1 ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN BERLAWANAN DENGAN VARIASI TEMPERATUR AIR PANAS MASUK PADA KAPASITAS ALIRAN YANG KONSTAN SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : WIRANATA SINURAT NIM : 100401102 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2015
2 ABSTRAK Penggunaan Alat Penukar Kalor sekarang ini adalah sudah luas dan dapat dikatakan sebagai suatu cara untuk meningkatkan efektifitas dan kualitas produk dengan cara memanfaatkan panas yang terbuang menjadi suatu pemanas ataupun sebaliknya memanfaatkan suhu buangan yang rendah menjadi suatu pendingin. Penelitian ini bertujuan untuk memeriksa kondisi Alat Penukar Kalor di Pendidikan Teknologi Kimia Industri (PTKI) Medan dengan menghitung temperatur keluar Alat Penukar Kalor dengan metode NTU, perhitungan data di lapangan, dan dengan simulasi komputer Ansys Fluent. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 25,6 % pada temperatur fluida panas masuk (T h,i ) 90 C dan temperatur fluida dingin masuk (T c,i ) 30 C pada debit masuk fluida panas 100 l/jam dan debit masuk fluida dingin 500 l/jam. Untuk perhitungan data di lapangan diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 37,7 % pada temperatur fluida panas masuk (T h,i ) 80 C dan temperatur fluida dingin masuk (T c,i ) 30 C pada debit masuk fluida panas 100 l/jam dan debit masuk fluida dingin 500 l/jam. Untuk perhitungan simulasi Ansys Fluent diperoleh efektifitas APK maksimum adalah 26 % pada temperatur fluida panas masuk (T h,i ) 60 C dan temperatur fluida dingin masuk (T c,i ) 30 C pada debit masuk fluida panas 100 l/jam dan debit masuk fluida dingin 500 l/jam. Dari perhitungan dengan metode NTU dan Ansys Fluent, dapat disimpulkan bahwa Alat Penukar Kalor di PTKI dalam kondisi kurang baik dan sangat dianjurkan untuk dilakukan maintenance. Kata Kunci : Efektifitas, Alat Penukar Kalor tabung sepusat, temperatur fluida masuk, debit aliran masuk.
ii ABSTRACT Nowday, using of the Heat Exchanger is widely used and as a way to increase of efectiveness and quality of the product by using waste heat become a heater or by using waste temperature outlet that colder become refrigating system. This research focussed on checking the condition of the Heat Exchanger in Institute Technology of Chemistry Industry by calculating the outlet temperature of the Heat Exchanger on NTU method, in-site calculation, and Ansys Fluent calculation. Using NTU method, the maximum efectiveness is obtained 25,6 % at hot fluid inlet (T h,i ) 90 C and cold fluid inlet (T c,i ) 30 C at 100 l/jam hot fluid flow rate and 500 l/jam cold fluid flow rate. In site calculation, the maximum efectiveness is obtained 37,7 % at hot fluid inlet (T h,i ) 80 C and cold fluid inlet (T c,i ) 30 C at 100 l/jam hot fluid flow rate and 500 l/jam cold fluid flow rate. Using Ansys Fluent, the maximum efectiveness is obtained 26 % at hot fluid inlet (T h,i ) 60 C and cold fluid inlet (T c,i ) 30 C at 100 l/jam hot fluid flow rate and 500 l/jam cold fluid flow rate. According to the calculation of NTU method and Ansys Fluent, it can be concluded that condition of the Heat Exchanger in Institute Technology of Chemistry Industry isn t good and it is recommended to get some maintenance. Keyword : Efectiveness, Concentric Tube Heat Exchanger, inlet temperature of the fluid, flow inlet.
iii 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 Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini berjudul Analisis dan Simulasi Keefektifan Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Aliran Berlawanan dengan Variasi Temperatur Air Panas Masuk Pada Kapasitas Aliran yang Konstan. 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. Kedua Orang Tua penulis, Almen Sinurat dan Nelsiana Simatupang yang tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, keringat, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan kepada ibunda Kalina Sinaga yang telah melahirkan penulis ke dunia 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. Ibu Darni selaku kepala Laboratorium OTK/OS di Pendidikan Teknologi Kimia Industri (PTKI) yang telah membantu penulis dalam pengambilan data skripsi. 6. Kakak penulis dan adik penulis, Priska Sandi Sinurat dan Ivan Suryadi Sinurat atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan yang diberikan. 7. Law rencius Simanjuntak selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap badai tantangan yang menghadang.
