ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN BERLAWANAN PADA FLUIDA PANAS (AIR) DAN FLUIDA DINGIN (METANOL)

Transkripsi

1 ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN BERLAWANAN PADA FLUIDA PANAS (AIR) DAN FLUIDA DINGIN (METANOL) SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : David Oktavianus NIM : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2015

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14 ABSTRAK Pemanfaatan alat penukar kalor sekarang ini semakin luas dan dapat dilihat sebagai cara untuk meningkatkan efektifitas dan kualitas produk dengan cara memanfaatkan panas. Alat penukar kalor tabung sepusat merupakan salah satu jenis alat penukar kalor (APK) yang dimanfaatkan untuk memanaskan metanol sebagai salah satu bahan baku dalam industri pembuatan formaldehid yang nantinya akan diolah lagi menjadi berbagai macam produk seperti plastik, cat, peledak dan tekstil. Pemanfaatan alat penukar kalor tabung sepusat ini mendorong untuk dilakukannya berbagai perancangan dan penelitian alat penukar kalor yang lebih efektif. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efektifitas tertinggi dan faktor yang mempengaruhi efektifitas alat penukar kalor tabung sepusat. Penelitian yang telah dilakukan dari hasil perancangan alat penukar kalor tabung sepusat dengan menggunakan variasi kapasitas fluida panas (air) yaitu 180 L/jam, 240 L/jam, 300 L/ jam dan 360 L/jam pada temperatur masuk fluida panas 40 C, 45 C, 50 C dan 55 C dengan kapasitas aliran fluida dingin (metanol) yaitu 180 L/jam, 240 L/jam dan 360 L/jam. Efektifitas tertinggi alat penukar kalor tabung sepusat untuk aliran berlawanan dari hasil perancangan yang dilakukan diperoleh 20,787 % dengan ketidakpastian pengukuran flowmeter sebesar ±2,99%.. Kata kunci : Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat, Efektifitas, Metanol, Aliran Berlawanan. i

15 ABSTRACT Today, the utilization of heat exchanger increasing widespread and it can be see as a way to increase the effectiveness and product quality with using thermal. Concentric tube heat exchanger is one of type heat exchanger that can be used to heat methanol as a substance in industry formaldehyde to produce formaldehyde and processing into any product like plastic, water paint, detonator and textiles. These utilization of concentric tube heat exchanger push many researcher to make a design and research about heat exchanger that more effectiveness. The aim of this research is to know the highest effectiveness and the factor that can affect in effectiveness of concentric tube heat exchanger. The research that have be done from the result of designed concentric tube heat exchanger with using variation of capacity hot fluid (water) is 180 L/hour, 240 L/hour, 300 L/hour and 360 L/hour with the inlet temperature hot fluid is 40 C, 45 C, 50 C and 55 C and the capacity of cold fluid (methanol) are 180 L/hour, 240 L/hour and 360 L/hour. The highest effectiveness with counter flow from the result of designed concentric tube heat exchanger is 20,787 % with the the doubtly measurement from flowmeter is about ±2,99%.. Kata kunci : Concentric Tube, Heat Exchanger, Effectiveness, Methanol, Counter flow

16 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 Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Aliran Berlawanan Dengan Variasi Temperatur, Kapasitas Aliran Pada Fluida Panas (Air) dan Fluida Dingin (Metanol). Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ibunda Tiurlan Yuniwati yang melahirkan penulis ke dunia ini serta tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, keringat, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A. selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc dan Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku dosen penguji dan pembanding yang turut serta membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 6. Saudara - saudara penulis, Albertus Freddyanto, Antonius, Andreas dan Lindawati atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis iii

17 7. Hady Gunawan selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada. 8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa. 9. Daniel C Aritonang atas bantuan dan dukungan selama kuliah dan pengerjaan skripsi. 10. Christina Turnip atas dukungan, doa, dan semangat yang telah diberikan. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang. Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, Juni 2015 Penulis David Oktavianus NIM

18 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN Latarbelakang 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 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) Shell And Tube Heat Exchanger Plate Type Heat Exchanger Jacketed Vessel with coil and Stirrer Jenis-Jenis Perpindahan Panas Konduksi Konveksi Radiasi Internal Flow (Aliran Dalam) Aliran Di Dalam Pipa Aliran Di Dalam Annulus Pipa v

19 2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Faktor Kotoran Metanol Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean Temperature Difference (LMTD) Aliran Paralel (Sejajar) Aliran Berlawanan Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Metode keefektifan-ntu Program Ansys Persamaan-persamaan konservasi Visual Basic Persamaan yang digunakan dalam perhitungan BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Tempat Penelitan Waktu Penelitian Metode Penelitian Populasi dan Sampel Populasi Penelitian Sampel Penelitian Teknik Sampling Teknik Pengumpulan Data Instrumen Penelitian Bahan Penelitian Alat Peneitian Skema Uji Penelitian Diagram Alir Penelitian Proses Percobaan Instrumen Simulasi Bahan Simulasi... 70

20 3.6.2 Alat Simulasi Diagram alir perhitungan efektifitas menggunakan visual basic Diagram alir simulasi BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN Perhitungan Teoritis Perhitungan Data Hasil Pengujian Perhitungan Dengan Simulasi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xv LAMPIRAN... xvi vii

