SIMULASI EFEKTIFITAS ALAT KALOR TABUNG SEPUSAT DENGAN VARIASI KAPASITAS ALIRAN FLUIDA PANAS, FLUIDA DINGIN DAN SUHU MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN

(1)

ANALISIS DAN SIMULASI KALOR TABUNG SEPUSAT

ALIRAN FLUIDA PANAS

MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN SEJAJAR

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

DAN SIMULASI EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT DENGAN VARIASI KAPASITAS

FLUIDA PANAS, FLUIDA DINGIN DAN SUHU MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN SEJAJAR

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh : BINSEN WIJAYA

(110401039)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2015

ALAT PENUKAR

KAPASITAS

DAN SUHU

MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN SEJAJAR

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

i

ABSTRAK

Dengan semakin berkembangnya zaman, maka pemakaian suatu alat penukar kalor semakin luas dan dapat dikatakan suatu cara untuk meningkatkan efektifitas dan kualitas produk dengan cara memanfaatkan panas yang terbuang menjadi suatu pemanas.

Didalam penelitian ini dianalisis dan disimulasikan alat penukar kalor tabung sepusat dengan aliran sejajar dengan memvariasikan temperatur fluida panas yang masuk kedalam tabung dalam (tube), debit aliran panas (Qh), dan debit aliran dingin (Qc). Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK secara perhitungan metode NTU, perhitungan data eksperimen, dan perhitungan secara simulasi software Ansys Fluent. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 6,4927 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 45 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32

°C pada debit masuk fluida panas 360 l/jam dan debit masuk fluida dingin 420 l/jam.

Untuk perhitungan data eksperimen diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 22,11 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas 240 l/jam dan debit masuk fluida dingin 420 l/jam.

Untuk perhitungan simulasi Ansys Fluent diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 8,7525 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas 360 l/jam dan debit masuk fluida dingin 420 l/jam.

Kata Kunci : Efektifitas, Alat penukar kalor tabung sepusat,aliran sejajar, temperatur fluida panas masuk

(11)

ii

ABSTRACT

With the development of the times, it is the function of a heat exhanger increasingly widespread and can be said to be a way to improve the effectiveness and quality of products by utilizing waste heat into a heating.In this study are analyzed and simulated concentric tube heat exhanger with parallel flow by varying the temperature of the hot fluid into the tube, the flow rate of hot (Qh), and cold flow (Qc). This research is done by using NTU method, calculating efectuveness from the site, and simulation in Ansys Fluent. By using NTU method, the maximum efectiveness is obtained 6,4927 % at hot fluid inlet (Th,i) 45 °C and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 360 l/jam hot fluid flow rate and 420 l/jam cold fluid flow rate. By calculating efectuveness from the site, the maximum efectiveness is obtained 22,11 % at hot fluid inlet (Th,i) 50 °C and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 240 l/jam hot fluid flow rate and 420 l/jam cold fluid flow rate. By simulation in Ansys Fluent, the maximum efectiveness is obtained 8,7525 % at hot fluid inlet (Th,i) 40 °C and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 360 l/jam hot fluid flow rate and 420 l/jam cold fluid flow rate.

Keyword : Efectiveness, Concentric Tube Heat exchanger,Paralel Flow, inlet temperature of hot fluid.

(12)

iii

KATA PENGANTAR

Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaanNya 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 dan simulasi keefektifan alat penukar kalor tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar”. 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,Fahri Muchtar Nasution dan Suliati yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi 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, selaku Dosen turut memberikan bimbingan dan arahan dalam setiap permasalahan.

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. Wilson Tang, Hady Gunawan, David Oktavianus, dan Hendrico, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan.

(13)

iv

7. Adik penulis yang terkasih, Ellys Susanti atas semangat dan doa yang diberikan.

8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energitak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA!

9. “Kaum Terpelajar” sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi.

10. Wiranata Sinurat dan lawrencius untuk setiap bantuan yang boleh diberikan.

11. 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.

12. Partner segala lini, Felix Wijaya atas dukungan dan motivasi 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.

Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua orang.

Terima kasih.

