3f19123ca9e312de2550a102c5dd31f1

SKRIPSI SIMULASI SOLIDWORK DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Dalam Menyelesaikan Pendidikan Pada Program Studi Sarjana (S1) Teknik Mesin

Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto

OLEH : Yuli Setia Budi 14.06.21-201.C.735

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN SEKOLAH TINGGI TEKNIK WIWOROTOMO

PURWOKERTO

2018

SKRIPSI

SIMULASI SOLIDWORK DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Dalam Menyelesaikan Pendidikan Pada Program Studi Sarjana (S1) Teknik Mesin

Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto

Oleh :

YULI SETIA BUDI 14.6.21 – 201.C.0735

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

SEKOLAH TINGGI TEKNIK WIWOROTOMO

PURWOKERTO

2018

iii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Yang bertanda tangan dibawah ini :

Nama : Yuli Setia Budi

Nomor Pokok Mahasiswa : 14.6.21-201.C.0735

Program Studi : Teknik Mesin S1

Dengan ini menyatakan bahwa Laporan Tugas Akhir/Skripsi dengan judul :

SIMULASI SOLIDWORKS DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendaptkan gelar kesarjanaan di lingkungan Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto maupun di Perguruan Tinggi atau Instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebener-benarnya.

Purwokerto,10 September 2018

Yuli Setia Budi NPM : 14.6.21-201.C.0735

LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING SKRIPSI SIMULASI SOLIDWORKS DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Skripsi ini telah dipersiapkan dan disusun oleh : YULI SETIA BUDI

NPM : 14.6.21-201.C.0735

Skripsi ini diajukan dalam rangka untuk sidang ujian skripsi pada tanggal 10 bulan 9 Tahun 2018, dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwoketo.

Disetujui dan disyahkan pada :

Hari : ………..

Tanggal : ………...

Dosen Pembimbing I, Dosen Pembimbing II,

Trio Nur Wibowo,ST.,M.Eng Bambang Sugiantoro, S.T., M.T.

NIDN.0601128202 NIDN.0018067409

Mengetahui :

Ketua Progam Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto

Drs. Nugrah Rekto Prabowo, S.T., M.T.

NIDN. 0631056402

v

LEMBAR PENGESAHAN PENGUJI SKRIPSI SIMULASI SOLIDWORKS DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Skripsi ini telah dipersiapkan dan disusun oleh : Nama : YULI SETIA BUDI

NPM : 14.6.21-201.C.0735

Dipertahankan didepan dewan penguji skripsi dalam sidang ujian skripsi Program Studi Sarjana Tekniki Mesin Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto

Pada : 10 September 2018

DEWAN PENGUJI :

1. Khanif Setiawan,ST.,MT 1. ...

2. Bambang Sugiantoro, ST.,MT 2. ...

3. Drs. Nugrah Rekto Prabowo,ST.,MT 3. ...

4. Tarsono Dwi Susanto,ST.,M.Pd 4. ...

Mengetahui

Ketua Progam Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto

Drs. Nugrah Rekto Prabowo, S.T., M.T.

NIDN. 0631056402

SIMULASI SOLIDWORKS DAN UJI PERFORMASI

HEAT EXCHANGER PADA ALIRAN SINGLE DAN MULTY PASS

Yuli Setia Budi

Program Studi Teknik Mesin (S1) STT Wiworotomo Purwokerto Jl.Semingkir No 1 Tlp. (0281) 626266 Fax (0281) 632870 Purwokerto Barat

Email : yulisetiabudi24@gmail.com Abstrak

Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Heat exchanger memiliki beberapa tipe, akan tetapi tipe yang sering digunakan adalah tipe shell and tube. Shell tube type dapat dibuat dengan satu aliran (Single Pass) atau lebih dari dua aliran (Multy Passes). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis jenis fluida terhadap efektivitas heat exchanger tipe single pass dan multy passes. Untuk menganalisis efektivitas heat exchanger dapat dilakukan dengan simulasi dan uji performasi. Simulasi pada penelitian ini menggunakan software solidwork 2017. Jenis fluida panas yang digunakan adalah oli dan air. Suhu fluida panas masuk sebesar 75°C dan suhu fluida dingin masuk sebesar 18°C. Hasil penurunan suhu fluida panas oli dengan simulasi solidwork dengan menggunakan aliran single pass sebesar 18°C dan multy pass sebesar 19°C. Sedangkan dengan fluida panas air penurunan suhu dengan aliran single pass sebesar 33°C dan multy pass 26°C. Hasil penurunan suhu fluida panas oli saat pengujian performasi dengan menggunakan aliran single pass sebesar 26°C dan multy pass sebesar 28°C. Sedangkan dengan fluida panas air penurunan suhu dengan aliran single pass sebesar 23°C dan multy pass 19°C.

Kata Kunci : Heat Exchanger, Shell and Tube, Single Pass, Multy Passes.

vii

SOLIDWORKS SIMULATION AND PERFORMANCE TEST HEAT EXCHANGER IN SINGLE AND MULTY PASS FLOWS

Yuli Setia Budi

Program Studi Teknik Mesin (S1) STT Wiworotomo Purwokerto Jl.Semingkir No 1 Tlp. (0281) 626266 Fax (0281) 632870 Purwokerto Barat

Email : yulisetiabudi24@gmail.com Abstract

Heat Exchanger is a calor exchanger that functions to change the temperature and phase of a type of fluid. Heat exchangers have several types, but the types that are often used are shell and tube types. Shell tube types can be made with one pass (Single Pass) or more than two pass (Multy Passes). This study aims to analyze the type of fluid to the effectiveness of a single pass and multy passes type heat exchanger. To analyze the effectiveness of a heat exchanger can be done by simulation and performance testing.

The simulation in this study uses solidwork 2017 software. The types of hot fluids used are oil and water. The temperature of the incoming hot fluid is 75 ° C and the temperature of the cold fluid enters by 18 ° C. The results of the decrease in temperature of oil heat fluid by solidwork simulation using a single pass flow of 18 ° C and a multy pass of 19 ° C. Whereas with a temperature drop water heat fluid with a single pass flow of 33 ° C and multy pass 26 ° C. The result of a decrease in the temperature of the hot oil fluid when the performance test uses a single pass flow of 26 ° C and a multy pass of 28 ° C. Whereas with temperature-reducing hot water fluid with a single pass flow of 23

° C and multy pass 19 ° C.

Keywords : Heat Exchanger, Shell and Tube, Single pass, Multy Passes.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan segala karunia-Nya. Shalawat serta salam semoga senantiasa tercurahkan kepada sang pemimpin tauladan Rasulullah Muhammad SAW. Sehingga penyusunan skripsi dengan judul “Simulasi Solidworks Dan Uji Performasi Heat Exchanger Pada Aliran Single Dan Multy Pass” dapat diselesaikan dengan baik. Penyusunan skripsi ini dimaksudkan untuk memenuhi atau melengkapi syarat didalam menyelesaikan Studi Program Pendidikan Strata Satu (S1) Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto.

Dalam penyusunan skripsi ini, tanpa adanya bantuan dari semua pihak maka penyusunan skripsi ini tidak dapat terselesaikan dengan baik. Oleh karena itu dengan segenap kerendahan hati dalam kesempatan ini ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya untuk pihak-pihak yang telah membantu, baik dalam pelaksanaan penelitian skripsi maupun dalam penyusunan skripsi, antara lain kepada :

1. Tris Sugiarto, S.Pd., S.T., M.T. selaku Ketua Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto.

2. Drs. Nugrah Rekto Prabowo, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto.

3. Trio Nur Wibowo,ST.,M.Eng. selaku Dosen Pembimbing I dalam Penyusunan Skripsi.

4. Bambang Sugiantoro,S.T.,M.T. selaku Dosen Pembimbing II dalam Penyusunan Skripsi.

5. Staf Pengajar beserta Staf Tata Usaha dan seluruh karyawan Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo Purwokerto.

6. Bapak dan Ibu atas semua bantuan dan dukunganya.

7. Teman – teman Teknik Mesin/S1 angkatan 2014.

8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini.

ix

Secara Khusus Penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua tercinta yang telah memberikan do’a dan dukunganya selama ini .Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat maupun isnpirasi terhadap pembaca.

