UNIVERSITAS DIPONEGORO
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK
UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR
JENIS
SHELL AND TUBETUGAS AKHIR
ARIF BUDIANTO
L2E 008 021
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK MESIN
ii
TUGAS AKHIR
Diberikan Kepada : Nama : Arif Budianto NIM : L2E 008 021 Dosen Pembimbing : Dr. Syaiful, ST, MT Jangka Waktu : 6 bulan (enam bulan)
Judul : Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube
Isi Tugas : 1. Merancang sebuah software yang bisa digunakan untuk mencari nilai optimal desain sebuah shell and tube baik dengan sisipan plat maupun tidak ke dalam pipa.
2. Untuk mengetahui dan memahami perbedaan bilangan Nusselt dan pressure drop dengan ada atau tidaknya sisipan plat ke dalam pipa.
Semarang, 26 Februari 2013 Pembimbing,
Dr. Syaiful, ST.MT.
iii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA
: Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Tanda Tangan
:
iv
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama : Arif Budianto NIM : L2E 008 021 Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin
Judul Skripsi : Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai
bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing : Dr. Syaiful, ST, MT ( ) Penguji : Prof. Dr. A.P. Bayuseno, M.Sc ( ) Penguji : Ir. Bambang Yunianto, M.Sc ( ) Penguji : Dr. Achmad Widodo, ST, MT ( )
Semarang, 26 Februari 2013 Jurusan Teknik Mesin Ketua,
Dr. Sulardjaka
v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : ARIF BUDIANTO
NIM : L2E 008 021
Jurusan/Program Studi : TEKNIK MESIN Fakultas : TEKNIK
Jenis Karya : SKRIPSI
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Semarang Pada Tanggal : 26 Februari 2013
Yang menyatakan
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas Akhir ini saya persembahkan untuk:
Ayahanda Abdullah Adiyanto, Ibunda Eni NIngsih, dan keluarga tercinta serta Isma Fuaida yang senantiasa memberikan dukungan, doa, dan materiil mereka kepadaku. Apa yang telah mereka berikan akan selalu saya kenang, karena dengan adanya mereka, saya bisa berjuang untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik ini.
vii ABSTRACT
Applied a computerized system is not only to simplify the working system in a
company but also to find the optimal value of a design to make it more efficient. In this
research, a computer program is designed by Visual Basic 2010 that can be used to
simplify the design of shell and tube. The methodology that used to find the optimal
value of shell and tube design is a form of the algorithm. Stages of the algorithm used
as a guide in making a Visual Basic 2010 programming language consist of input,
process and output. In this software there are two types of shell and tube. They are shell
and tube with and without insert plate into the pipe. The shapes plates insert which are
designed in this software are longitudinal plate, longitudinal plate with additional holes, and torsional plate with twists angles (α: 15:30
, 24.40, and 34.40).
viii
ABSTRAK
Sistem komputerisasi yang diterapkan tidak hanya bertujuan untuk mempermudah sistem kerja pada sebuah perusahaan tetapi juga untuk mencari nilai optimal sebuah desain agar lebih efisien. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah perangkat lunak dengan menggunakan bantuan bahasa pemrograman Visual Basic 2010 yang dapat digunakan untuk mempermudah dalam merancang desain shell and tube. Metodologi yang digunakan dalam perancangan desain shell and tube ini berupa tahapan algoritma. Tahapan algoritma dijadikan panduan dalam membuat bahasa pemrogaman Visual Basic 2010 yang berupa input, proses, dan output. Dari software yang dibuat ada dua jenis shell and tube yang bisa dirancang, yaitu jenis shell and tube
tanpa sisipan dan dengan sisipan plat kedalam pipa. Bentuk sisipan plat yang bisa dirancang dalam software ini yaitu sisipan plat longitudinal, sisipan plat longitudinal dengan tambahan lubang, dan sisipan plat puntir dengan sudut puntir (α: 15.30, 24.40,
dan 34.40).
ix
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena berkat rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul
“PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE”. Tugas akhir ini merupakan
salah satu syarat yang harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan, bantuan, serta dukungan kepada Dr. Syaiful, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing.
Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati untuk kemajuan bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi yang ada dalam laporan ini.
Terima kasih.
