Perancangan Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor

54 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 1 1 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 = � � Universitas Sumatera Utara 55 Dimana : Q = Kapasitas Aliran m 3 s V = Kecepatan Aliran ms A = Luas Penampang Pipa m 2 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 m 3 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 Wm .K 1 Aluminium 237 2 Berryllium 200 3 Boron 27 Universitas Sumatera Utara 56 4 Cadmium 96.8 5 Kromium 93.7 6 Kobalt 99.2 7 Tembaga 401 8 Germanium 59.9 9 Emas 317 10 Iridium 147 11 Besi 80.2 12 Magnesium 156 13 Molybdenum 138 14 Nikel 90.7 15 Platinum 71.6 16 Perak 429 17 Silicon 148 18 Titanium 21.9 19 Tungsten 174 20 Vanadium 30.7  Panjang pipa dan diameter alat penukar kalor tersebut didesain sepanjang 1000 mm melalui perhitungan.,berikut perhitungan yang digunakan untuk mendapatkan panjang pipa : Tabel 4.2 Asumsi Parameter Dalam Perhitungan No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Temperatur air panas yang masuk T Hi 55 o C 2 Temperatur air panas yang T Ho ? o C Universitas Sumatera Utara 57 keluar 3 Temperatur air dingin yang masuk T Ci 27 o C 4 Temperatur air dingin yang keluar T Co 35 o C 5 Laju aliran air panas V H 500 Liter Jam 6 Laju aliran air dingin V C 500 Liter Jam 7 Diameter pipa dalam Aluminium d in1 13 mm 8 Diameter pipa anulus d in2 32 mm 9 Tebal pipa dalam Aluminium T 1 mm 10 Panas spesifik air panas C ph 4180 JKg k 11 Konduktivitas dari Aluminium K Aluminium 237 Wm k Menghitung T Ho dengan menggunakan kesetimbangan energi = � � ∆ = � � ∆ � � � − ∆ = � � � − ∆ Dengan asumsi T Ho = 45 o C = � + � 2 \ = 55+45 2 = 50 o C No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Densitas ρ c1 988.1 Kg 3 2 Konduktivitas Termal K c1 0.644 W m k 3 Panas Spesifik C p,c1 4181 J kg k 4 Viskositas µ c1 0.000547 N m 2 . s Universitas Sumatera Utara 58 5 Bilangan Prandel Pr c1 3.55 - = + 2 \ = 35+27 2 = 31 o C No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Densitas ρ c 995.6 Kg 3 2 Konduktivitas Termal K c 0.6166 W m k 3 Panas Spesifik C ph 4178 J kg k 4 Viskositas µ c 0.0007824 N m 2 . s 5 Bilangan Prandel Pr c 5.302 - Maka : 988.1 � 0.000139� 4181 � 55° − = 995.6 � 0.000139 � 4178 � 35℃ − 27℃ 574.243 55° − = 4625.49 W = 46.94 ℃ Iterasi selanjutnya dengan Nilai T Ho = 46.94 o C Dengan asumsi T Ho = 46.94 o C = � + � 2 \ = 55+46.94 2 = 50,97 o C No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Densitas ρ c 987.5374 Kg 3 2 Konduktivitas Termal K c 0.64497 W m k 3 Panas Spesifik C pc 4181.388 J kg k 4 Viskositas µ c 0.000538658 N m 2 . s Universitas Sumatera Utara 59 5 Bilangan Prandel Pr c 3.4918 - Maka : 987.5374 3 � 0.000139 3 � 4181.388 � 55° − = 995.6 3 � 0.000139 3 � 4178� 35℃ − 27℃ 573.9695 55° − = 4625.49 W = 46.94 ℃ Maka diambil Nilai T Ho = 46.94 o C 1. Mencari Koefisien Konveksi Pada Tabung Bagian Dalam o Kecepatan linear dari air panas : 1 = 1 � 4 1 � � 1  Dimana 1 didapat dari 1 = � 1 = 987.5374 � 500 � 1 36 10 5 1 = 0.1372 Kg s 1 = 0.1372 � 4 987.5374 x 3.14 x 0.013 2 1 = 1.047 ms o Setelah mendapatkan kecepatan linear, selanjutnya Bilangan Reynolds untuk air panas : 1 = 1 � 1 � 1 1 1 = 987.5374 � 1.047 � 0.013 0.000538658 1 = 24953.44 Universitas Sumatera Utara 60 o Dari Bilangan Reynold digunakan rumus untuk mencari bilangan Nusselt dengan persamaan Gnielinski : 1 = 2 � 1 − 1000 � 1 1 + 12.7 � 2 1 2 � 1 2 3 − 1  Dimana nilai f didapatkan dari : = 1.58 ln 1 − 3.28 −2 = 1.58 ln 24953.44 − 3.28 −2 = 0.00618 1 = 0.00618 2 � 24953.44 − 1000 � 3.4918 1 + 12.7 � 0.00618 2 1 2 �3.491 2 3 − 1 1 = 134.84  Dari nilai bilangan Nusselt dapat di hitung koefisien konveksi aliran panas pada tabung dalam dari perasamaan dibawah ini : 1 = 1 1 = 134.84 � 0.64497 0.013 1 = 6689.82 W m 2 k 2. Mencari Koefisien Konveksi Pada Tabung Annulus o Kecepatan linear dari air dingin : = � 4 � � 2 − 2  Dimana 1 didapat dari = � = 