Analisis dan simulasi efektifitas alat penukar kalor tabung sepusat aliran berlawanan dengan variasi temperaturairpanas yang mengalir dalam tabung dalam (tube)

ANALISIS DAN
N SIMULASI EFEKTIFITAS ALAT
T PENUKAR
KAL
ALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN
N
BERLAWANA
NANDENGAN VARIASI TEMPERAT
ATUR AIR
PANAS YANG
G MENGALIR DIDALAM TABUNG
NG DALAM
(TUBE)

SKRIPSI

Sk
Skripsi
Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Sy
Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

WILSON
NIM : 110401146

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
D
FAKULTAS TEKNIK
UNI
NIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015

i

ABSTRAK

Pemakaian alat penukar kalor sudah meluas sekarang ini dan dapat dikatakan sebagai

salah satu cara untuk meningkatkan efektifitas dan kualitas produk dengan cara
memanfaatkan panas buangan sebagai pemanas ataupun sebaliknya memanfaatkan sisa
udara suhu rendah sebagai pendingin. Penelitian ini berpusat pada analisa dan simulasi
dari alat penukar kalor tabung sepusat dengan aliran berlawanan dengan memvariasikan
temperatur fluida panas yang masuk kedalam tabung dalam (tube) pada debit aliran yang
konstan. Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK dengan perhitungan metode NTU,
perhitungan data di lapangan, dan perhitungan secara simulasi software Ansys Fluent.
Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK minimum adalah 3,99747 %
pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i)
32 °C pada debit masuk fluida panas 180l/jam dan debit masuk fluida dingin 180l/jam.
Sedangkan efektifitas APK maksimum adalah 6,53259 % pada temperatur fluida panas
masuk (Th,i) 55 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk
fluida panas 360 l/jam dan debit masuk fluida dingin 300 l/jam. Untuk perhitungan data
di eksperiment diperoleh efektifitas APK minimum adalah 4,6287 % pada temperatur
fluida panas masuk (Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit
masuk fluida panas 180 l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Sedangkan
efektifitas APK maksimum adalah 31,00435 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i)
55 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas 180
l/jam dan debit masuk fluida dingin 420 l/jam. Untuk perhitungan simulasi Ansys Fluent
diperoleh efektifitas APK minimum adalah 6,7116 % pada temperatur fluida panas masuk

(Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas
180l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Sedangkan efektifitas APK maksimum
adalah 17,16578 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50 °C dan temperatur fluida
dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas 240 l/jam dan debit masuk fluida
dingin 300 l/jam.
Kata Kunci : Efektifitas, Alat penukar kalor tabung sepusat, temperatur masuk dan keluar.

ABSTRACT

ii

The usage of heat exchangers is widely used nowadays and could be said as one of the
methods to increase of effectiveness and quality of the products by using wasted heat as
heater or using wasted cool air as cooler. This research is focused on the analysis and
simulation of the counterflow concentric tubes heat exchanger by giving variation on the
inlet hot fluid that enter the tube at constant flow. This result of this research is procured
by using NTU method, calculating effectiveness from the site, and simulation in Ansys
Fluent. By using NTU method, the minimum effectiveness is obtained 3,99747 % at hot
fluid inlet (Th,i) 40 °C and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 180 l/h hot fluid flow rate and 180
l/h cold fluid flow rate. The maximum effectiveness is obtained 6,53259 % at hot fluid

inlet (Th,i) 55 °C and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 360 l/h hot fluid flow rate and 300 l/h
cold fluid flow rate. By calculating effectiveness experimentally, the minimum
efectiveness is obtained 4,6287 % at hot fluid inlet (Th,i) 40 °C and cold fluid inlet (Tc,i)
32°C at 180 l/h hot fluid flow rate and 180 l/h cold fluid flow rate. The maximum
efectiveness is obtained 31,00435 % at hot fluid inlet (Th,i) 55 °C and cold fluid inlet (Tc,i)
32 °C at 180 l/h hot fluid flow rate and 420 l/h cold fluid flow rate. By simulation in
Ansys Fluent, the minimum effectiveness is obtained 6,71166 % at hot fluid inlet (Th,i) 40
°C and cold fluid inlet (Tc,i) 32°C at 180 l/h hot fluid flow rate and 180 l/h cold fluid flow
rate. The maximum effectiveness is obtained 15,34575 % at hot fluid inlet (Th,i) 40 °C
and cold fluid inlet (Tc,i) 32 °C at 240 l/h hot fluid flow rate and 300 l/h cold fluid flow
rate.
Keyword : Effectiveness, Concentric Tube Heat exchanger, inlet and outlet temperature
of fluid.

iii

KATA PENGANTAR

Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa
atas berkat dan penyertaan-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini

sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Analisis dan simulasi efektifitas alat penukar kalor
tabung sepusat aliran berlawanan dengan variasi temperaturairpanas yang
mengalir dalam tabung dalam (tube)”. Dalam penulisan skripsi ini, banyak
tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non
teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian,
baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen
Pembimbing.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih
kepada :
1. Kedua Orang Tua penulis,Ricky Tang, SS dan Pipi Rohani Leo yang tidak
henti memberikan semangat dan motivasi serta doa 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 Tulus B. Sitorus yang turut membimbing dan memberikan solusi
dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses

penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
6. Binsen Wijaya, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangatnya di
masa suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan.
7. Kakak penulis , Shirleen Tang, atas semangat dan doa yang diberikan.

iv

8. Bang Lawrencius dan Bang Wiranata Sinurat yang terus memberikan
wawasan dan semangat kepada penulis dan rekan – rekan.
9. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberikan masukan
kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA!