Purwokerto,10 September 2018

Yuli Setia Budi

DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL LUAR ... i

HALAMAN SAMPUL DALAM ... ii

HALAMAN KEASLIAN SKRIPSI ... iii

HALAMAN PERSETUJUAN ... iv

HALAMAN PENGESAHAN ... v

ABSTRAK ... vi

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Perencanaan ... 2

1.5 Manfaat Perencanaan ... 2

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kajian Pustaka ... 4

2.2 Kajian Teori ... 4

2.2.1 Perpindahan Panas ... 4

2.2.1.1 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 4

2.2.2 Alat Penukar Panas ... 7

2.2.3 Heat Exchanger... 8

2.2.3.1 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Proses Transfer Panas ... 8

2.2.3.2 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Jumlah Fluida Kerja ... 9 2.2.3.3 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan

xi

Bidang Kontak Perpindahan Panas ... 9

2.2.3.4 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi ... 9

2.2.3.5 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk Aliran Fluida ... 11

2.2.4 Jenis-jenis Fluida Pada Heat Exchanger ... 15

2.2.4.1 Minyak Pelumas ... 15

2.2.4.2 Air ... 17

2.2.5 Langkah-langkah Perencanaan Heat Exchanger Shell and Tube Tipe Single Pass dan Multy Passes ... 18

2.2.5.1 Perhitungan Beban Kalor Heat Exchanger Yang Di Rencanakan ... 18

2.2.5.2 Perhitungan Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (LMTD) ... 19

2.2.5.3 Perhitungan Pada Sisi Tube ... 20

2.2.5.4 Perhitungan Pada Sisi Shell ... 23

2.2.5.5 Perhitungan Penurunan Tekanan... 28

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 30

3.2 Waktu dan Pelaksanaan ... 31

3.3 Variabel Penelitian ... 31

3.4 Spesifikasi Alat Uji ... 32

3.5 Alat dan Bahan ... 33

3.5.1 Alat ... 33

3.5.2 Bahan... 39

3.6 Teknik Pengumpulan Data ... 39

3.7 Prosedur Penelitian ... 39

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Simulasi Heat Exchanger dengan Solidwork ... 41

4.2 Hasil Perhitungan Desain Heat Exchanger ... 43

4.3 Hasil Pengujian Heat Exchanger ... 45

4.4 Perbandingan penurunan suhu heat exchanger

tipe single pass dan multy passes ... 47

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 50

5.2 Saran... 50

DAFTAR PUSTAKA ... 51

LAMPIRAN ... 52

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Analogi Tahanan Untuk Silinder... 6

Gambar 2.2 Heat Exchanger Tipe Tubular ... 10

Gambar 2.3 Heat Exchanger Tipe Plat ... 11

Gambar 2.4 Skema Counter Flow Heat Exchanger... 12

Gambar 2.5 Skema Paralel Flow Heat Exchanger ... 12

Gambar 2.6 Parallel Counter Flow Heat Exchanger ... 13

Gambar 2.7 Shell & Tube Heat Exchanger Parallel Split-Flow ... 13

Gambar 2.8 Shell & Tube Heat Exchanger Devided Flow ... 14

Gambar 2.9 Skema Multypass Plate Heat Exchanger ... 14

Gambar 2.10 Faktor Koreksi ... 19

Gambar 2.11 Grafik Faktor Perpindahan Panas Pada Pipa ... 23

Gambar 2.12 Grafik Clearance Pada Shell ... 24

Gambar 2.13 Grafik Faktor Perpindahan Panas Pada Shell ... 26

Gambar 2.14 Grafik Faktor Gesekan Pada Pipa ... 28

Gambar 2.15 Grafik Faktor Gesekan Pada shell ... 29

Gambar 3.1 Diagram Alir ... 30

Gambar 3.2 Instalasi Alat Uji ... 32

Gambar 3.3 Motor Listrik ... 33

Gambar 3.4 Pompa Oli ... 34

Gambar 3.5 Puli ... 34

Gambar 3.6 Belt ... 35

Gambar 3.7 Pompa Air ... 35

Gambar 3.8 Thermo Sensor ... 35

Gambar 3.9 Radiator ... 36

Gambar 3.10 Selang ... 36

Gambar 3.11 Reservoir Oli ... 37

Gambar 3.12 Reservoir Air ... 37

Gambar 3.13 Heater ... 38

Gambar 3.14 Heat Exchanger ... 38

Gambar 3.15 Flow Meter ... 38 Gambar 3.16 Minyak Pelumas ... 39 Gambar 4.1 Simulasi Heat Exchanger Single Pass Dengan

Media Panas Oli ... 41 Gambar 4.2 Simulasi Heat Exchanger Single Pass Dengan

Media Panas Air ... 41 Gambar 4.3 Simulasi Heat Exchanger Multy Pass Dengan

Media Panas Oli ... 42 Gambar 4.4 Simulasi Heat Exchanger Multy Pass Dengan

Media Panas Air ... 42 Gambar 4.5 Grafik penurunan suhu heat exchanger

dengan fluida panas oli ... 47 Gambar 4.6 Grafik penurunan suhu heat exchanger

dengan fluida panas air ... 48

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan... 20

Tabel 2.2 Bentuk Susunan Tube dan Jumlah Aliran Fluida... 21

Tabel 3.1 Data Spesifikasi Heat Exchanger ... 32

Tabel 4.1 Data Spesifikasi Fluida ... 43

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Heat Exchanger tipe Single dan Multy Pass ... 43

Tabel 4.3 Hasil Pengujian heat exchanger tipe single pass dengan fluida panas oli ... 45

Tabel 4.4 Hasil Pengujian heat exchanger tipe single pass dengan fluida panas air ... 45

Tabel 4.5 Hasil Pengujian heat exchanger tipe multy pass dengan fluida panas oli ... 46

Tabel 4.6 Hasil Pengujian heat exchanger tipe multy pass dengan fluida panas air ... 46

Tabel 4.7 Keterangan grafik penurunan suhu heat exchanger dengan fluida panas oli ... 48

Tabel 4.8 Keterangan grafik penurunan suhu heat exchanger dengan fluida panas air ... 49

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal. Perpindahan panas adalah suatu proses yang dinamis, yaitu panas dipindahkan secara spontan dari satu kondisi ke kondisi lain yang suhunya lebih rendah. Kecepatan pindah panas ini akan bergantung pada perbedaan suhu antar kedua kondisi. Semakin besar perbedaan, maka semakin besar kecepatan pindah panasnya. Untuk mengatur perpindahan panas yang terjadi diperlukan suatu alat yaitu alat penukar kalor atau disebut juga Heat exchanger.

Heat exchanger merupakan peralatan yang digunakan untuk perpindahan panas antara dua atau lebih fluida,antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Heat exchanger dapat digunakan sebagai media pendingin atau sebagai media pemanas. Heat exchanger memiliki beberapa tipe, akan tetapi tipe yang sering digunakan adalah tipe shell and tube. Dengan berbagai pertimbangan bentuk ini dinilai memiliki banyak keuntungan baik dari segi biaya maupun unjuk kerja. Shell tube type dapat dibuat dengan satu aliran (Single Pass) atau lebih dari dua aliran (Multy Passes)

Didalam suatu heat exchanger tipe shell and tube tersusun beberapa pipa yang berfungsi sebagai tempat laju aliran fluida panas. Sedangkan fluida dingin berada diluar pipa-pipa tersebut yang berfungsi untuk mendinginkan fluida panas. Tempat laju aliran fluida dingin disebut dengan shell. Dalam proses kerja heat exchanger tentunya terjadi sebuah aliran, yang mana aliran tersebut akan berpengaruh kepada perilaku penyerapan kalor. Perilaku penyerapan kalor juga dipengaruhi oleh jenis fluida yang mengalir pada sisi shell dan tube.

2

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis jenis fluida terhadap efektivitas heat exchanger tipe single pass dan multy passes. Untuk menganalisis efektivitas heat exchanger dapat dilakukan dengan simulasi dan uji performasi. Simulasi pada penelitian ini menggunakan software solidwork 2017, alasan digunakannya software ini karena lebih mudah untuk dioperasikan.

