SKRIPSI ALAT PENUKAR KALOR

SKRIPSI ALAT PENUKAR KALOR PERANCANGAN HEAT EXCHANGER TYPE SHELL AND TUBE UNTUK AFTERCOOLER KOMPRESSOR DENGAN KAPASITAS 8000 m 3 /hr PADA TEKANAN 26,5 BAR OLEH : FRANKY S SIREGAR NIM : 080421005 PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan kasih-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana ini merupakan syarat dalam memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin. Tugas sarjana ini diambil dari bidang mata kuliah Alat Penukar Kalor dengan judul PERANCANGAN HEAT EXCHANGER TYPE SHELL AND TUBE UNTUK AFTER COOLER KOMPRESSOR DENGAN KAPASITAS 8000 m 3 /hr PADA TEKANAN 26,5 BAR Dalam penyelesaian tugas sarjana ini, penulis mendapat banyak bimbingan dan dukungan dari dosen pembimbing bapak Ir. Tekad Sitepu dan teman teman di Departemen Teknik Mesin Ekstensi, baik berupa saran dan nasehat serta ilmu pengetahuan. Dalam kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Kedua orang tua tercinta Ayahanda R. Siregar dan Ibunda M. br. Hutabarat yang telah berjuang untuk membimbing dan memberi dorongan moril serta buat semua doa-doanya selama ini kepada penulis. 2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, sebagai dosen pembimbing yang telah meluangkan banyak waktu serta menyumbangkan ilmu dan nasehat kepada penulis sepanjang pengerjaan tugas sarjana ini hingga selesai.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin Falkutas Teknik. 4. Bapak/Ibu dosen di Departemen Teknik Mesin Falkutas Teknik yang telah mendidik penulis selama kuliah. 5. Bapak/Ibu staff pegawai yang banayk membantu penulis selama kuliah di Departemen Teknik Mesin Falkutas Teknik. 6. Adik adik penulis; Firman Alexander Siregar SST, Ns. Friska Triani Siregar S.Kep, dan Andro Nikusnuari Siregar yang telah mendukung penulis. 7. Rekan rekan mahasiswa di teknik mesin: Jhoni M, Roni, Irwanto LG, kang Naim dan semua teman teman ekstensi St 08 dan St 07 yang telah banyak mendukung dan membantu penulis selama perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini. Penulis menyadari tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca dalam penyempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata penulis berharap semoga tugas sarjana ini dapat berguna bagi pembaca. Terima kasih. Medan, April 2011 Penulis, Franky S. Siregar NIM: 08 0421 005

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR NOTASI... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan... 2 1.3. Batasan Masalah... 3 1.4. Metodologi Penulisan... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Heat Exchanger... 5 2.1.1. Klasifikasi Heat Exchanger... 5 2.1.2. Heat Exchanger Tipe Shell and Tube... 9 2.1.3. Kebaikkan Heat Exchanger Tipe Shell and Tube... 12 2.1.4. Bagian-bagian Heat Exchanger tipe Shell and Tube... 13 2.2. Proses Perancangan... 19 2.3. Perpindahan Panas pada Heat Exchanger tipe Shell and Tube... 20 2.3.1. Laju Perpindahan Panas... 21

1. Psikometrik... 22 2.3.2. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)... 24 1. Heat Exchanger Aliran Berlawanan Murni... 24 2. Heat Exchanger Aliran Searah Murni... 25 3. Heat Exchanger dengan Aliran Tube Dua Laluan... 26 2.3.3. Koefisien Perpindahan Panas Total... 28 1. Aliran Internal... 28 2. Aliran Eksternal... 32 2.1. Metode Bell-Delaware... 32 2.2. Metode Wills and Johnston... 40 BAB III ANALISIS KESETIMBANGAN ENERGI (THERMODINAMIKA) 3.1. Data-data Kondisi Operasi... 48 3.2. Analisi Kesetimbangan Energi... 50 3.2.1. Analisis pada sisi Tube... 50 1. Perhitungan Laju Perpindahan Panas... 50 BAB IV PERANCANGAN HEAT EXCHANGER TIPE SHELL And TUBE 4.1. Tahap Perancangan... 54 4.2. Perhitungan LMTD dan Koefisien Perpindahan Panas... 56 4.2.1. Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD)... 56 4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas Total yang Dibutuhkan... 61 4.3. Analisis Pada Sisi Shell... 61

