UNIVERSITAS DIPONEGORO PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE TUGAS AKHIR ARIF BUDIANTO L2E 008 021 FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG FEBRUARI 2013
TUGAS AKHIR Diberikan Kepada : Naa : Arif Budianto NIM : L2E 008 021 Dosen Pebibing Jangka Waktu Judul : Dr. Syaiful, ST, MT : 6 bulan (ena bulan) : Pengebangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai Optial Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Isi Tugas : 1. Merancang sebuah software yang bisa digunakan untuk encari nilai optial desain sebuah shell and tube baik dengan sisipan plat aupun tidak ke dala pipa. 2. Untuk engetahui dan eahai perbedaan bilangan Nusselt dan pressure drop dengan ada atau tidaknya sisipan plat ke dala pipa. Searang, 26 Februari 2013 Pebibing, Dr. Syaiful, ST.MT. NIP. 197403081999031005 ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan seua suber baik yang dikutip aupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. NAMA : Arif Budianto NIM : L2E 008 021 Tanda Tangan : Tanggal : 26 Februari 2013 iii
HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh : Naa : Arif Budianto NIM : L2E 008 021 Jurusan/Progra Studi : Teknik Mesin Judul Skripsi : Pengebangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai Optial Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Telah berhasil dipertahankan di hadapan Ti Penguji dan diteria sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk eperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan/Progra Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. TIM PENGUJI Pebibing : Dr. Syaiful, ST, MT ( ) Penguji : Prof. Dr. A.P. Bayuseno, M.Sc ( ) Penguji : Ir. Babang Yunianto, M.Sc ( ) Penguji : Dr. Achad Widodo, ST, MT ( ) Searang, 26 Februari 2013 Jurusan Teknik Mesin Ketua, Dr. Sulardjaka NIP. 197104201998021001 iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akadeika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini : Naa : ARIF BUDIANTO NIM : L2E 008 021 Jurusan/Progra Studi : TEKNIK MESIN Fakultas : TEKNIK Jenis Karya : SKRIPSI dei pengebangan ilu pengetahuan, enyetujui untuk eberikan kepada Universitas Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya iliah saya yang berjudul: PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini Universitas Diponegoro berhak enyipan, engalih edia/foratkan, engelola dala bentuk pangkalan data (database), erawat dan epublikasikan tugas akhir saya selaa tetap encantukan naa saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai peilik Hak Cipta. Deikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di : Searang Pada Tanggal : 26 Februari 2013 Yang enyatakan (ARIF BUDIANTO) NIM. L2E 008 021 v
HALAMAN PERSEMBAHAN Tugas Akhir ini saya persebahkan untuk: Ayahanda Abdullah Adiyanto, Ibunda Eni NIngsih, dan keluarga tercinta serta Isa Fuaida yang senantiasa eberikan dukungan, doa, dan ateriil ereka kepadaku. Apa yang telah ereka berikan akan selalu saya kenang, karena dengan adanya ereka, saya bisa berjuang untuk eperoleh gelar Sarjana Teknik ini. Teria Kasih. vi
ABSTRACT Applied a coputerized syste is not only to siplify the working syste in a copany but also to find the optial value of a design to ake it ore efficient. In this research, a coputer progra is designed by Visual Basic 2010 that can be used to siplify the design of shell and tube. The ethodology that used to find the optial value of shell and tube design is a for of the algorith. Stages of the algorith used as a guide in aking a Visual Basic 2010 prograing language consist of input, process and output. In this software there are two types of shell and tube. They are shell and tube with and without insert plate into the pipe. The shapes plates insert which are designed in this software are longitudinal plate, longitudinal plate with additional holes, and torsional plate with twists angles (α: 15:3 0, 24.4 0, and 34.4 0 ). Keywords: Shell and tube, Plate insert, Visual Basic 2010, Optial design vii
