RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT SKRIPSI

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : HENDRICO ( ) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2015

2

3 ii

4

5

6

7

8

9

10 ABSTRAK Perancangan ini bertujuan untuk merancang alat penukar kalor tabung sepusat yang digunakan untuk penelitian. Metode yang digunakan dalam perancangan menggunakan beberapa asumsi untuk menghitung panjang pipa tabung sepusat, menggunakan metode LMTD sebagai dasar perhitungan dengan mengasumsikan termperatur fluida panas yang masuk, temperatur fluida panas keluar, temperatur fludia dingin yang masuk dan temperatur fluida dingin yang keluar dan diameter tabung bagian dalam. Dari perhitungan diperoleh panjang pipa tabung sepusat bagian dalam adalah 1,027 meter, tetapi pada perancangan digunakan panjang tabung adalah 1,027 meter. Bahan yang digunakan pada perancangan alat penukar kalor adalah pada tangki merupakan besi plat dengan bahan besi galvanis,pipa penghubung dengan bahan pipa galvanis dan pipa alat penukar kalor dengan bahan aluminium. Untuk ukuran tangki fluida digunakan 300mm x 300mm x 300mm.Alat penukar kalor juga diisolasi menggunakan glasswool dan dibalut dengan aluminium foil untuk mencegah kehilangan panas pada saat percobaan. Alat yang digunakan untuk memanaskan fluida adalah water heater dengan daya 1000 watt dan alat pengatur temperatur pada alat penukar kalor adalah thermostat. Kata kunci perancangan, alat penuka kalor tabung sepusat, metode LMTD, water heater,isolasi. i

11 ABSTRAK This design aims to design a concentric tube heat exchanger is used for research. The method used in the design using several assumptions to calculate the length of the pipe tube concentric, using LMTD as the basis for the calculation by assuming termperature hot fluid incoming fluid temperature hot going out, the temperature cold fluid inlet and fluid temperature cold out and the diameter of the inner tube, From the calculations, the length of the inner concentric tube pipe is 1,027 meters, but the length of the tube design used is 1meters. Materials used in the design of a heat exchanger in the tank is a steel plate with galvanized iron materials, pipes connecting with galvanized pipe material and pipe heat exchanger with aluminum. To size of the fluid tank used 300mm x 300mm x 300mm and also the heat exchanger isolated using glasswool and wrapped with aluminum foil to prevent heat loss during the experiment. The tools used to heat the fluid is water heater with 1000 watts power and temperature control devices for heater is the thermostat. Keywords design, concentric tube heat exchanger, methods LMTD, water heater, insulation. ii

12 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. Skripsi ini berjudul Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat. 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 Ratna yang melahirkan penulis kedunia 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 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. Saudara - saudara penulis, Juita, Suryani, dan Suwandi atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis 6. Hady Gunawan, Bincent Wijaya, David Oktavianus, dan Wilson Tang selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada. 7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa. 8. Daniel C Aritonang atas bantuan dan dukungan selama kuliah dan pengerjaan skripsi. iii

13 9. Lily Jungto,Vicky,Nita danvicni 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 Hendrico NIM iv

14 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN Latarbelakang Masalah Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Perancangan... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Teori Dasar Alat Penukar Kalor Jenis Alat Penukar Kalor Klasifikasi Alat Penukar Kalor Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor Concentric Tube Heat Exchanger ( Double Pipe ) Shell And Tube Heat Exchanger Plate Type Heat Exchanger Jenis-Jenis Perpindahan Panas Konduksi Konveksi Radiasi Internal Flow (Aliran Dalam) Aliran Di Dalam Pipa Aliran Di Dalam Annulus Pipa Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Analisis Alat Penukar Kalor dengan Menggunakan LMTD v

15 2.8.1 Aliran Pararel (sejajar) Aliran Berlawanan Katup Gate Valve Globe Valve Ball Valve ButterflyValve Check Valve Safety Valve Pompa BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Pembuatan Tempat Pembuatan Waktu Pembuatan Membuat Desian Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Mengambar Desain Dengan Autocad Penyiapan Alat dan Bahan Penyiapan Alat Penyiapan Bahan Skema Uji Penelitian Diagram Alir BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN Perancangan Dimensi Perancangan Dimensi Pipa Alat Penukar Kalor Perancangan Dimensi Tangki Fluida Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor Perancangan Katup Perancangan Dimensi Besi Penyangga Perancangan Daya Pompa vi