Semarang, 26 Januari 2013
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN TUGAS SARJANA ... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi
ABSTRACT ... vii
2.2. Pengertian Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) ... 7
2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor ... 7
2.4. Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ... 12
xi
2.3.2. Diameter pipa di dalam cangkang (shell) ... 15
2.3.3. Susunan berkas pipa ... 16
2.3.4. Sekat (baffle) ... 17
2.4. Perhitungan Perancangan Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ... 19
2.4.1. Tata letak pipa (tube-sheet) ... 19
2.4.2. Beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) ... 20
2.5. Pertimbangan Umum Desain Shell and Tube Exchanger ... 22
2.5.1. Fluida sisi shell dan sisi pipa ... 22
2.5.2. Kecepatan fluida sisi shell dan sisi pipa ... 23
2.5.3. Penurunan tekanan (pressure drop) ... 24
2.6. Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Pipa ... 25
2.6.1. Perpindahan panas aliran laminar ... 25
2.6.2. Perpindahan panas aliran turbulen ... 25
2.6.3. Konduktivitas Termal Fluida Campuran Pada EGR cooler 26 2.6.4. Faktor perpindahan kalor, jh ... 28
2.6.5. Faktor koreksi viskositas ... 28
2.6.6. Penurunan tekanan sisi pipa ... 29
2.7. Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Shell ... 30
2.7.1. Metode Kern ... 30
2.7.2. Langkah perhitungan perpindahan kalor sisi shell ... 31
2.7.3. Pressure drop sisi cangkang (shell) ... 33
BAB III PERANGKAT LUNAK SHELL AND TUBE ... 34
3.1. Software Aplikasi ... 34
3.1.1. Mengenal Visual Basic .NET (VB.NET) ... 34
3.1.2. Mengenal Integrated Development Environment (IDE) ... 36
3.2. Tampilan Antarmuka Pengguna (User Interface) ... 42
3.2.1. Pentingnya user interface ... 42
3.2.2. Prinsip – prinsip desain user interface ... 42
3.2.3. Proses desain user interface ... 46
xii
3.4. Flowchart Optimasi Desain Shell and Tube ... 50
3.5. Perhitungan bilangan Nusselt dan faktor gesekan dengan sisipan plat ... 56
BAB IV ANALISA HASIL PENERAPAN PROGRAM ... 57
4.1. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Tanpa Sisipan Plat ... 58
4.2. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Untuk EGR Cooler... 60
4.3. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Dengan Sisipan Plat ke Dalam Pipa ... 62
4.4. Proses Perhitungan Optimasi Desain Shell and Tube ... 70
4.5. Analisa Pengaruh Sisipan Plat Terhadap Parameter Perpindahan Kalor ... 78
4.5.1. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi pipa ... 79
4.5.2. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi shell ... 81
4.5.3. Pengaruh sisipan plat terhadap koefisien perpindahan kalor total ... 83
4.5.4. Pengaruh sisipan plat terhadap luas perpindahan kalor ... 85
4.5.5. Pengaruh sisipan plat terhadap panjang penukar kalor ... 87
4.5.6. Pengaruh sisipan plat terhadap jumlah pipa penukar kalor ... 89
4.5.7. Pengaruh sisipan plat terhadap bilangan Nusselt ... 91
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 94
5.1 Kesimpulan ... 94
5.2 Saran ... 95
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1. Tabel. properti fisik air. LAMPIRAN 2. Tabel properti fisik udara.
LAMPIRAN 3. Tabel koefisien perpindahan kalor total. LAMPIRAN 4. Tabel faktor pengotor (Fouling Factor).
LAMPIRAN 5. Grafik faktor koreksi suhu: 1 laluan shell; 2 atau lebih lewatan genap sisi pipa.
LAMPIRAN 6. Grafik faktor koreksi suhu: 2 laluan shell; 4 atau kelipatan 4 laluan pipa.
LAMPIRAN 7. Grafik faktor koreksi suhu: divided-flow shell; 2 atau lebih laluan pipa genap.
LAMPIRAN 8. Grafik faktor koreksi suhu, split flow shell, 2 laluan pipa. LAMPIRAN 9. Grafik koefisien gesek sisi pipa.
LAMPIRAN 10. Grafik faktor perpindahan panas sisi shell. LAMPIRAN 11. Grafik keofisien gesekan sisi shell.
LAMPIRAN 12. Tabel properti material.
LAMPIRAN 13. Tabel konstanta konduktivitas termal gas. LAMPIRAN 14. Tabel properti fisik molekul gas.
