ANALISIS EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR
SHELL & TUBE DENGAN AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS
DAN FLUIDA DINGIN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
FELIX WIJAYA
(110401068)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2016
i
ABSTRAK
Kebutuhan manusia dari zaman dahulu sudah ada yaitu ketika memasak air sampai mendidih dengan memindahkan panas dari api sampai ketel kemudian panas tersebut memanaskan air di dalam ketel dan air paling dasar yang menerima kalor terlebih dahulu akan naik ke permukaan dan bersikulasi dengan air dingin dan siklus ini menghangatkan air secara terus menerus sehingga ketel ini juga termasuk alat penukar kalor (APK).Berbagai cara dilakukan manusia untuk memodifikasi APK tersebut untuk memenuhi kebutuhannya yang beragam. Penelitian ini berpusat pada analisa dari alat penukar kalor shell & tube 2 laluan dengan fluida panas dan dingin menggunakan air. Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK dengan perhitungan metode NTU dan perhitungan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK terbesar adalah 96.56460 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 60 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510 l/jam dan debit masuk fluida dingin 108 l/jam. Untuk perhitungan data di lapangan diperoleh efektifitas APK terbesar adalah 35.4040 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510
l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Hasil perhitungan metode NTU dan hasil
perhitungan di lapangan memiliki selisih yang cukup jauh dikarenakan alat ukur yang kurang akurat, dan isolasi yang kurang sempurna sehingga masih terjadi heat loss.
ii
ABSTRACT
Human needs from long time ago is already been needed when to boil water to boiled by transferring heat to the kettle and then the heat is boiling water in the boiler water and the mostly water that receive the most heat ,will rise to the surface and to circulate cold water and this cycle warms water continuously so that the boiler also includes a heat exchanger. Many ways that humans do to modify the heat exchanger to meet diverse needs. This study focused on the analysis of heat exchanger shell and tube 2 passes with hot and cold fluid using water. From this research, the effectiveness of the APK counted with NTU calculation method and calculation of data in the field. For the calculation method of NTU acquired the effectiveness of APK largest is 96.56460% at a temperature of hot fluid entry (Th, i) 60 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 108 l / h. For the calculation of field data obtained effectiveness APK biggest is 35.4040% at a temperature of hot fluid entry (Th, i) 50 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 180 l / h. For the calculation method of NTU and calculation of data in the field ,there is a considerable difference caused by imprecise measuring tools and heat loss caused by defective isolation.
Keyword : Effectiveness, Shell & Tube Heat exchanger, inlet and outlet temperature of fluid.
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa
atas berkat dan penyertaan-Nya 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 Efektifitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube
Dengan Fluida Panas dan Fluida Dingin Air”. 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 selalu memberikan dukungan, semangat
dan motivasi serta doa 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, ST. MT dan Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT yang
turut membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan
yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian 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.
Rudianto dan Kevin Basri Ciwira, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan
semangatnya di masa suka maupun duka dalam menghadapi setiap
iv
7.
Binsen Tan Nst , Hady Gunawan, dan Wilson untuk setiap bantuan dan
dukungan yang boleh diberikan.
8.
Bapak Ir. Jaya Arjuna, M.Sc selaku kepala laboratorium Instalasi Uap dan
segenap asisten yang telah memberikan bantuan kepada penulis
melakukan penelitian di laboratorium tersebut.
9.
Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
telah memberikan masukan kepada penulis.
10.
Andreas atas dukungan, motivasi dan beberapa masukan 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.
v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI ...x
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang ...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 TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 Teori Dasar Perpindahan Panas ...5
2.2 Pengertian Alat Penukar Kalor ...6
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ...9
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 18
2.4.1 Konduksi ... 18
2.4.2 Konveksi ... 19
2.4.3 Radiasi ... 20
2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 21
2.6 Faktor Kerak (Fouling Factor) ... 23
2.7 Metode LMTD ... 24
vi
2.7.2 Metode LMTD Pada Aliran Berlawanan ... 27
2.8 Metode NTU ... 32
2.9 Persamaan – Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan Teoritis ... 34
BAB III METODE PENELITIAN ... 38
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 38
3.1.1 Tempat Penelitian ... 38
3.1.2 Waktu Penelitian... 38
3.2 Metode Penelitian ... 38
3.3 Populasi dan Sampel ... 38
3.3.1 Populasi Penelitian... 39
3.3.2 Sampel Penelitian ... 39
3.3.3 Teknik Sampling... 39
3.4 Teknik Pengumpulan Data ... 40
3.5 Instrumen Penelitian ... 40
3.5.1 Bahan Penelitian ... 40
3.5.2 Alat Penelitian ... 40
3.5.3 Skema Uji Penelitian ... 46
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ... 46
3.5.5 Prosedur Percobaan... 48
BAB IV ANALISA DATA ... 49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 65
5.1 Kesimpulan ... 65
5.2 Saran ... 66
DAFTAR PUSTAKA ... xii
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Water – Cooled Chiller ...7
Gambar 2.2
Thermosiphon Reboiler
...8Gambar 2.3 Konstruksi Heat Exchanger ...8
Gambar 2.4 Aliran double pipe heat exchanger ... 11
Gambar 2.5 Hairpin heat exchanger ... 12
Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current ... 13
Gambar 2.7 Double-pipe heat exchangers in series ... 13
Gambar 2.8 Double-pipe heat exchangers in series–parallel... 14
Gambar 2.9 Bentuk susunan tabung ... 15
Gambar 2.10 Shell and tube heat exchanger ... 15
Gambar 2.11 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... 17
Gambar 2.12 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ... 17
Gambar 2.13 Perpindahan Panas secara Konduksi ... 18
Gambar 2.14 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ... 19
Gambar 2.15 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas ... 21
Gambar 2.16 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... 22
Gambar 2.17 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do dan Ai ≈Ao... 22
Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran sejajar ... 25
Gambar 2.19 Grafik efektifitas untuk APK shell & tube ... 35
Gambar 2.20 Grafik efektifitas untuk APK tabung sepusat aliran berlawanan ... 35
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung shell & tube ... 42
Gambar 3.2 Termometer digital Double-pipe heat exchangers in series ... 43
Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida ... 43
viii
Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ... 44
Gambar 3.6 Pompa fluida panas ... 45
Gambar 3.7 Tabung shell & tube ... 45
Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ... 46
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian... 47
Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell & tube ... 49
Gambar 4.2 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 40°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 58
Gambar 4.3 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 50°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 58
Gambar 4.4 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 60°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 59
Gambar 4.5 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluifa panas variasi 3 suhu pada kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 60
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 40°C . 61
Gambar 4.7 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 50°C . 61
Gambar 4.8 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 60°C . 62
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings
... 12Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida
... 24Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c
... 35Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian
... 39Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU)
... 57Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan
... 59x
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
A
luas penampang tegak lurus bidang
m
2c
p,hPanas Jenis fluida panas
J/kg.K
c
pPanas Jenis Fluida
J/kg.K
h
Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
W/m
2K
k
Konduktifitas thermal
W/m.K
L
Panjang tabung
m
ṁ
Laju aliran massa fluida
kg/s
ṁ
cLaju aliran massa fluida dingin
kg/s
ṁ
hLaju aliran massa fluida panas
kg/s
Nu
Bilangan Nusselt
Nu
iBilangan Nusselt tabung Bagian Dalam
Nu
oBilangan Nusselt tabung Bagian Luar
p
Keliling penempang pipa
m
Pr
Bilangan Prandtl
q
”xFluks Panas
W/m
2Q
Laju Perpindahan Panas
W
�
Tahanan Termal
m
2. °C/W
xi