Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat

RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG

SEPUSAT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

HENDRICO (110401090)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

ABSTRAK

Perancangan ini bertujuan untuk merancang alat penukar kalor

tabung sepusat yang digunakan untuk penelitian. Metode yang digunakan

dalam perancangan menggunakan beberapa asumsi untuk menghitung

panjang pipa tabung sepusat, menggunakan metode LMTD sebagai dasar

perhitungan dengan mengasumsikan termperatur fluida panas yang masuk,

temperatur fluida panas keluar, temperatur fludia dingin yang masuk dan

temperatur fluida dingin yang keluar dan diameter tabung bagian dalam.

Dari perhitungan diperoleh panjang pipa tabung sepusat bagian dalam

adalah 1,027 meter, tetapi pada perancangan digunakan panjang tabung

adalah 1,027 meter. Bahan yang digunakan pada perancangan alat penukar

kalor adalah pada tangki merupakan besi plat dengan bahan besi

galvanis,pipa penghubung dengan bahan pipa galvanis dan pipa alat

penukar kalor dengan bahan aluminium. Untuk ukuran tangki fluida

digunakan 300mm x 300mm x 300mm .Alat penukar kalor juga diisolasi

menggunakan glasswool dan dibalut dengan aluminium foil untuk

mencegah kehilangan panas pada saat percobaan. Alat yang digunakan

untuk memanaskan fluida adalah water heater dengan daya 1000 watt dan

alat pengatur temperatur pada alat penukar kalor adalah thermostat.

Kata kunci perancangan, alat penuka kalor tabung sepusat, metode LMTD,

water heater ,isolasi.

ABSTRAK

This design aims to design a concentric tube heat exchanger is used for

research. The method used in the design using several assumptions to

calculate the length of the pipe tube concentric, using LMTD as the basis

for the calculation by assuming termperature hot fluid incoming fluid

temperature hot going out, the temperature cold fluid inlet and fluid

temperature cold out and the diameter of the inner tube , From the

calculations, the length of the inner concentric tube pipe is 1,027 meters,

but the length of the tube design used is 1meters. Materials used in the

design of a heat exchanger in the tank is a steel plate with galvanized iron

materials, pipes connecting with galvanized pipe material and pipe heat

exchanger with aluminum. To size of the fluid tank used 300mm x 300mm x

300mm and also the heat exchanger isolated using glasswool and wrapped

with aluminum foil to prevent heat loss during the experiment. The tools

used to heat the fluid is water heater with 1000 watts power and

temperature control devices for heater is the thermostat.

Keywords design, concentric tube heat exchanger, methods LMTD, water

heater, insulation.

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 “Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tabung

Sepusat”. 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. Ibunda Ratna yang melahirkan penulis kedunia ini serta tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, keringat, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi 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. Saudara - saudara penulis, Juita, Suryani, dan Suwandi atas perhatian dan

dukungan yang telah diberikan kepada penulis

6. Hady Gunawan, Bincent Wijaya, David Oktavianus, dan Wilson Tang selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada.

7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.

8. Daniel C Aritonang atas bantuan dan dukungan selama kuliah dan pengerjaan skripsi.

9. Lily Jungto,Vicky,Nita danVicni 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, Juni 2015 Penulis

Hendrico

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR NOTASI... x

BAB I PENDAHULUAN...1

1.1 Latarbelakang Masalah ... 1

1.2 Batasan Masalah ... 2

1.3 Perumusan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Perancangan ... 2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA...3

2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor ... 3

2.2 Jenis Alat Penukar Kalor... 3

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 7

2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor ... 8

2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger ( Double Pipe ) ... 9

2.3.3 Shell And Tube Heat Exchanger ... 12

2.3.4 Plate Type Heat Exchanger ... 13

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ... 14

2.4.1 Konduksi ... 14

2.4.2 Konveksi ... 15

2.4.3 Radiasi ... 16

2.5Internal Flow (Aliran Dalam) ... 17

2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa ... 17

2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa ... 19

2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ... 20

2.8.1 Aliran Pararel (sejajar)... 16

2.7.2 Aliran Berlawanan ... 19

2.9 Katup ... 27

2.9.1 Gate Valve ... 27

2.9.2 Globe Valve ... 30

2.9.3 Ball Valve ... 33

2.9.4 ButterflyValve ... 35

2.9.5 Check Valve ... 36

2.9.6 Safety Valve ... 40

2.10 Pompa ... 41

BAB III METODOLOGI PENELITIAN...42

3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan... 42

3.1.1 Tempat Pembuatan ... 42

3.1.2 Waktu Pembuatan ... 42

3.2 Membuat Desian Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat ... 42

3.3 Mengambar Desain Dengan Autocad ... 42

3.4 Penyiapan Alat dan Bahan ... 43

3.4.1 Penyiapan Alat ... 43

3.4.2 Penyiapan Bahan ... 46

3.4 Skema Uji Penelitian ... 49

3.5 Diagram Alir ... 50

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN...51

4.1 Perancangan Dimensi ... 51

4.1.1 Perancangan Dimensi Pipa Alat Penukar Kalor ... 51

4.1.2 Perancangan Dimensi Tangki Fluida ... 62

4.1.3 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor ... 64

4.1.4 Perancangan Katup ... 64

4.1.5 Perancangan Dimensi Besi Penyangga ... 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...69

5.1 Kesimpulan ... 69

5.2 Saran ... 69

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Chiller ... 4

Gambar 2.2 Kondensor ... 4

Gambar 2.3 Cooler ... 5

Gambar 2.4 Evaporator ... 5

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler ... 6

Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ... 6

Gambar 2.7 (Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) ... 9

Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger ... 9

Gambar 2.9 Double Pipe Heat Exchanger Aliran Cocurrent dan Counter Current… ... 11

Gambar 2.10 Double Pipe heat exchanger in series ... 11

Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ... 11

Gambar 2.12 Bentuk susunan Tabung ... 12

Gambar 2.13 Shell and tube Heat excchanger ... 12

Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ... 13

Gambar 2.15 Perpindahan Panas Secara Konduksi ... 14

Gambar 2.16 Pendinginan Sebuah Balok yang Panas dengan Konveksi Paksa ... 15

Gambar 2.17 Blackbody disebut sebagai Pemancar dengan arah yang bebas..16

Gambar 2.18 Alat Penukar Kalor Pipa Ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat ... 19

Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat ... 20

Gambar 2.20 Kesetimbang energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada alat penukar kalor ... 21

Gambar 2.21 Distribusi Temperatur Aliran Sejajar ... 22

Gambar 2.22 Distribusi Temperatur Aliran Berlawanan ... 24

Gambar 2.23 Gate Valve ... 27

Gambar 2.24 Rising Stem Gate Valve ... 28

Gambar 2.26 Glove Valve ... 31

Gambar 2.27 Angle Globe,Y-Body,Z-body Glove valve... 32

Gambar 2.28 Ball valve ... 33

Gambar 2.29 Full bore ball valve ... 34

Gambar 2.30 Reduce bore ball valve ... 34

Gambar 2.31 Butterfly Valve ... 35

Gambar 2.32 Swing Check Valve... 36

Gambar 2.33 Lift Check Valve... 37

Gambar 2.34 Swing Type Wafer Check valve ... 38

Gambar 2.35 Split Disk Check Valve ... 39

Gambar 2.36 Split Disc Check Valve ... 39

Gambar 2.37 Safety Valve PSV ... 40

Gambar 3.1 Gunting ... 43

Gambar 3.2 Glasswool ... 43

Gambar 3.3 Aluminium Foil ... 44

Gambar 3.4 Water Heater ... 44

Gambar 3.5 Thermostat ... 44

Gambar 3.6 Laptop Toshiba ... 45

Gambar 3.7 Agilent ... 45

Gambar 3.8 Plat Besi ... 46

Gambar 3.9 Besi Segi Empat... 46

Gambar 3.10 Pipa Aluminium ... 46

Gambar 3.11 Flow Meter ... 47

Gambar 3.12 Stop Keran ... 47

Gambar 3.13 Pompa AR - 107 ... 47

Gambar 3.14 Pompa AR - 1800 ... 48

Gambar 3.15 Pipa besi ... 48

Gambar 3.16 Pipa Fitiing bes ... 48

Gambar 3.17 Skema Uji Alat Penukar Kalor ... 49

Gambar 3.18. Diagaram Alir Pembuatan Alat Penukar Kalor ... 50

Gambar 4.1 Pipa Pada Alat Penukar Kalor ... 51

Gambar 4. 3 Kotak Tangki Fluida ... 63

Gambar 4.4 Besi Hollow Segi Empat ... 64

Gambar 4.5 Stop Kran Sankyo ... 64

Gambar 4.6 Plat Penyangga ... 65

Gambar 4.7 Letak Besi Penyagga ... 66

Gambar 4.8(a) Pompa Armada AR -107... 68

DAFTAR TABEL

Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal

dan permukaan lainnya adiabatik ... 14

Tabel 2.2 Double Pipe Exchanger Fittings ... 17

Tabel 2.3 Double-Pipe Heat Exchanger in Series ... 18

Tabel 4.1 Dimensi Besi Hollow Segi Empat ... 33

Tabel 4.2 Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor ... 34

Tabel 4.3 Konduktivitas Material ... 35

Tabel 4.4 Parameter Dalam Perhitungan 36 Tabel 4.5 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb1 ... 36

