PENGARUH BAFFLE CUT TERHADAP UNJUK KERJA TERMAL DAN PENURUNAN TEKANAN PADA ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT TESIS OLEH FAISAL LUBIS 057015002/TM FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk menyelidiki dan mengetahui pengaruh baffle cut terhadap unjuk kerja termal dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor shell and tube 1-1 pass dengan susunan tabung segi empat. Jenis baffle yang digunakan adalah jenis segmen tunggal dengan jarak baffle 40 mm. Pengujian dilakukan dengan 3 variasi baffle cut yaitu 11 %, 25,6 %, 38,88 %, 48,97 %. Dari hasil penelitian diperoleh koefisien perpindahan kalor yang dinyatakan dengan bilangan Nusselt (Nu) yang optimum dan penurunan tekanan yang dinyatakan dengan faktor gesek (f) yang minimum diperoleh pada baffle cut 25,6 % dan kerugian tekanan masing-masing adalah : Nu = 0,0253 Re 0,764 dan f = 2,636 Re -0,214 (L b /D s ) 0,214 untuk : 10136 < Re < 38944 dan 0,27 < L b /D s < 0,54 Kata Kunci: Baffle cut, unjuk kerja termal, penurunan tekanan, penukar kalor. i
ABSTRACT The objective of the research was to investigate and to analyze the influence of baffle cut on thermal performance and the decrease in pressure in heat transfer, shell and tube 1-1 pass, square tube arrangement. The type of baffle was single segment type with the range of the baffle was 40 mm. The testing was conducted by using four variations of baffle cut: 11%, 25.6%, 38.88%, and 48.97%. The result of the research showed that the coefficient of heat transfer in optimum Nusselt number (Nu) and the decrease in pressure in minimum friction factor (f) found in baffle cut were 25.6%, and the loss of pressure of each of them was Nu = 0.0253 Re 0.764 and f = 2.636 Re - 0.214 (L b /D s ) 0.214 for 10136 < Re < 38944 and 0.27 < L b /D s < 0.54 Keywords: Baffle cut, Thermal Performance, Decrease in Pressure, Heat Transfer ii
Judul Tesis : PENGARUH BUFFLE CUT TERHADAP UNJUK KERJA TERMAL DAN PENURUNAN TEKANAN PADA ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT Nama Mahasiswa : FAISAL LUBIS Nomor Pokok : 057015002/TM Program Studi : Magister Teknik Mesin Menyetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc. Ketua Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME ST, MT Penguji Dr. Eng. Himsar Ambarita, Penguji Dekan Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang atas limpahan rahmat dan hidayahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian tesis ini. Penelitian ini dibuat untuk memenuhi sebahagian persyaratan harus dipenuhi untuk memperoleh gelar magister teknik pada Program Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Penelitian ini berjudul Pengaruh Baffle Cut Terhadap Unjuk Kerja Ternal dan Penurunan Tekanan Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Susunan Tabung Segi Empat. Penelitian ini penulis ajukan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc. sebagai ketua komisi pembimbing, penulis bangga dan berterimakasih atas kepercayaan beliau untuk dapat melaksanakan penelitian ini. Walaupun kesibukan beliau sangat sibuk dalam pekerjaan sehari-hari, beliau masih menyempatkan diri untuk terus-menerus membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. Atas kesediaan beliau menjadi Pembimbing Utama, penulis aturkan terima kasih yang tiada terhingga. Pada ksempatan ini juga peneliti mengucapkan terima kasih yang tiada hingga kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah menerima dan memberi kesempatan kuliah S2 sekaligus sebagai Dosen Penguji. Kepada Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT, pada kesempatan ini juga penulis mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang iii
