RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TYPE SHELL & TUBE DENGAN 1 LALUAN CANGKANG DAN DUA LALUAN TABUNG UNTUK MEMANASKAN AIR SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : RUDIANTO (110401119) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016
Abstrak RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR PADA SHELL & TUBE DENGAN! CANGKANG DAN 2 LALUAN. Telah dilakukan rancang bangun Alat penukar kalor type Shell And Tube yang sumber panasnya berasal dari limbah air panas,dimanfaatkannya limbah air panas dari pabrik karena jika langsung dibuang ke sungai maka mempunyai dampak buruk terhadap lingkungan, dimanfaatkan untuk memanaskan air mandian, setelah melewati apk maka suhu akan turun, kemudian baru dibuang ke sungai. Pipa Pada Apk dibuat dari bahan Tembaga sedangkan rangka-rangka dan tangkinya memakai pelat besi. Dimensi yang telah dirancang untuk Alat penukar kalor ini berukuran Panjang Pipa Alat penukar kalor ini sepanjang 1,3 Meter dan berjumlah 2 tabung dengan diameter tabungnya sebesar 13mm, sedangkan diameter pada cangkangnya berukuran 70mm dan mempunyai panjang 1,3 meter, kemudian perpindahan panas total yang dicapai oleh Alat Penukar Kalor Shell and tube yang telah dirancang adalah sebesar 518,403 W/m 2 o C Kata kunci : Alat penukar kalor shell and tube,pipa tembaga.
Abstract Design and construction of the heat exchanger machine in shell & tube with 1 shell and 2 tube. The heat exchanger machine that the hot water resources we got from the waste of fertilizer company,we use the waste of hot water resources we got from the waste because if we just throw the waste directly to the river,it can impact the river life,so we use it to heat the cold water and after it pass the heat exchanger the hot water will cool down,then after it is cool down then we throw it to the river. The heat exchager pipe was made by copper and the structure was made by iron. The dimension of the heat exchanger was the length of the tube was 1,3 meter it has 2 tube and has 13mm diameter,then the shell length was 1,3 meter and the diameter was 70mm and the total heat transfer reached by the heat exchanger was 518,403 W/m 2 o C. Keyword : Shell and tube heat exchanger,copper pipe.
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 Shell and Tube dengan satu cangkang (shell) dan dua laluan. 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. Orang tua yang 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 atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis 6. Felix wijaya, kevin BC 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. iii
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, 21 Februari 2016 Penulis Rudianto NIM.110401119 iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR NOTASI... x BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latarbelakang Masalah... 1 1.2 Identifikasi Masalah... 2 1.3 Perumusan Masalah... 2 1.4 Tujuan Perancangan... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...3 2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor... 3 2.2 Jenis Alat Penukar Kalor... 3 2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 7 2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor... 9 2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger ( Double Pipe )... 9 2.3.3 Shell And Tube Heat Exchanger... 13 2.3.4 Plate Type Heat Exchanger... 14 2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas... 14 2.4.1 Konduksi... 14 2.4.2 Konveksi... 16 2.4.3 Radiasi... 16 2.5Internal Flow (Aliran Dalam)... 18 2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa... 18 2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa... 20 2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh... 21 2.7 Analisis Alat Penukar Kalor dengan Menggunakan LMTD... 22 v
