ALAT PENUKAR KALOR PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG

Transkripsi

1 ALAT PENUKAR KALOR PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik OLIMPIANUS SINURAYA NIM : PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

2

3

4

5 PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG OLIMPIANUS SINURAYA NIM Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 161 pada Tanggal 01 Oktober 2011 Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Ir. Mulfi Hazwi, Msc Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP NIP

6 PERANCANGAN DAN SIMULASI 3D ALAT PENUKAR KALOR TIPE SELONGSONG DAN TABUNG OLIMPIANUS SINURAYA NIM Penguji I Penguji II Ir. Mulfi Hazwi, Msc Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. NIP NIP Diketahui/disyahkan

7 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan kasih-nya yang telah memberikan kesempatan, pengetahuan, pengalaman, dan kekuatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini berjudul Perancangan dan Simulasi 3D Alat penukar Kalor Tipe Selongsong dan Tabung. Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus ditempuh bagi setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik USU untuk memperoleh gelar kesarjanaan. Dalam penyusunan skripsi ini penulis telah banyak mendapat bantuan mulai dari awal sampai akhir penyelesaiannya. Melalui kesempatan ini penulis mengucapkan rasa hormat dan terima kasih yang tak terhingga kepada: 1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT. selaku dosen pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis selama ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik. 3. Seluruh staff pengajar di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah membantu penulis dalam hal administrasi. 4. Kepada karyawan-karyawan Pertamina dan Palmechandra yang memberikan data-data survei, tabel dan buku khususnya kepada Mamed, Sukri Rahmadani, Sharonas Agung dan Ricky Chandra Sebayang. 5. Kedua orang tua penulis, Sofian Sinuraya dan Samaria Br. Ginting yang telah memberikan dukungan moril dan material serta doa selama dalam masa perkuliahan dan dalam menyelesaikan Skripsi ini. 6. Buat abang saya dan adik saya Indra Christopher Sinuraya, SH dan Renaldo Sinuraya dan adik saya Delen Oktalin Sinuraya S.E dan Sartika Sinuraya SH. 7. Untuk teman - teman yang telah memotivasi dan mendoakan penulis dalam menyusun Skripsi ini.

8 8. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin Ekstension yang telah banyak membantu penulis dan penyusunan Skripsi ini. Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih banyak kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan koreksi untuk kesempurnaan Skripsi ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga Skripsi ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, September 2011 Penulis, Olimpianus Sinuraya

9 ABSTRAK Skripsi ini membahas perancangan alat penukar kalor tipe selongsong dan tabung yang berfungsi sebagai pemanas air dengan memanfaatkan emisi gas buang sebagai media pemanas. Perencanaan ini dilakukan karena kinerja alat penukar kalor tidak sesuai dengan kebutuhan karena temperatur gas buang keluar lebih tinggi dari yang diharapkan. Perancangan berdasarkan dari jurnal Studi Ekperimental Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell and Tube dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air oleh Zainnudin dan dilakukan perancangan ulang komponen-komponen alat penukar kalor yang disesuaikan standar TEMA. Rancangan dilakukan dengan menggunakan tiga alternatif yaitu APK 1 1 lintasan. APK 1 2 lintasan dan APK 1 4 lintasan. Rancangan alat penukar kalor hanya dilakukan pada putaran mesin 1500 rpm dan beban 0 kw. Desain alat penukar kalor yang optimal dipilih adalah 1 4 lintasan karena efektivitas alat penukar kalor yang dihasilkan paling tinggi dibandingkan dua alternatif lainnya sebesar 83,35 %. Metode Kern lebih mudah diaplikasikan dalam perhitungan perpindahan panas karena merupakan metode yang paling sederhana, namun metode ini akan memberikan hasil yang kurang akurat karena banyak faktor-faktor yang diabaikan. Metode Bell Delaware akan memberikan hasil yang lebih akurat, namun akan diperlukan banyak parameter yang harus diketahui Analisis aliran fluida dengan perangkat lunak SolidWorks Flow Simulation menghasilkan solusi yang cukup akurat atau sesuai analisis teroritis sehingga dapat dijadikan pedoman dalam perancangan sistem fluida karena ini dari perangakat lunak tersebut dapat diketahui fenomena-fenomena yang terjadi dalam sistem fluida yang dirancang. Hasil Skripsi ini diharapkan dapat menjadi salah satu alternatif yang dapat digunakan untuk menggantikan alat penukar kalor yang ada. Kata kunci: Alat penukar kalor, lintasan, air, gas buang, Metode Kern, Metode Bell Dellaware, simulasi

