ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT

Transkripsi

1 ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT DENGAN VARIASI KAPASITAS ALIRAN FLUIDA PANAS, FLUIDA DINGIN DAN SUHU MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN SEJAJAR. SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : LAW RENCIUS ( ) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2015

2 i ABSTRAK Seiring dengan berjalannya waktu sebuah alat akan mengalami penurunan prestasi atau performansi. Penurunan prestasi ini akan menyebabkan alat yang digunakan tidak lagi efektif dalam melakukan kerjanya. Pada salah satu laboratorium di PTKI terdapat alat penukar kalor tabung sepusat yang sudah dipakai lebih dari 30 tahun dan belum sekalipun dikalibrasi. Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar penurunan prestasi dari alat penukar kalor tersebut. Metode yang digunakan dalam penelitian yaitu dengan percobaan dan melakukan analisis baik secara perhitungan teori maupun hasil simulasi. Metode perhitungan secara teori dilakukan dengan menggunakan metode NTU dan perhitungan simulasi dilakukan dengan menggunakan Ansys Fluent. Pada hasil perhitungan didapatkan perbedaan yang cukup terlihat yaitu keefektifan hasil percobaan nilainya berbeda jauh dengan keefektifan yang diperoleh dari perhitungan teori dan hasil simulasi. Efektivitas tertinggi untuk hasil percobaan, perhitungan teori, dan simulasi pada suhu masuk fluida panas 70 o C dan kapasitas aliran fluida panas 50 l/j dan kapasitas aliran fluida dingin 200 l/j berturut-turut yaitu 43%, 18,9%, dan 18,04% dan pada suhu masuk fluida panas 80 o C kapasitas aliran fluida panas 50 l/j dan kapasitas aliran fluida dingin 400 l/j berturut-turut yaitu 50,39%, 27,38%, dan 30,97%. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa perhitungan secari teori didukung oleh simulasi dimana hasil efektivitas yang didapat tidak terlalu jauh perbedaannya, sedangkan hasil percobaan berbeda jauh dengan hasil perhitungan teori dan simulasi. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa APK tersebut perlu untuk segera dikalibrasi. Kata kunci : penurunan prestasi, alat penukar kalor tabung sepusat, keefektifan, metode NTU, Ansys Fluent.

3 ii ABSTRACT Through the time, the performance of device will get decreased. The Decresed of performance will make device can t do its job effectively. One of laboratory in PTKI has concentric heat exchanger has been used for more 30 years but it never calibrated. The purpose of this research is knowing how far the decreasing of concentric heat exchanger performance. The method that use for this research is experiment and analize data use theoretical calculation with simulation. Theoretical calculation use NTU method and simulation calculation use Ansys Fluent. The result of calculation has significant contrast, effectiveness from experiment has constrast value with theoretical calculation. High effectiveness from experiment, theoretical calculation, and simulation at hot temperature fluide 70 o C, hot fluide volume flow 50 l/h, and cool fluide volume flow 200 l/h in series is 43%, 18,9%, and 18,04% and at hot temperature fluide 80 o C, hot fluide volume flow 50 l/h, and cool fluide volume flow 400 l/h in series is 50,39%, 27,38%, and 30,97%. Based on that result we can see that theoriticall calculation is supported by simulation calculation, in the other hand experiment result has significant contrast with theoriticall calculation and simulation. The conclusion is that device must must calibrated soon. Keywords : decreased performance, concentric tube type of heat exchanger, Effectiveness, NTU method, Ansys Fluent

4 iii KATA PENGANTAR Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaannya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini berjudul Analisis dan simulasi keefektifan alat penukar kalor tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar. 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, Hasudungan Simanjuntak, SH dan Luminar br. Siburian yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi 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. Wiranata Sinurat, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan. 6. Adik penulis yang terkasih, Rio Christianto Simanjuntak atas semangat dan doa yang diberikan.

5 iv 7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA! 8. Kaum Terpelajar sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi. 9. Raymond Ebenezer Sipayung untuk setiap bantuan yang boleh diberikan. 10. Ibu Darni selaku kepala laboratorium OTK PTKI dan segenap asisten yang telah memberikan bantuan kepada penulis melakukan penelitian di laboratorium tersebut. 11. Partner segala lini, Debby Permata Situmorang atas dukungan dan motivasi 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. Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, Maret 2015 Penulis LAW RENCIUS NIM

6 v DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Batasan Masalah Penelitian Manfaat Penelitian Metodologi Penulisan Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Teori Dasar Alat Penukar Kalor Jenis Alat Penukar Kalor Klasifikasi Alat Penukar Kalor Jenis-Jenis Perpindahan Panas Konduksi Konveksi Radiasi Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Aliran Tabung Sepusat Faktor Kotoran Metode LMTD Metode LMTD Aliran pararel (sejajar) Metode LMTD untuk aliran berlawanan Metode NTU Keefektifan APK Aliran Sejajar... 34

7 vi Tabel 2.3 hubungan efektifitas dengan NTU dan c Program Ansys Persamaan-persamaan Konservasi BAB III METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu penelitian Tempat Penelitian Waktu Penelitian Metode Penelitian Populasi dan Sampel Populasi Penelitian Sampel Penelitian Teknik Sampling Teknik Pengumpulan Data Instrumen Penelitian Bahan Penelitian Alat Penelitian Diagram Alir Proses Penelitian Proses Percobaan Instrumen Simulasi Bahan Simulasi Alat Simulasi Diagram Alir Simulasi BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Perhitungan Teoritis Perhitungan Data Hasil Pengujian Perhitungan Dengan Simulasi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... 97