2.8 Katup... 23 2.8.1 Gate Valve... 24 2.8.2 Globe Valve... 26 2.8.3 Ball Valve... 29 2.8.4 ButterflyValve... 31 2.8.5 Check Valve... 31 2.8.6 Safety Valve... 35 2.9 Pompa Submersible... 36 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...38 3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan... 38 3.1.1 Tempat Pembuatan... 38 3.1.2 Waktu Pembuatan... 38 3.2 Membuat Desian Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat... 38 3.3 Mengambar Desain Dengan Autocad... 38 3.4 Penyiapan Alat dan Bahan... 39 3.4.1 Penyiapan Alat... 39 3.4.2 Penyiapan Bahan... 42 3.4 Skema Uji Penelitian... 45 3.5 Diagram Alir... 46 BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...47 4.1 Perancangan Dimensi... 47 4.1.1 Perancangan Dimensi Pipa Alat Penukar Kalor... 47 4.1.2 Perancangan Dimensi Tangki Fluida... 57 4.1.3 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor... 58 4.1.4 Perancangan Katup... 59 4.1.5 Perancangan Daya Pompa... 60 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...63 vi
5.1 Kesimpulan... 63 5.2 Saran... 63 DAFTAR PUSTAKA... xi vii
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... 10 Gambar 2.9 Double Pipe Heat Exchanger Aliran Cocurrent dan Counter Current... 11 Gambar 2.10 Double Pipe heat exchanger in series... 11 Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series parallel... 12 Gambar 2.12 Bentuk susunan Tabung... 13 Gambar 2.13 Shell and tube Heat excchanger... 13 Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent... 14 Gambar 2.15 Perpindahan Panas Secara Konduksi... 15 Gambar 2.16 Pendinginan Sebuah Balok yang Panas dengan Konveksi Paksa... 16 Gambar 2.17 Blackbody disebut sebagai Pemancar dengan arah yang bebas..17 Gambar 2.18 Alat Penukar Kalor Pipa Ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat... 20 Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat... 22 Gambar 2.20 Kesetimbang energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada alat penukar kalor... 22 Gambar 2.21 Gate Valve... 24 Gambar 2.22 Rising Stem Gate Valve... 25 Gambar 2.23 Non Rising Stem Gate Valve... 25 Gambar 2.24 Glove Valve... 27 Gambar 2.25 Angle Globe,Y-Body,Z-body Glove valve... 28 vii
Gambar 2.26 Ball valve... 29 Gambar 2.27 Full bore ball valve... 30 Gambar 2.28 Reduce bore ball valve... 30 Gambar 2.29 Butterfly Valve... 31 Gambar 2.30 Swing Check Valve... 32 Gambar 2.31 Lift Check Valve... 33 Gambar 2.32 Swing Type Wafer Check valve... 34 Gambar 2.33 Disk Check Valve...34 Gambar 2.34 Split Disk Check Valve... 35 Gambar 2.35 Split Disc Check Valve... 35 Gambar 2.36 Safety Valve PSV... 36 Gambar 3.1 Mesin Las...39 Gambar 3.2 Gunting... 39 Gambar 3.3 Glasswool... 39 Gambar 3.4 Aluminium Foil... 40 Gambar 3.5 Water Heater... 40 Gambar 3.6 Thermostat... 40 Gambar 3.7 Laptop... 41 Gambar 3.8 Termometer... 41 Gambar 3.9 Plat Besi... 42 Gambar 3.10 Besi Segi Empat... 42 Gambar 3.11 Pipa Aluminium... 42 Gambar 3.12 Flow Meter... 43 Gambar 3.13 Stop Keran... 43 Gambar 3.14 Pompa AR - 1800... 43 Gambar 3.15 Pipa besi... 44 Gambar 3.16 Pipa Fitiing bes... 44 Gambar 3.17Skema Uji Alat Penukar Kalor... 45 Gambar 3.18 Diagaram Alir Pembuatan Alat Penukar Kalor... 46 Gambar 4.1 Pipa Pada Alat Penukar Kalor... 47 Gambar 4.2 Plat Besi... 57 Gambar 4. 3 Kotak Tangki Fluida... 58 viii
Gambar 4.4 Besi Hollow Segi Empat... 58 Gambar 4.5 Stop Kran Sankyo... 59 Gambar 4.6Pompa Armada AR -105... 62 ix
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Double pipe Exchanger fittings...10 Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik... 14 Tabel 4.1 Konduktivitas Material... 49 Tabel 4.2 Asumsu Parameter Dalam Perhitungan... 50 Tabel 4.3 Data yang didapatkan dari tabel perpindahan panas untuk T b1... 51 Tabel 4.4 Data yang didapatkan dari tabel perpindahan panas untuk T b2 53 Tabel 4.5 Kekuatan Material... 56 Tabel 4.6 Dimensi Besi Holoow Segi empat...,58 Tabel 4.7 Jenis Katup dan Koefision Kehilangan minor......,...59 Tabel 4.8 Jenis Pompa..,...62 ix
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 x
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m 2 C Q Laju Perpindahan Panas W m Rc Laju aliran massa fluida dingin kg/s m Rh 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 xi