1.2 Rumusan Masalah

Permasalahan ini adalah untuk menganalisis jenis fluida terhadap efektivitas heat exchanger tipe single pass dan multy passes dengan metode simulasi dan pengujian langsung.

1.3 Batasan Masalah

Dalam penelitian kali ini, penulis memberikan batasan masalah untuk memfokuskan kegiatan penelitian sebagai berikut :

1. Fluida panas yang digunakan adalah oli dan air.

2. Oli yang digunakan adalah SAE 20w-40.

3. Fluida dasar yang digunakan adalah air.

4. Suhu fluida panas masuk sebesar 75°C.

5. Suhu fluida dingin masuk sebesar 18°C.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis efek jenis fluida terhadap nilai efektivitas pada heat exchanger tipe single pass dan multy passes dengan membandingkan masing-masing jenis heat exchanger menggunakan fluida panas berupa oli dan air, sehingga dapat dianalisis perilaku penyerapan kalor dari masing-masing Heat Exchanger.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini adalah :

1. Mengetahui nilai efektivitas yang terjadi setelah mengganti jenis fluida pada heat exchanger.

2. Mengetahui perubahan perilaku penyerapan kalor yang terjadi setelah mengganti jenis fluida pada heat exchanger.

3. Sebagai sarana mengaplikasikan ilmu pengetahuan yang selama ini didapat di bangku kuliah.

1.6 Sistematika Penulisan

Dalam penulisan skripsi ini, sistematika dibagi menjadi 5 (lima) yaitu:

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini diuraikan mengenai latar belakang penulisan skripsi, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Dalam bab ini diuraikan tentang teori yang berhubungan dengan masalah yang akan diteliti serta sebagai landasan untuk menganalisa dari objek yang diteliti.

BAB III METODELOGI PENELITIAN

Bab ini berisi bahan yang diteliti, tempat penelitian, alat yang digunakan pada penelitian, prosedur penelitian, variabel penelitian, metode analisa data, pengumpulan data dan flowchart.

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi data hasil pengujian dan analisa data hasil pengujian. Data yang dihasilkan dari proses pengujian kemudian diolah dan dianalisa terhadap parameter yang dicari. Berdasarkan analisa tersebut dilakukan pembahasan agar dapat diketahui prosentase perubahan yang terjadi.

BAB V PENUTUP

Bab ini berisi data dan hasil penelitian dan saran yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan.

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kajian Pustaka

Dalam penulisan proposal ini peneliti mengenali informasi dari peneliti sebelumnya sebagai bahan pembanding, baik mengenai kekurangan atau kelebihan yang sudah ada. Selain itu, peneliti juga menggali informasi dari buku- buku maupun skripsi dalam rangka mendapatkan suatu informasi yang sudah ada sebelumnya tentang teori yang berkaitan dengan judul yang digunakan untuk memperoleh tinjauan pustaka.

Kukuh Pambudi (2017), melakukan penelitian mengenai analisa perancangan desain heat exchanger sheel and tube menggunakan aplikasi solidwork. Hasil analisis aliran pada heat exchanger dapat diketahui dengan warna dan besarannya. Dari hasil analisis tersebut, diketahui bahwa suhu fluida pendingin ketika masuk kedalam heat exchanger sebesar 8^oC dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi peningkatan suhu sebesar 10.78^oC sehingga suhu menjadi 18.78^oC. Sementara fluida panas ketika masuk kedalam heat exchanger sebesar 105^oC dan ketika keluar dari heat exchanger terjadi penurunan suhu sebesar 43.11^oC sehingga suhu menjadi 61.89^oC.

2.2 Kajian Teori

2.2.1 Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal.

2.2.1.1 Jenis- Jenis Perpindahan Panas 1. Konduksi

Konduksi adalah peristiwa perpindahan kalor atau panas melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan zat perantara tersebut. Perpindahan kalor dengan cara konduksi pada umumnya terjadi pada benda padat berbahan logam. Peristiwa

konduksi sangat erat hubungannya dengan daya hantar kalor suatu zat. Daya hantar kalor suatu zat adalah kemampuan zat untuk menghantarkan panas (kalor).

Artinya suatu zat yang daya hantar kalornya tinggi lebih cepat menghantarkan panas.

Persamaan umum yang biasanya digunakan dalam perpindahan panas secara konduksi adalah :

𝐇 =^𝐐

𝐓 =^{𝐊.𝐀.∆𝐓}

𝐋 ... (2.1) 𝐐 = 𝐊. 𝐀𝐓^∆𝐓

𝐋 ... (2.2) dimana :

H = Kalor yang merambat persatuan waktu (J/s atau watt) Q = Kalor (J atau Kal)

K = Konduktivitas termal (W/mK) A = Luas Penampang (m²)

∆T = Perubahan suhu (K) L = Panjang (m)

t = Waktu (sekon) 2. Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Pada konveksi alamiah, pergerakan fluida terjadi akibat perbedaan massa jenis. Adapun pada konveksi paksa, fluida yang telah dipanasi langsung diarahkan ke tujuannya oleh sebuah peniup (blower) atau pompa.

𝐇 =^𝐐

𝐓 = 𝐡. 𝐀. ∆𝐓⁴ ... (2.3)

Dimana:

H = Kalor yang merambat persatuan waktu (J/s atau watt) Q = Kalor (J atau Kal)

A = Luas Penampang (m²)

∆T = Perubahan suhu (K)

6

H = Koefisien konveksi t = Waktu (sekon) 3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor atau panas tanpa adanya zat perantara.

Perpindahan kalor secara radiasi tidak membutuhkan zat perantara. Persamaan yang digunakan adalah hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi “Energi yang dipancarkan oleh suhu permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T⁴)” dan ditulis sebagai berikut.

𝐐

𝐭 = 𝛔𝐀𝐓⁴ ... (2.4) Dimana:

P = Daya yang diradiasikan (watt) e = Emisivitas suatu benda

σ = Konstanta Stefan (5,6703 x 10^-8 W/m²K⁴).

A =Luas suatu benda yang memancarkan radiasi (m²) T = Suhu mutlak (K)

2.2.1.2 Perpinahan panas gabungan (simultan)

Untuk silinder yang terkena lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan luarnya, analogi tahanan listriknya adalah sebagai berikut:

(Holman, J P. “Perpindahan Kalor” Terjemahan Ir. E Jasjfi, Msc, Jakarta, Erlangga, 1984 hal 34)

Gambar 2.1 Analogi Tahanan Untuk Silinder

q

=

_𝟏 ^{𝑻𝑨−𝑻𝑩}

𝒉𝒊.𝑨𝒊+^{𝐥𝐧⁡(𝒓𝟐 𝒓𝟏)⁄}

𝟐𝝅𝒉𝒌.𝑳 + ^𝟏

𝒉𝒐.𝑨𝒐

... (2.5) Dimana

TA = Fluida A TB = Fluida B

hk = Konduktivitas thermal bahan hi = Koefisien konveksi oli ho = Koefisien konveksi air

2.2.2 Alat Penukar Panas

Menurut Dean A Barlet (1996) bahwa alat penukar kalor memiliki tujuan untuk mengontrol suatu sistem (temperatur) dengan menambahkan atau menghilangkan energi termal dari suatu fluida ke fluida lainnya. Walaupun ada banyak perbedaan ukuran, tingkat kesempurnaan, dan perbedaan jenis alat penukar kalor, semua alat penukar kalor menggunakan elemen–elemen konduksi termal yang pada umumnya berupa tabung “tube” atau plat untuk memisahkan dua fluida. Salah satu dari elemen terebut, memindahkan energi kalor ke elemen yang lainnya. Jenis – jenis alat penukar panas:

1. Chiller

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperatur yang rendah. Temperatur fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon.

2. Kondensor

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

8

3. Cooler

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin cooler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).

4. Evaporator

Alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

5. Reboiler

Alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri.

6. Heat Exchanger

Sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal.

2.2.3 Heat Exchanger

Heat exchanger dapat diklasifikasikan menjadi berbagai jenis berdasarkan beberapa aspek, antara lain:

2.2.3.1 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Proses Transfer Panas 1. Heat Exchanger Tipe kontak langsung

Heat exchanger tipe ini melibatkan fluida-fluida yang saling bertukar panas

dengan adanya lapisan dinding yang memisahkan fluida-fluida tersebut.

