ANALISIS EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR SHELL & TUBE DENGAN MEDIUM AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS DAN METHANOL SEBAGAI FLUIDA DINGIN SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : KEVIN BASRI CIWIRA (110401070) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016
i ABSTRAK Pada zaman sekarang ini, alat penukar kalor sangat banyak dijumpai dalam kehidupan manusia. Alat penukar kalor merupakan suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Salah satu alat penukar kalor yang paling banyak dipakai adalah alat penukar kalor shell and tube. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor shell and tube. Dari penelitian ini diperoleh efektivitas APK dengan perhitungan metode NTU dan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 97.396 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (T h,i ) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (T c,i ) 28ºC. Untuk perolehan data di lapangan diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 45.3965 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (T h,i ) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (T c,i ) 28ºC. Kata Kunci : Alat Penukar Kalor, Efektivitas, Fluida Panas dan Fluida Dingin
ii ABSTRACT Nowadays, heat exchangers are often found in people's daily life. Heat exchanger is a device used for transferring heat from one fluid to another fluid. One of the most highly used heat exchangers is shell and tube heat exchangers. The purpose of this study is to understand better about the effectiveness of the shell and tube heat exchanger. The result of this research is acquired by using NTU method and calculating effectiveness from site. By using NTU method, the maximum effectiveness is obtained 97.396 % on hot fluid inlet (T h,i ) 40ºC at 510 l/h flow rate and cold fluid inlet (T c,i ) 28ºC at 108 l/h flow rate. By calculating effectiveness from site, the maximum effectiveness is obtained 45.3965 % on hot fluid inlet (T h,i ) 40ºC at 510 l/h flow rate and cold fluid inlet (T c,i ) 28ºC at 108 l/h flow rate. Keywords : Heat Exchanger, Effectiveness, Hot Fluid and Cold Fluid
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. Skripsi ini berjudul Analisis Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell & tube dengan Medium Air sebagai Fluida Panas dan Methanol sebagai Fluida Dingin. 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, 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 Tulus B. Sitorus S.T M.T selaku dosen yang ikut membimbing dalam proses pelaksanaan tugas 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. Rudianto dan Felix Wijaya, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan. 7. Adik dan kakak penulis yang terkasih, atas semangat dan doa yang diberikan.
iv 8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang. Akhir kata penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, 21 April 2016 Penulis, KEVIN BASRI CIWIRA NIM. 110401070
v DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... iix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 2 1.3 Batasan Masalah Penelitian... 2 1.4 Manfaat Penelitian... 2 1.5 Metodologi Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Definisi Kalor... 5 2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor... 5 2.3 Jenis Alat Penukar Kalor... 6 2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 10 2.4.1 Konduksi... 19 2.4.2 Konveksi... 21 2.4.3 Radiasi... 22 2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh... 23 2.6 Faktor Kotoran ( Fouling Factor )... 25 2.7 Metode LMTD... 26
vi 2.7.1 Metode LMTD Pada Aliran Paralel (Sejajar)... 26 2.7.2 Metode LMTD untuk Aliran Berlawanan... 28 2.8 Metode NTU... 32 2.9 Metanol... 37 2.10 Persamaan yang Digunakan dalam Perhitungan... 38 BAB III METODE PENELITIAN... 40 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 40 3.1.1 Tempat Penelitian... 40 3.1.2 Waktu Penelitian... 40 3.2 Metode Penelitian... 40 3.3 Populasi dan Sampel... 40 3.3.1 Populasi Penelitian... 41 3.3.2 Sampel Penelitian... 41 3.3.3 Teknik Sampling... 41 3.4 Teknik Pengumpulan Data... 42 3.5 Instrumen Penelitian... 43 3.5.1 Bahan Penelitian... 43 3.5.2 Alat Penelitian... 43 3.5.3 Skema Uji Penelitian... 47 3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian... 48 3.5.5 Proses Percobaan... 50 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 51 4.1 Perhitungan Teoritis... 51 4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian... 59 4.3 Perbandingan Hasil Eksperimen APK Shell and Tube dan APK Tabung Sepusat... 64 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 68 5.1 Kesimpulan... 68 5.2 Saran... 68 DAFTAR PUSTAKA... xii