Tabel 4.6 Data yang didapatkan dari Tabel Perpindahan Panas untuk Tb2 ,,39 Tabel 4.7 Kekuatan Material………,...41

Tabel 4.8 Jenis Pompa……..………,...44

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

k Konduktifitas thermal W/m.K

A luas penampang tegak lurus bidang m2

ΔT Perbedaan Temperatur oC

q”x Fluks Panas W/m2

μ Viskositas Dinamis N.s/m2

ρ Massa Jenis kg/m3

cp Panas Jenis Fluida J/kg.K

V Kecepatan Fluida m/s

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2K

As Area permukaan perpindahan panas m2

Ts Temperatur Permukaan Benda oC

T_∞ Temperatur lingkungan sekitar benda oC

σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m2.K4

Laju aliran massa fluida kg/s

Re Bilangan Reynold

Diameter Pipa m

Dh Diameter hidrolik m

p Keliling penempang pipa m

Nu Bilangan Nusselt

Pr Bilangan Prandtl

Do Diameter Luar Tabung m

Di Diameter Dalam Tabung m

Nui Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam

Nuo Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

L Panjang tabung m

Tahanan Termal m2. °C/W

Ai Luas area permukaan dalam APK m2

U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m2°C

Q Laju Perpindahan Panas W

c Laju aliran massa fluida dingin kg/s

h Laju aliran massa fluida panas kg/s

cp,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K

cp,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K

Th Suhu fluida panas °C

Tc Suhu fluida dingin °C

Th,i Temperatur fluida panas masuk °C

Th,o Temperatur fluida panas keluar °C

Tc,i Temperatur fluida dingin masuk °C

Tc,o Temperatur fluida dingin keluar °C

ΔTRL Beda Suhu rata-rata logaritma °C

Cc Kapasitas Fluida Dingin W/K

ABSTRAK

Perancangan ini bertujuan untuk merancang alat penukar kalor

tabung sepusat yang digunakan untuk penelitian. Metode yang digunakan

dalam perancangan menggunakan beberapa asumsi untuk menghitung

panjang pipa tabung sepusat, menggunakan metode LMTD sebagai dasar

perhitungan dengan mengasumsikan termperatur fluida panas yang masuk,

temperatur fluida panas keluar, temperatur fludia dingin yang masuk dan

temperatur fluida dingin yang keluar dan diameter tabung bagian dalam.

Dari perhitungan diperoleh panjang pipa tabung sepusat bagian dalam

adalah 1,027 meter, tetapi pada perancangan digunakan panjang tabung

adalah 1,027 meter. Bahan yang digunakan pada perancangan alat penukar

kalor adalah pada tangki merupakan besi plat dengan bahan besi

galvanis,pipa penghubung dengan bahan pipa galvanis dan pipa alat

penukar kalor dengan bahan aluminium. Untuk ukuran tangki fluida

digunakan 300mm x 300mm x 300mm .Alat penukar kalor juga diisolasi

menggunakan glasswool dan dibalut dengan aluminium foil untuk

mencegah kehilangan panas pada saat percobaan. Alat yang digunakan

untuk memanaskan fluida adalah water heater dengan daya 1000 watt dan

alat pengatur temperatur pada alat penukar kalor adalah thermostat.

Kata kunci perancangan, alat penuka kalor tabung sepusat, metode LMTD,

water heater ,isolasi.

ABSTRAK

This design aims to design a concentric tube heat exchanger is used for

research. The method used in the design using several assumptions to

calculate the length of the pipe tube concentric, using LMTD as the basis

for the calculation by assuming termperature hot fluid incoming fluid

temperature hot going out, the temperature cold fluid inlet and fluid

temperature cold out and the diameter of the inner tube , From the

calculations, the length of the inner concentric tube pipe is 1,027 meters,

but the length of the tube design used is 1meters. Materials used in the

design of a heat exchanger in the tank is a steel plate with galvanized iron

materials, pipes connecting with galvanized pipe material and pipe heat

exchanger with aluminum. To size of the fluid tank used 300mm x 300mm x

300mm and also the heat exchanger isolated using glasswool and wrapped

with aluminum foil to prevent heat loss during the experiment. The tools

used to heat the fluid is water heater with 1000 watts power and

temperature control devices for heater is the thermostat.

Keywords design, concentric tube heat exchanger, methods LMTD, water

heater, insulation.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Masalah

Era globalisasi dimulai dengan bermunculannya berbagai teknologi daya guna yang mempermudah manusia melakukan berbagai kegiatan. Teknologi diciptakan tidak hanya untuk mempermudah pekerjaan manusia, tetapi untuk meningkatkan nilai ekonomis juga yang berdampak kepada tingkat kesejahteraan manusia itu juga. Pada era sekarang ini juga kebutuhan manusia semakin meningkat dan bervariasi sehingga dibutuhkan suatu cara yang tepat untuk memenuhi kebutuhan manusia itu sendiri. Tidak dapat dipungkiri bahwa perkembangan zaman berakibat kepada kebutuhan manusia itu.

Sebagai contoh, saat ini kebutuhan manusia akan air hangat sudah dapat diperhitungkan. Oleh karena itu, manusia menciptakan alat yang dapat menghasilkan air panas dengan memindahkan panas. Proses memindahkan panas tersebut dapat berasal dari listrik yang menghasilkan panas yang kemudian berpindah, dan dapat juga berasal dari fluida panas yang bersirkulasi yang kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan air yang lebih panas dengan menggunakan alat yang disebut alat penukar kalor (APK). Berbagai cara dilakukan manusia untuk memenuhi kebutuhannya dengan cara yang lebih ekonomis.

Dalam dunia industri alat penukar kalor ini sangat banyak digunakan. Berbagai jenis alat penukar kalor digunakan untuk mencapai tujuan yang diinginkan, seperti untuk memanaskan produk ataupun untuk mendinginkan produk. Misalkan pada industri zat kimia yang menginginkan suhu tertentu untuk mencegah produk mereka membeku pada saat dialirkan. Untuk mengatasi hal tersebut, dibutuhkan suatu alat yakni alat penukar kalor. Dengan melewatkan temperatur fluida panas didalam alat penukar kalor secara bersamaan akan mengakibatkan terjadinya perpindahan panas, sehingga temperatur fluida zat kimia yang diinginkan dapat diperoleh melalui percobaan.

Demikianlah peranan alat penukar kalor didalam kehidupan manusia yang sangat penting. Pengembangan dan inovasi mengenai alat ini sangat dibutuhkan untuk mencapai nilai guna dan nilai ekonomis yang tinggi dan merancang sebuah alat penukar kalor sederhana yang menyerupai PTKI dimana untuk saat ini alat penukar kalor sederhana tersebut hanya terdapat di PTKI.

1.2Batasan Masalah

Penulis mengkonstruksi sebuah alat penukar kalor yang tujuannya digunakan sebagai alat untuk menganalisa keefektifan model sederhana dari alat penukar kalor di PTKI yang dialiri fluida dengan suhu yang berbeda dengan aliran sejajar dan berlawanan.

1.3Perumusan Masalah

Berdasarkan permasalahan di atas, maka penulis merumuskan masalah yang akan dibahas adalah : Bagaimana perancangan sebuah alat penukar kalor tabung sepusat.