iv 8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa. 9. Raymond Ebenezer Sipayung atas bantuan dan dukungan selama kuliah dan pengerjaan skripsi. 10. Agelina Simanjuntak atas dukungan, doa, dan semangat yang telah 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, April 2015 Penulis Wiranata Sinurat NIM. 100401102
v DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... i iii v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... x xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latarbelakang... 2 1.2 Tujuan Penelitian... 2 1.3 Batasan Masalah Penelitian... 2 1.4 Manfaat Penelitian... 2 1.5 Metodologi Penulisan... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor... 5 2.2 Jenis Alat Penukar Kalor... 5 2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 9 2.3.1 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)... 11 2.3.2 Shell And Tube Heat Exchanger... 15 2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas... 21 2.4.1 Konduksi... 21 2.4.2 Konveksi... 22
vi 2.4.3 Radiasi... 23 2.5 Internal Flow (Aliran Dalam)... 24 2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa... 24 2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa... 27 2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh... 28 2.7 Faktor Kotoran... 30 2.8 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean Temperature Difference (LMTD)... 32 2.8.1 Aliran Paralel (Sejajar)... 33 2.8.2 Aliran Berlawanan... 36 2.9 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Metode Keefektifan-NTU... 38 2.10 Ansys Fluent... 43 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 49 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian... 49 3.2 Alat dan Bahan... 49 3.2.1 Alat... 49 3.2.2 Bahan... 54 3.3 Metode Pengumpulan Data... 54 3.4 Metode Pengolahan Data... 55 3.4.1 Metode Pengolahan Data Lapangan... 56 3.4.2 Metode Pengolahan Data Secara Teori... 57 3.4.3 Metode Pengolahan Data Secara Simulasi... 58 3.5 Skema Percobaan... 59
vii BAB IV ANALISA DATA... 60 4.1 Analisa Secara Teori (Metode NTU)... 60 4.2 Analisa Data Lapangan... 71 4.3 Analisa Secara Simulasi... 75 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 82 5.1 Kesimpulan... 82 5.2 Saran... 82 DAFTAR PUSTAKA... 83 LAMPIRAN... 85
viii DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Centrifugal Chiller... 6 Gambar 2.2 Kondensor... 6 Gambar 2.3 Cooler... 7 Gambar 2.4 Evaporator... 7 Gambar 2.5 Reboiler tipe steam-heated forced circulation untuk menara destilasi... 8 Gambar 2.6 : Heat Exchanger... 8 Gambar 2.7 Alat Penukar kalor tabung sepusat (Pipa Polos)... 14 Gambar 2.8 Alat Penukar kalor tabung sepusat (Dengan sirip lurus memanjang)... 15 Gambar 2.9 Bentuk cangkang berdasarkan TEMA... 17 Gambar 2.10 Bentuk sekat... 20 Gambar 2.11 : Perpindahan Panas secara Konduksi... 22 Gambar 2.12 : Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa... 23 Gambar 2.13 : Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas... 24 Gambar 2.14 : Alat penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat... 27 Gambar 2.15 : Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat... 29 Gambar 2.16 : Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis D i D o dan A i A o... 30 Gambar 2.17 : Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan
ix fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor... 32 Gambar 2.18 : Distribusi temperatur aliran sejajar... 33 Gambar 2.19 : Distribusi temperatur aliran berlawanan... 36 Gambar 3.1 alat penukar kalor tabung sepusat... 49 Gambar 3.2 Flowmeter Air Dingin... 50 Gambar 3.3 Flowmeter Air Panas... 51 Gambar 3.4 Panel Pengaturan dan Pembacaan... 51 Gambar 3.5 Pompa Air Panas... 52 Gambar 3.6 Thermostat... 53 Gambar 3.7 Laptop... 53 Gambar 3.8 Metode Pengumpulan Data... 54 Gambar 3.9 Diagram alir pengolahan data lapangan... 56 Gambar 3.10 Diagram alir pengolahan data secara teori... 57 Gambar 3.11 Diagram alir pengolahan data secara simulasi... 58 Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat... 61 Gambar 4.2 Termokopel... 74 Gambar 4.3 Geometry APK tabung sepusat... 75 Gambar 4.4 Mesh APK Aliran air panas 100 l/jam... 75 Gambar 4.5 Mesh APK Aliran air panas 200 l/jam... 76
x DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik... 28 Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida... 32 Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) 70 Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan... 72 Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan menggunakan Ansys Fluent... 76 Tabel 4.4 Efektifitas APK dengan metode NTU, perhitungan di lapangan, dan dengan Ansys Fluent... 79
xi 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 T s T ε Temperatur Permukaan Benda Temperatur lingkungan sekitar benda Efektifitas o C o C σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m 2.K 4 ṁ Laju aliran massa fluida kg/s Re Bilangan Reynold Diameter Pipa m D h Diameter hidrolik m p Keliling penempang pipa m Nu Pr Bilangan Nusselt Bilangan Prandtl D o Diameter Luar Tabung m
xii D i Diameter Dalam Tabung m Nu i Nu o Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar L Panjang tabung m 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 ṁ c Laju aliran massa fluida dingin kg/s ṁ 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 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