16 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xi vii

17 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Chiller... 4 Gambar 2.2 Kondensor... 4 Gambar 2.3 Cooler... 5 Gambar 2.4 Evaporator... 5 Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler... 6 Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger... 6 Gambar 2.7 (Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)... 9 Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger... 9 Gambar 2.9 Double Pipe Heat Exchanger Aliran Cocurrent dan Counter Current Gambar 2.10 Double Pipe heat exchanger 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 excchanger Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent Gambar 2.15 Perpindahan Panas Secara Konduksi Gambar 2.16 Pendinginan Sebuah Balok yang Panas dengan Konveksi Paksa Gambar 2.17 Blackbody disebut sebagai Pemancar dengan arah yang bebas..16 Gambar 2.18 Alat Penukar Kalor Pipa Ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat Gambar 2.20 Kesetimbang energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada alat penukar kalor Gambar 2.21 Distribusi Temperatur Aliran Sejajar Gambar 2.22 Distribusi Temperatur Aliran Berlawanan Gambar 2.23 Gate Valve Gambar 2.24 Rising Stem Gate Valve Gambar 2.25 Non Rising Stem Gate Valve viii

18 Gambar 2.26 Glove Valve Gambar 2.27 Angle Globe,Y-Body,Z-body Glove valve Gambar 2.28 Ball valve Gambar 2.29 Full bore ball valve Gambar 2.30 Reduce bore ball valve Gambar 2.31 Butterfly Valve Gambar 2.32 Swing Check Valve Gambar 2.33 Lift Check Valve Gambar 2.34 Swing Type Wafer Check valve Gambar 2.35 Split Disk Check Valve Gambar 2.36 Split Disc Check Valve Gambar 2.37 Safety Valve PSV Gambar 3.1 Gunting Gambar 3.2 Glasswool Gambar 3.3 Aluminium Foil Gambar 3.4 Water Heater Gambar 3.5 Thermostat Gambar 3.6 Laptop Toshiba Gambar 3.7 Agilent Gambar 3.8 Plat Besi Gambar 3.9 Besi Segi Empat Gambar 3.10 Pipa Aluminium Gambar 3.11 Flow Meter Gambar 3.12 Stop Keran Gambar 3.13 Pompa AR Gambar 3.14 Pompa AR Gambar 3.15 Pipa besi Gambar 3.16 Pipa Fitiing bes Gambar 3.17 Skema Uji Alat Penukar Kalor Gambar Diagaram Alir Pembuatan Alat Penukar Kalor Gambar 4.1 Pipa Pada Alat Penukar Kalor Gambar 4.2 Plat Besi ix

19 Gambar 4. 3 Kotak Tangki Fluida Gambar 4.4 Besi Hollow Segi Empat Gambar 4.5 Stop Kran Sankyo Gambar 4.6 Plat Penyangga Gambar 4.7 Letak Besi Penyagga Gambar 4.8(a) Pompa Armada AR Gambar 4.8(b) Pompa Armada AR x

20 DAFTAR TABEL Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik Tabel 2.2 Double Pipe Exchanger Fittings Tabel 2.3 Double-Pipe Heat Exchanger in Series Tabel 4.1 Dimensi Besi Hollow Segi Empat Tabel 4.2 Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor Tabel 4.3 Konduktivitas Material Tabel 4.4 Parameter Dalam Perhitungan 36 Tabel 4.5 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb Tabel 4.6 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb 2,,39 Tabel 4.7 Kekuatan Material,...41 Tabel 4.8 Jenis Pompa..,...44 xi

21 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 Temperatur Permukaan Benda Temperatur lingkungan sekitar benda σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2.K 4 m 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 A o Luas area permukaan luar APK m 2 o C o C o C xii

22 U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m 2 C Q Laju Perpindahan Panas W m c Laju aliran massa fluida dingin kg/s m 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 xiii