8 vii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Thermosiphon Reboiler Gambar 2.2 Konstruksi Heat Exchanger Gambar 2.3 Aliran double pipe heat exchanger Gambar 2.4 Hairpin Heat exchanger Gambar 2.5 Double pipe exchanger aliran concurrent dan counter curent Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger series Gambar 2.7 Double pipe heat exchanger in series- parallel Gambar 2.8 Bentuk susunan tabung Gambar 2.9 shell and tube heat exchanger Gambar 2.10 Plate type heat exchanger dengan aliran counter current Gambar 2.11 Skema dari jacketed vessel with coil and stirrer Gambar 2.12 Perpindahan panas secara konduksi Gambar 2.13 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa. 18 Gambar 2.14 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas.. 19 Gambar 2.15 Jaringan tahan panas yang dibungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat Gambar 2.16 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding yang tipis Gambar 2.17 Distribusi suhu APK aliran sejajar Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran Berlawanan Gambar 3.19 Distribusi suhu APK sejajar Gambar 2.20 Tmax saat Tco mendekati Thi Gambar 2.21 Tmax saat Tho mendekati Tci Gambar 2.22 grafik efektifitas untuk aliran sejajar Gambar 2.23 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan... 37

9 viii Gambar 2.24 Gambaran Umum Proses CFD Gambar 2.25 Persamaan Konservasi Momentum Gambar 2.26 Penerapan Boundary Condition Gambar 2.27 Flowchart Penerapan CFD Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat Gambar 3.2 Alat ukur suhu masuk dan keluar fluida dalam APK tabung sepusat Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida panas Gambar 3.4 Alat ukur kapasitas aliran fluida dingin Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas Gambar 3.6 pompa fluida panas Gambar 3.7 Tabung sepusat Gambar 3.8 Laptop Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor Gambar 4.2 Dimensi dari alat penukar kalor Gambar 4.3 Dimensi dari alat penukar kalor Gambar 4.4 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.5 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.6 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.7 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.8 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.9 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.10 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j)... 70

10 ix Gambar 4.11 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.12 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.13 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.14 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.15 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) Gambar 4.16 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.17 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.18 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.19 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) Gambar 4.20 Mengatur geometry Gambar 4.21 Mengatur mesh Gambar 4.22 Mengatur mesh (untuk aliran laminar dan transisi) Gambar 4.23 Mengatur setup (untuk aliran turbulen) Gambar 4.24 Mengatur viscous Gambar 4.25 Mengatur setup heat exchanger Gambar 4.26 Mengatur cell zone condition Gambar 4.27 Mengatur mengatur setup boundary conditions Gambar 4.28 Mengatur mengatur setup solution method Gambar 4.29 Hasil perhitungan pada report Gambar 4.30 Hasil perhitungan pada report... 89

11 x DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Double pipe exchanger fittings Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c Tabel 3.1 Variasi parameter sampel penelitian 47 Tabel 3.2 Variasi parameter sampel penelitian 48 Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi 66 Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi 68 Tabel 4.3 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 200 l/j) 71 Tabel 4.4 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 200 l/j) 72 Tabel 4.5 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 200 l/j) Tabel 4.6 Data rata-rata hasil percobaan (kapasitas fluida dingin 200 l/j) Tabel 4.7 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) Tabel 4.8 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) Tabel 4.9 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) Tabel 4.10 Data rata-rata hasil percobaan (kapasitas fluida dingin 400 l/j) Tabel 4.11 Hasil dari perhitngan C h dan C c Tabel 4.12 Hasil dari perhitngan C h dan C c Tabel 4.13 Hasil simulasi dengan variasi fluida dingin (air) 200 l/j dan fluida panas 50 l/j, 100 l/j, 150 l/j, 200 l/j Tabel 4.14 Hasil simulasi dengan variasi fluida dingin (air) 400 l/j dan fluida panas 50 l/j, 100 l/j, 150 l/j, 200 l/j Tabel 4.15 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi Tabel 4.16 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi... 92

12 xi DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN q laju pindahan panas Watt Q kapasitas aliran m 3 /s ṁ h laju aliran massa fluidsa panas kg/s ṁ c laju aliran massa fluida dingin kg/s Cp h panas jenis fluida panas J/kg K Cp c panas jenis fluida panas J/kg K Thi Temperatur fluida panas masuk APK ( o C) Tho Temperatur fluida panas keluar APK ( o C) Tc i Temperatur fluida dingin masuk APK ( o C) Tc o Temperatur fluida dingin keluar APK ( o C) U koefisien perpindahan panas menyeluruh Watt/m 2 K A Luas daerah perpindahan panas m 2 Trl beda suhu rata-rata logaritma ( o C) μ viskositas dinamik Ns/m 2 pr Re bilangan prandalt bilangan reynold ρ massa jenis kg/m 3 Nu f NTU bilangan nusselt koefisien gesekan Number transfer unit C kapasitas panas Watt/K C min kapasitas panas minimum Watt/K E Efektifitas APK %

13 xii SIMBOL KETERANGAN SATUAN Ch kapasitas panas fluida panas Watt/K Cc kapasitas fluida dingin Watt/K R hambatan total Rf,i hambatan fluida di tabung dalam C/W Rf,o hambatan fluida di dalam anullus C/W Di diameter tabung dalam m Do diameter tabung luar m Dh diameter hidrolik m c Perbandingan C min dengan C max Kg/m 3 k koefisien konduksi Watt/m K C max Kapasitas panas maksimu Watt/K