ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR
KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN BERLAWANAN PADA
FLUIDA PANAS (AIR) DAN FLUIDA DINGIN (METANOL)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
David Oktavianus NIM : 110401100
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2015
i
ABSTRAK
Pemanfaatan alat penukar kalor sekarang ini semakin luas dan dapat dilihat sebagai cara untuk meningkatkan efektifitas dan kualitas produk dengan cara memanfaatkan panas. Alat penukar kalor tabung sepusat merupakan salah satu jenis alat penukar kalor (APK) yang dimanfaatkan untuk memanaskan metanol sebagai salah satu bahan baku dalam industri pembuatan formaldehid yang nantinya akan diolah lagi menjadi berbagai macam produk seperti plastik, cat, peledak dan tekstil. Pemanfaatan alat penukar kalor tabung sepusat ini mendorong untuk dilakukannya berbagai perancangan dan penelitian alat penukar kalor yang lebih efektif. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efektifitas tertinggi dan faktor yang mempengaruhi efektifitas alat penukar kalor tabung sepusat. Penelitian yang telah dilakukan dari hasil perancangan alat penukar kalor tabung sepusat dengan menggunakan variasi kapasitas fluida panas (air) yaitu 180 L/jam, 240 L/jam, 300 L/ jam dan 360 L/jam pada temperatur masuk fluida panas 40°C, 45°C, 50°C dan 55°C dengan kapasitas aliran fluida dingin (metanol) yaitu 180 L/jam, 240 L/jam dan 360 L/jam. Efektifitas tertinggi alat penukar kalor tabung sepusat untuk aliran berlawanan dari hasil perancangan yang dilakukan diperoleh 20,787 % dengan ketidakpastian pengukuran flowmeter sebesar ±2,99%. .
ABSTRACT
Today, the utilization of heat exchanger increasing widespread and it can be see as a way to increase the effectiveness and product quality with using thermal. Concentric tube heat exchanger is one of type heat exchanger that can be used to heat methanol as a substance in industry formaldehyde to produce formaldehyde and processing into any product like plastic, water paint, detonator and textiles. These utilization of concentric tube heat exchanger push many researcher to make a design and research about heat exchanger that more effectiveness. The aim of this research is to know the highest effectiveness and the factor that can affect in effectiveness of concentric tube heat exchanger. The research that have be done from the result of designed concentric tube heat exchanger with using variation of capacity hot fluid (water) is 180 L/hour, 240 L/hour, 300 L/hour and 360 L/hour with the inlet temperature hot fluid is 40°C, 45°C, 50°C and 55°C and the capacity of cold fluid (methanol) are 180 L/hour, 240 L/hour and 360 L/hour. The highest effectiveness with counter flow from the result of designed concentric tube heat exchanger is 20,787 % with the the doubtly measurement from flowmeter is about ±2,99%..
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 Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Aliran Berlawanan Dengan Variasi Temperatur, Kapasitas Aliran Pada Fluida Panas (Air) dan Fluida Dingin (Metanol) ”. 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. Ibunda Tiurlan Yuniwati yang melahirkan penulis ke dunia ini serta tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, keringat, dan restu 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 Ir. Syahrul Abda, M.Sc dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku
dosen penguji dan pembanding yang turut serta membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
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. Saudara - saudara penulis, Albertus Freddyanto, Antonius, Andreas dan
7. Hady Gunawan selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada.
8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.
9. Daniel C Aritonang atas bantuan dan dukungan selama kuliah dan pengerjaan skripsi.
10. Christina Turnip atas dukungan, doa, dan semangat yang telah 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, Juni 2015 Penulis
v
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 Teori Dasar Alat Penukar Kalor ... 5
2.2 Jenis Alat Penukar Kalor ... 5
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 9
2.3.1 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) ... 11
2.3.2 Shell And Tube Heat Exchanger ... 15
2.3.3 Plate Type Heat Exchanger ... 17
2.3.4 Jacketed Vessel with coil and Stirrer ... 17
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 18
2.4.1 Konduksi ... 18
2.4.2 Konveksi ... 19
2.4.3 Radiasi ... 20
2.5 Internal Flow (Aliran Dalam) ... 22
2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa ... 22
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 25
2.7 Faktor Kotoran ... 27
2.8 Metanol ... 28
2.9 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean Temperature Difference (LMTD) ... 30
2.9.1 Aliran Paralel (Sejajar) ... 31
2.9.2 Aliran Berlawanan ... 34
2.10 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Metode keefektifan-NTU ... 37
2.11 Program Ansys 12.0 ... 43
2.11.1 Persamaan-persamaan konservasi ... 47
2.12 Visual Basic 6.0 ... 52
2.13 Persamaan yang digunakan dalam perhitungan ... 55
BAB III METODOLOGI PENELITIAN...58
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 58
3.1.1 Tempat Penelitan ... 58
3.1.2 Waktu Penelitian ... 58
3.2 Metode Penelitian ... 58
3.3 Populasi dan Sampel ... 59
3.3.1 Populasi Penelitian ... 59
3.3.2 Sampel Penelitian ... 59
3.3.3 Teknik Sampling ... 61
3.4 Teknik Pengumpulan Data ... 61
3.5 Instrumen Penelitian ... 62
3.5.1 Bahan Penelitian ... 63
3.5.2 Alat Peneitian ... 63
3.5.3 Skema Uji Penelitian ... 68
3.5.4 Diagram Alir Penelitian ... 69
3.5.5 Proses Percobaan ... 70
3.6 Instrumen Simulasi ... 70
vii
3.6.2 Alat Simulasi ... 70
3.6.3 Diagram alir perhitungan efektifitas menggunakan visual basic 6.0 ... 71
