SIMULASI PENGARUH JUMLAH SEKAT PADA ALAT PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

(1)

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SEKAT PADA ALAT

PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ORIZA RIZKI

NIM : 080421039

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

(2)

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SEKAT PADA ALAT

PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

ORIZA RIZKI NIM : 080421039

Telah disetujui oleh :

Pembimbing/penguji

NIP. 19720610 2000 121001 Dr.Eng. Himsar Ambarita, ST,MT.

Penguji I Penguji II

Ir. Mulfi Hazwi, MSc Tulus Burhanuddin Sitorus,

ST.MT.NIP : 194910121981031002 NIP : 19720923 2000 121003

Diketahui Oleh :

Departement Teknik Mesin Ketua

(3)

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SEKAT PADA ALAT

PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

ORIZA RIZKI NIM : 080421039

Diketahui/disyahkan oleh: Disetujui oleh:

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

(4)

SIMULASI PENGARUH JUMLAH SEKAT PADA ALAT

PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

ORIZA RIZKI NIM : 080421039

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode Ke- 178, Pada Tanggal 26Mei 2012

Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II

(5)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

Lakukan Simulasi untuk menganalysis performansi Alat Penukar Kalor (APK) yang sudah ada (Existing Heat Exchanger) dengan menggunakan perangkat lunak CFD

(Computational Fluid Dynamics). Lakukan survey lapangan ke industri untuk mendapatkan sebuah APK yang existing untuk dianalisis. Pada simulasi lakukan variasi jumlah baffle pada APK tersebut untuk mendapatkan jumlah baffle yang optimum. Bandingkan hasil simulasi dengan literatur yang ada.

DIBERIKAN TANGGAL : 20/10 / 2011 SELESAI TANGGAL : 08/05/ 2012

MEDAN, 20 Oktober 2011.

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

NIP.196412241992111001NIP.19720610 2000 121001

Dr.- Ing. Ir. Ikhwansyah IsranuriDr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT

AGENDA :289/ TS / 2011

DITERIMA TGL : 20-10-2011

(6)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK

Sub Program : Departemen Teknik Mesin

Bidang Tugas : Alat Penukar Kalor

Judul Tugas : Simulasi Pengaruh Jumlah Sekat Pada Alat Penukar Kalor Tipe Selonsong Dan Tabung

Diberikan tanggal : 20/10/2011 Selesai Tanggal : 08/05/2012

Dosem Pembibing : Dr.Eng. Himsar Ambarita, ST,MT. Nama Mahasiswa : Oriza Rizki

NIM. : 080421039

No, Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan

Tanda Tangan Dosen Pembimbing 1. 20/10/2011 Pengambilan judul skripsi

2. 24/11/2011 Survey lapangan 3. 25/01/2012 Asistensi bab I- II

4. 10/02/2012 Melengkapi data pada gambar dan daftar pustaka

5. 20/03/2012 Asistensi bab III- IV

6. 03/04/2012 Melengkapi hasil perhitungan

7. 10/04/2012 Melengkapi hasil simulasi terhadap variasi jumlah baffle

1. Kartu harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap Asistensi

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini dikembalikan ke Departemen,

bila kegiatan Asistensi selesai

Diketahui,

Ketua Departemen Teknik Mesin FT USU

(7)

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan kasih-Nya yang telah memberikan kesempatan, pengetahuan, pengalaman, kekuatan dan kesempatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini.

Tugas sarjana ini diambil dari bidang mata kuliah Alat Penukar Kalor dengan judul “Simulasi Pengaruh Jumlah Sekat Pada Alat Penukar Kalor Tipe Selonsong Dan Tabung”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh bagi setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin FT USU untuk memperoleh gelar kesarjanaan.

Dalam penyusunan skripsi ini penulis telah banyak mendapat bantuan mulai dari awal sampai akhir penyelesaiannya, dan melalui kesempatan ini penulis mengucapkan rasa hormat dan terima kasih yang tak terhingga kepada:

1. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. selaku dosen pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama ini hingga selesai.