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna.Oleh karena
itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi
penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhir kata, penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Terima kasih.

Medan, Juli 2015
Penulis

WILSON
NIM. 110401146

v

DAFTAR ISI

ABSTRAK ........................................................................................................................... i
ABSTRACT......................................................................................................................... i
KATA PENGANTAR ....................................................................................................... iii
DAFTAR ISI....................................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................................vii
DAFTAR TABEL............................................................................................................... x
DAFTAR NOTASI .............................................................................................................xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang .......................................................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah Penelitian ...................................................................................... 2
1.4 Manfaat Penelitian .................................................................................................... 3
1.5 Metodologi Penulisan ............................................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA......................................................................................... 5
2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor................................................................................ 5
2.2 Jenis Alat Penukar Kalor........................................................................................... 5
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ................................................................................. 8
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ................................................................................ 17
2.4.1 Konduksi .......................................................................................................... 17
2.4.2 Konveksi .......................................................................................................... 18
2.4.3 Radiasi.............................................................................................................. 19
2.5 Internal Flow (Aliran Dalam) ................................................................................. 21
2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa....................................................................................... 21
2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa ........................................................................ 23
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ............................................................. 24
2.7 Faktor Kotoran ( Fouling Factor ) .......................................................................... 26
2.8 Metode LMTD ........................................................................................................ 27

2.8.1 Metode LMTD Pada Aliran Paralel (Sejajar) .................................................. 28

vi

2.8.2 Metode LMTD Pada Aliran Berlawanan ......................................................... 30
2.9 Metode NTU ........................................................................................................... 35
2.8.1 Keefektifan APK Aliran Berlawanan............................................................... 38
2.10 Program Ansys 14.5 .............................................................................................. 42
2.10.1 Persamaan-persamaan Konservasi ................................................................. 46
2.11 Persamaan – Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan Teoritis............... 50
BAB III METODE PENELITIAN.................................................................................... 53
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................................. 53
3.1.1 Tempat Penelitian ............................................................................................ 53
3.1.2 Waktu Penelitian .............................................................................................. 53
3.2 Metode Penelitian ................................................................................................... 53
3.3 Populasi dan Sampel ............................................................................................... 54
3.3.1 Populasi Penelitian ........................................................................................... 54
3.3.2 Sampel Penelitian............................................................................................. 54
3.3.3 Teknik Sampling .............................................................................................. 55
3.4 Teknik Pengumpulan Data ...................................................................................... 56

3.5 Instrumen Penelitian ............................................................................................... 57
3.5.1 Bahan Penelitian .............................................................................................. 57
3.5.2 Alat Penelitian .................................................................................................. 57
3.5.3 Skema Uji Penelitian........................................................................................ 64
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ........................................................................ 65
3.5.5 Proses Percobaan.............................................................................................. 66
3.6 Instrumen Simulasi ................................................................................................. 66
3.6.1 Bahan Simulasi ................................................................................................ 66
3.6.2 Alat Simulasi .................................................................................................... 66
3.6.3 Diagram Alir Perhitungan Efektifitas dengan Visual Basic 6.0 ....................... 67
3.6.4 Diagram Alir Simulasi ..................................................................................... 70
BAB IV ANALISA DATA............................................................................................... 71
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................................... 107
5.1 Kesimpulan ........................................................................................................... 107
5.2 Saran ..................................................................................................................... 108
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................... xiii

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Water – CooledChiller ............................................................................ 6
Gambar 2.2 Thermosiphon Reboiler ...................................................................... 7
Gambar 2.3 Konstruksi Heat Exchanger.................................................................... 8
Gambar 2.4 Aliran double pipe heat exchanger ......................................................... 11
Gambar 2.5 Hairpin heat exchanger.......................................................................... 11
Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent
dan counter current ................................................................................ 12
Gambar 2.7 Double-pipe heat exchangers in series ................................................... 13
Gambar 2.8 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ..................................... 13
Gambar 2.9 Bentuk susunan tabung ........................................................................... 14
Gambar 2.10 Shell and tube heat exchanger .............................................................. 15
Gambar 2.11 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent...................... 16
Gambar 2.12 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer .................................................. 17
Gambar 2.13 Perpindahan Panas secara Konduksi ..................................................... 18
Gambar 2.14 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa ............ 19
Gambar 2.15 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas ............. 20
Gambar 2.16 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat
penukar kalor tabung sepusat ............................................................ 25
Gambar 2.17 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung
yang tipis Di ≈Do dan Ai ≈Ao............................................................... 25
Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran sejajar ....................................................... 28
Gambar 2.19 Distribusi suhu APK aliran berlawanan ................................................ 31
Gambar 2.20 Distribusi suhu pada APK aliran sejajar ............................................... 36
Gambar 2.21 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi ............................................................ 36
Gambar 2.22 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci ............................................................ 36
Gambar 2.23 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar .................................................... 41