1.4Tujuan Perancangan

Tujuan dari perancangan adalah sebagai berikut:

1. Merancang dan membangun alat penukar kalor dengan referensi alat penukar kalor tabung sepusat di PTKI.

2. Membuat perhitungan dimensi dari model sederhana dari alat penukar kalor tabung sepusat.

3. Menghitung panjang dan diameter kedua pipa alat penukar kalor tabung sepusat.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan melewatkan udara diantaranya.

Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan

logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui dan dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.

2.2 Jenis Alat Penukar Kalor

Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :

a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan

didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon.

Gambar 2.1 Chiller [7]

Sumber : http://muchlis88.blogspot.com/2011/01/8-alat-penukar-kalor.html

b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

Gambar 2.2 Kondensor [7]

c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).

Gambar 2.3 Cooler [9] Sumber: www.aolan-china.com

d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

Gambar 2.4. Evaporator [8] Sumber : www.dytrade.com

e. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler [2]

http://www.slideshare.net/ carawebbumllen/distillation-basic-training.

f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:

• Memanaskan fluida

• Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger [6]

Sumber : http://www.acusim.com/images/apps/pf_hx.jpg

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung

•Tipe dari satu fase

•Tipe dari banyak fase

•Tipe yang ditimbun (storage type)

•Tipe fluidized bed

b. Tipe kontak langsung

• Immiscible fluids • Gas liquid • Liquid vapor

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida

b. Tiga jenis fluida

c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m

4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran

c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass

aliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube)

• Tube ganda (double tube)

• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod baffle)

• Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat

• Tipe pelat

• Tipe lamella

• Tipe spiral

• Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

• Sirip pelat (plate fin)

• Sirip tube (tube fin)

• Heat pipe wall

• Ordinary separating wall

d. Regenerative • Tipe rotary

• Tipe disk (piringan)

• Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass

• Aliran Berlawanan

• Aliran Melintang

• Aliran Split

• Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass

a. Permukaan yang diperbesar (extended surface)

• Aliran counter menyilang

• Aliran paralel menyilang

• Aliran compound

b. Multipass plat

2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular

Exchanger Manufacture’s Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :

2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang ditunjukkan pada gambar 2.3 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 2.3 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau

countercurrent. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat exchanger

merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil,berikut gambar dari aliran ganda pipa berlawanan.

Gambar 2.7 Aliran double pipe heat exchanger [10]

Sumber : http://www.engineeringexcelspreadsheets.com/wp-content/uploads/2011/08/double-pipe-heat-exchanger_counterflow-w-temps.jpg

Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger [11] Sumber : www.lv-soft.com

Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area

yang moderat (range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia dalam :

- Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell (multitube),

- Bare tubes, finned tube, U-Tubes,

- Straight tubes,

- Fixed tube sheets

Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan dipasang pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan

panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel berikut :

Tabel 2.1 : Double Pipe Exchanger fittings Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS 3

2½ 3 4

1¼ 1¼ 2 3

Sumber : http://www.hed-inc.com/brochure.jpg

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the exchanger section.

Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana aliran fluida panas ada pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.

Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current [5] Sumber : Cengel

Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner tubes) maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 4 dan gambar 5.

Gambar 2.10 Double-pipe heat exchangers in series Sumber : output autocad 2004, Mei 2015

Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel

Sumber : output autocad 2004, Mei 2015 Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:

a) Keuntungan

1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.

2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature

cross.

3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.

b) Kerugian

1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.

2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.

3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.

2.3.3 Shell And Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu

annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat).

Gambar 2.12 Bentuk susunan tabung [1] Sumber : Incropera

Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan

Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger [12] Sumber: www.cheresources.com

Keuntungan dari shell and tube:

1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.

2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.

3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished). 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis

material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.

8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).

9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya

2.3.4 Plate Type Heat Exchanger

plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua

plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. seperti gambar dibawah

Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent [4] Sumber : Sadik Kakac and Hongtan Liu

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas 2.4.1 Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas secara konduksi pada arah x positif.Dan dapat mengukur laju perpindahan panas

qx, dan dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT, yakni

perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang

tegak lurus bidang.

Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka qx

berbanding lurus dengan A. Jika ΔT dan A adalah konstan, maka qx berbanding

terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka qx berbanding lurus dengan

ΔT.

qx ∞ A Δ

Δx (2.1)

Gambar 2.15 Perpindahan Panas secara Konduksi [1] Sumber : Incropera

Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, diteemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk plastik daripada bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA Δ_Δ

x (2.2)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material

yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 didapatkan persamaan untuk

laju perpindahan panas,

qx = -kA _dx (2.3)

atau persamaan flux panas menjadi,

q”x =

qx

A = -k dx (2.4)

2.4.2 Konveksi

Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.

Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi

juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen.

Gambar 2.16 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [5] Sumber : Cengel

Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.

Qkonveksi = hAs(Ts - T∞) (2.5)

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area

permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞

merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.4.3. Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat

didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Diffuse

dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 2.17 : Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas [5] Sumber : Cengel

Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan pada tahun 1879 dan dapat dituliskan

Eb (T)= σT 4 (w/m2) (2.6)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. Eb merupakan kekuatan emisifitas blackbody.

2.5 Internal Flow (Aliran Dalam) 2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa

Cairan atau gas yang melewati pipa atau duct biasanya digunakan dalam proses pemanasan ataupun pendinginan. Fluida yang digunakan dalam banyak aplikasi tersebut dipaksa untuk mengalir dengan menggunakan kipas ataupun pompa melalui sebuah pipa yang panjang yang diharapkan terjadi perpindahan panas. Pada aliran dalam dibatasi oleh luas permukaan bagian dalam pipa, dan terdapat batasan seberapa besar lapisan batas dapat berkembang. Aliran dalam adalah bukan aliran yang bebas sehingga dibutuhkan suatu alternatif. Kecepatan

fluida didalam pipa berubah dari nol pada permukaan karena tidak ada slip yang terjadi, sampai kecepatan maksimum pada pusat pipa. Disisi lain, sangat nyaman untuk menghitung dengan menggunakan kecepatan rata-rata u dengan asumsi bahwa aliran adalah inkompresibel pada saat luas permukaan pipa konstan.

Kecepatan rata-rata aktual pada saat kondisi pemanasan dan pendinginan dapat berubah karena perubahan massa jenis dengan temperatur. Secara praktis dihitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya konstan. Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum kekekalan massa, yakni

ṁ = ρuAc = _A ρu(r,x)dAc

c (2.7)

ṁ adalah laju aliran massa, ρ adalah rapat massa, Ac adalah luas permukaan, dan u(r,x) adalah profil kecepatan. Sehingga kecepatan rata-rata untuk aliran inkompresibel pada sebuah pipa dengan radius R adalah

u = Acρu(r,x)dAc

ρAc

= 0 ρu(r,x)2฀rdr ρ฀R2 =

2

R2 0 u(r,x)rdr (2.8)

Aliran didalam pipa dapat berupa aliran laminar ataupun turbulen, bergantung pada kondisi aliran. Aliran fluida digambarkan dengan menggunakan garis arus dan pada kecepatan yang rendah terjadi aliran laminar, tetapi berubah menjadi aliran turbulen ketika kecepatannya meningkat melalui nilai kritis. Transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen tidak terjadi dalam waktu yang singkat, namun itu terjadi melalui rentang kecepatan yang fluktuatif diantara laminar dan turbulen sebelum aliran tersebut menjadi aliran yang turbulen. Kebanyakan aliran yang masuk kedalam pipa adalah turbulen. Aliran laminar terjadi ketika fluida yang mengalir memiliki viskositas yang tinggi seperti minyak yang mengalir didalam pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada jarak yang dekat. Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran, bilangan Reynold didefenisikan sebagai

Re =

μ = v (2.9)

u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah viskositas kinematik fluida.

Untuk aliran yang mengalir pada pipa yang tidak memiliki penampang lingkaran, bilangan Reynold bergantung pada diameter hidraulik Dh yang didefenisikan sebagai

Dh = 4Ac

p (2.10)

p adalah keliling penampang pipa. Dengan menghitung bilangan Reynold, dapat ditentukan jenis aliran yang terjadi

Re < 2300 aliran laminar

2300 ≤ Re ≤ 10000 aliran transisi

Re > 10000 aliran turbulen

Ketika perbedaan temperatur antara permukaan pipa dengan fluida kerja besar, sangat penting untuk menghitung variasi kekentalan dengan temperatur. Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar yang berkembang pada sebuah pipa berpenampang lingkaran dapat ditentukan dengan persamaan Sieder dan Tate (1936) yakni

Nu = 1,86 Re Pr D L 1/3 _μ b μs 0,14 (2.11)

Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali μs dihitung

pada temperatur permukaan pipa.