ABSTRAK Siste koputerisasi yang diterapkan tidak hanya bertujuan untuk eperudah siste kerja pada sebuah perusahaan tetapi juga untuk encari nilai optial sebuah desain agar lebih efisien. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah perangkat lunak dengan enggunakan bantuan bahasa perograan Visual Basic 2010 yang dapat digunakan untuk eperudah dala erancang desain shell and tube. Metodologi yang digunakan dala perancangan desain shell and tube ini berupa tahapan algorita. Tahapan algorita dijadikan panduan dala ebuat bahasa perogaan Visual Basic 2010 yang berupa input, proses, dan output. Dari software yang dibuat ada dua jenis shell and tube yang bisa dirancang, yaitu jenis shell and tube tanpa sisipan dan dengan sisipan plat kedala pipa. Bentuk sisipan plat yang bisa dirancang dala software ini yaitu sisipan plat longitudinal, sisipan plat longitudinal dengan tabahan lubang, dan sisipan plat puntir dengan sudut puntir (α: 15.3 0, 24.4 0, dan 34.4 0 ). Kata kunci : Shell and tube, Sisipan plat, Visual Basic 2010, Desain optial. viii
KATA PENGANTAR Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena berkat rahat-nya, penulis dapat enyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE. Tugas akhir ini erupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi pada progra strata satu (S1) di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Searang. Pada kesepatan ini penulis ingin engucapkan teria kasih atas bibingan, bantuan, serta dukungan kepada Dr. Syaiful, ST, MT, selaku Dosen Pebibing. Dala penulisan tugas akhir ini penulis enyadari banyak kekurangan. Oleh karena itu segala kritik yang bersifat ebangun akan diteria dengan senang hati untuk keajuan bersaa. Akhir kata penulis berharap seoga laporan tugas akhir ini dapat eberikan anfaat kepada siapa saja yang ebutuhkan data aupun referensi yang ada dala laporan ini. Teria kasih. Searang, 26 Januari 2013 Penulis ix
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN TUGAS SARJANA... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi ABSTRACT... vii ABSTRAKSI... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR LAMPIRAN... xiii DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR GAMBAR... xvi NOMENKLATUR... xviii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Batasan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Metode Penelitian... 4 1.5 Sisteatika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI... 7 2.1. Pengertian Optiasi... 7 2.2. Pengertian Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)... 7 2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor... 7 2.4. Penukar Kalor Jenis Shell and Tube... 12 2.3.1. Jenis-jenis alat penukar kalor shell and tube... 12 x
2.3.2. Diaeter pipa di dala cangkang (shell)... 15 2.3.3. Susunan berkas pipa... 16 2.3.4. Sekat (baffle)... 17 2.4. Perhitungan Perancangan Penukar Kalor Jenis Shell and Tube... 19 2.4.1. Tata letak pipa (tube-sheet)... 19 2.4.2. Beda teperatur rata-rata logaritik (LMTD)... 20 2.5. Pertibangan Uu Desain Shell and Tube Exchanger... 22 2.5.1. Fluida sisi shell dan sisi pipa... 22 2.5.2. Kecepatan fluida sisi shell dan sisi pipa... 23 2.5.3. Penurunan tekanan (pressure drop)... 24 2.6. Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Pipa... 25 2.6.1. Perpindahan panas aliran lainar... 25 2.6.2. Perpindahan panas aliran turbulen... 25 2.6.3. Konduktivitas Teral Fluida Capuran Pada EGR cooler 26 2.6.4. Faktor perpindahan kalor, jh... 28 2.6.5. Faktor koreksi viskositas... 28 2.6.6. Penurunan tekanan sisi pipa... 29 2.7. Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Shell... 30 2.7.1. Metode Kern... 30 2.7.2. Langkah perhitungan perpindahan kalor sisi shell... 31 2.7.3. Pressure drop sisi cangkang (shell)... 33 BAB III PERANGKAT LUNAK SHELL AND TUBE... 34 3.1. Software Aplikasi... 34 3.1.1. Mengenal Visual Basic.NET (VB.NET)... 34 3.1.2. Mengenal Integrated Developent Environent (IDE)... 36 3.2. Tapilan Antaruka Pengguna (User Interface)... 42 3.2.1. Pentingnya user interface... 42 3.2.2. Prinsip prinsip desain user interface... 42 3.2.3. Proses desain user interface... 46 3.3. Perangkat Lunak Perancangan Shell and Tube... 47 xi
