POSITRON BANGUN /MTM

Transkripsi

1 UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH JARAK SEKAT PADA ALAT PENUKAR KALOR SELONGSONG DAN TABUNG DENGAN SUSUNAN TABUNG BELAH KETUPAT T E S I S Oleh POSITRON BANGUN /MTM PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

2 UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH JARAK SEKAT PADA ALAT PENUKAR KALOR SELONGSONG DAN TABUNG DENGAN SUSUNAN TABUNG BELAH KETUPAT T E S I S Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik Oleh POSITRON BANGUN /MTM PROGRAM DOKTOR DAN MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

3 Judul Tesis Nama Mahasiswa Nomor Pokok Program Studi : UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH JARAK SEKAT PADA ALAT PENUKAR KALOR SELONGSONG DAN TABUNG DENGAN SUSUNAN TABUNG BELAH KETUPAT : POSITRON BANGUN : /MTM : MAGISTER TEKNIK MESIN Menyetujui Komisi Pembimbing (Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA) Ketua (Ir. Zamanhuri, MT) Anggota (Tulus B. Sitorus, ST, MT) Anggota Ketua Program Studi, Dekan, (Dr. Eng. Ir. Indra, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Tanggal lulus : 21 Pebruari 2011

4 Telah diuji pada Tanggal : 21 Pebruari 2011 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua Anggota : Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA : 1. Ir. Zamanhuri, MT 2. Tulus B. Sitorus, ST, MT 3. Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. 4. Ir. M. Syahril Gultom, MT

5 ABSTRAK Jarak sekat mempengaruhi turbulensi aliran pada sisi selongsong. Derajat aliran turbulen dapat meningkatkan perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh jarak sekat terhadap perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor jenis selongsong dan tabung dengan susunan tabung belah ketupat. Pengujian dilakukan dengan mengalirkan air sebagai fluida panas melalui tabung pada suhu 80 o C dengan laju aliran 0,21 kg/s dan udara sebagai fluida dingin melalui selongsong pada suhu 30 o C. Sekat yang dipergunakan adalah jenis segmen tunggal dengan pemotongan sekat (baffle cut) 24,6 %. Jarak sekat ditetapkan dalam enam variasi yaitu 32,00 mm, 38,10 mm, 47,06 mm, 53,32 mm, 61,54 mm, dan 72,72 mm dengan masing-masing jarak ditetapkan kecepatan udara yang mengalir 2,6 m/s, 3,1 m/s, 3,6 m/s, 4,1 m/s, 4,6 m/s, dan 5,1 m/s. Hasil pengukuran yang diperoleh, suhu air keluar dari tabung antara 76,6 s/d 78,0 o C, suhu udara keluar dari selongsong antara 59,7 s/d 68,6 o C, dan penurunan tekanan antara 11 s/d 55 mmh 2 O. Jarak sekat berpengaruh terhadap perpindahan kalor konveksi dan diperoleh laju perpindahan kalor maksimum pada jarak sekat 63,95 mm, sedangkan terhadap perpindahan kalor konveksi yang dinyatakan dalam bilangan Nusselts ternyata lebih besar pada jarak sekat 61,54 mm. Jarak sekat juga mempengaruhi penurunan tekanan dimana penurunan tekanan semakin besar bila jarak sekat semakin kecil dan mencapai harga maksimum pada jarak sekat 32 mm. Formulasi bilangan Nusselts untuk perpindahan kalor konveksi yang didapat adalah Nu = 0,083 (Re) 0,479, dan formulasi faktor gesek untuk penurunan tekanan yang didapat adalah f = 9,807 (Re) -0,089 (L B /D s ) 2,34. Dengan ini dinyatakan bahwa jarak sekat mempengaruhi perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan. Laju perpindahan kalor maksimum terjadi pada jarak sekat 63,95 mm. Penurunan tekanan semakin besar bila jarak sekat semakin kecil dan mencapai harga maksimum pada jarak sekat 32 mm. Kata kunci : Jarak sekat, perpindahan kalor konveksi, penurunan tekanan

