
Xt = Jarak antara dua permukaan tabung transversal (m) Xl = Jarak antara dua permukaan tabung longitudinal (m)
Bilangan tak berdimensi F = Faktor koreksi
Fc = Fraksi tabung pada aliran menyilang Fw = fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas ft = Faktor gesekan di dalam tabung
fs = Faktor gesekan di dalam selongsong Jc = Faktor koreksi untuk konfigurasi sekat Jb = Faktor koreksi akibat aliran bypass
Jl = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat
Js = Faktor koreksi untuk jarak sekat pada sisi masuk dan keluar selongsong Kf = Bilangan Euler
Nb = Jumlah sekat
Nc = Jumlah tabung baris menyilang
Ncw = Jumlah baris tabung pada daerah aliran melintang Np = Jumlah aliran pass partion
Nss = Jumlah sealing strips yang dipasang untuk menahan aliran bypass pada aliran melintang
Nr,cc = Jumlah baris menyilang
Nr,cw = Jumlah baris aliran menyilang efektif pada daerah jendela Nt = Jumlah tabung
Nu,s = Bilangan Nusselt di sisi selongsong Nu,t = Bilangan Nusselt di sisi tabung NTU = Banyaknya unit alat penukar kalor P = Perbandingan efektivitas termal Pr = Bilangan Prandtl
R = Perbandingan kapasitas kalor
Rl = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat Rb = Faktor koreksi untuk aliran bypass
Rs = Faktor koreksi untuk jarak sekat pada sisi masuk dan keluar selongsong Re = Bilangan Reynold
= Jarak ruang bebas diametral dari selongsong dengan sekat (m)
= Sudut pusat bundel tabung (deg)
= Sudut pusat terhadap lingkaran terluar tabung (rad)
= Viskositas dinamik (kg/m.s)
υ = Viskositas kinematik (m2/s)
= Viskositas (kg/m3)
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran – A : Gambar Bagian- bagian dari Alat Penukar Kalor Lampiran – B : Tabel Tebal Shell Minimum
Lampiran – C : Tabel Diameter Ruang Bebas untuk Selongsong Lampiran – D : Tabel Standar Batang Pengikat
Lampiran – E : Tabel Pipa Lampiran – F : Tabel Flens
Lampiran – G : Tabel Laju Pengotoran untuk Fluida Lampiran – H : Konduktivitas Termal Untuk Benda Padat
Lampiran – I : Parameter untuk Sifat Gas Buang SolidWorks Flow Simulation Lampiran – J : Geometri Alat Penukar Kalor
