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
MEDAN
2015

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

ii
Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

Universitas Sumatera Utara

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.

i
Universitas Sumatera Utara

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.

ii
Universitas Sumatera Utara

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.

iii

Universitas Sumatera Utara

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
NIM.110401090

iv
Universitas Sumatera Utara

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 Analisis Alat Penukar Kalor dengan Menggunakan LMTD .......... 21

v
Universitas Sumatera Utara

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
4.1.6 Perancangan Daya Pompa .................................................. 66

vi
Universitas Sumatera Utara

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.........................................................69
5.1 Kesimpulan ................................................................................. 69
5.2 Saran ........................................................................................... 69

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. xi

vii
Universitas Sumatera Utara

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 2.25 Non Rising Stem Gate Valve .................................................... 29

viii
Universitas Sumatera Utara

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 4.2 Plat Besi .................................................................................... 63

ix
Universitas Sumatera Utara

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
Gambar 4.8(b) Pompa Armada AR -1800 ..................................................... 68

x
Universitas Sumatera Utara

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

xi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

k

Konduktifitas thermal

W/m.K

A

luas penampang tegak lurus bidang

m2

ΔT

Perbedaan Temperatur

o

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

o

T∞

Temperatur lingkungan sekitar benda

o

σ

konstanta Stefan-Boltzmann

W/m2.K4

Laju aliran massa fluida

kg/s

Re

C

C

C

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

Ao

Luas area permukaan luar APK

m2

xii
Universitas Sumatera Utara

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

Ch

Kapasitas Fluida Panas

W/K

xiii
Universitas Sumatera Utara