ANALISIS KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE SATU LALUAN CANGKANG DUA LALUAN TABUNG SEBAGAI PENDINGINAN OLI DENGAN FLUIDA PENDINGIN AIR SKRIPSI Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : ROMULUS SITUMORANG NIM : 110401156 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016
ABSTRAK Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya, yang dapat diaplikasikan sebagai pendinginan oli atau minyak pelumas untuk mempertahankan temperatur oli pada standart operasi. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui apakah temperatur oli keluar heat exchanger tipe shell and tube memenuhi standart operasi minyak pelumas, dengan cara menghitung efektifitas pendinginan oli pada tabung (tube) menggunakan air sebagai fluida pendingin yang mengalir melalui cangkang (shell) menggunakan metode NTU-ɛ dan kajian eksperimental. Dengan membuat variasi debit dan suhu, nilai efektifitas maksimum dengan metode NTU-ɛ diperoleh sebesar 62,91% pada debit oli 60 l/jam, temperatur oli masuk 60 C, debit air 540 l/jam, temperatur air masuk 27 C. Nilai efektifitas maksimum secara eksperimental sebesar 60,2% pada debit oli 60 l/jam, temperatur oli masuk 60,1 C, debit air 540 l/jam, temperatur air masuk 27 C. Dari analisa diatas disimpulkan bahwa alat penukar kalor dapat digunakan untuk mendinginkan oli, karena temperatur oli keluar heat exchanger diperoleh sebesar 39,23 C secara teoritis dan 40,67 C secara eksperimental. Nilai suhu oli keluar tersebut memenuhi standart operasi minyak pelumas. Kata kunci : heat exchanger, shell and tube, efektifitas, pendinginan oli, minyak pelumas.
KATA PENGANTAR Syukur kepada Tuhan Allah atas berkat dan penyertaan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan pengerjaan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu dengan judul Analisis Kefektifan Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Dua Laluan Tabung Sebagai Pendinginan Oli dengan Fluida Pendingin Air. Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Dalam pengerjaan skripsi ini, banyak tantangan yang dihadapi namun penulis selalu berupaya untuk dapat menyelesaikannya dengan segala kemampuan dan bimbingan, dorongan, serta semangat dari banyak pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Dosen Pembimbing yang terhormat Bpk Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A yang telah bersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing penulis. Selain itu, penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada : 1. Kedua Orangtua penulis Apul Situmorang dan Ramian Nainggolan yang selalu memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, dana, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT dan Bapak Dr.Eng. Taufiq Bin Nur, ST. M.Eng.Sc, selaku dosen punguji. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 5. Saudara - saudara penulis dalam KK Metanoia yang senantiasa memberi dukungan doa, arahan dan semangatnya. 6. Adik-adik penulis dalam KK Apolos yang senantiasa memberi dukungan doa, saran dan semangatnya. 7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan doa, motivasi, dan semangatnya.
8. Kakak dan adik penulis Jelita Situmorang, Mely Situmorang, Jacky Situmorang atas perhatian dan dukungan yang diberikan. 9. Eka Ernita Siburian atas dukungan doa dan semnagat yang selalu diberikan. 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, Mei 2016 Penulis, Romulus Situmorang NIM 110401156
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR NOTASI... ix BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 2 1.3 Batasan Masalah Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Metodologi Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Prinsip-prinsip Perpindahan Panas... 5 2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi... 6 2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi... 7 2.1.3 Perpindahan Panas Menyeluruh... 8 2.2 Alat Penukar Kalor... 10 2.2.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 11 2.2.2 Metode Log Mean Temperature Difference (LMTD)... 20 2.2.2.1 Aliran Searah (Paralel Flow)... 21 2.2.2.2 Aliran Berlawanan (Counter Flow)... 22 2.2.2.3 Aliran Menyilang (Cross Flow)... 23 2.2.3 Metode Numbet of Transfer (NTU)... 23 2.2.4 Faktor Pengotoran (Fouling)... 26 2.3 Aliran Fluida dalam Pipa... 28 2.4 Pendinginan Minyak Pelumas... 31