Untuk aliran turbulen berkembang penuh didalam pipa yang halus, sebuah persamaan sederhana untuk menghitung bilangan Nusselt dapat diperoleh yakni

Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3 (2.12)

dengan syarat bahwa : 0,7 ≤ Pr ≤ 160

Re > 10000

Persamaan diatas disebut Persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi

Nu = 0,023 Re0,8 Pr n (2.13)

Untuk proses pemanasan digunakan n = 0,4 dan untuk proses pendinginan digunakan n = 0,3. Persamaan ini disebut Persamaan Dittus-Boelter (1930) dan persamaan ini lebih baik daripada persamaan Colburn.

2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa

Beberapa peralatan pemindah panas terdiri dari dua pipa sepusat, yang biasanya disebut alat penukar kalor pipa ganda. Pada alat tersebut, salah satu

fluida mengalir didalam pipa sedangkan fluida yang lainnya mengalir didalam ruang annulus. Persamaan pembentuk untuk kedua aliran adalah identik.

Gambar 2.18 Alat penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari dua pipa sepusat [5]

Sumber:Cengel

Dengan menganggap diameter dalam Di dan diameter luar Do, diameter

hidraulik annulus adalah

Dh = 4Ac p =

4฀(Do 2_–

Di 2

) ฀(Do + Di)

= Do - Di (2.14)

Pada alat penukar kalor tabung sepusat ini terdapat dua bilangan Nusselt, yakni pada permukaan dalam pipa Nui dan pada permukaan dalam pipa Nuo.

Bilangan Nusselt untuk aliran laminar yang berkembang penuh dengan permukaan yang temperaturnya konstan dan permukaan luarnya diisolasi, dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 2.2 : Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik

Sumber : Cengel

Di/Do Nui Nuo

0 - 3,66

0,05 17,46 4,06

0,10 11,56 4,11

0,25 7,37 4,23

0,50 5,74 4,43

Jika bilangan Nusselt diketahui, koefisien perpindahan panas untuk permukaan pipa bagian dalam dan bagian luar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

Nui=

hi Dh

k (2.15)

Nuo=

ho Dh

k (2.16)

2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Sebuah alat penukar kalor terdiri dari 2 fluida yang mengalir yang dipisahkan oleh sebuah dinding yang solid. Pertama sekali panas dipindahkan dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, kemudian melewati dinding melalui konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi melalui konveksi. Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi yang mengalir didalam dinding solid pseperti pada gambar,dimana dindin yang solid ini akan di aliri fluida dan mengakitbatkan perpindahan panas dari fluida ke dinding-dinding solid tersebut, dapat di lihat pada gambar berikut.

Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat [5]

2.7 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor, sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas menyeluruh, dan luas permukaan total untuk laju perpindahan panas. Persamaan perpindahan panas antara fluida panas dan fluida dingin adalah setimbang. Jika Q

adalah laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik, dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, diperoleh persamaan yang ada didalam perhitungan,dimana berikut gambar dari kesetimbangan energy total untuk fluda pansa dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor.

Gambar 2.20 : Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor

q = ṁc(ic,o – ic,i)= ṁh(ih,i – ih,o) (2.17) i adalah entalpi fluida. Subscript h dan c adalah menandakan fluida hot (panas)

dan fluida cold (dingin), sedangkan subscript i dan o adalah kondisi inlet (masuk) dan outlet (keluar) fluida. Jika fluida tidak mengalami perubahan fasa dan diasumsikan pada kondisi panas jenis yang konstan, maka persamaan menjadi

Q = ṁhcp,h(Th,i – Th,o)= ṁccp,c(Tc,o – Tc,i) (2.18) Jika Thdan Tcadalah suhu kedua fluida yang berada di elemen dA dari

permukaan alat penukar kalor. Maka laju perpindahan panas yang terjadi diantara kedua fluida melaui elemen dA dapat dituliskan sebagai berikut

2.7.1 Aliran Paralel (Sejajar)

Laju perpindahan panas = Laju perpindahan panas pada fluida panas pada fluida dingin

Gambar 2.21 : Distribusi temperatur aliran sejajar

Sumber : Incropera dQ = ṁhcp,h(-dTh)= ṁccp,c(dTc) (2.20)

atau

dQ = -ṁhcp,h(dTh) = ṁccp,c(dTc) (2.21)

ṁh = Laju aliran massa fluida panas (kg/s)

ṁc= Laju aliran massa fluida dingin (kg/s) cp,h = Panas jenis fluida panas (J/kg.K)

cp,c = Panas jenis fluida dingin (J/kg.K)

Th,i = Temperatur fluida panas masuk (K)

Th,o = Temperatur fluida panas keluar (K)

Tc,i = Temperatur fluida dingin masuk (K)

Panas yang dilepas = Panas yang dilepas oleh fluida panas oleh fluida dingin

(dTh< 0) (dTc>0)

dTh = - _ṁdQ h cp,h

(2.22)

dTc =

dQ ṁc cp,c

(2.23)

dTh– dTc = d (Th– Tc) (2.24)

= - _ṁṁdQ

h cp,h − dQ ṁṁc cp,c

(2.25) = -dQ _ṁ1

h cp,h +_ṁ1

c cp,c

(2.26)

dTh – dTc= -U dA (Th – Tc) _ṁ1 h cp,h

+_ṁ1 c cp,c

(2.27) d (Th – Tc)

Th– Tc

= -U dA 1

ṁh cp,h + 1

ṁc cp,c

(2.28

dengan mengintegralkan kedua ruas, maka d (Th– Tc)

Th – Tc Th,o , Tc,o

Th,i , Tc,i = -U 1 ṁh cp,h

+_ṁ1 c cp,c

dA

A

0 (2.29)

ln Th-Tc

Th,i , Tc,i Th,o , Tc,o

= -U A _ṁ1

h cp,h +_ṁ1

c cp,c

(2.30)

ln(Th,o , Tc,o)– ln(Th,i , Tc,i) = -U A

1 ṁh cp,h

+ 1 ṁc cp,c

(2.31)

ln Th,o , Tc,o Th,i , Tc,i

= -U A 1

ṁh cp,h + 1

ṁc cp,c

(2.32) berdasarkan neraca entalpi bahwa laju perpindahan panas Q :

Q = ṁh cp,h (Th,i– Th,o)= ṁc cp,c(Tc,o– Tc,i)

diperoleh persamaan : ṁh cp,h =

Q Th,i -Th,o

(2.33) ṁc cp,c =

Q Tc,o -Tc,i

(2.34)

ln Th,o , Tc,o Th,i , Tc,i

= -U A Th,i - Th,o

Q +

Tc,o -Tc,i

Q (2.35)

= - U A

Q [Th,i – Th,o+ Tc,o – Tc,i] =U A

Q[(Th,o –Tc,o) – (Th,i – Tc,i)]

Q = U A [(Th,o–Tc,o) – (Th,i– Tc,i)] ln Th,o , Tc,o

Th,i , Tc,i

(2.36) bila :

ΔT2 = Th,o –Tc,o (2.37)

ΔT1 = Th,i– Tc,I (2.38)

maka persamaan Q menjadi :

Q = U A ΔT2 - ΔT1 lnΔT2

ΔT1

(2.39) atau

Q = U A ΔTRL = U A (LMTD) (2.40)

2.7.2 Aliran Berlawanan

Laju perpindahan pana s = Laju perpindahan panas pada fluida panas pada fluida dingin

Gambar 2.22 : Distribusi temperatur aliran berlawanan

Sumber:Incropera dQ = ṁhcp,h(-dTh)= ṁccp,c(-dTc)

atau

dQ = -ṁhcp,h(dTh) = -ṁccp,c(dTc)

Panas yang dilepas = Panas yang dilepas

(dTh< 0) (dTc< 0) dTh = - _ṁdQ

h cp,h

dTc = -

dQ ṁc cp,c

dTh– dTc = d (Th– Tc)

= - _ṁṁdQ

h cp,h

+ _ṁṁdQ c cp,c = -dQ 1

ṁh cp,h - 1

ṁc cp,c

dTh– dTc= -U dA (Th– Tc)