10 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR SIMBOL... ix DAFTAR LAMPIRAN... xii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Perencanaan Batasan Masalah Metodologi Penulisan Sistematika Penulisan... 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Jenis-jenis Alat Penukar Kalor Konstruksi Alat Penukar Kalor Analisis Perpindahan Panas Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD Aliran Internal (Aliran Fluida dalam Tabung) Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam Selongsong) Metode Kern Koefisien Perpindahan Panas Eksternal Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δp s ) Metode Bell-Delaware Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong Penuruan Tekanan Sisi Selongsong Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Efektivitas Alat Penukar Kalor Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation SolidWorks Proses Penghitungan CFD Preprocessor Processor Post Processor Pengaruh Jumlah Grid terhadap Solusi Diskritasi Pengaruh Laju Aliran Massa terhadap APK Validasi BAB 3 PERENCANAAN SPESIFIKASI Detail Komponen-komponen Alat Penukar Kalor Analisis Perpindahan Panas Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD... 49

11 3.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam tabung) Aliran Eksternal (Aliran Fluida dalam selongsong) Metode Kern Koefisien Perpindahan Panas Eksternal Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δp s ) Metode Bell-Delaware Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong Penuruan Tekanan Sisi Selongsong BAB 4 ANALISIS MENGGUNAKAN SOLIDWORKS FLOW SIMULATION Proses Simulasi CFD Preprocessor Processor Post Processor Pengaruh Jumlah Grid terhadap Solusi Diskritasi Pengaruh Laju Aliran Massa terhadap APK Validasi BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Mesin refrigrasi pendiginan air (water cooled chiller)... 4 Gambar 2.2 Kondensor... 5 Gambar 2.3 Mesin pendingin... 5 Gambar 2.4 Alat penukar kalor dengan tabung tipe U... 5 Gambar 2.5 Alat pemanasan ulang... 6 Gambar 2.6 Alat pemanas... 6 Gambar 2.7 Alat pemanas uap lanjut... 6 Gambar 2.8 Evaporator... 7 Gambar 2.9 Alat pemanas air pengisi ketel... 7 Gambar 2.10 Selongsong... 8 Gambar 2.11 Sekat bentuk segmen Gambar 2.12 Efek dari sekat Gambar 2.13 Susunan pelat tabung multi aliran dalam alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan) Gambar 2.14 Jenis-jenis flens Gambar 2.15 Baffle spacer dan batang pengikat Gambar 2.16 Tipe gasket Gambar 2.17 Aliran internal dari air dalam sebuah pipa dan aliran eksternal dari udara di luar pipa (pipa yang sama) Gambar 2.18 Distribusi aliran sisi selongsong dan identifikasi dari macam-macam aliran Gambar 2.19 Hubungan geometri sekat terhadap alat penukar kalor segmen tunggal Gambar 2.20 Luas kebocoran antara selongsong dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) Gambar 2.21 Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal) Gambar 2.22 Aliran melintang bagian tengah Gambar 2.23 Aliran daerah jendela Gambar 2.24 Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong Gambar 2.25 Model original Gambar 2.26 Variasi tipe mesh komputasi Gambar 3.1 Asemmbly alat penukar kalor Gambar 3.2 Desain selongsong Gambar 3.3 Susunan tabung Gambar 3.4 Ukuran sekat segmental pada alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan Gambar 3.5 Diagram alir analisa perhitungan perpindahan panas Gambar 3.6 Sifat fluida air pada suhu 33,41 o C Gambar 3.7 Sifat fluida gas buang pada suhu 111,91 o C Gambar 3.8 Sifat fluida gas buang pada suhu 119,93 o C Gambar 3.9 Distribusi temperatur Gambar 4.1 Gambar 4.2 Modeling Alat Penukar Kalor yang digambar dengan perangkat lunak Catia V5R Hasil import modeling Catia ke SolidWorks