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Dimensi standar ketebalan pipa (ASME) ... 16
Tabel 2.2. Konstanta tata letak pipa ... 20
Tabel 4.1. Data masukan (Input) ... 57
Tabel 4.2. Hasil validasi dengan penelitian Kara dan Guraras[1]... 58
Tabel 4.3. Hasil validasi dengan penelitian Chiu dan Jang[2] ... 59
Tabel 4.4. Data masukan (input) perancangan EGR cooler ... 60
Tabel 4.5. Hasil perhitungan perancangan desain shell and tube untuk EGR cooler ... 61
Tabel 4.6. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat longitudinal (chiu dan jang).. 65
Tabel 4.7. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan plat longitudinal dengan tambahan lubang (chiu dan jang) ... 66
Tabel 4.8. Hasil perbandingan perancangan shell and tubetanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-A (chiu dan jang) ... 67
Tabel 4.9. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-B (chiu dan jang) ... 68
Tabel 4.10. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-C (chiu dan jang) ... 69
Tabel 4.11. Variasi kecepatan sisi masuk pipa ... 78
Tabel 4.12. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi pipa antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 80
Tabel 4.13. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi shell antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 82 Tabel 4.14. Hasil perbandingan koefisien perpindahan kalor keseluruhan
xv
dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 84 Tabel 4.15. Hasil perbandingan luas perpindahan kalor antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 86 Tabel 4.16. Hasil perbandingan panjang pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 88 Tabel 4.17. Hasil perbandingan jumlah pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ... 90 Tabel 4.18. Hasil perbandingan bilangan Nusselt antara desain shell and tube
xvi
Gambar 2.4 Penukar kalor Shell and Tube (a) satu laluan shell dan dua laluan tube (b) dua laluan shell dan empat laluan tube ... 9
Gambar 2.5 Inti dari compact heat exchangers (a) Fin-tube (pipa datar, sirip plat menyeluruh) (b) Fin-tube (pipa bundar, sirip plat menyeluruh) (c) Fin-tube (pipa bundar, sirip bundar) (d) Plate-fin (laluan tunggal) (e) Plate-fin (laluan banyak) ... 10
Gambar 2.6 Fixed-tube plate ... 14
Gambar 2.7 U-tube ... 14
Gambar 2.8 Internal floating head without clamp ring ... 15
Gambar 2.9 Internal floating head with clamp ring ... 15
Gambar 2.10 External floating head, packed gland ... 15
Gambar 2.11 Susunan berkas pipa ... 17
Gambar 2.12 Jenis penyekat yang digunakan dalam penukar panas jenis shell dan tube, Segmental, (b) Segraental and strip, dan (c) Disc and doughnut ... 18
Gambar 2.13 Profil temperatur (a) Penukar kalor aliran berlawanan (b) 1 laluan shell : 2 laluan pipa (c) Temperatur silang ... 21
Gambar 2.14 Diameter ekivalen sisi pipa ... 31
Gambar 2.15 Clearence ... 32
Gambar 3.1 Framework .NET ... 34
Gambar 3.2 Tampilan awal Integrated Development Environment (IDE) VB.NET ... 35
xvii
Gambar 4.2 Plat longitudinal dengan tambahan lubang ... 62
Gambar 4.3 Jenis-jenis sisipan plat puntir (a) plat puntir-A (α: 15.30) (b) plat puntir-B (α: 24.40) (c) plat puntir-C (α: 34.30) ... 63
Gambar 4.4 Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi pipa pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 78
Gambar 4.5 Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi shell pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 80
Gambar 4.6 Pengaruh laju aliran massa terhadap koefisien perpindahan kalor total pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 82
Gambar 4.7 Pengaruh laju aliran massa terhadap luas penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 84
Gambar 4.8 Pengaruh laju aliran massa terhadap panjang pipa penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 86
Gambar 4.9 Pengaruh laju aliran massa terhadap jumlah pipa penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ... 88
xviii
NOMENKLATUR
Daftar symbol Keterangan Satuan
Luas penampang sisi pipa m2
Diameter dalam pipa m Diameter luar pipa m
Diameter shell m
Faktor gesekan Faktor koreksi
Fluks massa kg/m2s
Koefisien perpindahan kalor W/m.K Faktor Colburn
Konduktivitas termal fluida W/m.K Konduktivitas termal material W/m.K
xix
Jarak antar bukit pada plat puntir m
Q Laju aliran panas W
h Hambatan perpindahan kalor W/m.K
Bilangan Reynold
Temperatur K
̅ Temperatur rata-rata K
Kecepatan fluida m/s
Koefisien perpindahan kalor total W/m.K
̇ Laju aliran masa kg/s
λtr Konduktivitas termal radius