Sehingga pada heat exchanger jenis ini tidak akan terjadi kontak secara langsung antara fluida-fluida yang terlibat.

2. Heat Exchanger Tipe Kontak Tak Langsung

Suatu alat yang di dalamnya terjadi perpindahan panas antara satu atau lebih fluida dengan diikuti dengan terjadinya pencampuran sejumlah massa dari

fluida-fluida tersebut disebut dengan heat exchanger tipe kontak langsung.

Perpindahan panas yang diikuti percampuran fluida-fluida tersebut, biasanya diikuti dengan terjadinya perubahan fase dari salah satu atau labih fluida kerja tersebut. Terjadinya perubahan fase tersebut menunjukkan terjadinya perpindahan energi panas yang cukup besar. Perubahan fase tersebut juga meningkatkan kecepatan perpindahan panas yang terjadi.

2.2.3.2 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Jumlah Fluida Kerja Sebagian besar proses perpindahan panas antar fluida, melibatkan hanya dua jenis fluida yang berbeda. Semisal air dengan air, uap dengan air, uap dengan air laut, dan lain sebagainya. Namun ada pula heat exchanger yang melibatkan lebih dari dua fluida kerja yang berbeda jenis. Umumnya heat exchanger jenis ini digunakan pada proses-proses kimiawi.

2.2.3.3 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Bidang Kontak Perpindahan Panas

Pengklasifikasian heat exchanger berdasarkan luas bidang kontak terjadinya perpindahan panas antar fluida. Parameter yang digunakan dalam pengklasifikasian ini adalah sebuah satuan besar luas permukaan bidang kontak di setiap volume heat exchanger. Semakin luas permukaan bidang kontak perpindahan panas per satuan volume, maka akan semakin besar efisiensi perpindahan panas yang didapatkan. Namun hal tersebut harus juga memperhatikan jenis fluida kerja yang digunakan. Semakin besar kandungan partikel di dalam fluida tersebut, maka semakin rendah juga kebutuhan luas permukaan bidang kontak perpindahan panas pada heat exchanger.

2.2.3.4 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi Pengklasifikasian heat exchanger berdasarkan desain konstruksinya, menjadi pengklasifikasian yang paling utama dan banyak jenisnya. Secara umum heat exchanger dapat dikelompokkan menjadi beberapa kelompok yakni tipe tubular, tipe plat, tipe extended-surface, dan tipe regeneratif.

1. Heat Exchanger Tipe Tubular

Heat exchanger tipe ini melibatkan penggunaan tube pada desainnya.

Bentuk penampang tube yang digunakan bisa bundar, elips, kotak, twisted,

10

dan lain sebagainya. Heat exchanger tipe tubular didesain untuk dapat bekerja pada tekanan tinggi, baik tekanan yang berasal dari lingkungan kerjanya maupun perbedaan tekanan tinggi antar fluida kerjanya. Tipe tubular sangat umum digunakan untuk fluida kerja cair-cair, cair-uap, cair- gas, ataupun juga gas-gas. Namun untuk penggunaan pada fluida kerja gas-cair atau juga gas-gas, khusus untuk digunakan pada kondisi fluida kerja bertekanan dan bertemperatur tinggi sehingga tidak ada jenis heat exchanger lain yang mampu untuk bekerja pada kondisi tersebut.

Gambar 2.2 Heat Exchanger Tipe Tubular 2. Heat Exchanger Tipe Plate (Plat)

Heat exchanger tipe ini menggunakan plat tipis sebagai komponen utamanya. Plat yang digunakan dapat berbentuk polos ataupun bergelombang sesuai dengan desain yang dikembangkan. Heat exchanger jenis ini tidak cocok untuk digunakan pada tekanan fluida kerja yang tinggi, dan juga pada diferensial temperatur fluida yang tinggi pula.

Gambar 2.3 Heat Exchanger Tipe Plat

2.2.3.5 Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk Aliran Fluida Penentuan desain aliran fluida di dalam sebuah heat exchanger tergantung dari kebutuhan tingkat keefektifan perpindahan panas yang diinginkan, penurunan tekanan yang diijinkan, kecepatan aliran fluida minimum dan maksimum yang diperbolehkan, bentuk aliran fluida, desain bentuk heat exchanger, tegangantermal yang diijinkan, perubahan temperatur yang dibutuhkan.

1. Heat Exchanger Tipe Single-Pass a. Counterflow Heat Exchanger.

Fluida-fluida yang mengalir pada heat exchanger tipe ini berada saling sejajar, akan tetapi memiliki arah yang saling berlawanan. Desain ini menghasilkan efisiensi perpindahan panas yang paling baik diantara jenis heat exchanger yang lain. Hal ini disebabkan karena fluida dingin yang masuk ke dalam exchanger akan bertemu dangan fluida sumber panas yang akan keluar dari exchanger, dimana fluida ini sudah mengalami penurunan panas. Begitu pula pada sisi outlet fluida yang dipanaskan, ia akan

12

dipanaskan oleh fluida sumber panas yang baru saja masuk ke exchanger tersebut.

Gambar 2.4 Skema Counter Flow Heat Exchanger b. Paralelflow Heat Exchanger.

Fluida-fluida kerja pada heat exchanger tipe ini mengalir sejajar dan memiliki arah aliran yang sama antara fluida satu dengan yang lainnya. Fluida-fluida tersebut masuk dan keluar heat exchanger melalui sisi yang sama.

Gambar 2.5 Skema Paralel Flow Heat Exchanger c. Heat Exchanger Tipe Multipass

Jika pada sebuah desain heat exchanger membutuhkan panjang lintasan fluida yang teramat panjang, kecepatan aliran yang terlalu kecil, ataupun efektifitas perpindahan panas yang rendah, maka dipergunakan heat exchanger tipe multipass atau bisa juga dengan menggunakan beberapa heat exchanger tipe singlepass yang disusun secara seri. Salah satu keuntungan dari tipe multipass adalah dengan meningkatnya nilai efisiensi perpindahan panas lebih dari tipe single pass, namun memiliki kerugian yakni meningkatnya pressure drop.

2. Multipass Shell & Tube Exchanger.

Heat exchanger tipe shell & tube yang memiliki lintasan tube lebih dari satu kali maka ia termasuk ke dalam tipe multipass. Secara umum ada tiga bentuk desain shell & tube heat exchanger yang dikenal, yaitu:

a. Parallel Counter Flow Exchanger.

Tipe ini dapat menggunakan dua aliran tube atau bahkan lebih. Desain aliran fluida pada sisi shell berkelak-kelok untuk meningkatkan efisiensi perpidahan panas.

Gambar 2.6 Parallel Counter Flow Exchanger

b. Parallel Split-Flow Exchanger

Tipe ini memecah aliran fluida yang mengalir pada sisi shell menjadi dua arah yang berbeda namun tetap keluar melalui sisi outlet yang sama.

Gambar 2.7 Shell & Tube Heat Exchanger Parallel Split-Flow

14

c. Devided Flow Exchanger

Fluida sisi shell pada heat exchanger tipe ini mengalir masuk melalui satu inlet, namun keluar melalui dua sisi outlet yang berbeda.

Gambar 2.8 Shell & Tube Heat Exchanger Devided Flow 3. Multipass Plate Exchanger

Heat exchanger plate tipe multi pass sangat banyak digunakan pada dunia industri. Jumlah lapisan plat menentukan jumlah jalur aliran yang digunakan.

Semakin banyak jumlah plat, maka akan semakin banyak jalur aliran fluida, sehingga efektifitas perpindahan panas pun ikut meningkat. Selain itu pula tipe ini tidak membutuhkan ruang yang besar untuk penggunaan plat yang berlapis- lapis.

