UNIVERSITAS DIPONEGORO PENGUJIAN EFEKTIVITAS PENUKAR KALOR MULTI FLAT PLATE HEAT EXCHANGER ALUMINIUM DENGAN ALIRAN CROSS FLOW TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu tugas dan syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana (S-1) Disusun oleh: ZAENAL MUTTAQIN L2E 307 043 FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG 2012 i
TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Nama : Zaenal Muttaqin NIM : L2E 307 043 Pembimbing Pertama : Ir. Arijanto, MT. Pembimbing Kedua : Ir. Bambang Yunianto, MSc. Jangka Waktu : 12 (Dua belas) bulan Judul :Pengujian Efektivitas Penukar Kalor Multi Flat Plate HeatExcanger Aluminium Dengan Aliran Cross Flow Isi Tugas : Mengetahui efektifitas flat plate heat exchanger pada aliran berlawanan arah dengan menggunakan pendingin berupa air dan fluida panas berupa air yang dipanaskan sampai suhu tertentu. ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi/Tesis/Disertasi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. iii
HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh : Nama : Zaenal Muttaqin NIM : L2E 307 043 Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Judul skripsi : Pengujian Efektivitas Penukar Kalor Multi Flate Plate Heat Exchanger Aluminium Dengan Aliran Cross Flow Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai civitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini : Nama : Zaenal Muttaqin NIM : L2E 307 043 Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Departemen : Universitas Diponegoro Fakultas : Teknik Jenis Karya : Skripsi demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul : PENGUJIAN EFEKTIVITAS PENUKAR KALOR MULTI FLAT PLATE HEAT EXCHANGER ALUMINIUM DENGAN ALIRAN CROSS FLOW beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. v
MOTTO Untuk mendapatkan hasil yang baik diperlukan persiapan yang baik. Kegagalan menghasilkan pengalaman dan pengalaman menghasilkan keberhasilan. Sesungguhnya sesudah kesulitan pasti ada kemudahan. vi
HALAMAN PERSEMBAHAN Tugas Akhir ini penulis dedikasikan untuk kedua orangtua tercinta, bapak, ibu, dan adikku, atas segala cinta kasih dan pengorbanan yang tidak terkira jasanya, yang telah memberikan dukungan, semangat, petunjuk, dan do a yang tulus ikhlas, serta kepercayaan kepada penulis untuk mengemban amanah yang mulia ini. Semoga Allah SWT senantiasa memberikan kesehatan, dan umur panjang kepada mereka Semua teman-teman exstensi 2007, SOLIDARITY FOREVER mempersatukan kita sobat. Satu-satu kalian pergi, sekarang giliran aku yang pergi. Kepada yang masih bertahan, tetap semangat kawan. PERSAHABATAN INI TIDAK AKAN PUTUS. vii
Abstrak Alat penukar kalor (Heat Exchanger) merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menukarkan energi dalam bentuk panas antara fluida yang berbeda temperatur yang dapat terjadi melalui kontak langsung maupun secara kontak tidak langsung. Fluida yang bertukar energi dapat berupa fluida yang sama fasanya (cair ke cair atau gas ke gas) atau dua fluida yang berbeda fasanya. Spesimen yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari aluminium yang berdimensi 330mm x 330mm dengan jarak antar plat 15 mm, dan jumlah plat 7. Pada pengujian kali ini, fluida mengalir melalui heat exchanger dengan aliran silang (cross flow), dengan mengukur perubahan suhu yang terjadi antara sisi masuk dan keluar, maka dapat dihitung efektifitas perpindahan kalornya. Dari studi eksperimen terhadap alat penukar panas jenis flat plate heat exchanger diperoleh efektivitas yang terbaik adalah sebesar 0,382 pada temperature atur 70 o C dan pada saat laju fluida panas 5,165 lt/menit dan debit fluida dingin sebesar 11,805 lt/menit. Dan proses perpindahan panas yang terjadi berlangsung dengan nilai U yang terbaik adalah sebesar 10.562.609 j/jam.m 2. 0 C pada temperatur 70 o C dan pada saat laju fluida panas 11,015 lt/menit dan debit fluida dingin sebesar 11,085 lt/menit. Kata kunci: Alat penukar kalor tipe plat viii
