Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah SKRIPSI Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : M. YOKI AL MAHIR 110401159 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016
ABSTRAK Alat penukar kalor pipa konsentris tiga saluran merupakan versi pengembangan atau perbaikan alat penukar kalo pipa konsentris dua saluran. Alat penukar kalor tiga saluran sudah cukup banyak dikembangkan, terutama oleh C.L. Ko dan G.L. Wedekind secara teoritis dan eksperimen. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui temperatur keluaran masing-masing saluran, dan perfomansi alat penukar kalor berdasarkan efektifitas secara eksperimen dan teoritis. Dalam skripsi ini, dilakukan pengembangan dengan cakupan yang lebih luas dari penelitian C.L. Ko dan G.L. Wedekind, yaitu C 1 /C s 1 dan C 1 /C s 1 dalam konfigurasi aliran berlawanan arah dan searah dengan alat penukar kalor yang digunakan sesuai ukuran yang digunakan C.L. Ko dan G.L. Wedekind. Hasil eksperimen bahwa efektifitas rata-rata ± 60% dengan efektifitas tertinggi ± 80,4 % dalam konfigurasi aliran berlawanan, dan efektitas rata-rata ± 43,4% dengan nilai tertinggi ± 55,1% dalam konfigurasi aliran searah. Efektifitas penukar kalor yang diperoleh dari prediksi secara teori, mempunyai perbedaan rata-rata terhadap pengujian ± 9,06% terhadap pengujian dalam aliran berlawanan dan 5,67% dalam aliran searah. Pada percobaan ini juga menunjukkan pergeseran desain optimum berdasarkan efektifitas maksimum yang dipengaruhi distribusi aliran terbagi dari prediksi C.L.Ko dan G.L. Wedekind. Kata Kunci : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe, Split Flow, Overall coefficient convection i
ABSTRACT The triple concentric pipes heat exchanger is an improved or the repair version of double pipe heat exchanger. The research of triple concentric pipe heat exchanger have enough developed, especially by C.L.Ko dan G.L. Wedekind who have given theoretically and experimentally analysis. This research was conducted to determine the output of temperature of each channel and find out perfomance heat exchanger effectiveness is based on experimentally and theoretically. In this essay, the development is doing with a broader scope of research C.L. Ko and G.L. Wedekind, the experiment have done with C 1 /C s 1 and C 1 /C s 1 in both counter flow and paralel flow configuration a heat exchanger used according to the size used C.L. Ko and G.L. Wedekind. The result experiment that average effectiveness is ± 60% with the higgest effectiveness is ± 80.4 % in counter flow configuration and the average effectiveness is ± 43.4% with the higgest effectiveness is ± 55.1 % in paralel flow configuration. Theoretically predicted heat exchanger effectiveness are found on the average different of the experiment ± 9,06% in counter flow configuration and 5,67% in paralel flow configuration. The experiment also show different result of optimum point that predicted by C.L.Ko dan G.L. Wedekind. Keyword : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe, Split Flow, Overall coefficient convection ii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas limpahan berkah dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Skripsi ini berjudul Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah. Dalam menyelesaikan skripsi ini banyak hal yang dihadapi baik teknis dan non teknis.. Penulis telah berupaya dengan keras untuk menyelesaiakn skripsi ini dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis juga benyak mendapat dukungan dan bimbingan yang sangat berharga, baik berupa moril maupun materil. Maka dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Ayahanda dan Ibunda yang selalu memberikan dukungan baik moril dan materil sehingga skripsi ini terselesaikan. 4. Saudara-saudara penulis abangda Wahyu Ramadhan yang memberikan dukungannya dalam menyelesaiakn skrispsi ini 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 6. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011. 7. Keluarga besar HMI Komiariat Teknik USU, HMI Cabang Medan, rekanrekan Instruktur HMI Cabang Medan, dan juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa. iii