6 ABSTRACT Baffle spacing influence the flow turbulence on the shell side. The Degree of turbulent flow can increase the convection heat transfer and pressure drop. In this study conducted to determine the effect of baffle spacing on pressure drop and convection heat transfer in shell and tube heat exchangers for staggered-square tube arrangement. This investigation is done by flowing water as the hot fluid through the tube and the air as the cold fluid through the shell. The temperature of the water and air entering the heat exchangers are 80 o C and 30 o C. The mass flow rate of water is 0.21 kg/s. The baffle that is used is a segmental baffles with the baffle cut is 24.6%. Baffle spacing is specified in the six variations of mm, mm, mm, mm, mm and mm with each of the distance that setting of air flow velocity are 2.6 m/s, 3.1 m/s, 3.6 m/s, 4.1 m/s, 4.6 m/s, and 5.1 m/s. The results obtained the temperature of the water leaving the heat exchangers at 76.6 to 78.0 o C, and the air at 59.7 to 68.6 o C. The pressure drop across the tube banks at 11 to 55 mmh 2 O. Baffle spacing effect on convection heat transfer and is obtained the rate of maximum heat transfer at a baffle spacing of mm, while on the convection heat transfer that is expressed with Nusselts numbers were higher at a baffle spacing of mm. Baffle spacing also affects the pressure drop where the greater the pressure drop when baffle spacing of the smaller and reach a maximum value at baffle spacing of 32 mm. Formulation of Nusselts numbers for convection heat transfer obtained is Nu = (Re) 0.479, and Formulation of friction factor for the pressure drop obtained is f = 9,807 (Re) (L B / D s) With this stated that the baffle spacing affects pressure drop and heat transfer of convection. The rate of maximum heat transfer occurred at baffle spacing mm. The greater the pressure drop when the smaller the baffle spacing and reach a maximum value at baffle spacing 32 mm. Keywords : Baffle spacing, convection heat transfer, pressure drop

7 KATA PENGANTAR Puji dan Syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang atas limpahan berkat dan rahmatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian tesis ini, untuk memenuhi sebahagian persyaratan yang harus dipenuhi guna memperoleh gelar Magister Teknik pada Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik. Penelitian tesis ini berjudul Uji Eksperimental Optimasi Perpindahan Kalor dan Penurunan Tekanan Pengaruh Jarak Sekat pada Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung dengan Susunan Tabung Belah Ketupat. Penelitian ini diajukan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA dan peneliti sangat bangga dan banyak berterima kasih atas kesediaan beliau menjadi pembimbing utama dan atas kepercayaan beliau kapada peneliti untuk melaksanakan penelitian ini. Walaupun beliau sangat sibuk dalam pekerjaan sehari-hari, beliau masih menyempatkan diri untuk membimbing peneliti dan mendorong terus menerus dalam menyelesaikan penelitian ini. Atas semua ini peneliti haturkan terima kasih yang tiada hingga. Pada kesempatan ini kepada Bapak Ir. Zamanhuri, M.T., peneliti menyampaikan rasa terima kasih atas kesediaan beliau menjadi komisi pembimbing dan dalam menyelesaikan tesis ini uluran tangan beliau setiap kali peneliti memerlukan bantuan selalu bersifat kekeluargaan. Dan kepada Bapak Tulus B. Sitorus, ST, MT atas kesediaan beliau menjadi komisis pembimbing, pada kesempatan ini peneliti sampaikan rasa terima kasih yang

8 setulus-tulusnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya atas jerih payah beliau membimbing peneliti untuk menyelesaikan tesis ini. Dalam melaksanakan penelitian ini, penulis telah berusaha semaksimal mungkin dan berkat bantuan semua pihak, maka penelitian ini dapat diselesaikan. Terima kasih peneliti sampaikan kepada Bapak Ir. Armein Arifin Siregar, selaku Direktur Politeknik Negeri Medan pada saat itu yang telah memberikan kesempatan kepada peneliti untuk melamar dan mengizinkan kuliah S2 di Program Pascasarjana USU. Kepada Bapak Ir. Zulkifli Lubis, M.I.Komp., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan saat ini, peneliti mengucapkan terima kasih atas perhatian dan dorongan beliau untuk menyelesaikan S2 ini. Pada kesempatan ini juga peneliti mengucapkan terima kasih yang tiada hingga kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, selaku mantan Ketua Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah menerima dan memberi kesempatan dan mengizinkan peneliti untuk mengikuti kuliah S2. Kepada Bapak Dr. Eng. Ir. Indra, MT. selaku Ketua Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU, pada kesempatan ini peneliti juga mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang telah memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis. Kepada Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, mantan Sekretaris Program Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik USU, pada kesempatan ini peneliti juga mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau memeriksa dan mengoreksi tesis penelitian ini.