Medan, Juni 2015 Penulis

BINSEN WIJAYA NIM. 110401039

(14)

v

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

BAB I PENDAHULUAN...1

1.1 Latarbelakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Metodologi Penulisan ... 2

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5

2.1 Pengertian Umum Alat Penukar Kalor ... 5

2.2 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ... 5

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 8

2.3.1 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) ... 10

2.3.2 Shell And Tube Heat Exchanger ... 14

2.3.3 Plate Type Heat Exchanger ... 16

2.3.4 Jacketed Vessel with coil and Stirrer ... 16

2.4 Macam – Macam Perpindahan Panas ... 17

2.4.1 Secara Konduksi ... 17

2.4.2 Secara Konveksi ... 18

2.4.3 Secara Radiasi ... 19

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 21

2.5 Aliran Tabung Sepusat ... 23

2.7 Faktor Kotoran ( Fouling Factor) ... 25

(15)

vi

2.8 Metode Log Mean Temperature Difference (LMTD) ... 26

2.8.1 Aliran Paralel (Sejajar) ... 27

2.8.2 Aliran Berlawanan ... 29

2.9 Metode keefektifan-NTU ... 34

2.10 Program Ansys 12.0 ... 40

2.10.1 Persamaan-persamaan konservasi ... 44

2.11 Persamaan / Rumus yang digunakan... 49

BAB III METODOLOGI PENELITIAN...54

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 54

3.1.1 Tempat Penelitan ... 54

3.1.2 Waktu Penelitian ... 54

3.2 Metode Penelitian ... 54

3.3 Populasi dan Sampel ... 55

3.3.1 Populasi Penelitian ... 55

3.3.2 Sampel Penelitian ... 55

3.3.3 Teknik Sampling ... 56

3.4 Teknik Pengumpulan Data ... 57

3.5 Instrumen Penelitian ... 58

3.5.1 Bahan Penelitian ... 58

3.5.2 Alat Peneitian ... 58

3.5.3 Skema Uji Penelitian ... 65

3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ... 66

3.5.5 Proses Percobaan ... 67

3.6 Instrumen Simulasi ... 67

3.6.1 Bahan Simulasi ... 67

3.6.2 Alat Simulasi ... 67

3.6.3 Diagram alir simulasi ... 68

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...69

4.1 Perhitungan Teoritis ... 69

4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian ... 82

(16)

vii

4.3 Perhitungan Dengan Simulasi ... 86

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...100

5.1 Kesimpulan ... 100

5.2 Saran ... 101

DAFTAR PUSTAKA ... xiv

(17)

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Thermosiphon Reboiler ... 7

Gambar 2.2 Konstruksi Heat Exchanger ... 8

Gambar 2.3 Aliran double pipe heat exchanger ... 10

Gambar 2.4 Hairpin heat exchanger ... 11

Gambar 2.5 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current ... 12

Gambar 2.6 Double-pipe heat exchangers in series ... 12

Gambar 2.7 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ... 13

Gambar 2.8 Bentuk susunan tabung ... 14

Gambar 2.9 shell and tube heat exchanger ... 15

Gambar 2.10 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent... 16

Gambar 2.11 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ... 17

Gambar 2.12 Perpindahan Panas secara Konduksi ... 18

Gambar 2.13 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ... 19

Gambar 2.14 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas ... 20

Gambar 2.15 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... 21

Gambar 2.16 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do dan Ai ≈Ao ... 22

Gambar 2.17 Distribusi temperatur aliran sejajar ... 27

Gambar 2.18 Distribusi temperatur aliran berlawanan ... 29

Gambar 2.19 Penyaluran suhu pada aliran sejajar ... 34

Gambar 2.20 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi...35

Gambar 2.21 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci...35

Gambar 2.22 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar ... 40

Gambar 2.23 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ... 40

Gambar 2.24 Gambaran umum proses CFD ... 43

Gambar 2.25 Persamaan Konversi Momentum ... 46

(18)

ix

Gambar 2.26 Penerapan Boundary Condition ... 48

Gambar 2.27 Flowchart simulasi CFD ... 49

Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat ... 59

Gambar 3.2 Agilent ... 60

Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas fluida panas / Flowmeter ... 61