1 ṁh cp,h

- 1 ṁc cp,c

d (Th– Tc) Th– Tc

= -U dA 1

ṁh cp,h - 1

ṁc cp,c

dengan mengintegralkan kedua ruas, maka d (Th– Tc)

Th – Tc Th,o , Tc,i

Th,i , Tc,o = -U 1 ṁh cp,h

- _ṁ1 c cp,c

dA

A 0

ln Th-Tc

Th,i , Tc,o Th,o , Tc,i

= -U A 1

ṁh cp,h - 1

ṁc cp,c

ln(Th,o , Tc,i)– ln(Th,i , Tc,o) = -U A _ṁ1

h cp,h - _ṁ1

c cp,c

ln Th,o , Tc,i Th,i , Tc,o

= -U A 1

ṁh cp,h - _ṁ1

c cp,c

(2.41) berdasarkan neraca entalpi bahwa laju perpindahan panas Q :

Q = ṁh cp,h (Th,i– Th,o)= ṁc cp,c(Tc,o– Tc,i)

diperoleh persamaan : ṁh cp,h =

Q Th,i -Th,o ṁc cp,c =

Q Tc,o -Tc,i

ln Th,o , Tc,i Th,i , Tc,o

= -U A Th,i - Th,o Q -

Tc,o -Tc,i Q

= - U A

=U A

Q[(Th,o–Tc,i) – (Th,i– Tc,o)]

Q = U A [(Th,o –Tc,i) – (Th,i – Tc,o)] ln Th,o , Tc,i

Th,i , Tc,o

(2.42) bila :

ΔT2 = Th,o –Tc,I

(2.43) ΔT1 = Th,i – Tc,o

(2.44)

maka persamaan Q menjadi :

Q = U A ΔT2 - ΔT1 lnΔT2

ΔT1

(2.45) atau

Q = U A ΔTRL = U A (LMTD) (2.46)

2.9 Katup

Valve (Katup) adalah sebuah perangkat yang mengatur, mengarahkan atau mengontrol aliran dari suatu cairan (gas, cairan, padatan terfluidisasi) dengan membuka, menutup, atau menutup sebagian dari jalan alirannya.

Valve (katup) dalam kehidupan sehari-hari, paling nyata adalah pada pipa air, seperti keran untuk air. Contoh akrab lainnya termasuk katup kontrol gas di kompor, katup kecil yang dipasang di kamar mandi dan masih banyak lagi.

Katup memainkan peran penting dalam aplikasi industri mulai dari transportasi air minum juga untuk mengontrol pengapian di mesin roket.

Valve (Katup) dapat dioperasikan secara manual, baik oleh pegangan , tuas pedal dan lain-lain. Selain dapat dioperasikan secara manual katup juga dapat dioperasikan secara otomatis dengan menggunakan prinsip perubahan aliran

tekanan, suhu dll. Perubahan2 ini dapat mempengaruhi diafragma, pegas atau piston yang pada gilirannya mengaktifkan katup secara otomatis.

Macam – macam Valve (katup) yang sering digunakan adalah sebagai berikut : 2.9.1. Gate Valve

Gambar 2.23 Gate Valve

Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Gate valve adalah jenis katup yang digunakan untuk membuka aliran dengan cara mengangkat gerbang penutup nya yang berbentuk bulat atau persegi panjang. Gate Valve adalah jenis valve yang paling sering dipakai dalam sistem perpipaan. Yang fungsinya untuk membuka dan menutup aliran.

Gate valve tidak untuk mengatur besar kecil laju suatu aliran fluida dengan cara membuka setengah atau seperempat posisinya, Jadi posisi gate pada valve ini harus benar benar terbuka (fully open) atau benar-benar tertutup (fully close). Jika posisi gate setengah terbuka maka akan terjadi turbulensi pada aliran tersebut dan turbulensi ini akan menyebabkan :

a) Akan terjadi pengikisan sudut-sudut gate.

laju aliran fluida yg turbulensi ini dapat mengikis sudut-sudut gate yang dapat menyebabkan erosi dan pada akhirnya valve tidak dapat bekerja secara sempurna. b) Terjadi perubahan pada posisi dudukan gerbang penutupnya.

Gerbang penutup akan terjadi pengayunan terhadap posisi dudukan (seat), sehingga lama kelamaan posisi nya akan berubah terhadap dudukan (seat) sehingga apabila valve menutup maka gerbang penutupnya tidak akan berada pada posisi yang tepat, sehingga bisa menyebabkan passing.

Ada 3 jenis gate valve: 1. Rising Stem Gate Valve;

jika dioperasikan handwheel naik dan stem juga naik

Gambar 2.24 Rising Stem Gate valve

Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com. 1. Body

2. Bonnet 3. Seat(s) 4. Disk 5. Stem 6. Back seat 7. Packing 8. Gland

9. Gland follower 10. Yoke

11. Stem nut 12. Handwheel

2. Non Rising Stem Gate Valve;

Gambar 2.25 Non risin Stem Gate Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

3. Outside Screw & Yoke Gate Valve;

jika di operasikan handwheel tetap tapi stemnya naik.

Rising Stem & Non Rising Stem digunakan untuk tekanan yang tidak terlalu tinggi, dan tidak cocok untuk getaran. Outside Screw & Yoke Gate Valve amat cocok digunakan untuk high pressure. Biasanya OS & Y banyak di gunakan di lapangan minyak, medan yang tinggi, temperature tinggi. Karena pada OS & Y stem naik atau turun bisa dijadikan sebagai penanda. Contoh, apabila stem tinggi itu menandakan posisi valve sedang buka penuh. Pada dasarnya body & bonet pada gate terbuat dari bahan yang sama.

Keuntungan menggunakan Gate Valve : 1. Low pressure drop waktu buka penuh

2. Amat ketat dan cukup bagus waktu penutupan penuh 3. Bebas kontaminasi

4. Sebagai Gerbang penutupan penuh, sehingga tidak ada tekanan lagi. Cocok apabila akan melakukan service / perbaikan pada pipa

Kerugian menggunakan Gate Valve :

1. Tidak cocok di pakai untuk separuh buka, karena akan menimbulkan turbulensi sehingga bisa mengakibatkan erosi dan perubahan posisi gate pada dudukan 2. Untuk membuka dan menutup valve perlu waktu yang panjang dan memerlukan

torsi / torque yang tinggi;

3. Untuk ukuran 10 “ keatas tidak cocok dipakai untuk steam.

2.9.2. Globe Valve

Globe Valve adalah jenis Valve yang digunakan untuk mengatur laju aliran fluida dalam pipa,berikut gambar dari glove valve.

Gambar 2.26 Glove Valve

Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Prinsip dasar dari operasi Globe Valve adalah gerakan tegak lurus disk dari dudukannya. Hal ini memastikan bahwa ruang berbentuk cincin antara disk dan cincin kursi bertahap sedekat Valve ditutup.

Ada tiga jenis desain utama bentuk tubuh Globe Valve, yaitu: Z-body, Y-body dan Angle- body :

 Z-Body desain adalah tipe yang paling umum yang sering dipakai, dengan diafragma berbentuk Z. Posisi dudukan disk horizontal dan pergerakan batang

disk tegak lurus terhadap sumbu pipa atau dudukan disk. Bentuknya yang simetris memudahkan dalam pembuatan, instalasi maupun perbaikannya.

 Y-Body desain adalah sebuah alternatif untuk high pressure drop. Posisi dudukan disk dan batang (stem) ber sudut 45˚ dari arah aliran fluidanya. Jenis ini sangat cocok untuk tekanan tinggi

 Angle-Body desain adalah modifikasi dasar dari Z-Valve. Jenis ini digunakan untuk mentransfer aliran dari vertikal ke horizontal.

Gambar 2.27Angle Glove,Y-Body,Z-Body Globe valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com. Macam-macam bentuk Disc/plug dari Globe Valve :

a. Type Plug Disk b. Tipe Regulating disk c. Tipe flat disk

d. Tipe soft seat disk e. Tipe guide disk

Keuntungan menggunakan Globe valve adalah :

 Kemampuan dalam menutup baik.

 kemampuan throttling (mengatur laju aliran) Cukup baik. Kelemahan utama penggunaan Globe Valve adalah:

 Penurunan tekanan lebih tinggi dibandingkan dengan Gate Valve

 Valve ukuran besar membutuhkan daya yang cukup atau aktuator yang lebih besar untuk beroperasi

2.9.3 Ball Valve

Ball Valve adalah sebuah Valve atau katup dengan pengontrol

aliran berbentuk disc bulat (seperti bola/belahan). Bola itu memiliki lubang, yang berada di tengah sehingga ketika lubang tersebut segaris lurus atau sejalan dengan kedua ujung Valve / katup, maka aliran akan terjadi.