4.3.1. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan untuk alairan di dalam Shell (External Flow)... 61 4.4. Metode Delaware... 63 4.4.1. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas untuk aliran di dalam Shell... 63 4.4.2. Perhitungan Penurunan Tekanan... 66 4.5. Metode Wills and Johnstone... 69 4.5.1. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan untuk Aliran di dalam Shell... 69 4.5.2. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Total... 72 4.6. Tabel Perhitungan Panas dan Penurunan Tekanan... 75 BAB V DETAIL DESAIN HEAT EXCHANGER TIPE SHELL And TUBE BERDASARKAN PADA STANDAR TEMA 5.1. Tipe Heat Exchanger... 76 5.2. Komponen-komponen Perancangan Heat Exchanger... 77 5.3. Data-data Kondisi Desain... 79 5.4. Detail Komponen-komponen Heat Exchanger... 80 5.5. rangkuman Detail desain... 90 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan... 92 6.2. Saran... 92 DAFTAR PUSTAKA... 93

DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas Permukaan Perpindahan Panas m 2 T a T u Temperatur air Temperatur udara 0 C 0 C m u Laju aliran massa udara kg/s m a Laju aliran massa air kg/s Q Laju perpindahan panas kw ε ω i Efektivitas heat exchanger Rasio kelembaban udara P v,i Tekanan parsial uap air bar LMTD Beda suhu rata-rata logaritma K D o Diameter luar pipa mm D i Diameter dalam pipa mm t Tebal pipa mm L Panjang pipa mm N T Jumlah pipa ρ Kerapatan udara kg 3 m Cp Panas spesifik udara kj kg K. µ Viscositas (kekentalan) kg m. s k Konduktivitas termal W m. K

Pr Bilangan Prandtl V u Kecepatan udara m/s V a Kecepatan air m/s Re Nu Bilangan Reynold Bilangan Nusselt h o Koefisien perpindahan panas luar tube W 2 m. K h i Koefisien perpindahan panas internal W 2 m. K U Koefisien perpindahan panas total W 2 m K t b Tebal baffle mm L b Jarak antar baffle mm Ds Diameter dalam shell mm P T Tube picth mm Δ tb Jarak antara tube dan baffle mm Δ sb Jarak antara shell dan baffle mm Δ by Jarak antara bundle dan shell mm L C Jarak baffle cut mm J C Faktor koreksi konfigurasi baffle mm. K f Bilangan Euler

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kriteriapengklasifikasian heat exchanger... 7 Gambar 2.2 Tipe utama shell and tube... 11 Gambar 2.3 Konfigurasi heat exchanger... 14 Gambar 2.4 Susunan mekanik heat exchanger... 15 Gambar 2.5 desain-desain baffle... 18 Gambar 2.6 Diagram T-v untuk uap air... 23 Gambar 2.7 Heat exchanger aliran berlawanan murni... 24 Gambar 2.8 Heat exchanger aliran searah murni... 25 Gambar 2.9 Heat exchanger tipe shell and tube dua laluan... 26 Gambar 2.10 Faktor f untuk heat exchanger dua laluan... 27 Gambar 2.11 Faktor gesekan fungsi bilangan Reynold... 31 Gambar 2.12 Faktor koreksi kebocoran shell dan baffle... 36 Gambar 2.13 Faktor koreksi aliran bypass... 37 Gambar 2.14 Faktor koreksi kebocoran antara tube dan baffle... 39 Gambar 2.15 Faktor koreksi karena aliran bypass... 40 Gambar 2.16 Alira-aliran bedasarkan metode Wills and Johnston... 41 Gambar 3.1 Ilustrasi sederhana proses pada heat exchanger... 48 Gambar 4.1 Grafik Logarithmic Temperature Difference... 56 Gambar 5.1 Pola desain heat exchanger... 76 Gambar 5.2 Detail komponen utama heat exchanger... 77 Gambar 5.3 Shell and tube heat exchanger tipe BEM... 78 Gambar 5.4 Shell and tube heat exchanger tipe AJW... 79 Gambar 5.5 Jenis-jenis susunan tube bedasarkan geometri... 82 Gambar 5.6 Tipe-tipe baffle... 84 Gambar 5.7 Susunan baffle tipe horizontal... 84 Gambar 5.8 Detail baffle perancangan... 84 Gambar 5.9 Tipe-tipe sambungan gasket... 87 Gambar 5.10 Tipe-tipe tube to tube sheet joint... 88 Gambar 5.11 Tipe-tipe flange... 90

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 persamaan-persamaan konveksi aliran dalam pipa......32 Tabel 4.1 Perhitungan koefisien Perpindahan panas dan Penurunan Tekanan...75 Tabel 5.1 Rangkuman detail desain... 91