Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Satu Laluan Dengan Aliran yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah

16 

Teks penuh

(1)

Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran

Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam

Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah

SKRIPSI

Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

M. YOKI AL MAHIR 110401159

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

(2)

ABSTRAK

Alat penukar kalor pipa konsentris tiga saluran merupakan versi pengembangan atau perbaikan alat penukar kalo pipa konsentris dua saluran. Alat penukar kalor tiga saluran sudah cukup banyak dikembangkan, terutama oleh C.L. Ko dan G.L. Wedekind secara teoritis dan eksperimen. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui temperatur keluaran masing-masing saluran, dan perfomansi alat penukar kalor berdasarkan efektifitas secara eksperimen dan teoritis. Dalam skripsi ini, dilakukan pengembangan dengan cakupan yang lebih luas dari penelitian C.L. Ko dan G.L. Wedekind, yaitu C1/Cs ≥ 1 dan C1/Cs ≤ 1 dalam konfigurasi aliran berlawanan arah dan searah dengan alat penukar kalor yang digunakan sesuai ukuran yang digunakan C.L. Ko dan G.L. Wedekind. Hasil eksperimen bahwa efektifitas rata-rata ± 60% dengan efektifitas tertinggi ± 80,4 % dalam konfigurasi aliran berlawanan, dan efektitas rata-rata ± 43,4% dengan nilai tertinggi ± 55,1% dalam konfigurasi aliran searah. Efektifitas penukar kalor yang diperoleh dari prediksi secara teori, mempunyai perbedaan rata-rata terhadap pengujian ± 9,06% terhadap pengujian dalam aliran berlawanan dan 5,67% dalam aliran searah. Pada percobaan ini juga menunjukkan pergeseran desain optimum berdasarkan efektifitas maksimum yang dipengaruhi distribusi aliran terbagi dari prediksi C.L.Ko dan G.L. Wedekind.

(3)

ABSTRACT

The triple concentric pipes heat exchanger is an improved or the repair version of double pipe heat exchanger. The research of triple concentric pipe heat exchanger have enough developed, especially by C.L.Ko dan G.L. Wedekind who have given theoretically and experimentally analysis. This research was conducted to determine the output of temperature of each channel and find out perfomance heat exchanger effectiveness is based on experimentally and theoretically. In this essay, the development is doing with a broader scope of research C.L. Ko and G.L. Wedekind, the experiment have done with C1/Cs ≤ 1 and C1/Cs ≥ 1 in both counter flow and paralel flow configuration a heat exchanger used according to the size used C.L. Ko and G.L. Wedekind. The result experiment that average effectiveness is ± 60% with the higgest effectiveness is ± 80.4 % in counter flow configuration and the average effectiveness is ± 43.4% with the higgest effectiveness is ± 55.1 % in paralel flow configuration. Theoretically predicted heat exchanger effectiveness are found on the average different of the experiment ± 9,06% in counter flow configuration and 5,67% in paralel flow configuration. The experiment also show different result of optimum point that predicted by C.L.Ko dan G.L. Wedekind.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas limpahan berkah dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Skripsi ini berjudul “Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah”. Dalam menyelesaikan skripsi ini banyak hal yang dihadapi baik teknis dan non teknis.. Penulis telah berupaya dengan keras untuk menyelesaiakn skripsi ini dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis juga benyak mendapat dukungan dan bimbingan yang sangat berharga, baik berupa moril maupun materil. Maka dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3. Ayahanda dan Ibunda yang selalu memberikan dukungan baik moril dan materil sehingga skripsi ini terselesaikan.

4. Saudara-saudara penulis abangda Wahyu Ramadhan yang memberikan dukungannya dalam menyelesaiakn skrispsi ini

5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 6. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011.

(5)

Dalam penulisan skripsi ini, dan tentunya masih terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan berupa kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca.

Akhirnya penulis mengharapkan, semoga skripsi ini dapat bermanfaat terutama bagi penulis sendiri maupun bagi bagi para rekan-rekan sesama mahasiswa Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Medan, September 2016

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Pengujian ... 2

1.3 Batasan Permasalahan ... 2

1.4 Metode Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II LANDASAN TEORI ... 4

2.1 Alat Penukar Kalor ... 4

2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 5

2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ... 10

2.3.1 Mesin Refrigasi (Chiller) ... 10

2.3.2.Kondensor ... 11

2.3.3.Mesin Pendingin (Cooler) ... 12

2.3.4. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) ... 12

2.3.5.Alat Pemanas Ulang (ReHeater) ... 13

2.3.6. Evaporator ... 13

2.3.7. Alat Pemanas Air Pengisi Ketel ... 14

(7)

