RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG
SEPUSAT
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HENDRICO (110401090)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
2015
ii
i
ABSTRAK
Perancangan ini bertujuan untuk merancang alat penukar kalor
tabung sepusat yang digunakan untuk penelitian. Metode yang digunakan
dalam perancangan menggunakan beberapa asumsi untuk menghitung
panjang pipa tabung sepusat, menggunakan metode LMTD sebagai dasar
perhitungan dengan mengasumsikan termperatur fluida panas yang masuk,
temperatur fluida panas keluar, temperatur fludia dingin yang masuk dan
temperatur fluida dingin yang keluar dan diameter tabung bagian dalam.
Dari perhitungan diperoleh panjang pipa tabung sepusat bagian dalam
adalah 1,027 meter, tetapi pada perancangan digunakan panjang tabung
adalah 1,027 meter. Bahan yang digunakan pada perancangan alat penukar
kalor adalah pada tangki merupakan besi plat dengan bahan besi
galvanis,pipa penghubung dengan bahan pipa galvanis dan pipa alat
penukar kalor dengan bahan aluminium. Untuk ukuran tangki fluida
digunakan 300mm x 300mm x 300mm .Alat penukar kalor juga diisolasi
menggunakan glasswool dan dibalut dengan aluminium foil untuk
mencegah kehilangan panas pada saat percobaan. Alat yang digunakan
untuk memanaskan fluida adalah water heater dengan daya 1000 watt dan
alat pengatur temperatur pada alat penukar kalor adalah thermostat.
Kata kunci perancangan, alat penuka kalor tabung sepusat, metode LMTD,
ii
ABSTRAK
This design aims to design a concentric tube heat exchanger is used for
research. The method used in the design using several assumptions to
calculate the length of the pipe tube concentric, using LMTD as the basis
for the calculation by assuming termperature hot fluid incoming fluid
temperature hot going out, the temperature cold fluid inlet and fluid
temperature cold out and the diameter of the inner tube , From the
calculations, the length of the inner concentric tube pipe is 1,027 meters,
but the length of the tube design used is 1meters. Materials used in the
design of a heat exchanger in the tank is a steel plate with galvanized iron
materials, pipes connecting with galvanized pipe material and pipe heat
exchanger with aluminum. To size of the fluid tank used 300mm x 300mm x
300mm and also the heat exchanger isolated using glasswool and wrapped
with aluminum foil to prevent heat loss during the experiment. The tools
used to heat the fluid is water heater with 1000 watts power and
temperature control devices for heater is the thermostat.
Keywords design, concentric tube heat exchanger, methods LMTD, water
heater, insulation.
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 “Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat”. 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 Ratna yang melahirkan penulis kedunia 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 Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 5. Saudara - saudara penulis, Juita, Suryani, dan Suwandi atas perhatian dan
dukungan yang telah diberikan kepada penulis
6. Hady Gunawan, Bincent Wijaya, David Oktavianus, dan Wilson Tang selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada.
7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.
iv 9. Lily Jungto,Vicky,Nita danVicni 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
Hendrico
NIM.110401090
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR TABEL ... ix
DAFTAR NOTASI... x
BAB I PENDAHULUAN...1
1.1 Latarbelakang Masalah ... 1
1.2 Batasan Masalah ... 2
1.3 Perumusan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Perancangan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...3
2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor ... 3
2.2 Jenis Alat Penukar Kalor... 3
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 7
2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor ... 8
2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger ( Double Pipe ) ... 9
2.3.3 Shell And Tube Heat Exchanger ... 12
2.3.4 Plate Type Heat Exchanger ... 13
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 14
2.4.1 Konduksi ... 14
2.4.2 Konveksi ... 15
2.4.3 Radiasi ... 16
2.5Internal Flow (Aliran Dalam) ... 17
2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa ... 17
2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa ... 19
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 20
vi
2.8.1 Aliran Pararel (sejajar)... 16
2.7.2 Aliran Berlawanan ... 19
2.9 Katup ... 27
2.9.1 Gate Valve ... 27
2.9.2 Globe Valve ... 30
2.9.3 Ball Valve ... 33
2.9.4 ButterflyValve ... 35
2.9.5 Check Valve ... 36
2.9.6 Safety Valve ... 40
2.10 Pompa ... 41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN...42
3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan... 42
