ANALISIS KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR
TIPE
SHELL AND TUBE
SATU LALUAN CANGKANG
DUA LALUAN TABUNG SEBAGAI PENDINGINAN OLI
DENGAN FLUIDA PENDINGIN AIR
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
ROMULUS SITUMORANG NIM : 110401156
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
ABSTRAK
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang menghasilkan
perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya, yang dapat diaplikasikan
sebagai pendinginan oli atau minyak pelumas untuk mempertahankan temperatur
oli pada standart operasi. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui apakah
temperatur oli keluar heat exchanger tipe shell and tube memenuhi standart
operasi minyak pelumas, dengan cara menghitung efektifitas pendinginan oli
pada tabung (tube) menggunakan air sebagai fluida pendingin yang mengalir
melalui cangkang (shell) menggunakan metode NTU-ɛ dan kajian eksperimental.
Dengan membuat variasi debit dan suhu, nilai efektifitas maksimum dengan
metode NTU-ɛ diperoleh sebesar 62,91% pada debit oli 60 l/jam, temperatur oli
masuk 60°C, debit air 540 l/jam, temperatur air masuk 27°C. Nilai efektifitas
maksimum secara eksperimental sebesar 60,2% pada debit oli 60 l/jam,
temperatur oli masuk 60,1°C, debit air 540 l/jam, temperatur air masuk 27°C.
Dari analisa diatas disimpulkan bahwa alat penukar kalor dapat digunakan untuk
mendinginkan oli, karena temperatur oli keluar heat exchanger diperoleh sebesar
39,23°C secara teoritis dan 40,67°C secara eksperimental. Nilai suhu oli keluar
tersebut memenuhi standart operasi minyak pelumas.
Kata kunci : heat exchanger, shell and tube, efektifitas, pendinginan oli,
minyak pelumas.
KATA PENGANTAR
Syukur kepada Tuhan Allah atas berkat dan penyertaan-Nya sehingga
penulis dapat menyelesaikan pengerjaan skripsi ini sebagai syarat kelulusan
tingkat Strata Satu dengan judul “ Analisis Kefektifan Alat Penukar Kalor Tipe
Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Dua Laluan Tabung Sebagai Pendinginan
Oli dengan Fluida Pendingin Air “.
Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Dalam pengerjaan skripsi ini, banyak tantangan yang
dihadapi namun penulis selalu berupaya untuk dapat menyelesaikannya dengan
segala kemampuan dan bimbingan, dorongan, serta semangat dari banyak pihak.
Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Dosen
Pembimbing yang terhormat Bpk Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A yang
telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing
penulis. Selain itu, penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orangtua penulis Apul Situmorang dan Ramian Nainggolan yang
selalu memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, dana, dan
restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini .
2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT dan Bapak Dr.Eng. Taufiq Bin Nur, ST.
M.Eng.Sc, selaku dosen punguji.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
5. Saudara - saudara penulis dalam KK Metanoia yang senantiasa memberi
dukungan doa, arahan dan semangatnya.
6. Adik-adik penulis dalam KK Apolos yang senantiasa memberi dukungan
doa, saran dan semangatnya.
7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan doa,
8. Kakak dan adik penulis Jelita Situmorang, Mely Situmorang, Jacky
Situmorang atas perhatian dan dukungan yang diberikan.
9. Eka Ernita Siburian atas dukungan doa dan semnagat yang selalu
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.
Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, Mei 2016
Penulis,
Romulus Situmorang
DAFTAR ISI
1.3 Batasan Masalah Penelitian ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Prinsip-prinsip Perpindahan Panas ... 5
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35
3.1 Desain Penelitian ... 35
3.2 Lokasi dan Waktu Penelitian ... 35
3.3 Alat dan Bahan ... 35
3.3.1 Alat ... 35
3.3.2 Bahan ... 38
3.4 Metode Pengumpulan Data ... 40
3.5 Metode Pengolahan Data ... 43
3.5.1 Pengolahan Data Eksperimental ... 43
3.5.2 Pengolahan Data Secara Teoritis ... 44
BAB IV ANALISA DATA ... 46
4.1 Analisa Data Eksperimental ... 46
4.2 Analisa Data Secara Teori ... 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 63
5.1 Kesimpulan ... 63
5.2 Saran ... 63
DAFTAR PUSTAKA ... xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip proses perpindahan panas ... 5
Gambar 2.2 Skematik perpindahan panas pada batang ... 6
Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konveksi ... 7
Gambar 2.4 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor ... 8
Gambar 2.5 Chiller sentrifugal ... 11
Gambar 2.6 Kondensor ... 12
Gambar 2.7 Cooler ... 12
Gambar 2.8 Evaporator AC ... 13
Gambar 2.9 Reboiler ... 13
Gambar 2.10 Konstruksi heat exchanger ... 14
Gambar 2.11 Heat Exchanger tipe double pipe ... 17
Gambar 2.12 Shell and tube heat exchanger ... 18
Gambar 2.13 Plate type heat exchanger dengan aliran counterflow ... 19
Gambar 2.14 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin ... 20
Gambar 2.15 Skematik aliran sejajar ... 21
Gambar 2.16 Skematik aliran berlawanan ... 22
Gambar 2.17 Grafik efektifitas untuk (a) aliran sejajar (b) aliran berlawanan ... 25
Gambar 2.18 Shell and tube (a) 1 shell- 2,4,6,..., n tube (b) 1 shell- 2,4,6,..., n tube ... 26
Gambar 2.19 Shell and tube cross flow (a) tidak bercampur (b) bercampur ... 26
Gambar 2.20 Eksperimen untuk menentukan jenis aliran ... 28
Gambar 2.21 Diagram moody ... 30
Gambar 3.1 APK tipe shell and tube ... 35
Gambar 3.2 Thermocouple cole parmer... 36
Gambar 3.3 Flowmeter... 36
Gambar 3.4 Thermostat ... 37
Gambar 3.5 Pemanas ... 37
Gambar 3.7 Pompa sirkulasi oli ... 38
Gambar 3.8 Laptop ... 38
Gambar 3.9 Minyak pelumas ... 39
Gambar 3.10 Diagram alir pengumpulam data eksperimental... 42
Gambar 3.11 Diagram alir pengolahan data eksperimental ... 43
Gambar 3.12 Diagram alir pengolahan data secara teoritis ... 44
Gambar 3.13 Skema uji penelitian ... 45
Gambar 4.1 Skematik aliran fluida pada APK ... 46
Gambar 4.2 Skematik distribusi suhu ... 47
Gambar 4.3 Grafik pengujian data AA1 ... 49
Gambar 4.4 Skematik distribusi suhu ... 50
Gambar 4.5 Efektifitas pengujian dengan suhu oli masuk 60oC ... 52
Gambar 4.6 Skematik distribusi suhu ... 54
Gambar 4.7 Grafik efektifitas teori dengan Thi 60oC ... 56
Gambar 4.8 Grafik efektifitas teori dengan Thi 65oC ... 57
Gambar 4.9 Perbandingan efektifitas teori dan pengujian dengan debit oli 60 l/jam ... 58
Gambar 4.10 Perbandingan efektifitas teori dan pengujian dengan debit oli 120 l/jam ... 58
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai konduktifitas termal untuk beberapa fluida ... 6
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ... 27
Tabel 3.1 Spesifikasi minyak pelumas Evalube Duo Tranz SAE 40 ... 39
Tabel 3.2 Variabel pengumpulan data ... 40
Tabel 4.1 Hasil pengujian data AA1 ... 48
Tabel 4.2 Analisis pengolahan data AA1 eksperimental ... 51
Tabel 4.3 Analisis data pengolahan ... 52
Tabel 4.4 Hasil perhitungan teoritis dengan tiga kali iterasi ... 53
Tabel 4.5 Analisa data teoritis ... 55
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN
k Konduktifitas thermal W/m.K
SATUAN
A luas penampang tegak lurus bidang m2
ΔT Perbedaan Temperatur oC
q”x Fluks Panas W/m2
μ Viskositas Dinamis N.s/m2
ρ Massa Jenis kg/m3
cp Panas Jenis Fluida J/kg.K
V Kecepatan Fluida m/s
h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2K
As Area permukaan perpindahan panas m2
P Keliling penampang aliran fluida m
Ts Temperatur Permukaan Benda oC
T∞ Temperatur lingkungan sekitar benda oC
ε Efektifitas %
σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m2.K4
ṁ Laju aliran massa fluida kg/s
Re Bilangan Reynold
� Diameter Pipa m
Dh Diameter hidrolik m
Nu Bilangan Nusselt
Pr Bilangan Prandtl
Do Diameter Luar Tabung m
Nui Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam
Nuo Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar
L Panjang tabung m
� Tahanan Termal m2. °C/W
Ai Luas area permukaan dalam APK m2
Ao Luas area permukaan luar APK m2
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m2°C
Q Laju Perpindahan Panas W
mc Laju aliran massa fluida dingin kg/s
mh Laju aliran massa fluida panas kg/s
cp,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K
cp,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K
Th Suhu fluida panas rata-rata °C
Tc Suhu fluida dingin rata-rata °C
Th,i Temperatur fluida panas masuk °C
Th,o Temperatur fluida panas keluar °C
Tc,i Temperatur fluida dingin masuk °C
Tc,o Temperatur fluida dingin keluar °C
ΔTRL Beda Suhu rata-rata logaritma °C
Cc Kapasitas Fluida Dingin W/K
Ch Kapasitas Fluida Panas W/K