2.5 Analisa Perpindahan Panas ... 19

2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi pada Pipa Anulus ... 19

2.6 Analisa Alat Penukar Kalor dengan Metode LMTD (Log Mean Temperature Difference) ... 23

2.7 Analisa Penukar Kalor dengan Metode ε-NTU (efectivines – Number Transfer of Unit) ... 29

2.8Distribusi Temperatur Secara Aksial dan Hubungan ε-NTU pada Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran yang Terbagi ... 31

2.8.1 Persamaan-persamaan Diffrensial Membentuk Distribusi Temperatur Aksial ... 32

2.8.2 Solusi Umum ... 36

2.8.3 Hubungan ε-NTU pada Penukar Kalor Tiga Saluran ... 39

2.8.4 Analisa Penukar Panas Aliran yang Berlawanan Arah dengan C1 = Cs .... 43

2.9Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Dengan Aliran Terbagi .. 45

BAB III METODE PENELITIAN ... 46

3.1 Pendahuluan ... 46

3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ... 46

3.2.1 Tempat Penelitian ... 46

3.2.2 Waktu Penelitian ... 46

3.3 Metode Penelitian ... 46

3.4Populasi dan Sampel ... 47

3.4.1 Populasi Penelitian ... 47

3.4.2 Sampel Penelitian ... 47

3.5Teknik Pengumpulan Data ... 47

3.6Instrumen Penelitian ... 49

3.6.1 Bahan Penelitian ... 49

3.6.1.1 Sumber Air Panas ... 49

3.6.1.2 Sumber Air dingin ... 49

3.6.2 Alat ... 49

3.7Set Up Eksperimen ... 55

(8)

3.9Metode Pengolahan Data ... 61

3.9.1 Pengolahan Data Eksperimental ... 61

3.9.2 Pengolahan Data Secara Teoritis ... 62

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 63

4.1 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Pipa ... 63

4.2 Pengolahan Data dan Analisa Hasil Ekperimen dan Perhitungan Teoritis .... 65

4.2.1 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah (Counter Flow) ... 66

4.2.2 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Searah (Paralel Flow) ... 73

4.3 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran Terbagi ... 76

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ... 61

5.1Kesimpulan ... 77

5.2Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... xvi

(9)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh pada pipa anulus yang tabung dimana yang permukaan diisolasi dan permukaan yang lain temperatur konstan

20

Tabel 2.2 Koefisien pada aliran laminar berkembang penuh di dalam tabung anulus dengan fluks panas konstan

(10)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

Gambar 2.1 Parallel flow 4

Gambar 2.2 Counter flow 5

Gambar 2.3 Tidak bersirip dengan satu fluida campur 5

Gambar 2.4 Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur 6

Gambar 2.5 Alat penukar kalor 1-1 pass 7

Gambar 2.6 Alat penukar kalor 1-2 pass 8

Gambar 2.7 Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller) 10

Gambar 2.8 Kondensor 10

Gambar 2.9 Mesin pendingin 11

Gambar 2.10 Alat penukar kalor dengan tabung tipe U 11

Gambar 2.11 Alat pemanasan ulang 12

Gambar 2.12 Evaporator 12

Gambar 2.13 Alat pemanas air pengisi ketel 13

Gambar 2.14 Shell and tube heat exchanger 14

Gambar 2.15 Aliran double pipe heat exchanger 14

Gambar 2.16 Hairpin heat exchanger 15

Gambar 2.17 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current

16

Gambar 2.18 Double-pipe heat exchangers in series 16

Gambar 2.19 Pipa Coil Heat Exchanger 17

Gambar 2.20 Spiral Heat Exchanger 17

Gambar 2.21 Gasket plate exchanger 18

Gambar 2.22 Perpindahan panas pada pipa anulus 18

Gambar 2.23 Bilangan Nusselt dan koefisien yang berpengaruh untuk aliran laminar pada pipa anulus dengan fluks panas konstan, aliran dan profil temperatur telah berkembang penuh.