13 Flow Simulation Gambar 4.3 Penentuan hasil mesh mula-mula Gambar 4.4 Hasil Mesh Gambar 4.5 Ilustrasi kondisi batas Gambar 4.6 Penentuan tipe analisis Gambar 4.7 Hasil iterasi mencapai konvergen Gambar 4.8 Distribusi kecepatan 1 1 pass Gambar 4.9 Distribusi kecepatan 1 2 pass Gambar 4.10 Distribusi kecepatan 1 4 pass Gambar 4.11 Distribusi temperatur 1 1 pass Gambar 4.12 Distribusi temperatur 1 2 pass Gambar 4.13 Distribusi temperatur 1 4 pass Gambar 4.14 Distribusi tekanan 1 1 pass Gambar 4.15 Distribusi tekanan 1 2 pass Gambar 4.16 Distribusi tekanan 1 4 pass Gambar 4.17 Hubungan inisialisasi mesh untuk laju kalor pada CFD dan hitungan Gambar 4.18 Hubungan perpindahan kalor untuk APK 1 1 lintasan pada CFD dan perhitungan pada tiap laju aliran massa Gambar 4.19: Cut plot pandangan depan kecepatan maximum diset 17 m/s Gambar 4.20: Cut plot pandangan depan kecepatan maximum diset 0,021 m/s... 88

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 : Parameter dasar tata letak tabung Tabel 3.1 : Data desain alat penukar kalor Tabel 3.2 : Desain rancangan Tabel 3.3 : Nossel masuk dan keluar pada tabung dan selongsong Tabel 3.4 : Data operasi alat penukar kalor Tabel 3.5 : Hasil iterasi pada gas buang Tabel 3.6 : Konfigurasi geometri alat penukar kalor Tabel 3.7 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di dalam tabung Tabel 3.8 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung (Metode Kern) Tabel 3.9 : Koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan di luar tabung (Metode Bell- Delaware) Tabel 3.10 : Efektivitas alat penukar kalor berdasarkan hitungan Tabel 4.1 : Jumlah grid dan waktu kalkulasi pada tiap inisialisasi mesh Tabel 4.2 : Perbandingan perpindahan kalor pada CFD dan hitungan untuk tiap inisialisasi mesh Tabel 4.3 : Perbandingan hasil dari jurnal, perancangan dan simulasi CFD untuk alternatif 1 pada mesh tingkat 5 Tabel 4.4 : Kapasitas kalor untuk APK 1 1 lintasan pada CFD dan perhitungan pada tiap laju aliran massa air Tabel 4.3 : Hasil Surface Parameter untuk sisi tabung Tabel 4.4 : Hasil Surface Parameter untuk sisi selongsong Tabel 4.5 : Hasil simulasi APK 1 1 lintasan Tabel 4.6 : Perbandingan hasil perhitungan dan simulasi

15 DAFTAR SIMBOL = luas kebocoran melintang untuk bypass (m 2 ) A m = luas aliran melintang tabung (m 2 ) A o = luas perpindahan kalor (m 2 ) = luas aliran sisi selongsong (m 2 ) = Luas bocoran antara selongsong dan sekat (m 2 ) = Luas bocoran antara tabung dan sekat (m 2 ) A w = Luas aliran jendela sekat bersih (m 2 ) A w,g = Luas aliran jendela sekat kotor (m 2 ) A w,t = Luas aliran jendela yang ditempati oleh tabung (m 2 ) = Jarak antara dua permukaan tabung (m) c p,s = Kalor jenis fluida di sisi selongsong (J/kg.K) c p,t = Kalor jenis fluida di sisi tabung (J/kg.K) D e = Diameter ekuivalen (m) D otl = Diameter bundel tabung (m) D ctl = Diameter pusat tabung dari bundel tabung terluar (m) D o = Diameter luar selongsong (m) D s = Diameter dalam selongsong (m) d i = Diameter dalam tabung (m) d o = Diameter luar tabung (m) = Laju aliran massa per satuan luas di sisi selongsong (kg/m 2.s) h o = Koefisien perpindahan eksternal (W/m 2.K) h id = Koefisien perpindahan panas ideal (W/m 2.K) h i = Koefisien perpindahan internal (W/m 2.K) k = Konduktivitas termal (W/m.K) L = Panjang tabung (m) = Jarak antar sekat (m) L b,i = jarak sekat di sisi masuk selongsong (m) L b,o = jarak sekat di sisi keluar selongsong (m) L c = Jarak pemotongan sekat (m) L s = Panjang selongsong (m) LMTD = Beda temperatur rata-rata logaritma ( o C, K) = Laju aliran massa sisi tabung (kg/s) = Laju aliran massa sisi selongsong (kg/s) = Jarak antara dua permukaan tabung (m) p s = tekanan pada sisi selongsong (Pa) p t = tekanan pada sisi tabung (Pa) Q c = Kalornya yang diserap fluida dingin (W) Q h = Kalornya yang diserap fluida panas (W) Q = Parpindahan kalor (W) T c,o = Temperatur fluida dingin keluar ( o C, K) T c,i = Temperatur fluida dingin masuk ( o C, K) T h,o = Temperatur fluida panas keluar ( o C, K) T h,i = Temperatur fluida panas masuk ( o C, K) U o = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2.K) V max = Kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah (m/s)