Gambar 2.9 Skema Multipass Plate Heat Exchanger

2.2.4 Jenis – jenis Fluida Pada Heat Exchanger 2.2.4.1 Minyak Pelumas

Minyak pelumas atau yang sering disebut dengan oli adalah bahan penting bagi sebuah mesin, masyarakat umum beranggapan bahwa fungsi utama oli hanyalah sebagai pelumas mesin. Padahal oli memiliki fungsi lain yang tak kalah penting, yakni antara lain sebagai; pendingin, pelindung karat, pembersih dan penutup celah pada dinding mesin. Oli akan membuat gesekan antar komponen di dalam mesin menjadi lebih halus, sehingga mesin dapat bekerja maksimal. Selain itu Oli juga bertindak sebagai fluida yang memindahkan panas ruang bakar yang mencapai 1000-1600 °C ke bagian lain mesin yang lebih dingin. Dengan tingkat kekentalan yang disesuaikan dengan kapasitas volume maupun kebutuhan mesin.

Minyak pelumas memiliki beberapa klasifikasi, antara lain:

1. Oli mineral

Oli mineral terbuat dari oli berbahan dasar (base oil) yang diambil dari minyak bumi yang telah diolah dan disempurnakan dan ditambah dengan zat - zat aditif untuk meningkatkan kemampuan dan fungsinya. Beberapa pakar mesin memberikan saran agar jika telah biasa menggunakan oli mineral selama bertahun-tahun maka jangan langsung menggantinya dengan oli sintetis dikarenakan oli sintetis umumnya mengikis deposit (sisa) yang ditinggalkan oli mineral sehingga deposit tadi terangkat dari tempatnya dan mengalir ke celah- celah mesin sehingga mengganggu pemakaian mesin.

2. Oli sintetis

Oli Sintetis biasanya terdiri atas Polyalphaolifins yang datang dari bagian terbersih dari pemilahan dari oli mineral, yakni gas. Senyawa ini kemudian dicampur dengan oli mineral. Inilah mengapa oli sintetis bisa dicampur dengan oli mineral dan sebaliknya. Basis yang paling stabil adalah polyol-ester , yang paling sedikit bereaksi bila dicampur dengan bahan lain. Oli sintetis cenderung tidak mengandung bahan karbon reaktif, senyawa yang sangat tidak bagus untuk oli karena cenderung bergabung dengan oksigen sehingga menghasilkan acid (asam). Pada dasarnya, oli sintetis didesain untuk menghasilkan kinerja yang lebih efektif dibandingkan dengan oli mineral.

16

3. Kekentalan ( Viskositas)

Kekentalan merupakan salah satu unsur kandungan oli paling rawan karena berkaitan dengan ketebalan oli atau seberapa besar resistensinya untuk mengalir. Kekentalan oli langsung berkaitan dengan sejauh mana oli berfungsi sebagai pelumas sekaligus pelindung benturan antar permukaan logam. Oli harus mengalir ketika suhu mesin atau temperatur ambient. Mengalir secara cukup agar terjamin pasokannya ke komponen-komponen yang bergerak.

Semakin kental oli, maka lapisan yang ditimbulkan menjadi lebih kental.

Lapisan halus pada oli kental memberi kemampuan ekstra menyapu atau membersihkan permukaan logam yang terlumasi. Sebaliknya oli yang terlalu tebal akan memberi resitensi berlebih mengalirkan oli pada temperatur rendah sehingga mengganggu jalannya pelumasan ke komponen yang dibutuhkan.

Untuk itu, oli harus memiliki kekentalan lebih tepat pada temperatur tertinggi atau temperatur terendah ketika mesin dioperasikan. Dengan demikian, oli memiliki grade (derajat) tersendiri yang diatur oleh Society of Automotive Engineers (SAE). Bila pada kemasan oli tersebut tertera angka SAE 5W-30 berarti oli memiliki kekentalan 5 pada temperatur dingin di musim dingin (Winter), dan kekentalan 30 pada temperatur 100 derajat celcius.

4. Kualitas

Kualitas oli disimbolkan oleh API (American Petroleum Institute). Simbol terakhir SL mulai diperkenalkan 1 Juli 2001. Walau begitu, simbol makin baru tetap bisa dipakai untuk kategori sebelumnya. Seperti API SJ baik untuk SH, SG, SF dan seterusnya. Sebaliknya jika mesin kendaraan menuntut SJ maka tidak bisa menggunakan tipe SH karena mesin tidak akan mendapatkan proteksi maksimal sebab oli SH didesain untuk mesin yang lebih lama. Ada dua tipe API, S (Service) atau bisa juga (S) diartikan Spark-plug ignition (pakai busi) untuk mobil MPV atau pikap bermesin bensin. C (Commercial) diaplikasikan pada truk heavy duty dan mesin diesel. Contohnya kategori C adalah CF, CF-2, CG-4. Bila menggunakan mesin diesel pastikan memakai kategori yang tepat karena oli mesin diesel berbeda dengan oli mesin bensin karena karakter diesel yang banyak menghasilkan kontaminasi jelaga sisa

pembakaran lebih tinggi. Oli jenis ini memerlukan tambahan aditif dispersant dan detergent untuk menjaga oli tetap bersih.

2.2.4.2 Air

Air pendingin adalah air yang digunakan untuk menyerap panas yang berlebihan pada reaktor untuk menghasilkan listrik. Karakteristik dari air pendingin yaitu air tawar yang tahan terhadap radiasi, dan kapasitas panas tinggi.

Air yang digunakan untuk air pendingin yaitu air berat karena mempunyai kapasitas panas tinggi, tahan radiasi tinggi pada hal ini digunakan pada reaktor yang menggunakan uranium alam sehingga tampang lintang air kecil. Air lainnya yang digunakan yaitu air bertekanan tinggi dan air biasa.Ada beberapa peralatan proses yang membutuhkan air secara terus-menerus dan dengan sifat tertentu, seperti:

1. Air proses (Process Water) untuk hydrolysis, boiler dan destilasi. Kebutuhan process water untuk boiler, hydrolisis serta produksi H2, dimana diperlukan air yang terlebih dahulu di oleh melalui ion exchange untuk meminimalisir timbulnya karat serta sumbatan pada pipa api dan jalur distribusi uap dan kondensatnya. Produk air yang dihasilkan melalui ion exchange kemudian disebut sebagai soft water bahkan untuk produksi hydrogen diperlukan demineralized water (demin water) agar H2 yang diproduksi betul-betul 99,9

% murni.

2. Air untuk pendingin (Cooling Water) pada cooling tower, mesin, heat exchanger, condenser dll. Kebutuhan akan air pendingin (cooling water) bisa di kategorikan kebutuhan umum dalam setiap mesin penggerak, pengolahan air pendingin biasanya kurang diperhatikan oleh operator pabrik karena persepsi yang salah dimana setiap air bersuhu rendah bisa digunakan. Tetapi mereka lupa bahwa air pendingin disalurkan melalui pipa-pipa yang diameternya terkadang cukup kecil, panjang dan melingkar-lingkar sehingga rawan terhadap karat dan sumbatan tentunya.

3. Air untuk kebutuhan domestik dan umum. Air yang akan digunakan sebagai air untuk keperluan domestik seperti memasak, toilet dan cuci-cuci lain biasanya digunakan air dari sumber terdekat seperti Perusahaan air Minum

18

(PAM) lokal maupun dari sumber sumur dalam. Pengolahan biasanya dilakukan secara terbatas seperti penjernihan dan aerasi terutama untuk mengurangi kadar besi yang biasanya berasosiasi dengan air dari sumber sumur dalam (deep well).

2.2.5 Langkah – Langkah Perencanaan Heat Exchanger Shell and Tube tipe Single pass dan Multy Passes

Didalam merencanakan sebuah Heat Exchanger dibutuhkan beberapa tahapan perhitungan, diantaranya sebagai berikut :

2.2.5.1 Perhitungan Beban Kalor Heat Exchanger Yang Di Rencanakan Beban kalor alat penukar kalor adalah besarnya kebutuhan kalor yang harus diberikan oleh fluida panas (minyak pelumas ) kepada fluida dingin (air).