2. Bapak Dr.- Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir.Mulfi Hazwi, M.Sc. selaku dosen pembanding seminar yang telah meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis.

4. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus,ST,MT. selaku dosen pembanding seminar yang telah meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis.

5. Seluruh staff pengajar di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah membantu penulis dalam hal administrasi.

(8)

ii

7. Kedua orang tua penulis, Syukri Arabi dan Rosmidayang telah memberikan dukungan moril dan material serta doa selama dalam masa perkuliahan dan dalam menyelesaikan Skripsi ini.

8. Istri, anak dan adik penulis,Dian Pratiwi Am.Keb, Annisa Nabila Arabi, drg. Deliyana, Muhammad, Juanda, dan Meutia yang telah mendukung penulis. 9. Rekan – rekan mahasiswa di teknik mesin,Olimpianus Sinuraya,Alvi,

Imanuel, Supra dan semua teman – teman yang telah banyak mendukung dan membantu penulis selama perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

Penulis menyadari bahwa Skripsiini masih banyak kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan koreksi untuk kesempurnaan Skripsiini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga Skripsi ini bermanfaat bagi kita semua.

Medan, Mei 2012

Penulis,

Oriza Rizki

(9)

iii

ABSTRAK

Skripsi ini membahas simulasi pengaruh jumlah baffle pada alat penukar kalor tipe selonsong dan tabung yang berfungsi sebagai pendinginhydrocarbon dengan memanfaatkan air laut sebagai media pendingin.Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui kerakteristik perpindahan kalor dan penurunan tekanan terhadap jumlah baffle dengan metode Kern dan Bell-Delaware.

Perancangan komponen-komponen alat penukar kalor dilakukan sesuai standar TEMA. Tipe alat penukar kalor yang dipilih adalah tipe AES dengan 1 - 6 laluan, dan dilakukan analisa aliran fluida pada sisi selongsong dengan perangkat lunak SolidWorks Flow Simulation untuk mengetahui pola aliran serta sifat-sifat fluida tersebut.Simulasi dilakukan dengan menggunakan empat alternatif pengurangan jumlah baffle yaitu 46 baffles,42 baffles,38 bafflesdan 34 baffles.

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 dengan perangakat lunak tersebut dapat diketahui fenomena-fenomena yang terjadi dalam sistem fluida yang dirancang.

(10)

iv

2.2 Analisis Perpindahan Panas ... 17

2.2.1 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor ... 17

2.2.2 Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD ... 17

2.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam tabung) ... 19

2.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam selongsong)... 21

2.2.4.1 Metode Kern ... 22

2.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal ... 22

2.2. 4.1.2 Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δps) ... 23

2.2.4.2 Metode Bell-Delaware ... 24

2.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong ... 24

2.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong ... 30

2.2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 32

2.3 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 34

2.3 Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation SolidWorks .... 34

BAB 3 PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR ... 37

3.1 Detail Komponen-komponen Alat Penukar Kalor ... 37

3.2 Analisis Perpindahan Panas ... 43

3.2.1 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor ... 45

3.2.2 Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD ... 45

3.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam tabung) ... 49

3.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam selongsong)... 51

3.2.4.1 Metode Kern ... 52

3.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal ... 52

(11)

v

3.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong ... 54

3.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong ... 59

BAB 4 ANALISIS MENGGUNAKAN SOLIDWORKS FLOW SIMULATION ... 68

4.1 Preprocessor ... 68

4.1.1 Modeling ... 68

4.1.2 Meshing ... 69

4.1.3 Penentuan kondisi batas ... 70

4.2 Processor ... 72

4.3 Post Processor ... 73

4.4 Validasi ... 87

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 92

5.1 Kesimpulan ... 92

5.2 Saran ... 92

DAFTAR PUSTAKA

(12)

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Mesin refrigrasi pendiginan air (water cooled chiller) ... 4

Gambar 2.2 Kondensor ... 5

Gambar 2.13 Susunan pelat tabung multi aliran dalam alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan) .... 14