Tetapi ketika katup tertutup, posisi lubang berada tegak lurus terhadap ujung katup, maka aliran akan terhalang atau tertutup.

Gambar 2.28 Ball Valve

Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com

Ball valve banyak digunakan karena kemudahannya dalam perbaikan dan kemampuan untuk menahan tekanan dan suhu tinggi. Tergantung dari material apa mereka terbuat, Bal Valve dapat menahan tekanan hingga 10.000 Psi dan dengan temperature sekitar 200 derajat Celcius.

Ball Valve digunakan secara luas dalam aplikasi industri karena mereka sangat serbaguna, dapat menahan tekanan hingga 1000 barr dan suhu hingga 482 ° F (250 ° C). Ukurannya biasanya berkisar 0,2-11,81 inci (0,5 cm sampai 30 cm).

Ball Valve dapat terbuat dari logam , plastik atau pun dari bahan keramik. Bolanya sering dilapisi chrome untuk membuatnya lebih tahan lama. Ada 2 tipe Ball Valve yaitu :

a.Full bore ball valve

Gambar 2.29 Full Bore Ball Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Full bore ball valve adalah tipe ball valve dengan diameter lubang bolanya sama dengan diameter pipa. Jenis full bore ball valves biasanya digunakan pada blow down, piggable line, production manifold, pipeline dll.

b. Reduced bore ball valves

Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Reduced bore ball valves adalah jenis ball valve yang diameter lubang bolanya tidak seukuran dengan ukuran pipa. Minimum diameter bola katup yang

berkurang adalah satu ukuran lebih rendah dari ukuran diameter pipa sebenarnya. Misalnya ukuran diameter pipa 4 inci dan diameter bola valve adalah 3 inchi. 2.9.4. Butterfly Valve

Butterfly Valve adalah valve yang dapat digunakan untuk mengisolasi atau mengatur aliran. Mekanisme penutupan mengambil bentuk sebuah disk . system pengoperasiannya mirip dengan ball valve, yang memungkinkan cepat untuk menutup. Butterfly Valve umumnya disukai karena harganya lebih murah di banding valve jenis lainnya. desain valvenya lebih ringan dalam berat dibanding jenis-jenis valve yang lain. Biaya pemeliharaan biasanya pun lebih rendah karena jumlah bagian yang bergerak minim.

Sebuah butterfly valve, diilustrasikan pada Gambar di bawah ini, adalah gerakan valve berputar yang digunakan untuk berhenti, mengatur, dan mulai aliran fluida. Butterfly Valve mudah dan cepat untuk dioperasikan karena rotasi 90o yang digerakkan oleh handwheel dengan menggerakkan disk dari tertutup penuh ke posisi terbuka penuh

Gambar 2.31 Butterfly Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

2.9.5. Check Valve

Check valve adalah alat yang digunakan untuk membuat aliran fluida hanya mengalir ke satu arah saja atau agar tidak terjadi reversed flow/back flow.

Ketika laju aliran fluida sesuai dengan arahnya, laju aliran tersebut akanmembuat plug atau disk membuka. Jika ada tekanan yang datang dari arahberlawanan, maka plug atau disk tersebut akan menutup.

Jenis-jenis check valve : a. Swing Check Valve

Gambar 2.32 Swing Check Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

check valve tipe ini terdiri atas sebuah disk seukuran dengan pipa yang

digunakan, dan dirancang menggantung pada poros (hinge pin) di bagian atasnya. Apabila terjadi aliran maju atau foward flow, maka disk akan terdorog oleh tekanan sehingga terbuka dan fluda dapat mengalir menuju saluran outlet. Sedangkan apabila terjadi aliran balik atau reverse flow, tekanan fluida akan mendorong disk menutup rapat sehingga tidak ada fluida yang mengalir. Semakin tinggi tekanan balik semakin rapat disk terpasang pada dudukannya.

Gambar 2.33 Lift Check Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Penggunaan untuk fluida steam, gas, maupun liquid yang mempunyai flow yang tinggi.

dalam konfigurasinya mirip dengan globe valve hanya saja pada globe valve putaran disk atau valve dapat dimanipulasi sedangkan pada lift check valve tidak (karena globe valve adalah jenis valve putar dan control valve).

Port inlet dan outlet dipisahkan oleh sebuah plug berbentuk kerucut yang terletak pada sebuah dudukan, umumnya berbahan logam. Ketika terjadi foward flow, plug akan terdorong oleh tekanan cairan sehingga lepas dari dudukannya dan fluida akan mengalir ke saluran outlet. Sedangkan apabila terjadi reverse flow, tekanan fluda justru akan menempatkan plug pada dudukannya, semakin besar tekanan semakin rapat pula posisi plug pada dudukannya, sehingga fluida tidak dapat mengalir.

bahan dari dudukan plug adalah logam, hal ini mempertimbangkan tingkat kebocoran yang sangat sedikit dari check valve tersebut. Umumnya lift check valve digunakan untuk aplikasi fluida gas karena tingkat kebocoran yang kecil. Penggunaan check valve tipe lift ini di industri adalah untuk mencegah aliran balik condensate ke steam trap yang dapat menyebabkan terjadinya korosi pada turbin uap. Keuntungan menggunakan lift check valve adalah terletak pada kesederhanaan desain dan membutuhkan sedikit pemeliharaan. Kelemahannya adalah instalasi dari check valve jenis lift hanya cocok untuk pipa horisontal dengan diameter yang besar.

Back water valve, banyak digunakan pada sistem pembuangan air bawah tanah yang mencegah terjadinya aliran balik dari saluran pembuangan saat terjadi banjir. Saat banjir saluran pembuangan akan penuh dan bertekanan tinggi sehingga memungkinkan terjadinya aliran balik, dengan menggunakan back water valve, hal ini dapat diatasi dengan baik.

d. Swing Type Wafer Check Valve

Gambar 2.34 Swing Type Wafer Check Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

Dalam penggunaan swing check valve dan lift check valve terbatasi hanya untuk pipa ukuran besar (diameter DN80 atau lebih). jadi sebagai solusinya adalah dengan menggunakan wafer check valve. Dengan menggunakan wafer ceck valve dapat digunakan tubing dengan ukuran yang mengerucut pada satu sisinya

sehingga dapat diaplikasikan pada pipa yang lebih kecil ukurannya. e. Disk Check valve

Gambar 2.35 Disk Check Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

 No spring – Digunakan di mana perbedaan tekanan di valve kecil.

 Heavy duty spring – Hal ini meningkatkan tekanan pembukaan yang diperlukan. Bila dipasang pada line boiler water feed, dapat digunakan untuk mencegah uap boiler dari kebanjiran ketika mereka unpressurised.

f. Split disc check valve

Gambar 2.36 Split Disc Check Valve Sumber : www.eryhartoyo.wordpress.com.

check valve jenis ini adalah terdiri dari disk yang bagian tengahnya merupakan poros yang memungkinkan disk bergerak seolah terbagi dua bila didorong dari arah yang benar (foward flow) dan menutup rapat bila ditekan dari arah yang salah (reverse flow).

2.9.6. Safety Valve

Safety valve adalah jenis valve yang mekanismenya secara otomatis melepaskan zat dari boiler, Bejana tekan, atau suatu sistem, ketika tekanan atau temperatur melebihi batas yang telah ditetapkan.

Cara kerja Pressure Safety Valve :

Pressure savety valve mempunyai tiga bagian utama yaitu inlet, outlet dan spring set. Fluida bertekanan berada pada inlet PSV. PSV posisi menutup selama tekanan fluida lebih kecil dibandingkan tekanan spring pada spring set. Sebaliknya jika tekanan fluida lebih tinggi dibandingkan tekanan spring set maka springset akan bergerak naik dan membuka katup yang akan membuang tekanan melalui outlet sampai tekanan fluida maksimal sama dengan tekanan spring set

Gambar 2.37 Safety Valve PSV [13] Sumber : www.insiyoer.com 2.10 Pompa

Pengertian pompa secara sederhana sesuai dengan fungsinya adalah alat untuk mentransport fluida. Fungsi yang lainnya adalah untuk mensirkulasi fluida

ke sistem dan mengubah energi mekanik menjadi energy fluida.Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge).