3.4. Flowchart Optiasi Desain Shell and Tube... 50 3.5. Perhitungan bilangan Nusselt dan faktor gesekan dengan sisipan plat... 56 BAB IV ANALISA HASIL PENERAPAN PROGRAM... 57 4.1. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Tanpa Sisipan Plat... 58 4.2. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Untuk EGR Cooler... 60 4.3. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Dengan Sisipan Plat ke Dala Pipa... 62 4.4. Proses Perhitungan Optiasi Desain Shell and Tube... 70 4.5. Analisa Pengaruh Sisipan Plat Terhadap Paraeter Perpindahan Kalor... 78 4.5.1. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi pipa... 79 4.5.2. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi shell... 81 4.5.3. Pengaruh sisipan plat terhadap koefisien perpindahan kalor total... 83 4.5.4. Pengaruh sisipan plat terhadap luas perpindahan kalor... 85 4.5.5. Pengaruh sisipan plat terhadap panjang penukar kalor... 87 4.5.6. Pengaruh sisipan plat terhadap julah pipa penukar kalor... 89 4.5.7. Pengaruh sisipan plat terhadap bilangan Nusselt... 91 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 94 5.1 Kesipulan... 94 5.2 Saran... 95 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN 1. LAMPIRAN 2. LAMPIRAN 3. LAMPIRAN 4. LAMPIRAN 5. LAMPIRAN 6. LAMPIRAN 7. LAMPIRAN 8. LAMPIRAN 9. LAMPIRAN 10. LAMPIRAN 11. LAMPIRAN 12. LAMPIRAN 13. LAMPIRAN 14. LAMPIRAN 15. Tabel. properti fisik air. Tabel properti fisik udara. Tabel koefisien perpindahan kalor total. Tabel faktor pengotor (Fouling Factor). Grafik faktor koreksi suhu: 1 laluan shell; 2 atau lebih lewatan genap sisi pipa. Grafik faktor koreksi suhu: 2 laluan shell; 4 atau kelipatan 4 laluan pipa. Grafik faktor koreksi suhu: divided-flow shell; 2 atau lebih laluan pipa genap. Grafik faktor koreksi suhu, split flow shell, 2 laluan pipa. Grafik koefisien gesek sisi pipa. Grafik faktor perpindahan panas sisi shell. Grafik keofisien gesekan sisi shell. Tabel properti aterial. Tabel konstanta konduktivitas teral gas. Tabel properti fisik olekul gas. Pengoperasian software optiasi desain shell and tube. xiii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Diensi standar ketebalan pipa (ASME)... 16 Tabel 2.2. Konstanta tata letak pipa... 20 Tabel 4.1. Data asukan (Input)... 57 Tabel 4.2. Hasil validasi dengan penelitian Kara dan Guraras[1]... 58 Tabel 4.3. Hasil validasi dengan penelitian Chiu dan Jang[2]... 59 Tabel 4.4. Data asukan (input) perancangan EGR cooler... 60 Tabel 4.5. Hasil perhitungan perancangan desain shell and tube untuk EGR cooler... 61 Tabel 4.6. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat longitudinal (chiu dan jang).. 65 Tabel 4.7. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan plat longitudinal dengan tabahan lubang (chiu dan jang)... 66 Tabel 4.8. Hasil perbandingan perancangan shell and tubetanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-a (chiu dan jang)... 67 Tabel 4.9. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-b (chiu dan jang)... 68 Tabel 4.10. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat puntir-c (chiu dan jang)... 69 Tabel 4.11. Variasi kecepatan sisi asuk pipa... 78 Tabel 4.12. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi pipa antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 80 Tabel 4.13. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi shell antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 82 Tabel 4.14. Hasil perbandingan koefisien perpindahan kalor keseluruhan antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) xiv
Tabel 4.15. Tabel 4.16. Tabel 4.17. Tabel 4.18. dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 84 Hasil perbandingan luas perpindahan kalor antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 86 Hasil perbandingan panjang pipa antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 88 Hasil perbandingan julah pipa antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 90 Hasil perbandingan bilangan Nusselt antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran assa... 92 xv