Abstract Heat Exchanger is an equipment used for energy in the form of heat exchange between fluids of different temperatures that can occur through direct contact or by indirect contact. Fluid exchange energy can be the phase of the same fluid (liquid or gas to liquid to gas) or the phase of two different fluids. Specimens used in this study is made of aluminum 330mm x 330mm dimension with the distance between the plate 15 mm, and the plate 7. At this time of testing, the fluid flows through a heat exchanger with a cross flow (cross flow). Measuring the temperature changes that occur between the entry and exit, then the displacement can be calculated kalornya effectiveness. From the experimental study of heat exchanger flat plate type heat exchanger effectiveness is best obtained at 0,382 at 70 C and the temperature set at the rate of hot fluid is 5,165 liters / minute and cold fluid discharge of 11,805 liters / minute. And heat transfer processes that occur take place with the best U value is equal to 10.562.609 j/jam.m2.0c at 70 C and the temperature set at the rate of hot fluid 11,015 lt / min and cold fluid discharge of 11,085 liters / minute. Key word: Plate Heat Exchanger ix
KATA PENGANTAR Puji syukur tak terhingga penulis panjatkan kepada Allah S.W.T, karena berkat rahmatnya penulis dapat menyelesaikan penulisan Tugas Sarjana yang berjudul Pengujian Efektivitas Penukar Kalor multi Flate Plate Heat Exchanger Aluminium Dengan Aliran Cross Flow. Ucapan terima kasih secara khusus ingin penulis sampaikan kepada : 1. Ir. Arijanto, MT, selaku dosen pembimbing pertama dan Ir. Bambang Yunianto, MSc, selaku dosen pembimbing kedua. selaku dosen pembimbing yang telah begitu banyak memberikan bimbingan, pengarahan dan pengetahuan tentang banyak hal kepada penulis, terutama dalam pengerjaan dan penyelesaian Tugas Sarjana ini. (semoga bapak selalu diberi kesehatan dan panjang umur oleh ALLAH SWT) 2. Keluarga di rumah yang telah ikut berjuang dengan banyak pengorbanan sehingga saya terus memiliki kekuatan untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Seluruh rekan-rekan angkatan 2007 yang telah ikut serta memberikan motivasi dalam pembuatan laporan, sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis menyadari bahwa laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Namun demikian penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Akhir kata saran dan kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis harapkan demi kesempurnaan laporan Tugas Akhir ini. Semarang, Agustus 2012 Penulis x
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN TUGAS SARJANA... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI. v MOTTO vi HALAMAN PERSEMBAHAN... vii ABSTRAKSI... viii ABSTRACT... ix KATA PENGANTAR... x DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR TABEL... xvi DAFTAR NOMENKLATUR... xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan... 2 1.3 Pembatasan Masalah... 2 1.4 MetodePenelitian... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Proses Perpindahan Kalor... 5 2.1.1 Perpindahan Kalor secara Konduksi... 5 2.1.2 Perpindahan Kalor secara Konveksi... 8 2.1.3 Bilangan Reynolds... 10 2.1.4 Perpindahan Panas Radiasi... 11 2.2 Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger )... 12 2.2.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 14 2.2.2 Klasifikasi Penukar Kalor... 15 xi