1. Untuk menghitung besarnya beban panas dugunakan persamaan sebagai berikut:

𝐐 = 𝐦𝐡. 𝐜𝐩𝐡(𝐓𝐡𝐢 − 𝐓𝐡𝐨) ... (2.6) Dimana :

mh = Kapasitas aliran fluida panas (kg/s) Cph = Panas spesifik fluida panas (J/Kg K) Thi = Temperature fluida panas yang masuk (°C) Tho = Temperature fluida panas yang keluar (°C)

2. Untuk meghitung temperature fluida dingin keluar digunakan persamaan sebagai berikut :

𝐐 = 𝐦𝐜. 𝐜𝐩𝐜(𝐓𝐜𝐨 − 𝐓𝐜𝐢) ... (2.7) Dimana :

mc = Kapasitas aliran fluida dingin (kg/s) Cpc = Panas spesifik fluida dingin (J/Kg K) Tco = Temperature fluida dingin yang keluar (°C) Tci = Temperature fluida dingin yang masuk (°C)

2.2.5.2Perhitungan Beda Temperatur Rata-Rata Logaritma (LMTD)

Suhu fluida di dalam alat penukar kalor umumnya tidak konstan tetapi berbeda dari satu titik ke titik yang lainnya pada waktu mengalir dari fluida panas ke fluida dingin.

1. Perhitungan beda temperatur rata-rata logaritma (LMTD) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

LMTD

=

(𝐓𝐡𝐢−𝐓𝐜𝐨)−(𝐓𝐡𝐨−𝐓𝐜𝐢) 𝐥𝐧^{(𝐓𝐡𝐢−𝐓𝐜𝐨)}

(𝐓𝐡𝐨−𝐓𝐜𝐢)

⁡

... (2.8)

Dimana :

Thi= Temperature fluida panas yang masuk (°C) Tho= Temperature fluida panas yang keluar (°C) Tci= Temperature fluida dingin yang masuk (°C) Tco= Temperature fluida dingin yang keluar (°C)

2. Untuk menghitung faktor koreksi suhu (FT) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

R

=

^{(𝐓𝟏−𝐓𝟐)}

(𝐭𝟐−𝐭𝟏) ... (2.9) S

=

^{(𝐭𝟐−𝐭𝟏)}

(𝐓𝟏−𝐭𝟏)

... (2.10)

FT

=

√(𝐑^𝟐+𝟏)𝐥𝐧⁡[^(𝟏−𝐒

(𝟏−𝐑𝐒]

(𝐑−𝟏)𝐥𝐧[𝟐−𝐒[𝐑+𝟏−√(𝐑𝟐+𝟏) 𝟐−𝐒[𝐑+𝟏+√(𝐑𝟐+𝟏)

]

... (2.11)

Gambar 2.10 faktor koreksi

20

Dimana :

T1 = Temperature fluida panas masuk (°C) T2 = Temperature fluida panas keluar (°C) t1 = Temperature fluida dingin masuk (°C) t2 = Temperature fluida dingin keluar (°C)

maka beda temperature rata-rata adalah:

𝐃𝐓𝐦 = 𝐅𝐓𝐱𝐋𝐌𝐓𝐃 ... (2.12) Dimana :

FT = Faktor koreksi suhu

LMTD = Log Mean Temperature Difference

3. Untuk menghitung luas bidang perpindahan panas dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

Tabel 2.1 koefisien perpindahan panas keseluruhan

𝐀 = ^𝐐

𝐔.𝐃𝐓𝐦 ... (2.13) Dimana :

Q = Beban panas (watt)

U = Perpindahan panas keseluruhan (w/m² °C) DTm = Perbedaan suhu rata-rata (°C)

2.2.5.3 Perhitungan Pada Sisi Tube

1. Perhitungan jumlah pipa dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

𝐍𝐭 = ^𝐀

𝛑.𝐝𝐨.𝐥 ... (2.14) Dimana :

A = Luas bidang perpindahan panas (m²) do = Diameter pipa (m)

L = Panjang pipa (m)

2. Perhitungan jarak antar pipa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

𝐩𝐭 = 𝟏, 𝟐𝟓. 𝐝𝐨 ... (2.15) Dimana :

do = Diameter pipa (m)

3. Perhitungan diameter bundle dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Tabel 2.2 Bentuk susunan tube dan jumlah aliran fluida

𝐃𝐛 = 𝐝𝐨 (^𝑵𝒕

𝑲𝟏)^{𝟏/𝒏𝟏} ... (2.16) Dimana :

do = Diameter pipa (m) Nt = Jumlah pipa

4. Perhitungan jumlah pipa per laluan (Ntpp)

Ntpp⁡

=

^𝑵𝒕_𝟐 ... (2.17) Dimana :

Nt = jumlah pipa

5. Perhitungan massa laju aliran pipa per laluan (Gm)

Gt

=

^𝐦𝐡

𝐍𝐭𝐩𝐩.𝛑.𝐝𝐢^𝟐/𝟒 ... (2.18) Dimana :

mh = massa laju aliran Kg/s

22

Ntpp = Jumlah pipa per laluan di = diameter dalam pipa (mm) 6. Perhitungan kecepatan aliran oli (u)

u

𝒕 =^𝐆𝐭

𝛒

………...(2.19) Dimana :

Gt = massa laju aliran pipa per laluan (Kg/m².s) ρ = densitas oli (Kg/m³)

7. Perhitungan bilangan RE (Reynold Number ) dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

RE𝐭

=

^{𝛒.𝐝𝐢.𝐮𝐭}_𝛍 ... (2.20) Dimana :

ρ = densitas oli (Kg/m³) di = diameter dalam pipa (m) µ = viskositas dinamik (N s/m²)

8. Menentukan faktor perpindahan panas pada pipa (Jh)

Untuk menentukan faktor perpindahan kalor kita tentukan terlebih dahulu perbandingan :

𝐋

𝐝𝐢

⁡

... (2,21) Dimana :

L = panjang tube (m)

di = diameter dalam pipa (m)

Gambar 2.11 Grafik faktor perpindahan panas pada pipa 9. Perhitungan koefisien perpindahan panas sebelah pipa (hi) dapat dihitung

dengan persamaan sebagai berikut:

𝐡𝐢 = 𝐣𝐡.

^𝑲

𝒅𝒊

⁡. (

^{𝑪𝒑.𝝁}

𝑲

)

^𝟏,𝟑 ... (2.22) Dimana :

Jh = factor perpindahan kalor Cp = kapasitas panas (J/Kg.K) µ = viskositas dinamik (N.s/m²) k = konduktifitas termal (W/m .K) di = diameter dalam pipa (m)

10. Perhitungan koefisien perpindahan kalor melintasi permukaan luar pipa (hio) Hio

= 𝐡𝐢.

^𝐝𝐢

𝐝𝐨 ... (2.23) dimana :

di = diameter dalam pipa (m) do = diameter luar pipa (m)

2.2.5.4 Perhitungan Pada Sisi Shell

Shell adalah bagian tengah alat penukar kalor dan merupakan rumah untuk berkas tube (tube bundle). Antara shell dan berkas tube terdapat fluida yang

24

menerima atau melepaskan kalor, sesuai dengan proses yang terjadi. Dari segi pembuatanya shell dapat dikelompokkan sebagai berikut :

1. Shell yang dibuat dari pipa (pipe shell), biasanya untuk ukuran diameter yang relatif kecil.

2. Shell yang dibuat dari pelat (plate shell), untuk ukuran diameter shell yang besar. Untuk ukuran diameter nominal 190 mm (ukuran rencana), sebaiknya menggunakan shell yang terbuat dari pipa dengan alasan untuk mengurangi biaya pembuatanya seperti mengerol, mengelas dan lain-lain.