Gambar 2.14 Jenis-jenis flens ... 15

Gambar 2.15 Bafflespacer danbatang pengikat ... 16

Gambar 2.16 Tipe gasket ... 16

Gambar 2.17 Aliran internal dari air dalam sebuah pipa dan aliran eksternal dari udara di luar pipa (pipa yang sama) ... 19

Gambar 2.18 Distribusi aliran sisi selongsong dan identifikasi dari macam-macam aliran ... 21

Gambar 2.19 Hubungan geometri sekat terhadap alat penukar kalor segmen tunggal ... 26

Gambar 2.20 Luas kebocoran antara selongsong dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) ... 28

Gambar 2.21 Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) ... 28

Gambar 2.22 Aliran melintang bagian tengah ... 30

Gambar 2.23 Aliran daerah jendela ... 31

Gambar 2.24 Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong ... 31

Gambar 3.1 Asembly alat penukar kalor ... 37

Gambar 3.2 Desain selongsong ... 38

Gambar 3.3 Susunan tabung ... 39

Gambar 3.4 Diagram alir analisa perhitungan perpindahan panas ... 43

Gambar 3.5 Sifat fluida air laut pada suhu 34oC ... 46

Gambar 3.6 Sifat fluida air laut pada suhu 35.90 oC ... 47

Gambar 3.7 Distribusi temperatur ... 48

Gambar 4.1 Modeling Alat Penukar Kalor yang digambar dengan perangkat lunak Catia V5R19 ... 68

Gambar 4.2 Hasil import modeling Catia ke SolidWorks Flow Simulation ... 69

Gambar 4.3 Penentuan hasil mesh mula-mula ... 69

(13)

vii

Gambar 4.7 Hasil iterasi mencapai konvergen ... 73

Gambar 4.8 Distribusi kecepatan alternatif 1 ... 74

Gambar 4.12 Distribusi temperatur alternatif 1 ... 78

Gambar 4.16 Distribusi tekanan alternatif 1 ... 84

Gambar 4.20: Cut plot pandangan depan kecepatan maximum diset 4 m/s ... 89

(14)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 : Parameter dasar tata letak tabung

Tabel 3.1 : Nossel pada sisi masuk dan keluar pada tabung dan selongsong Tabel 3.2 : Data operasi alat penukar kalor 300-E-9

Tabel 3.3 : Hasil iterasi pada air laut

Tabel 3.4 : Konfigurasi geometri alat penukar kalor

Tabel 3.5 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di dalam tabung Tabel 3.6 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung

(Metode Kern)

Tabel 3.7 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung (Metode Bell- Delaware)

Tabel 3.8 : Koefisien perpindahan panas total alat penukar kalor berdasarkan hitungan

Tabel 3.9 : Efektivitas alat penukar kalor berdasarkan hitungan Tabel 4.1 : Hasil Surface Parameter untuk sisi tabung

(15)

ix

Aw,t = Luas aliran jendela yang ditempati oleh tabung (m2) C = 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)

(16)

x

Vmax = Kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah (m/s)

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

rb = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat

rlm = Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang

rs = Rasio luasan kebocoran terhadap selongsong dengan sekat terhadap luasan melintang

r_ss = Faktor koreksi untuk sealing strip Simbol-simbol yunani

(17)

xi

δtb = Jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan tabung (m) δsb = Jarak ruang bebas diametral dari selongsong dengan sekat (m)

θb = Sudut pusat bundel tabung (deg)

θctl = Sudut pusat terhadap lingkaran terluar tabung (rad)

μ = Viskositas dinamik (kg/m.s)

υ = Viskositas kinematik (m2/s)

ρ = Viskositas (kg/m3)

(18)

xii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran – A : Gambar Bagian- bagian dari Alat Penukar Kalor Berdsarkan Standar TEMA

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 Laju Pengotoran untuk Fluida Lampiran – G : Konduktivitas Termal Untuk Benda Padat

Lampiran – H : Perhitungan dengan menggunakan software Microsoft Office Excel 2007

Lampiran – I : Parameter Sifat Hidrocarbon (Propane) untuk SolidWorks Flow Simulation