Dalam penulisan skripsi ini, dan tentunya masih terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan berupa kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca. Akhirnya penulis mengharapkan, semoga skripsi ini dapat bermanfaat terutama bagi penulis sendiri maupun bagi bagi para rekan-rekan sesama mahasiswa Fakultas Teknik Mesin. Medan, September 2016 M. Yoki Al Mahir 110401159 iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR SIMBOL... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian... 2 1.3 Batasan Permasalahan... 2 1.4 Metode Penelitian... 2 1.5 Sistematika Penulisan... 2 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1 Alat Penukar Kalor... 4 2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 5 2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor... 10 2.3.1 Mesin Refrigasi (Chiller)... 10 2.3.2.Kondensor... 11 2.3.3.Mesin Pendingin (Cooler)... 12 2.3.4. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)... 12 2.3.5.Alat Pemanas Ulang (ReHeater)... 13 2.3.6. Evaporator... 13 2.3.7. Alat Pemanas Air Pengisi Ketel... 14 2.4 Jenis Jenis Heat Exchanger... 14 v
2.5 Analisa Perpindahan Panas... 19 2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi pada Pipa Anulus... 19 2.6 Analisa Alat Penukar Kalor dengan Metode LMTD (Log Mean Temperature Difference)... 23 2.7 Analisa Penukar Kalor dengan Metode ε-ntu (efectivines Number Transfer of Unit)... 29 2.8 Distribusi Temperatur Secara Aksial dan Hubungan ε-ntu pada Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran yang Terbagi... 31 2.8.1 Persamaan-persamaan Diffrensial Membentuk Distribusi Temperatur Aksial... 32 2.8.2 Solusi Umum... 36 2.8.3 Hubungan ε-ntu pada Penukar Kalor Tiga Saluran... 39 2.8.4 Analisa Penukar Panas Aliran yang Berlawanan Arah dengan C 1 = C s... 43 2.9 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Dengan Aliran Terbagi.. 45 BAB III METODE PENELITIAN... 46 3.1 Pendahuluan... 46 3.2 Tempat dan Waktu Penelitian... 46 3.2.1 Tempat Penelitian... 46 3.2.2 Waktu Penelitian... 46 3.3 Metode Penelitian... 46 3.4 Populasi dan Sampel... 47 3.4.1 Populasi Penelitian... 47 3.4.2 Sampel Penelitian... 47 3.5 Teknik Pengumpulan Data... 47 3.6 Instrumen Penelitian... 49 3.6.1 Bahan Penelitian... 49 3.6.1.1 Sumber Air Panas... 49 3.6.1.2 Sumber Air dingin... 49 3.6.2 Alat... 49 3.7 Set Up Eksperimen... 55 3.8 Pengujian dan Pengambilan Data... 57 vi
3.9 Metode Pengolahan Data... 61 3.9.1 Pengolahan Data Eksperimental... 61 3.9.2 Pengolahan Data Secara Teoritis... 62 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 63 4.1 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Pipa... 63 4.2 Pengolahan Data dan Analisa Hasil Ekperimen dan Perhitungan Teoritis... 65 4.2.1 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah (Counter Flow)... 66 4.2.2 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Searah (Paralel Flow)... 73 4.3 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran Terbagi... 76 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN... 61 5.1 Kesimpulan... 77 5.2 Saran... 78 DAFTAR PUSTAKA... xvi LAMPIRAN vii
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar 20 berkembang penuh pada pipa anulus yang tabung dimana yang permukaan diisolasi dan permukaan yang lain temperatur konstan Tabel 2.2 Koefisien pada aliran laminar berkembang penuh di dalam tabung anulus dengan fluks panas konstan 20 viii
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman Gambar 2.1 Parallel flow 4 Gambar 2.2 Counter flow 5 Gambar 2.3 Tidak bersirip dengan satu fluida campur 5 Gambar 2.4 Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur 6 Gambar 2.5 Alat penukar kalor 1-1 pass 7 Gambar 2.6 Alat penukar kalor 1-2 pass 8 Gambar 2.7 Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller) 10 Gambar 2.8 Kondensor 10 Gambar 2.9 Mesin pendingin 11 Gambar 2.10 Alat penukar kalor dengan tabung tipe U 11 Gambar 2.11 Alat pemanasan ulang 12 Gambar 2.12 Evaporator 12 Gambar 2.13 Alat pemanas air pengisi ketel 13 Gambar 2.14 Shell and tube heat exchanger 14 Gambar 2.15 Aliran double pipe heat exchanger 14 Gambar 2.16 Hairpin heat exchanger 15 Gambar 2.17 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan 16 counter current Gambar 2.18 Double-pipe heat exchangers in series 16 Gambar 2.19 Pipa Coil Heat Exchanger 17 Gambar 2.20 Spiral Heat Exchanger 17 Gambar 2.21 Gasket plate exchanger 18 Gambar 2.22 Perpindahan panas pada pipa anulus 18 Gambar 2.23 Bilangan Nusselt dan koefisien yang berpengaruh untuk 21 aliran laminar pada pipa anulus dengan fluks panas konstan, aliran dan profil temperatur telah berkembang penuh. Gambar 2.24 Distribusi suhu APK aliran searah 22 Gambar 2.25 Keseimbangan energi keseluruhan antara fluida panas dan dingin pada penukar panas 23 ix