21 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Chiller Gambar 2.2 Kondensor Gambar 2.3 Cooler Gambar 2.4 Evaporator Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler... 8 Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger... 8 Gambar 2.7 Aliran double pipe heat exchanger Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current Gambar 2.10 Double-pipe heat exchangers in series Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series parallel Gambar 2.12 Bentuk susunan tabung Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent Gambar 2.15 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer Gambar 2.16 Perpindahan Panas secara Konduksi Gambar 2.17 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa Gambar 2.18 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas Gambar 2.19 Alat penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis D i D o dan A i A o Gambar 2.22 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor Gambar 2.23 Distribusi temperatur aliran sejajar... 32

22 Gambar 2.24 Distribusi temperatur aliran berlawanan Gambar 2.25 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar Gambar 2.26 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan Gambar 2.27 Gambaran umum proses CFD Gambar 2.28 Persamaan Konversi Momentum Gambar 2.29 Penerapan Boundary Condition Gambar 2.30 Flowchart simulasi CFD Gambar 3.1 Methanol Gambar 3.2 Alat penukar kalor tabung sepusat Gambar 3.3 Agilent Gambar 3.4 Flowmeter Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas Gambar 3.6 Pompa fluida panas Gambar 3.7 Tabung sepusat Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian Gambar 3.10 Laptop Gambar 3.11 Diagram Alir menggunakan Visual Basic Gambar 3.12 Program perhitungan efektifitas dengan Visual Basic Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat Gambar 4.2 Distribusi suhu pada alat penukar kalor Gambar 4.3 Membuka Ansys dan memilih project schematic Gambar 4.4 Mengatur geometry Gambar 4.5 Membuat create named selection Gambar 4.6 Mengatur mesh Gambar 4.7 Mengecek quality mesh dan size Gambar 4.8 Mengatur energy pada posisi on Gambar 4.9 Mengatur viscous Gambar 4.10 Mengatur heat exchanger Gambar 4.11 Mengatur material yang digunakan Gambar 4.12 Mengatur cell zone condition ix

23 Gambar 4.13 Mengatur boundary condition Gambar 4.14 Mengatur solution method Gambar 4.15 Mengatur solution initialization Gambar 4.16 Melakukan run calculation Gambar 4.17 Melihat hasil pada report Gambar 4.18 Melihat distribusi temperatur awal masuk fluida Gambar 4.19 Melihat distribusi temperatur sepanjang pipa Gambar 4.20 Melihat distribusi temperatur keluaran fluida Gambar 4.21 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 C dan 34 C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam Gambar 4.22 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 C dan 35 C kapasitas fluida dingin 180 l/jam Gambar 4.23 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 C dan 35 C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam 95 Gambar 4.24 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 C dan 34 C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam 96 Gambar 4.25 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 C dan 34 C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam...96 Gambar 4.26 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 C dan 34 C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam...97 Gambar 4.27 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 C dan 36 C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam...97 Gambar 4.28 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 C dan 32 C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam...98

24 Gambar 4.29 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 C dan 35 C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam...98 Gambar 4.30 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 C dan 34 C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam...99 Gambar 4.31 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 C dan 37 C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam...99 Gambar 4.32 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 C dan 35 C dengan kapasitas fluida dingin 360l/jam xi

25 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik Tabel 2.3 Faktor kotoran untuk berbagai fluida Tabel 2.4 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan I Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Peneletiain keadaan III Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) 87 Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan menggunakan Ansys Fluent 112 Tabel 4.4 Efektifitas APK dengan metode NTU, perhitungan di lapangan, dan dengan Ansys Fluent...114

26 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN k Konduktifitas thermal W/m.K A luas penampang tegak lurus bidang m 2 ΔT Perbedaan Temperatur q x Fluks Panas W/m 2 μ Viskositas Dinamis N.s/m 2 ρ Massa Jenis kg/m 3 c p Panas Jenis Fluida J/kg.K V Kecepatan Fluida m/s h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m 2 K A s Area permukaan perpindahan panas m 2 T s T ε Temperatur Permukaan Benda Temperatur lingkungan sekitar benda Efektifitas σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2.K 4 ṁ Laju aliran massa fluida kg/s Re Bilangan Reynold D Diameter Pipa m D h Diameter hidrolik m p Keliling penempang pipa m Nu Bilangan Nusselt Pr Bilangan Prandtl D o Diameter Luar Tabung m D i Diameter Dalam Tabung m Nu i Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Nu o Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar L Panjang tabung m R Tahanan Termal m 2. C/W A i Luas area permukaan dalam APK m 2 o C o C o C xiii

27 A o Luas area permukaan luar APK m 2 U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m 2 C Q Laju Perpindahan Panas W ṁ c Laju aliran massa fluida dingin kg/s ṁ h Laju aliran massa fluida panas kg/s c p,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K c p,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K T h Suhu fluida panas C T c Suhu fluida dingin C T h,i Temperatur fluida panas masuk C T h,o Temperatur fluida panas keluar C T c,i Temperatur fluida dingin masuk C T c,o Temperatur fluida dingin keluar C ΔT RL Beda Suhu rata-rata logaritma C C c Kapasitas Fluida Dingin W/K C h Kapasitas Fluida Panas W/K