P=Q x H x ρ x g

Dimana:

Q = debit output per pompa (m3/s) H = Head pompa (m)

ρ = massa jenis fluida (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) Pw = Daya pompa (Watt)

Head pompa adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap.

Kecepatan aliran

Faktor lain yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan dimensi pipa adalah kecepatan aliran. Dalam batasannya telah ditetapkan pada peraturan menteri pekerjaan umum no.18 tahun 2007 sebagai berikut:

 Kecepatan maksimum = 3 - 4,5 m/detik  Kecepatan minimum = 0,3 – 0,6 m/detik

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1Tempat dan Waktu Pembuatan

3.1.1 Tempat Pembuatan

Tempat pembuatan merupakan lokasi pengerjaan alat dibuat. Pembuatan alat di buat di Titi Kuning Medan Sumatera Utara.

3.1.2 Waktu Pembuatan

Waktu pembuatan yang dibutuhkan adalah 35 hari yaitu pada 15 mei 2015 – 20 juni 2015.

3.2Membuat Desain Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat

Dalam mengkonstruksi alat penukar kalor tabung sepusat , maka terlebih dahulu membuat desain dan dimensi dari rangka alat penukar kalor tabung sepusat,berikut dimensi alat penukar kalor tabung sepusat yang akan di buat.

Tabel 3.1 Bahan Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat

No Nama Bagian Satuan Dimensi Jumlah

1 Plat besi P x L x T mm 300 x 300 x 20 12

2 Besi Pejal P x Φ mm 600 x 9.5 4

3 Besi Hollow P x L x T mm 31.5 x 31.5 x 1855 4

4 Pipa Aluminium P x Φ mm 1130 x 15 1

5 Pipa Besi P x Φ mm 1000 x 20 5

3.3Mengambar Desain Dengan Autocad

AutoCad adalah salah satu software yang digunakan untuk menggambar teknik, misalnya untuk perancangan suatu bangunan atau konstruksi (denah, tampak, potongan, dsb). Software ini memiliki kemampuan dalam pengolahan gambar berbentuk dua atau tiga dimensi. AutoCad merupakan software yang dibuat oleh Autodesk Inc.

Dimana pada perancangan alat penukar kalor ini ,penulis menggunakan software autocad. Hasil gambar desain alat penukar kalor dapat di lihat pada lampiran .

3.4 Penyiapan Alat dan Bahan

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan bahan- bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut ini adalah alat- alat dan bahan- bahan yang diperlukan dalam mengkonstruksi alat penukar kalor 3.4.1. Penyiapan Alat

Berikut ini adalah alat- alat yang diperlukan dalam pengerjaan mesin alat penukar kalor.

1. Gunting

Alat ini digunakan untuk menggunting aluminium foil dan Glasswall

Gambar 3.1. Gunting

2. Glasswool

Glass wool digunakan untuk melapisi tabung sepusat untuk meminimalisasi panas yang keluar atau sebagai isolator.

 Panjang : 21 cm

Gambar 3.2. Glasswool 3. Aluminium Foil

Aluminium foil digunakan untuk membungkus tabung sepusat,setelah glasswool agar panas hamper tidak keluar ketika percobaan

Gambar 3.3. Aluminium Foil 4. Water Heater

Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang ada didalam kotak.

Gambar 3.4 Water Heater

 Panjang : 30cm

5. Thermostat

Digunakan bersamaan dengan heater dimana thermostat akan di rangkai dengan heater sehingga temperature fluida dapat di jaga.

Gambar 3.5 Termostat 6. Laptop

Laptop digunakan dalam pembuatan pemograman pada Excel dan pendesainan dengan menggunakan software Autocad.

Gambar 3.6. Laptop Toshiba 7. Agilent

Agilent digunakan untuk mengukur temperatur pada kentang, dimana alat ini bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran dalam bentuk file Ms. Excel.

 Tempreratur : 0 – 120 0C

Tipe : Tecra A8

Processor : CentrinoDuo Ram : 2 GB

Gambar 3.7. Termokopel merek Agilent Spesifikasi :

Tipe : Agilent 34970A

Buatan : Belanda

Jumlah sensor termokopel : 20 channels multiplexer

Volt : 250 V

3.4.2 Penyiapan Bahan

Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan mesin alat penukar kalor.

1. Plat Besi

Digunakan sebagai tempat menampung fluida panas, fluida buangan, dan fluida dingin.

Gambar 3.8 Plat Besi 2. Besi Segi Empat

Digunakan sebagai rangka alat penukar kalor .

 Panjang : 2 m

 Tebal : 2 mm

Gambar 3.9 Besi Segi Empat 3. Pipa Aluminium

Sebagai tempat mengalirnya fluida.

Gambar 3.10 Pipa Aluminium

4. Flow Meter

Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran air dalam satuan liter / joule

Gambar 3.11 Flow Meter

 Panjang : 10 m

 Tebal : 2 mm

 Panjang : 1 m

 Diamter Dalam : 13 mm

 Tebal Pipa : 1 mm

Merk : Showa

Tipe : AFI-102

5. Stop Keran (Ball Valve)

Stop keran digunakan sebagai pemutus atau penyambung aliran fluida.

Gambar 3.12 Stop Keran 6. Pompa AR-107

Pompa digunakan untuk mendorong fluida masuk ke dalam tangki fluida pada alat penukar kalor,

Gambar 3.13 Pompa AR-107 7. Pompa AR-1800

Pompa digunakan untuk mendorong fluida yang mengalir dalam pengujian alat penukar kalor.

Gambar 3.14 Pompa AR-1800

 Panjang : 40 mm

 Diamter Dalam : 13 mm

 Tinggi Maksimum : 1.5 m

 Aliran Maksimum : 1500 Liter/jam

 Frekueinsi pompa : 50 Hz

 Daya Pompa : 28 W

 Tinggi Maksimum : 3m

 Aliran Maksimum : 3000 liter/jam

 Frekueinsi pompa : 50 Hz

8. Pipa Besi

Pipa besi digunakan sebagai tempat mengalirny fluida panas dan dingin.

Gambar 3.15 Pipa Besi

9. Pipa Fitting Besi

Dimana pipe ini digunakan untuk menyambung pipa pada bagian ujung belokkan 2 arah.

Gambar 3.16 Pipa Fitting Besi

 Diameter luar pipa : 20mm

3.4 Skema Uji Alat Penukar Kalor Berikut adalah skema uji penelitian :

FLUIDA DINGIN Tangki Panas

Pompa Aquarium Centrifugal

Stop Kran

F

I

Tangki Dingin

Pompa Aquarium Centrifugal Stop Kran

F

I

Rotameter

Alat Penukar Kalor FLUIDA PANAS

Stop Kran

Stop Kran

Stop kran _{Stop kran}

Tangki panas Rotameter

Pompa Aquarium Centrifugal

FLUIDA DINGIN

FLUIDA PANAS

3.5 Diagram Alir

Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor, sebelumnya diperlukan tahapan- tahapan dalam proses pembuatannya hingga menghasilkan sebuah model jadi.

MULAI

STUDI LITERATUR

PERHITUNGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR, Din dan L

MENGAMBAR DESAIN ALAT PENUKR KALOR DENGAN AUTOCAD

PERAKITAN ALAT PENUKAR KALOR

APAKAH DIAMETER DAN PANJANG SESUAI

STANDARD?

SELESAI YA

TIDAK

BAB IV

PERANCANGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR

4.1. Perancangan Dimensi

Sebelum melakukan perancangan alat penukar kalor ini, terlebih dahulu haruslah mengetahui kemampuan yang dapat dicapai alat ( heater ) dan diameter pipa yang akan di bangun.

Pertama- tama, menghitung dimensi dari bagian alat penukar kalor : 4.1.1 Perancangan Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor

Dimensi pipa pada perancangan alat penukar kalor ini dibedakan menjadi 3 jenis pipa dimana penggolongan pipa ini berdasarkan fungsi yaitu pipa besi galvanis ½ in untuk jalur aliran fluida , pipa aluminium ½ in sebagai alat penukar kalor dalam tabung sepusat dan pipa besi galvanis 11

4 in sebagai annulus. Berikut gambar dan tabel pipa aluminium dan besi.