9 Peneliti sangat berhutang budi dan berterima kasih kepada Husin Ibrahim, Abdi Hanra Sebayang, Munawar Alfansuri Siregar dan Idham Kamil. Mereka adalah sahabat-sahabat peneliti dalam suka dan duka, yang telah memberikan dorongan, bantuan lahir dan batin dalam pekerjaan sehari-hari demi suksesnya penelitian ini. Akhirnya, peneliti menyampaikan terima kasih yang tidak terhingga kepada isteri peneliti Anita Juniati, SE yang telah mendampingi hidup dan juga telah banyak membantu peneliti untuk menyelesaikan tesis ini dan kepada anak saya Gita Mega Putri Bangun, Ghea Novita Gabriella Bangun dan Gerhard Timotius Liasta Bangun yang ikut memberikan semangat hidup lahir dan batin. Untuk lebih menyempurnakan isi maupun tulisan hasil penelitian tesis ini, peneliti sangat mengharapkan kritik dan saran yang berguna dari semua pihak. Semoga Tuhan Yang Maha Esa yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang melimpahkan berkat dan karunianya kepada kita semua. Amin Medan, Pebruari 2011 Penulis Positron Bangun

10 RIWAYAT HIDUP Nama : Positron Bangun NIM : Tempat/Tgl. Lahir : Batukarang/9 Juni 1963 Alamat Pekerjaan : Komp. Abd. Hamid Nst. F34A K. Lalang Medan : Dosen Politeknik Negeri Medan Pendidikan : SD Negeri 2 Batukarang Kabupaten Karo (1975) SMP Negeri Batukarang Kabupaten Karo (1979) SMA Negeri Pancurbatu Deli Serdang (1982) Politeknik USU Medan (1985) S1 Teknik Mesin USU Medan (1997) Penataran/Pelatihan/Seminar yang pernah diikuti : 1. Metodologi Pengajaran, Pusat Pengembangan Pendidikan Politeknik, Bandung ( ) 2. Pelatihan Master Cam, Politeknik Negeri Medan, (2005)

11 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ABSTRACT KATA PENGANTAR RIWAYAT HIDUP DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR ISTILAH i ii iii vi vii ix x xii xiii 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian 4 2. TINJAUAN PUSTAKA Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung Landasan Teori Kerangka Konsep Penelitian METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Bahan dan Alat Rancangan Alat Penelitian Pelaksanaan Penelitian Variabel Penelitian 31

12 3.6. Analisa Data HASIL DAN PEMBAHASAN Data Penelitian Pengolahan Data Koefisien Perpindahan Kalor Formulasi Korelasi Bilangan Nusselts (Nu) terhadap Bilangan Reynolds (Re) dan Bilangan Prandtl (Pr) Efektivitas Alat Penukar Kalor Faktor Gesek Formulasi Korelasi Faktor Gesek (f) terhadap Re dan L B /D s KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 50 DAFTAR KEPUSTAKAAN 51 LAMPIRAN 54

13 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1 Speksifikasi APK selongsong dan tabung 28 Tabel 3.2 Speksifikasi Fluida 28 Tabel 3.3 Jarak sekat dan Laju aliran udara 29

14 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 APK Selongsong dan Tabung 6 Gambar 2.2 Bentuk Susunan Tabung 8 Gambar 2.3 Sekat segmental (segmental baffle) 8 Gambar 2.4 Bentuk aliran dalam sisi selongsong 9 Gambar 2.5 Diagram Temperatur 15 Gambar 2.6 Susunan Tabung Belah Ketupat 18 Gambar 2.7 Kerangka Konsep Penelitian 24 Gambar 2.8 Diagram alir penelitan 25 Gambar 3.1 Skema Setup alat uji penelitian 29 Gambar 4.1 Grafik koefisien konveksi (h u ) terhadap jarak sekat 33 Gambar 4.2 Grafik bilangan Nusselts (Nu u ) terhadap jarak sekat 34 Gambar 4.3 Grafik bilangan Reynolds (Re) terhadap jarak sekat 35 Gambar 4.4 Grafik bilangan Nusselts (Nu u ) terhadap Reynolds (Re) 35 Gambar 4.5 Grafik laju perpindahan kalor terhadap jarak sekat 36 Gambar 4.6 Grafik regresi laju perpindahan kalor terhadap jarak sekat 37 Gambar 4.7 Grafik Nu (susunan tabung bujur sangkar dan segitiga) 40 Gambar 4.8 Grafik bilangan Nu (susunan tabung belah ketupat) 41 Gambar 4.9 Grafik Efektivitas terhadap jarak sekat 42 Gambar 4.10 Grafik Penurunan Takanan terhadap jarak sekat 43 Gambar 4.11 Grafik Faktor Gesek terhadap jarak sekat 43 Gambar 4.12 Grafik Faktor Gesek terhadap bilangan Reynolds 44

