ANALISIS EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR SHELL & TUBE DENGAN AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS DAN FLUIDA DINGIN

ANALISIS EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR

SHELL & TUBE DENGAN AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS

DAN FLUIDA DINGIN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

FELIX WIJAYA

(110401068)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2016

i

ABSTRAK

Kebutuhan manusia dari zaman dahulu sudah ada yaitu ketika memasak air sampai mendidih dengan memindahkan panas dari api sampai ketel kemudian panas tersebut memanaskan air di dalam ketel dan air paling dasar yang menerima kalor terlebih dahulu akan naik ke permukaan dan bersikulasi dengan air dingin dan siklus ini menghangatkan air secara terus menerus sehingga ketel ini juga termasuk alat penukar kalor (APK).Berbagai cara dilakukan manusia untuk memodifikasi APK tersebut untuk memenuhi kebutuhannya yang beragam. Penelitian ini berpusat pada analisa dari alat penukar kalor shell & tube 2 laluan dengan fluida panas dan dingin menggunakan air. Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK dengan perhitungan metode NTU dan perhitungan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK terbesar adalah 96.56460 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 60 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510 l/jam dan

debit masuk fluida dingin 108 l/jam. Untuk perhitungan data di lapangan diperoleh

efektifitas APK terbesar adalah 35.4040 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510

l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Hasil perhitungan metode NTU dan hasil perhitungan di lapangan memiliki selisih yang cukup jauh dikarenakan alat ukur yang kurang akurat, dan isolasi yang kurang sempurna sehingga masih terjadi heat loss.

Kata Kunci : Efektifitas, Alat penukar kalor tabung shell & tube, temperatur masuk dan keluar.

ii

ABSTRACT

Human needs from long time ago is already been needed when to boil water to boiled by transferring heat to the kettle and then the heat is boiling water in the boiler water and the mostly water that receive the most heat ,will rise to the surface and to circulate cold water and this cycle warms water continuously so that the boiler also includes a heat exchanger. Many ways that humans do to modify the heat exchanger to meet diverse needs. This study focused on the analysis of heat exchanger shell and tube 2 passes with hot and cold fluid using water. From this research, the effectiveness of the APK counted with NTU calculation method and calculation of data in the field. For the calculation method of NTU acquired the effectiveness of APK largest is 96.56460% at a temperature of hot fluid entry (Th, i) 60 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 108 l / h. For the calculation of field data obtained effectiveness APK biggest is 35.4040% at a temperature of hot fluid entry (Th, i) 50 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 180 l / h. For the calculation method of NTU and calculation of data in the field ,there is a considerable difference caused by imprecise measuring tools and heat loss caused by defective isolation.

Keyword : Effectiveness, Shell & Tube Heat exchanger, inlet and outlet temperature of fluid.

iii

KATA PENGANTAR

Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa

atas berkat dan penyertaan-Nya 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 Efektifitas Alat Penukar Kalor

Shell & Tube

Dengan Fluida Panas dan Fluida Dingin Air”. 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, yang selalu memberikan dukungan, semangat

dan motivasi serta doa 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 dan Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT yang

turut membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan

yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian 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.

Rudianto dan Kevin Basri Ciwira, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan

semangatnya di masa suka maupun duka dalam menghadapi setiap

permasalahan.

iv

7.

Binsen Tan Nst , Hady Gunawan, dan Wilson untuk setiap bantuan dan

dukungan yang boleh diberikan.

8.

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.

9.

Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang

telah memberikan masukan kepada penulis.

10.

Andreas atas dukungan, motivasi dan beberapa masukan 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.

Akhir kata, penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Terima kasih.

Medan, 27 Mei 2016

Penulis

FELIX WIJAYA

NIM. 110401068

v

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR... iii

DAFTAR ISI ...v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR NOTASI ...x