2.3 Heat Exchanger Tipe Plat... 19 2.3.1 Kontruksi Heat Exchanger Tipe Plat... 20 2.3.2 Analisis Thermal Heat Exchanger Tipe Plat... 21 2.3.3 Fouling Factor... 22 2.3.4 Analisa Efektivitas Dengan Pendekatan LMTD... 23 2.3.5 Metode NTU... 24 2.4 Aplikasi dari Plate Heat Exchanger... 25 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Deskripsi peralatan pengujian... 27 3.1.1 Flat plat heat Exchanger... 28 3.1.2 pompa air... 28 3.1.3 Katup pengatur (valve)... 29 3.1.4 Flowmeter... 29 3.1.5 Kompor gas... 29 3.1.6 Reservoir... 29 3.1.7 Termokopel... 29 3.2 Kalibrasi peralatan ukur... 30 3.3 Pengujian... 30 3.3.1 Persiapan pengujian... 30 3.3.2 Prosedur pengujian... 31 3.3.3 Pengambilan data dan analisa data... 32 3.3.4 Diagram alir pengujian... 33 BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data pengujian dan perhitungan... 34 4.2 Contoh perhitungan nilai efektifitas aliran silang... 36 4.3 Grafik perbandingan efektifitas dan pembahasan grafik... 38 4.4 Grafik perbandingan U dan pembahasan grafik... 42 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 46 5.2 Saran...... 46 xii
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi pada dinding Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi Gambar 2.3. Perpindahan panas konveksi Gambar 2.4. perpindahan kalor secara konveksi pada suatu pelat rata. Gambar 2.5. perpindahan kalor secara radiasi. Gambar 2.6. aliran parallel flow dan profil temperatur Gambar 2.7. aliran counter flow dan profil temperature Gambar 2.8. aliran cross flow dan profil temperatur Gambar 2.9. Skema Dalam Aliran HE tipe Crossflow. Gambar 2.10. Alat Penukar kalor Tipe Cross Flow Gambar 2.11. konstruksi penukar kalor tipe cros flow Gambar 2.12. contoh gambar heat exchanger tipe plat Gambar 3.1. Skema alat pengujian untuk aliran searah. Gambar 3.2. Gambar diagram alir pengujian Gambar 4.1. Grafik hubungan efektifitas dan debit air dingin pada laju air panas 5,165 lt/min Gambar 4.2. Grafik hubungan efektifitas dan debit air dingin pada laju air panas 7,125 lt/min. Gambar 4.3. Grafik hubungan efektifitas dan debit air dingin pada laju air panas 9,245 lt/min. Gambar 4.4. Grafik hubungan efektifitas dan debit air dingin pada laju air panas 11,015 lt/min Gambar 4.5. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas menyeluruh dan debit air dingin pada debit air panas 5,165 lt/min Gambar 4.6. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas menyeluruh dan debit air dingin pada debit air panas 7,125 lt/min 5 9 10 11 12 16 17 19 20 20 21 26 28 33 38 39 40 41 42 43 xiv
Gambar 4.7. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas menyeluruh dan debit air dingin pada debit air panas 9,245 lt/min Gambar 4.8. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas menyeluruh dan debit air dingin pada debit air panas. 11,015 lt/min 44 45 xv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel Konduktivitas termal berbagai bahan pada 0 o C... 7 Tabel 4.1 Tabel debit aliran fluida panas dan debit aliran fluida dingin terukur... 35 Tabel 4.2 Tabel data suhu pada suhu 70 0 C dan debit fluida panas 5,165 lt/min... 35 xvi
NOMENKLATUR Simbol Definisi Satuan A = Luas penampang perpindahan panas (m 2 ) c p = panas spesifik fluida (kj/kg o C) C maks = Laju kapasitas panas maksimum (W/ o C) C min = Laju kapasitas panas minimum (W/ o C) k = Konduktifitas termal (W/m o C) x = Panjang plat (m) m = Laju aliran massa fluida (kg/s) m h = Laju aliran massa fluida panas (kg/s) m c = Laju aliran massa fluida dingin (kg/s) NTU = Number of tranfer unit atau Jumlah satuan perpindahan Q = Laju perpindahan kalor (W) q = Laju perpindahan kalor per satuan panjang (W/m) T h1 = Temperatur masuk fluida panas ( o C) T h2 = Temperatur keluar fluida panas ( o C) T c1 = Temperatur masuk fluida dingin ( o C) T c2 = Temperatur keluar fluida dingin ( o C) U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2 o C) V = Kecepatan aliran fluida (m/s) T x = Viskositas dinamik fluida (Ns/m 2 ) = Densitas fluida (Kg/m 3 ) = Efektifitas = Gradien suhu terhadap jarak ( o C) xvii