3.6.4 Diagram alir simulasi ... 74
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...75
4.1 Perhitungan Teoritis ... 75
4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian ... 79
4.3 Perhitungan Dengan Simulasi ... 82
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...104
5.1 Kesimpulan ... 104
5.2 Saran ... 104
DAFTAR PUSTAKA ... xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chiller ... .…6
Gambar 2.2 Kondensor ... ....6
Gambar 2.3 Cooler ... .…7
Gambar 2.4 Evaporator ... ....7
Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler ... …8
Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ... …8
Gambar 2.7 Aliran double pipe heat exchanger ... …11
Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger ... …12
Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current ... …13
Gambar 2.10 Double-pipe heat exchangers in series ... …14
Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ... …14
Gambar 2.12 Bentuk susunan tabung ... …15
Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger ... …16
Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... …17
Gambar 2.15 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ... …18
Gambar 2.16 Perpindahan Panas secara Konduksi ... …19
Gambar 2.17 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ... …20
Gambar 2.18 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas ... …21
Gambar 2.19 Alat penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat ... …24
Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... …26
Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do dan Ai ≈Ao ... …26
Gambar 2.22 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor ... …31
ix
Gambar 2.24 Distribusi temperatur aliran berlawanan... ... …35
Gambar 2.25 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar ... …42
Gambar 2.26 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ... …43
Gambar 2.27 Gambaran umum proses CFD ... …46
Gambar 2.28 Persamaan Konversi Momentum ... …48
Gambar 2.29 Penerapan Boundary Condition ... …50
Gambar 2.30 Flowchart simulasi CFD... …51
Gambar 3.1 Methanol... …63
Gambar 3.2 Alat penukar kalor tabung sepusat ... …63
Gambar 3.3 Agilent ... …64
Gambar 3.4 Flowmeter... …65
Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ... …65
Gambar 3.6 Pompa fluida panas ... …66
Gambar 3.7 Tabung sepusat ... …67
Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ... …68
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ... …69
Gambar 3.10 Laptop... …71
Gambar 3.11 Diagram Alir menggunakan Visual Basic 6.0 ... …72
Gambar 3.12 Program perhitungan efektifitas dengan Visual Basic 6.0 ... …73
Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi ... …74
Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat ... …76
Gambar 4.2 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ... …76
Gambar 4.3 Membuka Ansys dan memilih project schematic ... …82
Gambar 4.4 Mengatur geometry ... …83
Gambar 4.5 Membuat create named selection ... 83
Gambar 4.6 Mengatur mesh ... …84
Gambar 4.7 Mengecek quality mesh dan size ... …84
Gambar 4.8 Mengatur energy pada posisi on... …85
Gambar 4.9 Mengatur viscous ... …85
Gambar 4.10 Mengatur heat exchanger ... …86
Gambar 4.11 Mengatur material yang digunakan ... …86
Gambar 4.13 Mengatur boundary condition ... ...87
Gambar 4.14 Mengatur solution method ... …88
Gambar 4.15 Mengatur solution initialization ... …88
Gambar 4.16 Melakukan run calculation ... …89
Gambar 4.17 Melihat hasil pada report ... …89
Gambar 4.18 Melihat distribusi temperatur awal masuk fluida ... …90
Gambar 4.19 Melihat distribusi temperatur sepanjang pipa ... …90
Gambar 4.20 Melihat distribusi temperatur keluaran fluida ... …91
Gambar 4.21 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam ... … 94
Gambar 4.22 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 °C dan 35 °C kapasitas fluida dingin 180 l/jam ... 94
Gambar 4.23 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam………95
Gambar 4.24 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam………96
Gambar 4.25 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..96
Gambar 4.26 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..97
Gambar 4.27 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50°C dan 36°C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..97
xi Gambar 4.29 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi
pada suhu 40 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin
360 l/jam………….………..98 Gambar 4.30 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi
pada suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin
360 l/jam……….………..99 Gambar 4.31 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi
pada suhu 50 °C dan 37 °C dengan kapasitas fluida dingin
360 l/jam.………..99 Gambar 4.32 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi
pada suhu 55 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin
360l/jam……….………..100
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings ... 12
Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik ... 25
Tabel 2.3 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ... 28
Tabel 2.4 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ... 42
Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan I ... 59
Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II ... 60
Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Peneletiain keadaan III ... 60
Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) 87 Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan ... 96
xiii
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
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
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
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
Tc Suhu fluida dingin °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