3.1.1 Tempat Pembuatan ... 42
3.1.2 Waktu Pembuatan ... 42
3.2 Membuat Desian Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat ... 42
3.3 Mengambar Desain Dengan Autocad ... 42
3.4 Penyiapan Alat dan Bahan ... 43
3.4.1 Penyiapan Alat ... 43
3.4.2 Penyiapan Bahan ... 46
3.4 Skema Uji Penelitian ... 49
3.5 Diagram Alir ... 50
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...51
4.1 Perancangan Dimensi ... 51
4.1.1 Perancangan Dimensi Pipa Alat Penukar Kalor ... 51
4.1.2 Perancangan Dimensi Tangki Fluida ... 62
4.1.3 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor ... 64
4.1.4 Perancangan Katup ... 64
4.1.5 Perancangan Dimensi Besi Penyangga ... 65
4.1.6 Perancangan Daya Pompa ... 66
vii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...69
5.1 Kesimpulan ... 69
5.2 Saran ... 69
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chiller ... 4
Gambar 2.2 Kondensor ... 4
Gambar 2.3 Cooler ... 5
Gambar 2.4 Evaporator ... 5
Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler ... 6
Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ... 6
Gambar 2.7 (Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) ... 9
Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger ... 9
Gambar 2.9 Double Pipe Heat Exchanger Aliran Cocurrent dan Counter Current… ... 11
Gambar 2.10 Double Pipe heat exchanger in series ... 11
Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ... 11
Gambar 2.12 Bentuk susunan Tabung ... 12
Gambar 2.13 Shell and tube Heat excchanger ... 12
Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... 13
Gambar 2.15 Perpindahan Panas Secara Konduksi ... 14
Gambar 2.16 Pendinginan Sebuah Balok yang Panas dengan Konveksi Paksa ... 15
Gambar 2.17 Blackbody disebut sebagai Pemancar dengan arah yang bebas..16
Gambar 2.18 Alat Penukar Kalor Pipa Ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat ... 19
Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... 20
Gambar 2.20 Kesetimbang energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada alat penukar kalor ... 21
Gambar 2.21 Distribusi Temperatur Aliran Sejajar ... 22
Gambar 2.22 Distribusi Temperatur Aliran Berlawanan ... 24
Gambar 2.23 Gate Valve ... 27
Gambar 2.24 Rising Stem Gate Valve ... 28
Gambar 2.25 Non Rising Stem Gate Valve ... 29
ix
Gambar 2.26 Glove Valve ... 31
Gambar 2.27 Angle Globe,Y-Body,Z-body Glove valve... 32
Gambar 2.28 Ball valve ... 33
Gambar 2.29 Full bore ball valve ... 34
Gambar 2.30 Reduce bore ball valve ... 34
Gambar 2.31 Butterfly Valve ... 35
Gambar 2.32 Swing Check Valve... 36
Gambar 2.33 Lift Check Valve... 37
Gambar 2.34 Swing Type Wafer Check valve ... 38
Gambar 2.35 Split Disk Check Valve ... 39
Gambar 2.36 Split Disc Check Valve ... 39
Gambar 2.37 Safety Valve PSV ... 40
Gambar 3.1 Gunting ... 43
Gambar 3.2 Glasswool ... 43
Gambar 3.3 Aluminium Foil ... 44
Gambar 3.4 Water Heater ... 44
Gambar 3.5 Thermostat ... 44
Gambar 3.6 Laptop Toshiba ... 45
Gambar 3.7 Agilent ... 45
Gambar 3.8 Plat Besi ... 46
Gambar 3.9 Besi Segi Empat... 46
Gambar 3.10 Pipa Aluminium ... 46
Gambar 3.11 Flow Meter ... 47
Gambar 3.12 Stop Keran ... 47
Gambar 3.13 Pompa AR - 107 ... 47
Gambar 3.14 Pompa AR - 1800 ... 48
Gambar 3.15 Pipa besi ... 48
Gambar 3.16 Pipa Fitiing bes ... 48
Gambar 3.17 Skema Uji Alat Penukar Kalor ... 49
Gambar 3.18. Diagaram Alir Pembuatan Alat Penukar Kalor ... 50
Gambar 4.1 Pipa Pada Alat Penukar Kalor ... 51
x
Gambar 4. 3 Kotak Tangki Fluida ... 63
Gambar 4.4 Besi Hollow Segi Empat ... 64
Gambar 4.5 Stop Kran Sankyo ... 64
Gambar 4.6 Plat Penyangga ... 65
Gambar 4.7 Letak Besi Penyagga ... 66
Gambar 4.8(a) Pompa Armada AR -107... 68
Gambar 4.8(b) Pompa Armada AR -1800 ... 68
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal
dan permukaan lainnya adiabatik ... 14
Tabel 2.2 Double Pipe Exchanger Fittings ... 17
Tabel 2.3 Double-Pipe Heat Exchanger in Series ... 18
Tabel 4.1 Dimensi Besi Hollow Segi Empat ... 33
Tabel 4.2 Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor ... 34
Tabel 4.3 Konduktivitas Material ... 35
Tabel 4.4 Parameter Dalam Perhitungan 36 Tabel 4.5 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb1 ... 36
Tabel 4.6 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb2 ,,39 Tabel 4.7 Kekuatan Material………,...41
xii
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
k Konduktifitas thermal W/m.K
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
σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m2.K4
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
Ai Luas area permukaan dalam APK m2
Ao Luas area permukaan luar APK m2
xiii
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m2°C
Q Laju Perpindahan Panas W
c Laju aliran massa fluida dingin kg/s
h 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