3. Perhitungan Diameter Shell dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

Gambar 2.12 Grafik clearance pada shell

𝐃𝐬 = 𝐃𝐛 + 𝐁𝐃𝐂 ... (2.24) Dimana :

Db = Diameter bundle (m)

BDC = Bundle diameter claerence (m)

4. Perhitungan jarak antar baffle dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

𝐁𝐬 = 𝟎, 𝟒. 𝐃𝐬 ... (2.25) Dimana :

Ds = Diameter shell (mm)

5. Perhitungan luas laluan aliran sebelah shell (As) dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

As

=

(𝒑𝒕−𝒅𝒐)𝑫𝒔.𝑩𝒔

𝒑𝒕 ... (2.26) Dimana :

Pt = jarak antar pipa (m) do = Diameter luar pipa (m) ds = Diameter shell (m) Bs = jarak antar baffle (m)

6. Perhitungan luas aliran massa sebelah shell persatuan luas dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

Gs=

^𝑾𝒔

𝑨𝒔 ... (2.27) Dimana :

Ws= massa laju aliran air (kg/s)

As= luas laluan aliran sebelah shell (m²)

7. Perhitungan diameter equivalent shell dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut:

de= ^{𝟏,𝟐𝟕}

𝐝𝐨 (𝐩𝐭^𝟐− 𝟎, 𝟕𝟖𝟓𝐝𝐨^𝟐⁡) ... (2.28)

26

Dimana :

pt = jarak antar pipa (mm) do = diameter luar pipa (mm)

8. Perhitungan kecepatan aliran fluida di dalam shell (us)

us =

^𝑮𝒎

𝝆 ... (2.29) Dimana :

Gm = massa laju aliran pipa per laluan (Kg/m².s) ρ = densitas oli (Kg/m³)

9. Perhitungan bilangan Reynold sebelah shell (Res) Res

=

^{𝑮𝒔.𝒅𝒆}

µ ... (2.30) Dimana :

Gs= laju aliran massa sebelah shell kg/m².s de= diameter equivalent shell (m)

µ= viskositas dinamik fluida di dalam shell (N.s/m²) 10. Menentukan factor perpindahan panas pada shell (jh)

Dengan potongan baffle 25%

Gambar 2.13 Grafik faktor perpindahan panas pada shell

11. Perhitungan koefisien perpindahan panas pada shell ( ho) 𝐡𝐨 = 𝐣𝐡.^𝑲

𝒅𝒊⁡. (^{𝑪𝒑.𝝁}

𝑲 )^𝟏,𝟑⁡ ... (2.31) Dimana :

Jh = factor perpindahan kalor Cp = kapasitas panas (J/Kg.K) µ = viskositas dinamik (N.s/m²) k = konduktifitas termal (W/m .K) di = diameter pipa (mm)

12. Perhitungan koefisien perpindahan panas menyeluruh pada air (Uc)

Uc

=

^𝟏

𝟏

𝐡𝐢+^{𝐍𝐭.𝐝𝐢.𝐥𝐧(}

𝐝𝐨 𝐝𝐢 )

𝟐𝐊 +^𝐝𝐨

𝐝𝐢+ ^𝟏

𝐡𝐨⁡⁡

... (2.32)

Dimana :

Uc = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada air

Uh = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada minyak pelumas Do = Diameter luar pipa (mm)

Di = diameter dalam pipa (mm)

K = konduktifitas panas tube (W/m.K)

Hi = koefisien perpindahan panas sebelah tube (W/m2.K ) Ho = koefisien perpindahan panas sebelah shell (W/m².K) 13. Perhitungan koefisien panas menyeluruh pada oli (Uh)

Uh

= ⁡⁡⁡⁡⁡

^𝟏

𝟏

𝐡𝐢+^{𝐍𝐭.𝐝𝐨.𝐥𝐧(}

𝐝𝐨 𝐝𝐢 )

𝟐𝐊 +^𝐝𝐨

𝐝𝐢+^𝟏

𝐡𝐨

... (2.33)

Dimana :

do = Diameter luar pipa (mm) di = diameter dalam pipa (mm)

K = konduktifitas panas tube (W/m.K)

ho = koefisien perpindahan panas sebelah shell (W/m².K)

28

14. Keefektifitasan alat penukar kalor (Ɛ)

Ɛ=

^{𝒕𝟐−𝒕𝟏}

𝑻𝟏−𝒕𝒊... (2.34) Dimana :

T1 = Temperatur masuk minyak pelumas (°C) t1 = Temperatur masuk air (°C)

t2 = Temperatur keluar air (°C)

2.2.5.5 Perhitungan Penurunan Tekanan

Kriteria rancangan yang baik pada alat penukar kalor juga ditentukan oleh besarnya penurunan tekanan yang terjadi didalam sistem. Besarnya penurunan tekanan hasil perhitungan pada bagian shell maupun pada tube haruslah lebih kecil dari penurunan tekanan yang diizinkan. Penurunan tekanan yang terjadi akibat adanya sekat dalam shell maupun gesekan dalam tube, dapat dihitung sebagai berikut :

1. Pada pipa

Gambar 2.14 Grafik faktor gesekan pada pipa

∆Pt = 𝑵𝒑 [𝟖𝒋𝒇 (^𝑳

𝒅𝒊) + 𝟐, 𝟓]^{𝝆.𝒖𝒕𝟐}

𝟐 ... (2.35) Dimana :

Np = jumlah aliran Jf = faktor gesekan

L = panjang pipa (m)

di = diameter dalam pipa (m)

Ut = kecepatan aliran di dalam pipa (kg/s) 2. Pada shell

Gambar 2.15 Grafik faktor gesekan pada shell

∆Ps

= 𝟖𝒋𝒇. (

^𝑫𝒔

𝒅𝒆

) . (

^𝑳

𝑳𝒔

)

^{𝝆.𝒖𝒕²}

𝟐 ... (2.36) Dimana :

Jf = faktor gesekan L = panjang pipa (m)

di = diameter dalam pipa (m)

Ut = kecepatan aliran di dalam pipa (m/s)

30

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Untuk mempermudah langkah – langkah proses penelitian, maka dibuat diagram alir penelitian sebagai berikut:

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Mulai

Studi Literatur

Perhitungan HE Single pass dan multy passes

Simulasi Aliran HE single pass dan multy passes

Kesimpulan

Persiapan Alat dan Bahan

Pengujian HE single pass, media : 1. oli dan air

2. air dan air

Pengujian HE multy passes, media : 1. oli dan air

2. air dan air

Pengambilan Data, Analisis dan Pembahasan

Selesai

3.2 Waktu dan Pelaksanaan

Penelitian dilakukan mulai bulan Agustus – September 2018. Adapun tempat pelaksanaan penelitian di Lab. Teknik Mesin STT Wiworotomo Purwokerto JL. Semingkir No 01 Telp (0281) 632870, 626266 Fax (0281) 632870 Purwokerto.

3.3 Variabel Penelitian

Variabel pengujian adalah yang menjadi objek pengujian atau yang menjadi titik perhatian suatu pengujian. Variabel inilah yang menjadi patokan suatu pengujian, variabel dari pengujian ini adalah :

1. Variabel bebas

Variabel bebas adalah kondisi yang mempengaruhi munculnya suatu gejala.

Dalam hal ini variabel bebas merupakan variabel yang sengaja dipelajari terhadap variabel terikat. Variabel bebas pada penelitian ini adalah jenis fluida.

2. Variabel terikat

Variabel terkait adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki aspek atau unsur didalamnya yang berfungsi menerima atau menyesuaikan diri dengan kondisi lain (Suharmi, Arikunto (2002). Variabel terikat dalam penelitian ini adalah suhu fluida panas masuk 75°C.

3. Variabel terkontrol

Variabel terkontrol adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki berbagai aspek atau unsur didalamnya yang berfungsi untuk mengendalikan agar variabel terikat yang muncul bukan karena variabel lain, tetapi benar – benar karena variabel bebas tertentu (Suharmi, Arikunto 2002). Variabel kontrol pada penelitian ini adalah heat exchanger tipe single pass dan multy passses.

32

3.4 Spesifikasi Alat Uji

Tabel 3.1 Data spesifikasi heat exchanger

DATA SPESIFIKASI HEAT EXCHANGER Diameter dalam pipa (Di) 7 mm

Diameter luar pipa (Do) 9,5 mm

Diameter shell ( Ds) 190 mm

Panjang pipa (L) 50 cm

Temperatur fluida panas masuk (Thi) 75°C Temperatur fluida dingin masuk (Tci) 18°C

Kecepatan fluida di dalam pipa (vt) 1700 L/hour Kecepata fluida di dalam shell (vs) 800 L/hour

Gambar 3.2 Insatalasi alat uji

Keterangan :

1. Heat Exchanger

2. Flow meter 3. Motor listrik 4. Pompa fluida panas 5. Reservoir fluida panas 6. Pompa fluida dingin 7. Reservoir fluida dingin 8. Radiator

3.5 Alat dan Bahan 3.5.1 Alat

1. Motor listrik

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Alat yang berfungsi sebaliknya, mengubah energi mekanik menjadi energi listrik disebut generator atau dinamo.Motor listrik disini di gunakan untuk memutar pompa oli.