telah memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis sekaligus sebagai dosen penguji. Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Turmuzi, M.S, sebagai Pembantu Dekan I Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, pada kesempatan juga penulis mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang telah memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis. Akhirnya penulis menyampaikan terima kasih yang tiada terhingga kepada almarhumah isteri penulis Ernawati, S.Pd. yang telah mendampingi semasa hidupnya dan juga telah banyak membantu penulis untuk menyelesaikan tesis ini dan kepada anak saya Muhammad Mujahidil Khair Lubis. Mereka sumber kekuatan hidup lahir dan batin. Dalam menyelsaikan penelitian ini, penulis telah berusaha semaksimal mungkin dan berkat bantuan semua pihak, sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. Untuk lebih menyempurnakan isi maupun tulisan hasil penelitian tesis ini, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang berguna bagi semua pihak. Semoga Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang melimpahkan rahmat dan karunianya kepada kita semua. Amin. Medan, Februari 2015 Penulis iv Faisal Lubis
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Nama : Faisal Lubis NIM : 057015002 Tempat/ Tgl Lahir : Hutatonga Tap Sel / 28 januari 1966 Pekerjaan Alamat Rumah Alamat Kantor : Dosen Tetap Teknik UMSU Medan : Jl. Medan Batang Kuis, Desa Sei Rotan, Gg. Pribadi : Jl. Kapten Mukhtar Basri No. 3 Medan Pendidikan 1973 1979 : SD Negeri Nomor 142513, Hutatonga Tap Sel 1979 1982 : ST Yaspemda Belawan 1982 1985 : STM Yaspemda Belawan 1982 1992 : Pendidikan S1 Teknik Mesin Institut Teknolodi Medan (ITM) Pengalam Kerja 1993 s/d sekarang : Dosen Tetap Teknik UMSU - Medan v
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR RIWAYAT HIDUP... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... DAFTAR ISTILAH... i ii iii v vi vii ix xi xii BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumuasan Masalah dan Batasan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 4 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Alat Penukar Kalor Selonsong dan Tabung... 7 2.2 Landasan Teori... 8 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu... 22 3.2 Bahan dan Alat... 22 vi
3.3 Rancangan Alat Penelitian... 25 3.4 Pelaksanaan Penelitian... 40 3.5 Variabel Penelitian... 45 3.6 Analisa Data... 46 3.7 Kerangka Konsep Penelitian... 46 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Penyerapan Kalor Pada APK... 51 4.2 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Selongsong... 53 4.3 Efektivitas APK Selongsong dan Tabung... 55 4.4 Penurunan Tekanan didalam Selongsong... 57 4.5 Koefisien Gesek didalam Selongsong... 58 4.6 Formulasi Bilangan Nusselt... 59 4.7 Formulasi Koefisien Gesek... 61 BAB V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan... 64 5.2 Saran... 64 DAFTAR PUSTAKA... 65 LAMPIRAN vii
DAFTAR TABEL No. Judul Halaman 2.1. Faktor konstanta untuk perhitungan koefisien perpindahan Kalor Ideal... 14 3.1. Parameter Sisi Tabung dan Selongsong... 25 3.2. Data Sheet Pengukuran Untuk Tiap-Tiap Baffle Cut... 46 viii
DAFTAR GAMBAR No. Judul Halaman 2.1 Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung... 5 2.2. Aliran Dalam Sisi Selongsong Dengan Baffle Segment... 6 2.3. Distribusi Aliran Pada Selonsong Akibat Pengaruh Baffle Cut... 6 2.4. Profil Aliran Dan Konstruksi Luas Jendela Baffle Cut... 13 2.5. Jenis-jenis baffle cut yang diuji... 14 2.6. Geometri Baffle... 16 2.7. Arah Aliran Fluida Didalam APK Selongsong dan Tabung... 19 3.1. Skema Set-up Alat Uji Penelitian... 27 3.2. Pengaturan Jarak Baffle... 42 3.3. APK Siap Untuk Diuji... 44 3.4. Rangkaian Bak Pemanas Air... 45 3.5. Kerangka Konsep Penelitian... 48 3.6. Diagram Alir / Urutan Penelitian... 49 4.1. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold Dan Penyerapan di dalam Selonsong... 52 4.2. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan bilangan Nusselt di dalam Selonsong... 54 4.3. Grafik Hubungan Antara Bilangan Nusselt Dan Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi di Dalam Selonsong... 55 ix
No. Judul Halaman 4.4. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan Efektivitas APK Selongsong dantabung Susunan Segiempat... 56 4.5. Grafik Hubungan Antara Penurunan Tekanan dan Bilangan Reynold di dalam selongsong... 57 4.6. Grafik Hubungan Antara Koefisien Gesekan dan Bilangan Reynold di dalam selonsong... 59 x