16 V t = Kecepatan fluida di dalam tabung (m/s) V s = Kecepatan fluida di dalam selongsong (m/s) w p = Lebar bypass (m) X t = Jarak antara dua permukaan tabung transversal (m) X l = Jarak antara dua permukaan tabung longitudinal (m) Bilangan tak berdimensi F = Faktor koreksi F c = Fraksi tabung pada aliran menyilang F w = fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas f t = Faktor gesekan di dalam tabung f s = Faktor gesekan di dalam selongsong J c = Faktor koreksi untuk konfigurasi sekat J b = Faktor koreksi akibat aliran bypass J l = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat J s = Faktor koreksi untuk jarak sekat pada sisi masuk dan keluar selongsong K f = Bilangan Euler N b = Jumlah sekat N c = Jumlah tabung baris menyilang N cw = Jumlah baris tabung pada daerah aliran melintang N p = Jumlah aliran pass partion N ss = Jumlah sealing strips yang dipasang untuk menahan aliran bypass pada aliran melintang N r,cc = Jumlah baris menyilang N r,cw = Jumlah baris aliran menyilang efektif pada daerah jendela N t = Jumlah tabung N u,s = Bilangan Nusselt di sisi selongsong N u,t = Bilangan Nusselt di sisi tabung NTU = Banyaknya unit alat penukar kalor P = Perbandingan efektivitas termal P r = Bilangan Prandtl R = Perbandingan kapasitas kalor R l = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat R b = Faktor koreksi untuk aliran bypass R s = Faktor koreksi untuk jarak sekat pada sisi masuk dan keluar selongsong R e = Bilangan Reynold r b = Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat r lm = Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang r s = Rasio luasan kebocoran terhadap selongsong dengan sekat terhadap luasan melintang = Faktor koreksi untuk sealing strip Simbol-simbol yunani Δp c = Penurunan tekanan aliran menyilang ideal (Pa) Δp w = Penurunan tekanan untuk ideal daerah jendela (Pa) Δp s = Penurunan tekanan yang melintasi sisi selongsong (Pa) Δp t = Penurunan tekanan yang melintasi tabung (Pa) = Jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan tabung (m)

17 = Jarak ruang bebas diametral dari selongsong dengan sekat (m) = Sudut pusat bundel tabung (deg) = Sudut pusat terhadap lingkaran terluar tabung (rad) = Viskositas dinamik (kg/m.s) υ = Viskositas kinematik (m 2 /s) = Viskositas (kg/m 3 ) ԑ = Efektivitas alat penukar kalor (%)

18 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A : Gambar Bagian- bagian dari Alat Penukar Kalor Lampiran B : Tabel Tebal Shell Minimum Lampiran C : Tabel Diameter Ruang Bebas untuk Selongsong Lampiran D : Tabel Standar Batang Pengikat Lampiran E : Tabel Pipa Lampiran F : Tabel Flens Lampiran G : Tabel Laju Pengotoran untuk Fluida Lampiran H : Konduktivitas Termal Untuk Benda Padat Lampiran I : Parameter untuk Sifat Gas Buang SolidWorks Flow Simulation Lampiran J : Geometri Alat Penukar Kalor Lampiran H : Grafik Hubungan Hasil Perhitungan dan Simulasi CFD