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 35 3.1 Desain Penelitian... 35 3.2 Lokasi dan Waktu Penelitian... 35 3.3 Alat dan Bahan... 35 3.3.1 Alat... 35 3.3.2 Bahan... 38 3.4 Metode Pengumpulan Data... 40 3.5 Metode Pengolahan Data... 43 3.5.1 Pengolahan Data Eksperimental... 43 3.5.2 Pengolahan Data Secara Teoritis... 44 BAB IV ANALISA DATA... 46 4.1 Analisa Data Eksperimental... 46 4.2 Analisa Data Secara Teori... 53 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 63 5.1 Kesimpulan... 63 5.2 Saran... 63 DAFTAR PUSTAKA... xi LAMPIRAN... xii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Prinsip proses perpindahan panas... 5 Gambar 2.2 Skematik perpindahan panas pada batang... 6 Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konveksi... 7 Gambar 2.4 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor... 8 Gambar 2.5 Chiller sentrifugal... 11 Gambar 2.6 Kondensor... 12 Gambar 2.7 Cooler... 12 Gambar 2.8 Evaporator AC... 13 Gambar 2.9 Reboiler... 13 Gambar 2.10 Konstruksi heat exchanger... 14 Gambar 2.11 Heat Exchanger tipe double pipe... 17 Gambar 2.12 Shell and tube heat exchanger... 18 Gambar 2.13 Plate type heat exchanger dengan aliran counterflow... 19 Gambar 2.14 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin... 20 Gambar 2.15 Skematik aliran sejajar... 21 Gambar 2.16 Skematik aliran berlawanan... 22 Gambar 2.17 Grafik efektifitas untuk (a) aliran sejajar (b) aliran berlawanan... 25 Gambar 2.18 Shell and tube (a) 1 shell- 2,4,6,..., n tube (b) 1 shell- 2,4,6,..., n tube... 26 Gambar 2.19 Shell and tube cross flow (a) tidak bercampur (b) bercampur... 26 Gambar 2.20 Eksperimen untuk menentukan jenis aliran... 28 Gambar 2.21 Diagram moody... 30 Gambar 3.1 APK tipe shell and tube... 35 Gambar 3.2 Thermocouple cole parmer... 36 Gambar 3.3 Flowmeter... 36 Gambar 3.4 Thermostat... 37 Gambar 3.5 Pemanas... 37 Gambar 3.6 Pompa untuk debit aliran fluida... 36
Gambar 3.7 Pompa sirkulasi oli... 38 Gambar 3.8 Laptop... 38 Gambar 3.9 Minyak pelumas... 39 Gambar 3.10 Diagram alir pengumpulam data eksperimental... 42 Gambar 3.11 Diagram alir pengolahan data eksperimental... 43 Gambar 3.12 Diagram alir pengolahan data secara teoritis... 44 Gambar 3.13 Skema uji penelitian... 45 Gambar 4.1 Skematik aliran fluida pada APK... 46 Gambar 4.2 Skematik distribusi suhu... 47 Gambar 4.3 Grafik pengujian data AA1... 49 Gambar 4.4 Skematik distribusi suhu... 50 Gambar 4.5 Efektifitas pengujian dengan suhu oli masuk 60 o C... 52 Gambar 4.6 Skematik distribusi suhu... 54 Gambar 4.7 Grafik efektifitas teori dengan Thi 60 o C... 56 Gambar 4.8 Grafik efektifitas teori dengan Thi 65 o C... 57 Gambar 4.9 Perbandingan efektifitas teori dan pengujian dengan debit oli 60 l/jam... 58 Gambar 4.10 Perbandingan efektifitas teori dan pengujian dengan debit oli 120 l/jam... 58 Gambar 4.11 Grafik efektifitas praktek dan teori untuk seluruh variasi... 59
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Nilai konduktifitas termal untuk beberapa fluida... 6 Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida... 27 Tabel 3.1 Spesifikasi minyak pelumas Evalube Duo Tranz SAE 40... 39 Tabel 3.2 Variabel pengumpulan data... 40 Tabel 4.1 Hasil pengujian data AA1... 48 Tabel 4.2 Analisis pengolahan data AA1 eksperimental... 51 Tabel 4.3 Analisis data pengolahan... 52 Tabel 4.4 Hasil perhitungan teoritis dengan tiga kali iterasi... 53 Tabel 4.5 Analisa data teoritis... 55 Tabel 4.6 Tabel perbandinan efektifitas teori dan eksperimental... 55
DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN k Konduktifitas thermal W/m.K A luas penampang tegak lurus bidang m 2 ΔT Perbedaan Temperatur o C 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 P Keliling penampang aliran fluida m T s T Temperatur Permukaan Benda Temperatur lingkungan sekitar benda o C o C ε Efektifitas % σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2.K 4 ṁ Laju aliran massa fluida kg/s Re Bilangan Reynold DD Diameter Pipa m D h Diameter hidrolik m Nu Pr Bilangan Nusselt Bilangan Prandtl D o Diameter Luar Tabung m D i Diameter Dalam Tabung m
Nu i Nu o Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar L Panjang tabung m RR Tahanan Termal m 2. C/W A i Luas area permukaan dalam APK m 2 A o Luas area permukaan luar APK m 2 U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m 2 C Q Laju Perpindahan Panas W m c Laju aliran massa fluida dingin kg/s m h 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 rata-rata C T c Suhu fluida dingin rata-rata 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 Q Kapasitas aliran fluida lpj (liter per jam)