BAB I PENDAHULUAN ...1

1.1 Latar Belakang ...1

1.2 Tujuan Penelitian ...2

1.3 Batasan Masalah Penelitian ...2

1.4 Manfaat Penelitian ...2

1.5 Metodologi Penulisan ...3

1.6 Sistematika Penulisan ...3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...5

2.1 Teori Dasar Perpindahan Panas ...5

2.2 Pengertian Alat Penukar Kalor ...6

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ...9

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 18

2.4.1 Konduksi ... 18

2.4.2 Konveksi ... 19

2.4.3 Radiasi ... 20

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 21

2.6 Faktor Kerak (Fouling Factor) ... 23

2.7 Metode LMTD ... 24

vi

2.7.2 Metode LMTD Pada Aliran Berlawanan ... 27

2.8 Metode NTU ... 32

2.9 Persamaan – Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan Teoritis ... 34

BAB III METODE PENELITIAN ... 38

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 38

3.1.1 Tempat Penelitian ... 38

3.1.2 Waktu Penelitian... 38

3.2 Metode Penelitian ... 38

3.3 Populasi dan Sampel ... 38

3.3.1 Populasi Penelitian... 39

3.3.2 Sampel Penelitian ... 39

3.3.3 Teknik Sampling... 39

3.4 Teknik Pengumpulan Data ... 40

3.5 Instrumen Penelitian ... 40

3.5.1 Bahan Penelitian ... 40

3.5.2 Alat Penelitian ... 40

3.5.3 Skema Uji Penelitian ... 46

3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ... 46

3.5.5 Prosedur Percobaan... 48

BAB IV ANALISA DATA ... 49

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 65

5.1 Kesimpulan ... 65

5.2 Saran ... 66

DAFTAR PUSTAKA ... xii

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Water – Cooled Chiller ...7

Gambar 2.2

Thermosiphon Reboiler

...8

Gambar 2.3 Konstruksi Heat Exchanger ...8

Gambar 2.4 Aliran double pipe heat exchanger ... 11

Gambar 2.5 Hairpin heat exchanger ... 12

Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current ... 13

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

Gambar 2.8 Double-pipe heat exchangers in series–parallel... 14

Gambar 2.9 Bentuk susunan tabung ... 15

Gambar 2.10 Shell and tube heat exchanger ... 15

Gambar 2.11 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... 17

Gambar 2.12 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ... 17

Gambar 2.13 Perpindahan Panas secara Konduksi ... 18

Gambar 2.14 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ... 19

Gambar 2.15 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas ... 21

Gambar 2.16 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... 22

Gambar 2.17 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do dan Ai ≈Ao... 22

Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran sejajar ... 25

Gambar 2.19 Grafik efektifitas untuk APK shell & tube ... 35

Gambar 2.20 Grafik efektifitas untuk APK tabung sepusat aliran berlawanan ... 35

Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung shell & tube ... 42

Gambar 3.2 Termometer digital Double-pipe heat exchangers in series ... 43

Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida ... 43

viii

Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ... 44

Gambar 3.6 Pompa fluida panas ... 45

Gambar 3.7 Tabung shell & tube ... 45

Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ... 46

Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian... 47

Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell & tube ... 49

Gambar 4.2 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 40°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 58

Gambar 4.3 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 50°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 58

Gambar 4.4 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 60°C kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 59

Gambar 4.5 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluifa panas variasi 3 suhu pada kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ... 60 Gambar 4.6 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 40°C . 61 Gambar 4.7 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 50°C . 61 Gambar 4.8 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 60°C . 62

ix

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Double Pipe Exchanger fittings

... 12

Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida

... 24

Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c

... 35

Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian

... 39

Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU)

... 57

Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan

... 59

x

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

A

luas penampang tegak lurus bidang

m

2

A

i

Luas area permukaan dalam APK

m

2

A

o

Luas area permukaan luar APK

m

2

A

s

Area permukaan perpindahan panas

m

2

C

c

Kapasitas Fluida Dingin

W/K

C

h

Kapasitas Fluida Panas

W/K

c

p,c

Panas Jenis fluida dingin

J/kg.K

c

p,h

Panas Jenis fluida panas

J/kg.K

c

p

Panas Jenis Fluida

J/kg.K

𝐷

Diameter Pipa

m

D

h

Diameter hidrolik

m

D

o

Diameter Luar Tabung

m

D

i

Diameter Dalam Tabung

m

ε

Emisifitas

σ

konstanta Stefan-Boltzmann

W/m

2

.K

4

h

Koefisien Perpindahan Panas Konveksi

W/m

2

K

k

Konduktifitas thermal

W/m.K

L

Panjang tabung

m

ṁ

Laju aliran massa fluida

kg/s

ṁ

c

Laju aliran massa fluida dingin

kg/s

ṁ

h

Laju aliran massa fluida panas

kg/s

Nu

Bilangan Nusselt

Nu

i

Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam

Nu

o

Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

p

Keliling penempang pipa

m

Pr

Bilangan Prandtl

q

”x

Fluks Panas

W/m

2

Q

Laju Perpindahan Panas

W

𝑅

Tahanan Termal

m

2

. °C/W

xi

Re

Bilangan Reynold

Δ

T

Perbedaan Temperatur

o

C

T

h

Suhu fluida panas

°C

T

c

Suhu fluida dingin

°C

T

h,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

ΔT

RL

Beda Suhu rata-rata logaritma

°C

T

s

Temperatur Permukaan Benda

o

C

T

∞

Temperatur lingkungan sekitar benda

o

C

U

Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

W/m

2

°C

V

Kecepatan Fluida

m/s

μ

Viskositas Dinamis

N.s/m

2