Gambar 2.26 Distribusi temperatur untuk aliran paralel alat peukar 25 kalor Gambar 2.27 Distribusi temperatur untuk aliran berlawanan alat 28 peukar kalor Gambar 2.28 Skematik alat penukar kalor tiga saluran 31 Gambar 3.1 Alat penukar kalor tiga saluran dengan aliran terbagi 48 Gambar 3.2 Termokopel Type K 49 Gambar 3.3 Penempatan kabel termokopel tipe K pada tabung 49 Gambar 3.4 Data acquisition module type 18200-400 50 Gambar 3.5 WaterFlow sensor 50 Gambar 3.6 Rangkaian water flow sensor dan Arduino Uno R3 51 Gambar 3.7 Display LCD dan Arduino Uno R3 pada waterflow 51 sensor Gambar 3.8 Liquid flowmeter 52 Gambar 3.9 Drum Heater 53 Gambar 3.10 Pompa aquarium sentrifugal 54 Gambar 3.11 Skema alat pengujian dengan konfigurasi aliran searah 54 Gambar 3.12 Diagram alir pengumpulan data 57 Gambar 3.13 Set Up Ekperimen 58 Gambar 3.14 Diagram alir proses pengolahan data teoritis 60 Gambar 4.1 66 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,02 C 1 /C s 1 Gambar 4.2 66 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,07 C 1 /C s 1,05 Gambar 4.3 67 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,99 C 1 /C s 0,95 Gambar 4.4 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,11 C 1 /C s 1,17 67 x
Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,21 C 1 /C s 1,29 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 1,21 C 1 /C s 1,29 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,82 C 1 /C s 0,94 (ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan 0,6 C 1 /C s 0,77 Persentase Kesalahan efektifitas hasil eksperimen dan teoritis (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 1,12 C 1 /C 2 1,01 (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,9 C 1 /C s 0,97 (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,8 C 1 /C s 0,88 (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 C 1 /C 2 0,78 (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 C 1 /C s 0,78 (ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 C 1 /C s 0,78 68 68 69 69 71 72 72 73 73 74 75 xi
Gambar 4.16 Gambar 4.17 Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran berlawanan. Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran searah 81 82 xii
DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan k Konduktifitas thermal W/m.K A Satuan luas permukaan pipa m 2 A 1i Luas perpindahan panas antara saluran 1 dan i m 2 α Parameter tak berdimensi B Koefisien tak tentu b Parameter tak berdimensi cp Panas Jenis Fluida kj/kg.k C i Laju kapasitas panas aliran dalam saluran i W/ K D i Koefisiesn dalam saluran i DD Diameter Pipa m Dh Diameter hidrolik m D o Diameter luar pipa m D i Diamter dalam pipa m L Panjang total alat penukar panas m m i Laju massa aliran dari aliran dalam saluran i (i = 1,2, dan 3) Kg/s N u Ntu P 1i Bilangan Nusselt Jumlah unit perpindahan panas Keliling perpindahan panas antara saluran 1 dan saluran i m (i = 2 dan 3) Q Debit aliran m 3 /s q Laju perpindahan panas total Watt Q 1i S 1 Laju perpindahan panas antara aliran-aliran dalam saluran 1 dan Watt saluran i (i = 2 dan 3) Parameter tak berdimensi T i Temperatur saluran i (i = 1,2, dan 3) C T s Temperatur ekuivalen C U Koefisien perpindahan panas konveksi menyeluruh u Perbedaan temperatur C v Perbedaan temperatur C x Koordinat aksial dari sebuah titik dalam penukar kalor xiii
z Koordinat aksial yang dinormalisasikan ε Efektifitas perpindahan panas α Parameter tak berdimensi β Parameter tak berdimensi ϒ Parameter tak berdimensi λ Rasio kapasitas panas μ Rasio kapasitas aliran ρ Massa jenis fluida Kg/m 3 V Kecepatan fluida m/s μ Viskositas dinamik N.s/m 2 Ɵ * i Ɵ * o Koefisien berpengaruh dalam Koefisien berpengaruh luar C min Kapasitas aliran minimum W/ K ΔT Perbedaan temperatur K T h Temperatur fluida panas K T c Temperatur fluida dingin K Re Bilangan reynold k Konduktivitas thermal W/m. K xiv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran I Lampiran II Lampiran III Lampiran IV Analisa Perhitungan Data Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk penukar kalor dengan konfigurasi aliran berlawanan arah (Counter flow) Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk penukar kalor dengan konfigurasi aliran searah (Paralel flow) Properties of Saturated Water xv