Gambar 4.1 Pipa Pada Alat Penukar Kalor

Sumber : Autocad 2007, Agustus 2015 Adapun alasan digunakan pipa – pipa pada alat penukar tabung sepusat yaitu sebagai berikut

1.Diameter Pipa besi galvanis yang digunakan pada alat penukar kalor selain pipa tabung sepusat,didapatkan dari persamaan kontinuitas yaitu

Dimana :

Q = Kapasitas Aliran ( m3/s ) V = Kecepatan Aliran ( m/s ) A = Luas Penampang Pipa ( m2 )

Dengan : Nilai Q berdasarkan asumsi pemakaian air panas yang akan digunakan dihotel, dengan jumlah kamar 100, 1 kamar mandi jumlah pengunjung 2 orang per hari dan banyaknya air yang digunakan per orang adalah 60 liter /

Jam.

Maka : Q = 2 Orang x 100 Kamar x 1 Kamar mandi x 60 liter Q = 2 x 100 x 1 x 60

Q = 12000 L / Hari Q = 500 L / Jam Q = 1.39 x 10-4 m3 / s

V = Nilai kecepatan aliran diasumsikan 1.1 m / s =�

= 1

4

2

0.000139 =1

4 3.14

2 _1.1

= 12.67

Oleh karena itu digunakan pipa dengan diameter ½ inch yaitu 13 mm dengan kecepatan aliran 1.04 m /s

2.Alasan Pipa dengan diameter ½ in dengan bahan aluminium adalah sebagai berikut :

 Bahan aluminium memiliki konduktivitas panas lebih tinggi dibanding dengan bahan yang lain, berikut tabel konduktivitas material.

Tabel 4.1 Konduktivitas Material

No Nama Material Konduktivitas Ketika Temperature ( 300 K ) W/m .K

1 Aluminium 237

2 Berryllium 200

7 Katup ball, Terbuka Penuh 0.05

8 Katup ball, 1/3 tertutup 5.5

 Agar lebih mudah mengatur debit fluida yang mengalir dalam pipa di bandingkan dengan gate valve karena gate valve memakan waktu dan mengurangi kemudahan dalam pengujian.

4.1.5 Perancangan Dimensi Besi Penyangga

Besi penyangga pada alat penukar kalor digunakan besi pejal untuk menahan tabung sepusat agar tabung sepusat dapat kokoh ketika mendapat goncangan dari luar dan di cat agar tidak mudah terjadi korosi. Berikut gambar dari besi penyangga.

Gambar 4.6 Plat Penyangga

Sumber : Autocad 2007, Agustus 2015 Dimana panjang dan diameter besi penyangga adalah 600 x Φ 20mm.

Sumber : Autocad 2007, Agustus 2015 4.1.6 Perancangan Daya Pompa

Perancangan pompa pada alat penukar kalor dengan memperhitungkan kehilangan pada pipa dan belokan pada pipa, berikut rumus yang digunakan :

 Head Loss Major

� =

2

Dimana :

Hf = Head Loss major ( m )

L = Panjang Pipa ( m ) D = Diameter pipa ( m )

g = Percepatan Gravitasi ( m/s2) v = Kecepatan Aliran ( m/s ) = Koefisien gesek

 Head Loss Minor

=

2

2

Dimana :

Hf = Head Loss minor ( m )

V = Kecepatan ( m/s )

K = Koefisien head loss minor

 Daya pompa

= � ���

Dimana :

P = Daya pompa ( watt ) Q = Debit Aliran ( m3 /s )

g = Percepatan gravitasi ( m/s2)

Berikut perhitungan Daya pompa 1 :

� = 0.027

2.1 � (3.13 / 2₎

0.013 9.81 / 2

= 6.485

= 2.43 (3.13 /

2₎

2 � 9.81 / 2

= 1.21

= � ���

Dengan Tinggi Head = 1.8 m

= 0.000278 3/ � 995.7 ₃ � 9.4 � 9.81 ₂

30.1 �

Dengan Perancangan Efisiensi Pompa 80 % Maka daya pompa menjadi 37.63 Watt

Berikut perhitungan Daya pompa 2 :

� = 0.04

0.89 � (3.13 2) /

0.013 9.81 / 2

= 2.74

= 3.53 (3.13

2_{) /}

2 � 9.81 / 2

= 1.77

= � ���

Dengan Tinggi Head = 0.25 m

= 0.000278 3/ _{� 995.7}

3 � 4.37 � 9.81 2

19.414 �

Dengan Perancangan Efisiensi Pompa 80 % Maka daya pompa menjadi 24.26 Watt

Maka didapatkan daya pompa 1 melalui perhitungan adalah 37.63 Watt, maka pompa yang digunakan adalah pompa dengan daya 60 watt,untuk pompa 2 didapatkan daya melalu perhitungan adalah 24.26 watt maka digunakan Pompa dengan daya 28 watt.

a. Armada AR - 1800 b. Armada AR -105

Gambar 4.8(a). Pompa Armada AR – 107 dan (b). Armada AR - 105 Tabel 4.11 Jenis Pompa

No Jenis Daya Aliran

Maksimum

Tinggi Maksimum Jumlah 1 Armada AR –

105

60 Watt

3000 L / H 3 m 1

2 Armada AR - 1800

28 Watt

1500 L / H 1.5 m 2

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh dari perancangan alat penukar kalor tabung sepusat adalah sebagai berikut :

1. Alat penukar kalor tabung sepusat telah dirancang dan dibangun.

2. Melalui perhitungan didapatkan tangki fluida 300mm x 300mm x 300mm atau 27 liter dan diameter pipa penghubung pada alat penukar kalor adalah 13 mm dengan panjang keseluruhan pipa tersebut adalah 10,23 m dan berbahan galvanis.

3. Panjang kedua pipa alat penukar kalor tabung sepusat yang didapatkan dari perhitungan adalah 1,027 m, pipa bagian dalam berdiameter 13mm

dengan bahan aluminium dan pipa bagian luar berdiameter 32 mm berbahan galvanis.

5.2 Saran

Adapun saran dari penulis adalah sebagai berikut :

1. Pemakaian alat penukar kalor sebaiknya menggunakan fluida yang bersih karena dapat merusak bagian alat penukar kalor.

2. Pada bagian pipa tabung sepusat,jika dapat menggunakan pipa tembaga akan lebih baik dibanding pipa aluminium .

3. Pada pipa annulus, jika dapat mengurangi ukuran 1 ¼ in menjadi lebih kecil akan lebih baik.

4. Pada saat pengujian menggunakan fluida selain air agar memperhatikan temperatur dan kandungan fluida karena dapat berpotensi merusak ala

DAFTAR PUSTAKA

[1] Incropera, Frank P., David P. Dewitt. 1985. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Second Edition. John Wiley & Sons Inc. : New York [2] Mullen(2015).Thermo Siphon Re-Boiler .From http://www.slideshare.net/

carawebbumllen/distillation-basic-training.

[3] Tejas M Ghiwala and Dr V k Matawla (2014) Heat exchanger : Triple

concentric,Double Pipe, Sizing, Overall Heat Transfer Coefficients. ISSN 2321-9939

[4] Sadik Kakac and Hongtan Liu (March 2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd Edition ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6

[5] Yunus A. Cengel.2002. HeatTransfer A Practical Approach, Second Edition.Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore

[6] Acusim(2015). Konstruksi alat penukar kalor Sumber :http://.acusim.com-/images/apps/pfhx.jpg

[7] Muchlis (2013).Alat Penukar Kalor. From

http://muchlis88.blogspot.com/2011/01/8-alat-penukar-kalor.html, 22 Juli 2015.

[8] Dytrade (2015).Evaporator .From www.dytrade.com [9] Aolan (2015) . Cooler. From www.Aolan-China.com

[10] John (2015). Heat Exchanger Counter Flow Engineering Excel Spreads Sheets Sumber http://www.engineeringexcelspreadsheets.com/wp- content/uploads/2011/08/double-pipe-heat-exchanger_counterflow-w-temps.jpg

[11] Peter (2013). Hairpin Heat Exchanger .From www.lv-soft.com

[12] Cheresources (2010). Shell and Tube Heat Exchanger. From www.cheresources.com

[13] Insiyoer ( 2015 ). Pressure Safety Valve. From www.insiyoer.com