995.6 � 500 � 1 36 10 5 Universitas Sumatera Utara 61 = 0.1382 kg s = 0.1382 � 4 995.6 x 3.14 x 0.032 2 − 0.015 2 = 0.2212m s o Setelah mendapatkan kecepatan linear, selanjutnya Bilangan Reynolds untuk air dingin : = � � = 995.6 � 0.2212 � 0.017 0.0007824 = 4785.8 o Dari Bilangan Reynold digunakan rumus untuk mencari bilangan Nusselt dengan persamaan Gnielinski : = 2 � − 1000 � 1 + 12.7 � 2 1 2 � 2 3 − 1  Dimana nilai f didapatkan dari : = 1.58 ln − 5.302 −2 = 1.58 ln 4785.8 − 5.302 −2 = 0.0097 = 0.0097 2 � 4785.8 − 1000 � 5.302 1 + 12.7 � 0.0097 2 1 2 �5.302 2 3 − 1 = 34.95  Dari nilai bilangan Nusselt dapat di hitung koefisien konveksi aliran panas dari perasamaan dibawah ini : 2 = � 2 2 = 34.95 � 0.6166 0.017 2 = 1267.9536 W m 2 k Universitas Sumatera Utara 62 3. Koefisien aliran panas secara menyeluruh : 1 = 2 1 � + ln 2 2 � � + 1 � 2 1 = 0.015 6689.2 � 0.013 + 0.032 ln 0.015 0.013 2 � 237 + 1 1267.9536 1 = 0.000971 = 1030.05 W m2 k  Perbedaan temperatur rata – rata secara logaritma Aliran Berlawanan ∆ = � − − � − ln � − � − ∆ 1 = 55 − 27 − 46.94 − 35 ln 55 − 27 46.94 − 35 ∆ 1 = 18.84  Selanjutnya dihitung Panjang dari pipa alat penukar kalor Aliran Berlawanan = 1 � 1 � � − � � � 2 − � ∆ 1 = 0.1374 � 4181.388 � 55 − 46.94 1030.05 � 3.14 � 0.032 − 0.015 �18.84 = 1.027 Karena jumlah kalor panas dan dingin sama,sehingga didapatkan pipa bagian luar annulus dengan panjang yang sama yaitu 1.027 m,berikut variasi yang telah dihitung. Tabel 4.5 Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor No D in APK D in Annulus Panjang Pipa APK Universitas Sumatera Utara 63 1 10 mm 25 mm 0.59 m 2 10 mm 32 mm 0.70 m 3 13 mm 32 mm 1.027 m 4 16 mm 32 mm 1.20 m 5 16 mm 36 mm 1.22 m Dari Asumsi memang lebih baik menggunakan pipa dengan diameter 10 mm namun terdapat kesulitan untuk menemukan pipa tersebut dipasaran , sedangkan digunakan pipa yang berdiameter terlalu besar akan menambah panjang dari panjang pipa alat penukar kalor tersebut maka digunakan panjang pipa alat penukar kalor dengan diameter dalam pipa alat penukar kalor 13 mm dan diameter dalam pipa annulus 32 mm.. Tabel 4.6 Dimensi Pipa Pada Alat Penukar Kalor No Dimensi Tebal Satuan Jumlah Jenis 1 150 x Φ 20 3.5 Mm 2 Besi 2 120 x Φ 20 3.5 Mm 4 Besi 3 520 x Φ 20 3.5 Mm 4 Besi 4 1200 x Φ 20 3.5 Mm 2 Besi 5 640 x Φ 20 3.5 Mm 2 Besi 6 450 x Φ 20 3.5 Mm 2 Besi 7 600 x Φ 20 3.5 Mm 2 Besi 8 1000 x Φ 15 1 Mm 1 Aluminium 9 1100 x Φ 36 2 Mm 1 Besi  Untuk diameter pipa aluminium tersebut digunakan diameter ½ in didapat dari perhitungan diatas. 3. Alasan digunakan pipa besi galvanis dengan diameter ½ in adalah sebagai berikut :  Digunakan pipa dengan bahan besi dikarenakan bahan tersebut memiliki kekuatan material yang cukup baik dan biaya yang terjangkau, berikut tabel kekuatan material . Universitas Sumatera Utara 64 Tabel 4.7 Kekuatan Material No Nama Material Yield Strengh Mpa Tensile Strength Mpa 1 Aluminium 34.50 39.60 2 Kuningan 206.80 427.40 3 Perunggu 206.80 523.90 4 Tembaga 68.90 26750 5 Emas - 117.20 6 Besi 106.10 275.80 7 Nikel 58.60 317.10 8 Perak 55.20 158.60 9 Baja 344.70 517.10 10 Titanium 275.80 413.60 11 Kaleng 11.8 21.26 12 Tungsten - 3447.80 13 Magnesium 89.6 172.40  Semua panjang yang beragam dirancang semaksimal mungkin sesuai kebutuhan untuk perancangan alat penukar kalor  Untuk ukuran diameter ½ in pipa besi galvanis diambil ukuran tersebut agar sama dengan pipa aluminium. 4. Alasan digunakan pipa annulus dengan bahan besi diameter 1¼ In adalah sebagai berikut :  Panjang dari pipa annulus ini dirancang agar dapat menutupi pipa aluminium ½ in yang berada di dalam. Universitas Sumatera Utara 65  Alasan digunakan ukuran diameter 1¼ in dikarenakan ketika instalasi pipa tersebut ditemukan kendala, yaitu pada ujung pipa tersebut akan di bengkokkan kedalam pipa aluminium oleh karena itu dibutuhkan jarak yang cukup antar pipa aluminium ½ in dan pipa besi galvanis 1¼ in.

4.1.2 Perancangan Dimensi Tangki Fluida