DAFTAR GAMBAR Gabar 1.1. Flowchart Penelitian... 4 Gabar 2.1 Penukar kalor pipa konsentris... 8 Gabar 2.2 Penukar kalor aliran elintang (a) bersirip dengan kedua fluidanya tidak capur (b) tidak bersirip dengan satu fluida capur dan satu fluida lagi tidak capur... 8 Gabar 2.3 Penukar kalor Shell and Tube dengan satu laluan shell dan satu laluan tube... 9 Gabar 2.4 Penukar kalor Shell and Tube (a) satu laluan shell dan dua laluan tube (b) dua laluan shell dan epat laluan tube... 9 Gabar 2.5 Inti dari copact heat exchangers (a) Fin-tube (pipa datar, sirip plat enyeluruh) (b) Fin-tube (pipa bundar, sirip plat enyeluruh) (c) Fin-tube (pipa bundar, sirip bundar) (d) Plate-fin (laluan tunggal) (e) Plate-fin (laluan banyak)... 10 Gabar 2.6 Fixed-tube plate... 14 Gabar 2.7 U-tube... 14 Gabar 2.8 Internal floating head without clap ring... 15 Gabar 2.9 Internal floating head with clap ring... 15 Gabar 2.10 External floating head, packed gland... 15 Gabar 2.11 Susunan berkas pipa... 17 Gabar 2.12 Jenis penyekat yang digunakan dala penukar panas jenis shell dan tube, Segental, (b) Segraental and strip, dan (c) Disc and doughnut... 18 Gabar 2.13 Profil teperatur (a) Penukar kalor aliran berlawanan (b) 1 laluan shell : 2 laluan pipa (c) Teperatur silang... 21 Gabar 2.14 Diaeter ekivalen sisi pipa... 31 Gabar 2.15 Clearence... 32 Gabar 3.1 Fraework.NET... 34 Gabar 3.2 Tapilan awal Integrated Developent Environent (IDE) VB.NET... 35 Gabar 3.3 Tapilan pebuatan project baru pada VB.NET... 35 xvi
Gabar 3.4 Tapilan jendela IDE VB.NET... 38 Gabar 3.5 For tapilan awal... 46 Gabar 3.6 For data asukan (input)... 46 Gabar 3.7 For data keluaran (output)... 47 Gabar 3.8 For grafik... 47 Gabar 3.9 Flowchart perangkat lunak perancangan shell and tube... 48 Gabar 4.1 Plat longitudinal... 62 Gabar 4.2 Plat longitudinal dengan tabahan lubang... 62 Gabar 4.3 Jenis-jenis sisipan plat puntir (a) plat puntir-a (α: 15.3 0 ) (b) plat puntir-b (α: 24.4 0 ) (c) plat puntir-c (α: 34.3 0 )... 63 Gabar 4.4 Pengaruh laju aliran assa terhadap kerugian tekanan sisi pipa pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 78 Gabar 4.5 Pengaruh laju aliran assa terhadap kerugian tekanan sisi shell pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 80 Gabar 4.6 Pengaruh laju aliran assa terhadap koefisien perpindahan kalor total pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 82 Gabar 4.7 Pengaruh laju aliran assa terhadap luas penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 84 Gabar 4.8 Pengaruh laju aliran assa terhadap panjang pipa penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 86 Gabar 4.9 Pengaruh laju aliran assa terhadap julah pipa penukar kalor pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 88 Gabar 4.10 Pengaruh laju aliran assa terhadap bilangan Nusselt pada berbagai kondisi sisipan plat ke dala pipa... 91 xvii
NOMENKLATUR Daftar sybol Keterangan Satuan Luas penapang sisi pipa 2 A0 Luas area perpindahan kalor 2 Luas penapang sisi shell 2 Panas spesifik J/kg.K Clearence Diaeter bundel Diaeter ekivalen Diaeter dala pipa Diaeter luar pipa Diaeter shell Faktor gesekan Faktor koreksi Fluks assa kg/ 2 s Koefisien perpindahan kalor W/.K Faktor Colburn Konduktivitas teral fluida W/.K Konduktivitas teral aterial W/.K Jarak befel Panjang pipa M Berat olekul kg/ol Julah befel Julah laluan pipa Julah total pipa Julah pipa per laluan P Tekanan bar Bilangan Prandtl Jarak transversal antar pipa xviii
Jarak antar bukit pada plat puntir Q Laju aliran panas W h Habatan perpindahan kalor W/.K Bilangan Reynold Teperatur K Teperatur rata-rata K Kecepatan fluida /s Koefisien perpindahan kalor total W/.K Laju aliran asa kg/s Pressure drop Pa Beda teperatur logaritik K Sibol Yunani Sudut puntir λ Konduktivitas teral gas capuran (W/. 0 C) λtr Konduktivitas teral radius Viskositas dinaik N.s/ 2 Massa jenis fluida kg/ 3 Subscript c j k r Kritis Masuk Koponen j Koponen k Keluar Radius Sisi shell Sisi pipa xix