Gambar 3.3 Motor Listrik 2. Pompa oli

Pengertian pompa oli sendiri adalah sebuah komponen yang digerakan oleh poros engkol untuk memutar atau mensirkulasi oli didalam bak oli agar seluruh komponen mesin bisa terlumasi. Pompa oli digunakan untuk memompakan oli dari recervoir masuk ke dalam heat exchanger.

34

Gambar 3.4 Pompa Oli 3. Puli

Puli merupakan salah satu dari berbagai macam transmisi. Puli dalam bahasa Inggris yaitu pulley (mungkin kata puli berasal dari kata pulley). Puli berbentuk seperti roda. Pada penggunaannya puli selalu berpasangan dan dihubungkan dengan sabuk (belt). Puli digunakan untuk mentransmisikan daya motor listrik untuk menggerakan pompa oli.

Gambar 3.5 Puli 4. Belt

Belt adalah bahan fleksibel yang melingkar tanpa ujung, yang digunakan untuk menghubungkan secara mekanis dua poros yang berputar. Belt digunakan untuk menyambungkan motor listrik dengan pompa oli.

Gambar 3.6 Belt 5. Pompa air

Pompa adalah alat yang digunakan untuk memindahkan cairan (fluida) dari suatu tempat ke tempat yang lain, melalui media pipa (saluran) dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung terus menerus. Pompa air disini digunakan untuk memompakan air dari reservoir air ke heat exchanger.

Gambar 3.7 Pompa air 6. Thermo sensor

Sensor Suhu atau Temperature Sensors adalah suatu komponen yang dapat mengubah besaran panas menjadi besaran listrik sehingga dapat mendeteksi gejala perubahan suhu pada obyek tertentu.

Gambar 3.8 Thermo sensor

36

8. Radiator

Radiator adalah sebuah komponen yang tersusun dari dua buah tangki yang memiliki sirip udara dengan tujuan pembuatan yakni sebagai tempat mereduksi panas melalui perpindahan panas ke udara bebas. Radiator disini digunakan untuk mendinginkan air yang keluar dari heat exchanger ,yang kemudian di sirkulasikan kembali.

Gambar 3.9 Radiator 9. Selang

Selang terbuat dari karet sintesis yang berfungsi untuk mengalirkan fluida cair dari satu tempat ke tempat lain. Selang disini digunakan untuk mengalirkan fluida panas maupun dingin ke heat exchanger.

Gambar 3.10 Selang

10. Reservoir Oli

Reservoir oli terbuat dari bahan plastik yang berfungsi untuk tempat menampung oli.

Gambar 3.11 Reservoir Oli 11. Reservoir air

Reservoir air terbuat dari bahan plastik yang berfungsi untuk tempat menampung air.

Gambar 3.12 Reservoir Air 12. Heater

Heater adalah sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan benda. Pada penelitian kali ini, heater berfungsi sebagai pemanas oli.

38

Gambar 3.13 Heater 13. Heat Exchanger

Gambar 3.14 Heat exchanger

14. Flow meter

Gambar 3.15 Flow meter

3.5.2 Bahan

1. Minyak Pelumas

Minyak pelumas atau yang sering disebut dengan oli adalah bahan penting bagi sebuah mesin, pada penelitian kali ini oli digunakan sebagai fluida panas. Oli yang digunakan SAE 20w-40.

Gambar 3.16 Minyak Pelumas 2. Air

Air banyak sekali dimanfaatkan oleh dunia industri, salah satunya adalah sebagai media pendingin. Pada penelitian ini, air digunakan sebagai fluida dasar yang berfungsi untuk mendinginkan oli.

3.6 Teknik Pengumpulan Data

Dalam teknik pengumpulan data ini dibagi menjadi 2 bagian, diantaranya adalah sebagai berikut:

1. Study literature

Dilakukan dengan cara mempelajari referensi, buku-buku, media-media yang berkaitan dengan penelitian yang akan di kaji dalam penyelesaian Tugas Akhir/Skripsi.

2. Pengamatan (Observasi)

Pengumpulan data yang dipakai untuk mengetahui hasil-hasil dari penelitian yang telah dilakukan dan kemudian akan dilanjutkan dalam perhitungan data- data yang sudah didapat sebelumnya.

3.7 Prosedur Penelitian

Adapun prosedur penelitian dari masing-masing tipe heat exchanger sebagai berikut :

40

1. Mempersiapkan semua perlengkapan dan peralatan yang diperlukan.

2. Memasang instalasi penelitian.

3. Memasukan fluida panas (oli) dan fluida dingin (air) kedalam masing- masing tangki penampungan (reservoir).

4. Menjalankan pompa untuk mengalirkan fluida panas dan fluida dingin untuk mengecek kebocoran.

5. Memanaskan fluida panas dengan menggunakan heater di dalam tangki sampai suhu 75°C.

6. Menjalankan pompa fluida panas dan dingin.

7. Mencatat suhu fluida panas dan dingin yang terdeteksi pada thermosensor setiap 1 menit sampai menit ke 5.

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil simulasi dan pengujian heat exchanger tipe aliran single dan multy pass yang di fungsikan sebagai pendinginan 2 jenis fluida panas yaitu oli dan air, dengan temperatur fluida panas masuk sebesar 75°C dan fluida dingin masuk 18°C. Dapat di tarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Hasil simulasi software solidwork dengan fluida panas oli, didapat penurunan temperatur paling besar pada aliran multy pass yaitu sebesar 19°C. Sedangkan simulasi dengan fluida panas air, terjadi penurunan temperatur paling besar pada aliran single pass sebesar 33°C.

2. Hasil pengujian heat exchanger dengan fluida panas oli, didapat penurunan temperatur paling besar pada aliran multy pass yaitu sebesar 28°C. Sedangkan pengujian heat exchanger dengan fluida panas air, terjadi penurunan temperatur paling besar pada aliran single pass sebesar 23°C.

5.2 Saran

1. Penambahan heater agar dapat mempertahankan suhu pada 90°C.

2. Perlu diteliti pengaruh debit dan kecepaatan fluida terhadap performasi pendinginan.

3. Perlu didesain pipa dengan berkas tabung dengan arah selang-seling dan sejajar.

42

DAFTAR PUSTAKA

Donald Q. Kern. 1965. “Process Heat Transfer”. McGraw Hill Book Company, Singapore.

Dr. Reyad Shawabkeh, “Steps for Design of Heat Exchanger”. Department of Chemical Engineering King Fahd University of Petroleum and Munerals.

Frank Kreith and Wiliam Z. Black, “Basic Heat Transfer”. Solar Energy Institute and University of Colorado.

Holman, J P. “Perpindahan Kalor” Terjemahan Ir. E Jasjfi, Msc, Jakarta, Erlangga, 1984

I.Bizzy, R.Setiadi, 2013, “Studi Perhitungan Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Dengan Program Heat Tranfer Research Inc.”Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sriwijaya.

Pamungkas, Dwi Mantra, 2018. “Perencanaan Heat Exchanger And Tube Multy Passes Untuk Pendinginan Minyak Pelumas Dengan Air Sebagai Media Pendinginnya”. Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo.

Ramesh K. Shah and Dusan P. Sekulic “Fundamentals of Heat Exchanger Design”.

Saputro, Labib Wiko, 2018. “Perencanaan Heat Exchanger And Tube Single Passes Untuk Pendinginan Minyak Pelumas Dengan Air Sebagai Media Pendinginnya”. Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo.

Sulis Yulianto, Munzir Qadri, Fadwah Maghfurah,2014, “Perencanaan Pembuatan Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Skala Laboratorium.”Jurusan Teknik Mesin,Universitas Muhamadiyah Jakarta.

https://artikel-teknologi.com/macam-macam-heat-exchanger-alat-penukar-panas http://kukuhpambudi0.blogspot.com/2017/05/analisa-perancangan-desain-

heat_11.html

LAMPIRAN

44

Lampiran 1. Gambar cut plot heat exchanger tipe single pass dengan fluida panas oli tampak atas.

Lampiran 2. Gambar cut plot heat exchanger tipe single pass dengan fluida panas oli tampak samping.

Lampiran 3. Gambar cut plot heat exchanger tipe single pass de