vii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Chiller... 7 Gambar 2.2 Kondensor... 7 Gambar 2.3 Cooler... 8 Gambar 2.4 Evaporator... 8 Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler... 9 Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger... 9 Gambar 2.7 Heater... 10 Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger... 13 Gambar 2.9 Hairpin heat exchanger... 13 Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current... 15 Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series... 15 Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series parallel... 16 Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung... 17 Gambar 2.14 Shell and tube heat exchanger... 17 Gambar 2.15Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent... 18 Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer... 19 Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi... 20 Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa. 21 Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas.. 22 Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat... 23 Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis... 24 Gambar 2.22 Distribusi suhu APK aliran berlawanan... 29 Gambar 2.23 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar... 36 Gambar 2.24 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan... 37 Gambar 3.1 Alat penukar kalor Shell and Tube... 44
viii Gambar 3.2 Termometer... 45 Gambar 3.3 Flowmeter... 45 Gambar 3.4 Alat pengatur suhu fluida panas... 46 Gambar 3.5 Pompa fluida panas... 46 Gambar 3.6 Water Heater... 47 Gambar 3.7 Tabung Shell and Tube... 47 Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian... 48 Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian... 49 Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell and tube... 51 Gambar 4.2 Grafik efektivitas perhitungan teori (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 40 C)... 58 Gambar 4.3 Grafik efektivitas perhitungan teori (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 50 C)... 58 Gambar 4.4 Grafik efektivitas perhitungan teori (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 60 C)... 59 Gambar 4.5 Grafik efektivitas percobaan (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 40 C)... 61 Gambar 4.6 Grafik efektivitas percobaan (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 50 C)... 61 Gambar 4.7 Grafik efektivitas percobaan (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 60 C)... 62
ix DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings... 14 Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida... 25 Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c... 36 Tabel 3.1 Variasi Sampel Penelitian... 41 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan berdasarkan Metode Iterasi 57 Tabel 4.2 Data Hasil Percobaan... 59 Tabel 4.3 Perbandingan Data Teori dan Data Percobaan... 63 Tabel 4.4 Data Hasil Percobaan Tabung Sepusat 1 (kapasitas fluida dingin 240 L/j)... 64 Tabel 4.5 Data Hasil Percobaan Tabung Sepusat 2 (kapasitas fluida dingin 360 L/j)... 65 Tabel 4.6 Data Hasil Percobaan Tabung Sepusat 1 (kapasitas fluida dingin 180 L/j)... 66
x DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN A luas penampang tegak lurus bidang m 2 A i Luas area permukaan dalam APK m 2 A o Luas area permukaan luar APK m 2 A s Area permukaan perpindahan panas m 2 C c Kapasitas Fluida Dingin W/K C h Kapasitas Fluida Panas W/K c p,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K c p,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K c p Panas Jenis Fluida J/kg.K Diameter Pipa m D h Diameter hidrolik m D o Diameter Luar Tabung m D i Diameter Dalam Tabung m ε Emisifitas σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2.K 4 h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m 2 K k Konduktifitas thermal W/m.K L Panjang tabung m ṁ Laju aliran massa fluida kg/s ṁ c Laju aliran massa fluida dingin kg/s ṁ h Laju aliran massa fluida panas kg/s Nu Bilangan Nusselt Nu i Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Nu o Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar p Keliling penempang pipa m Pr Bilangan Prandtl q x Fluks Panas W/m 2
xi Q Laju Perpindahan Panas W Tahanan Termal m 2. C/W Re Bilangan Reynold ΔT Perbedaan Temperatur 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 T s T Temperatur Permukaan Benda Temperatur lingkungan sekitar benda U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m 2 C V Kecepatan Fluida m/s μ Viskositas Dinamis N.s/m 2 ρ Massa Jenis kg/m 3 o C o C o C