15 Gambar 4.13 Grafik karakteristik penurunan tekanan terhadap jarak sekat 45 Gambar 4.14 Grafik faktor gesek susunan tabung bujur sangkar dan segitiga 48 Gambar 4.15 Grafik faktor gesek susunan tabung belah ketupat 48

16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Data Hasil Penelitian 54 Lampiran 2 Proses perhitungan dan tahapannya 55 Lampiran 3 Hasil Perhitungan bilangan Nusselts (Nu) 66 Lampiran 4 Hasil Perhitungan Faktor Gesek (f) dan Efektivitas 68 Lampiran 5 Perhitungan korelasi bilangan Nusselts (Nu) 70 Lampiran 6 Perhitungan korelasi faktor gesek (f) 78 Lampiran 7 Bagian hasil perhitungan susunan tabung bujur sangkar, segitiga, dan belah ketupat 82 Lampiran 8 Massa molar, konstanta gas dan panas jenis gas ideal beberapa zat 83 Lampiran 9 Sifat-sifat logam padat 84 Lampiran 10 Sifat-sifat air pada cair jenuh 85 Lampiran 11 Sifat-sifat udara pada 1 atm 86 Lampiran 12 Dokumentasi Penelitian 87 Lampiran 13 Kode Program 89

17 DAFTAR ISTILAH A f Luas aliran udara melintas bundel tabung (m 2 ) A i Luas dinding dalam tabung (m 2 ) A o Luas dinding luar tabung (m 2 ) A s Luas perpindahan kalor (m 2 ) B C Potongan Sekat (baffle cut), % C 1 C a C min c p,a c p,u C u D e D i D m D o Celah antar tabung (m) Kapasitas panas fluida panas (air) (W/K) Kapasitas panas fluida minimum (W/K) Panas jenis air (J/kg.K) Panas jenis udara (J/kg.K) Kapasitas panas fluida dingin (udara) (W/K) Diameter ekivalen (m) Diameter dalam Tabung (m) Diameter saluran masuk/keluar selongsong (m) Diameter luar Tabung (m) D OTL Diameter bundel tabung (m) D s f Diameter dalam Selongsong (m) Faktor gesek g Percepatan gravitasi (m/s 2 ) h h a Beda tinggi fluida dalam manometer U (m) koefisien perpindahan panas konveksi air (W/m 2.K)

18 h u k a k u k w L B L s Koefisien perpindahan panas konveksi udara (W/m 2.K) Konduktifitas panas air (W/m.K) Konduktifitas panas udara (W/m.K) Konduktifitas panas tabung (W/m.K) Jarak sekat (m) Panjang Selongsong (m) m& a Laju aliran air (kg/s) m& u N B N T Nu u p atm p k p m p r Pr u P T p Q & a Q & u Laju aliran massa udara (kg/s) Jumlah sekat Jumlah Tabung Bilangan Nusselts udara Tekanan udara atmosfir (kpa) Tekanan udara keluar selongsong (kpa) Tekanan udara masuk selongsong (kpa) Tekanan udara rata-rata dalam selongsong (kpa) Bilangan Prandtl udara Jarak antar Tabung (m) Penurunan tekanan pada selongsong (Pa) Kalor yang dilepaskan oleh air (W) Kalor yang diterima oleh udara (W) Q & maks Laju perpindahan kalor maksimum yang mungkin (W) R Konstanta gas udara (kj/kg.k)

19 Re a Re u R t Bilangan Reynolds air Bilangan Reynolds udara Tahanan perpindahan kalor total (K/W) T ak Suhu air keluar ( o C) T am Suhu air masuk ( o C) t b Tebal Sekat (m) T ma Suhu air rata-rata ( o C) T mu Suhu udara rata-rata ( o C) T s Suhu tabung rata-rata ( o C) T si Suhu dinding dalam tabung ( o C) T so Suhu dinding luar tabung ( o C) T uk Suhu udara keluar ( o C) T um Suhu udara masuk ( o C) T ur Temperatur udara rata-rata dalam selongsong ( o C) Δ T lm Beda suhu rata-rata logaritmik (K) U U i U o v a v maks v u Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2.K) Koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan A i (W/m 2.K) Koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan A o (W/m 2.K) Kecepatan air dalam tabung (m/s) Kecepatan maksimum aliran udara (m/s) Laju aliran udara (m/s) ε Efektivitas alat penukar kalor (%)

20 μ a μ u Viskositas dinamik air (kg/m.s) Viskositas dinamik udara (kg/m.s) ρ a Massa jenis air (kg/m 3 ) ρ u Massa jenis udara dalam selongsong (kg/m 3 ) ρ k Massa jenis udara pada sisi keluar selongsong (kg/m 3 ) Subskript a u i o air udara dalam luar