21

Gambar 2.24 Distribusi suhu APK aliran searah 22

Gambar 2.25 Keseimbangan energi keseluruhan antara fluida panas dan dingin pada penukar panas

(11)

Gambar 2.26 Distribusi temperatur untuk aliran paralel alat peukar kalor

25

Gambar 2.27 Distribusi temperatur untuk aliran berlawanan alat peukar kalor

28

Gambar 2.28 Skematik alat penukar kalor tiga saluran 31

Gambar 3.1 Alat penukar kalor tiga saluran dengan aliran terbagi 48

Gambar 3.2 Termokopel Type K 49

Gambar 3.3 Penempatan kabel termokopel tipe K pada tabung 49

Gambar 3.4 Data acquisition module type 18200-400 50

Gambar 3.5 WaterFlow sensor 50

Gambar 3.6 Rangkaian water flow sensor dan Arduino Uno R3 51 Gambar 3.7 Display LCD dan Arduino Uno R3 pada waterflow

sensor

51

Gambar 3.8 Liquid flowmeter 52

Gambar 3.9 Drum Heater 53

Gambar 3.10 Pompa aquarium sentrifugal 54

Gambar 3.11 Skema alat pengujian dengan konfigurasi aliran searah 54

Gambar 3.12 Diagram alir pengumpulan data 57

Gambar 3.13 Set Up Ekperimen 58

Gambar 3.14 Diagram alir proses pengolahan data teoritis 60 Gambar 4.1 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas

(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,02 ≥ C1/Cs ≥ 1

66

Gambar 4.2 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,07 ≥ C1/Cs ≥ 1,05

66

Gambar 4.3 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,99 ≥ C1/Cs ≥ 0,95

67

Gambar 4.4 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,11 ≥ C1/Cs≥ 1,17

(12)

Gambar 4.5 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29

68

Gambar 4.6 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29

68

Gambar 4.7 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,82 ≥ C1/Cs≥ 0,94

69

Gambar 4.8 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,6 ≥ C1/Cs≥ 0,77

69

Gambar 4.9 Persentase Kesalahan efektifitas hasil eksperimen dan teoritis

71

Gambar 4.10 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 1,12 ≥ C1/C2 ≥ 1,01

72

Gambar 4.11 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,9 ≥ C1/Cs ≥ 0,97

72

Gambar 4.12 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,8 ≥ C1/Cs ≥ 0,88

73

Gambar 4.13 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C1/C2 ≥ 0,78

73

Gambar 4.14 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C1/Cs ≥ 0,78

74

Gambar 4.15 Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥C1/Cs ≥ 0,78

(13)

Gambar 4.16 Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran berlawanan.

81

Gambar 4.17 Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran searah

(14)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

k Konduktifitas thermal W/m.K

A Satuan luas permukaan pipa m2

A1i Luas perpindahan panas antara saluran 1 dan i m2

α Parameter tak berdimensi B Koefisien tak tentu b Parameter tak berdimensi

cp Panas Jenis Fluida kJ/kg.K

Ci Laju kapasitas panas aliran dalam saluran i W/°K

Di Koefisiesn dalam saluran i

� Diameter Pipa m

Dh Diameter hidrolik m

Do Diameter luar pipa m

Di Diamter dalam pipa m

L Panjang total alat penukar panas m

mi Laju massa aliran dari aliran dalam saluran i (i = 1,2, dan 3) Kg/s Nu Bilangan Nusselt

Ntu Jumlah unit perpindahan panas P1i

Keliling perpindahan panas antara saluran 1 dan saluran i

(i = 2 dan 3) m

Q Debit aliran m3/s

q Laju perpindahan panas total Watt

Q1i Laju perpindahan panas antara aliran-aliran dalam saluran 1 dan

saluran i (i = 2 dan 3) Watt

S1 Parameter tak berdimensi

Ti Temperatur saluran i (i = 1,2, dan 3) °C

Ts Temperatur ekuivalen °C

U Koefisien perpindahan panas konveksi menyeluruh

u Perbedaan temperatur °C

v Perbedaan temperatur °C

(15)

z Koordinat aksial yang dinormalisasikan ε Efektifitas perpindahan panas

α Parameter tak berdimensi β Parameter tak berdimensi ϒ Parameter tak berdimensi λ Rasio kapasitas panas μ Rasio kapasitas aliran

ρ Massa jenis fluida Kg/m3

V Kecepatan fluida m/s

μ Viskositas dinamik N.s/m2

Ɵ*

i Koefisien berpengaruh dalam Ɵ*

o Koefisien berpengaruh luar

Cmin Kapasitas aliran minimum W/°K

ΔT Perbedaan temperatur °K

Th Temperatur fluida panas °K

Tc Temperatur fluida dingin °K

Re Bilangan reynold

(16)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran I Analisa Perhitungan Data

Lampiran II Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk penukar kalor dengan konfigurasi aliran

berlawanan arah (Counter flow)

Lampiran III Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk penukar kalor dengan konfigurasi aliran searah (Paralel flow)

Figur

Memperbarui...

Referensi

Memperbarui...