DAFTAR LAMPIRAN No. Judul Halaman 1. Hasil Perhitungan Heat Transfer... 71 2. Hasil Perhitungan Konstruksi... 119 3. Hasil Perhitungan Penurunan Tekanan... 139 4. Data Hasil Perhitungan APK... 160 5. Perhitungan Propertis Air... 162 6. Perhitungan Propertis Udara... 182 7. Hasil Perencanaan APK... 200 xi
DAFTAR ISTILAH A Luas alat penukar kalor, m 2 a,a 1,a 2,a 3,a 4, Parameter penyocokan kurva untuk koefisien perpindahan kalor A t Luas tabung, m 2 b,b 1,b 2,b 3,b 4 Parameter penyocokan kurva untuk koefisien gesekan B c Cj C c C h Cmin Cmaks Persentase baffle cut Hubungan parameter untuk JB Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kj/s o C Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kj/s o C Laju aliran kapasitas panas perjam fluida minimum, kj/s o C Laju aliran kapasitas panas perjam fluida maksimum, kj/s o C C pa Panas jenis air pada tekanan konstan, J/kg K C pu Panas jenis udara pada tekanan konstan,j/kg K c s c t D b D ctl D e D o D otl D s Ruang bebas antara selongsong dan baffle, m Ruang bebas antara tabung dan baffle, m Diameter baffle, m Batas diameter tengah tabung pada tube bundle, m Diameter ekivalen bundle, m Diameter bundle tabung, m Batas diameter luar tabung pada tube bundle,m Diameter dalam selongsong, m xii
d o d in f Diameter luar tabung, m Diameter dalam tabung, m Koefisien gesekan fanning f A Faktor bentuk susunan tabung. f B F w Faktor aliran bypass tabung baffle dan baffle selongsong Fraksi tabung pada satu jendela baffle g Percepatan grafitasi, 9,81 m/s 2 J C J L J B J R J S h H a h ideal h i h o h u k a Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan bentuk jendela Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan kebocoran jendela Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan aliran bypass bundle Faktor koreksi aliran laminar Faktor koreksi akibat jarak baffle yang tidak sama Beda ketinggian air pada tabung U, mm Koefisien perpindahan panas konveksi air, W/m 2 K Koefisien perpindahan panas ideal pada selongsong, W/m 2 K Koefisien perpindahan panas konveksi pada tabung, W/m 2 K Koefisien perpindahan panas konveksi pada selongsong, W/m 2 K Koefisien perpindahan panas konveksi udara, W/m 2 K Konduktifitas air, W/m K xiii
k t k u L bb L bc L sb L t L tp L tp eff m a m u Nb N pass N t N w N ui N uu N wt N b N c P ri P p Konduktifitas tabung, W/m K Konduktifitas udara, W/m K Ruang bebas bundle tube denga selongsong, m Jarak antar baffle, m Ruang bebas diametral tabung dengan baffle, m Panjang tube, m Ruang bebas diametral baffle dengan tabung, m Jarak bagi tabung arah transversal efektif, m Laju aliran massa air, kg/s Laju aliran massa udara, kg/s Jumlah baffle Jumlah laluan tabung Jumlah tabung Jumlah baris tabung pada daerah jendela Bilangan Nusselt air Bilangan Nusselt udara Jumlah tabung pada daerah jendela Jumlah baffle Jumlah baris tabung pada daerah aliran lintang Bilangan Prandalt air Jarak bagi tabung arah memanjang, m xiv
P t P ec P wz Pc Ps Jarak bagi tabung arah transversal, m Penurunan tekanan pada sisi masuk dan keluar daerah aliran lintang, Pa Penurunan tekanan pada jendela, Pa Penurunan tekanan pada interior aliran lintang, Pa Penurunan tekanan total pada sisi selongsong, Pa Q Kalor yang dilepaskan air panas, W a Qu qmaks qnyata Re o,ψ R ei r s r lm S b Kalor yang diserap udara, W Kalor maksimum yang terjadi, W Kalor nyata yang terjadi, W Bilangan reynold sisi selongsong Bilangan reynold sisi tabung Hubungan parameter untuk JL Hubungan parameter untuk JL Luas aliran bypass antara bundle dan selongsong, m S m Luas daerah aliran lintang pada selongsong, m 2 S tb Total luas kebocoran pada satu baffle, m 2 S sb Luas kebocoran antara baffle dan selongsong, m 2 T ci T co T hi Temperatur fluida dingin masuk o C Temperatur fluida dingin keluar o C Temperatur fluida panas masuk o C xv
T ho Ti T to T ti Temperatur fluida panas keluar o C Temperatur dinding dalam tube o C Temperatur dinding luar tabung o C Temperatur dinding dalam tabung o C T Perbedaan temperatur ( o C) T m Beda temperatur rata-rata logaritma ( o C) U Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m 2 o C. V Kapasitas aliran fluida didalam selongsong, m3/s V wi Kecepatan maksimum udara didalam selongsong, m/s Laju massa aliran air kg/s wo Laju massa aliran udara m 3 /s 2 xvi