Gambar 3.4 Alat ukur kapasitas fluida dingin / Flowmeter ... 62

Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ... 63

Gambar 3.6 Pompa fluida panas ... 63

Gambar 3.7 Tabung sepusat ... 64

Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ... 65

Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ... 66

Gambar 3.10 Laptop... 68

Gambar 3.11 Diagram Alir Simulasi ... 68

Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ... 69

Gambar 4.2 Dimensi APK tabung sepusat ... 69

Gambar 4.3 Dimensi dari Tabung APK ... 70

Gambar 4.4 Grafik teori perbandingan efektivitas aliran fluida panas variasi 4 suhu (kapasitas aliran fluida dingin180l/j)...79

Gambar 4.5 Grafik teori perbandingan efektivitas aliran fluida panas variasi 4 suhu (kapasitas aliran fluida dingin 300l/j)...80

Gambar 4.6 Grafik teori perbandingan efektivitas aliran fluida panas variasi 4 suhu (kapasitas aliran fluida dingin 420l/j)...82

Gambar 4.7 Grafik pengujian perbandingan efektivitas aliran fluida panas variasi 4 suhu (kapasitas aliran fluida dingin 180l/j)...83

Gambar 4.10 Mengatur geometry ... 87

Gambar 4.11 Mengatur mesh ... 88

Gambar 4.12 Mengatur set up ... 88

Gambar 4.13 Mengatur viscous ... 89

(19)

x

Gambar 4.14 Mengatur set up heat exchanger ... 89

Gambar 4.15 Mengatur set up cell zone condition ... 90

Gambar 4.16 Mengatur set up boundary condition ... 90

Gambar 4.17 Mengatur set up solution method ... 91

Gambar 4.18 Melakukan run calculation ... 91

Gambar 4.19 Hasil perhitungan pada report ... 92

Gambar 4.20 Grafik simulasi perbandingan efektivitas aliran fluida panas variasi 4 suhu (kapasitas aliran fluida dingin 180l/j)...93

(20)

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings ... 11

Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ... 26

Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ... 39

Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan I ... 55

Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II ... 56

Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Peneletiain keadaan III ... 56

Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi I ... 79

Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi II ... 80

Tabel 4.3 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi III ... 81

Tabel 4.4 Data pengujian lapangan ( kapasitas fluida dingin 180l/j) ... 83

Tabel 4.7 Hasil simulasi dengan variasi fluida dingin ( air) 180l/j dan fluida panas ( air) 180l/j ; 240l/j; 300l/j;360l/j... 92

(21)

xii

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

k Konduktifitas thermal W/m.K

A luas penampang tegak lurus bidang m²

∆T Perbedaan Temperatur ^oC

q^”_x Fluks Panas W/m²

µ Viskositas Dinamis N.s/m²

ρ Massa Jenis kg/m³

c_p Panas Jenis Fluida J/kg.K

V Kecepatan Fluida m/s

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m²K

A_s Area permukaan perpindahan panas m²

T_s Temperatur Permukaan Benda ^oC

T∞ Temperatur lingkungan sekitar benda ^oC

ε Emisifitas

σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m².K⁴

ṁ Laju aliran massa fluida kg/s

Re Bilangan Reynold

Diameter Pipa m

D_h Diameter hidrolik m

p Keliling penempang pipa m

Nu Bilangan Nusselt

Pr Bilangan Prandtl

Do Diameter Luar Tabung m

Di Diameter Dalam Tabung m

Nui Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Nuo Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

L Panjang tabung m

Tahanan Termal m². °C/W

A_i Luas area permukaan dalam APK m²

(22)

xiii

Ao Luas area permukaan luar APK m²

U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m²°C

Q Laju Perpindahan Panas W

ṁc Laju aliran massa fluida dingin kg/s

ṁh 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 °C

T_c Suhu fluida dingin °C

Th,i Temperatur fluida panas masuk °C

T_h,o Temperatur fluida panas keluar °C

T_c,i Temperatur fluida dingin masuk °C

T_c,o Temperatur fluida dingin keluar °C

∆T_RL Beda Suhu rata-rata logaritma °C

C_c Kapasitas Fluida Dingin W/K

C_h Kapasitas Fluida Panas W/K