viii

Gambar 2.24 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ............................................ 41
Gambar 2.25 Gambaran umum proses CFD ............................................................... 44
Gambar 2.26 Persamaan Konversi Momentum .......................................................... 47
Gambar 2.27 Penerapan Boundary Condition ............................................................ 49
Gambar 2.28 Flowchart simulasi CFD ....................................................................... 50
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat ........................................................ 58
Gambar 3.2 Agilent ................................................................................................... 59
Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida .......................................................... 60
Gambar 3.4 Water heater .......................................................................................... 61
Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ............................................................. 62
Gambar 3.6 Pompa fluida panas ................................................................................ 62
Gambar 3.7 Tabung sepusat ...................................................................................... 63
Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ............................................................................. 64
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ........................................................................ 65
Gambar 3.10 Laptop ................................................................................................... 67
Gambar 3.11Diagram Alir menggunakan Visual Basic 6.0 ........................................ 68
Gambar 3.12 Program perhitungan efektifitas dengan Visual Basic 6.0 .................... 69
Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi .......................................................................... 70
Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat.................................................................. 72
Gambar 4.2 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ................................................ 72
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efektifitas teori aliran fluida panas variasi 4 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 180 l/j ........................................... 84
Gambar 4.4 Grafik perbandingan efektifitas teori aliran fluida panas variasi 4 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 300 l/j ........................................... 84
Gambar 4.5 Grafik perbandingan efektifitas teori aliran fluida panas variasi 4 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 420 l/j ........................................... 86
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluida panas variasi 4 suhu

ix

pada kapasitas aliran fluida dingin 180 l/j ........................................... 88
Gambar 4.7 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluida panas variasi 4 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 300 l/j ........................................... 89
Gambar 4.8 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluida panas variasi 4 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 420 l/j ........................................... 89
Gambar 4.9 Grafik perbandingan efektifitas aliran fluida panas pada kapasitas aliran
fluida panas 240 l/j dan fluida dingin 300 l/j......................................... 96
Gambar 4.10 Grafik perbandingan efektifitas aliran fluida panas pada kapasitas aliran
fluida panas 300 l/j dan fluida dingin 300 l/j......................................... 97
Gambar 4.11 Grafik perbandingan efektifitas aliran fluida panas pada kapasitas aliran
fluida panas 360 l/j dan fluida dingin 300 l/j......................................... 97
Gambar 4.12 Grafik perbandingan efektifitas aliran fluida panas pada kapasitas aliran
fluida panas 180 l/j dan fluida dingin 420 l/j......................................... 98
Gambar 4.13 Proses memasukkan model simulasi ..................................................... 99
Gambar 4.14 Proses pemilihan Fluid Flow (Fluent) ................................................... 100
Gambar 4.15 Proses pemindahan Fluid Flow (Fluent) ............................................... 100
Gambar 4.16 Proses setelah pemilihan Fluid Flow (Fluent) ....................................... 101
Gambar 4.17 Tampilan geometry ............................................................................... 101
Gambar 4.18 Proses pemberian selection pada meshing ............................................ 102
Gambar 4.19 Proses meshing ...................................................................................... 102
Gambar 4.20 Mengatur set up.................................................................................... 102
Gambar 4.21 Mengatur viscous .................................................................................. 103
Gambar 4.22 Mengatur set up heat exchanger .......................................................... 104
Gambar 4.23 Mengatur set up cell zone condition .................................................... 104
Gambar 4.24 Mengatur set up boundary condition ................................................... 105
Gambar 4.25 Mengatur set up solution method ........................................................ 105
Gambar 4.26 Hasil perhitungan pada report…………………………………………………………….106

x

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings....................................................... 12
Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh
didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal
dan permukaan lainnya adiabatik ................................................... 24
Tabel 2.3 Faktor kotoran untuk berbagai fluida .............................................. 27
Tabel 2.4 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ........................................ 40
Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan I .............................. 54
Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II ............................. 55
Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan III ............................ 55
Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU)

82

Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan ........................................................... 86
Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan menggunakan Ansys Fluent..…………….90
Tabel 4.4 Efektifitas APK dengan metode NTU, perhitungan di lapangan,
dan dengan Ansys Fluent ........................................................93

xi

DAFTAR NOTASI
SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

A

luas penampang tegak lurus bidang

m2

Ai

Luas area permukaan dalam APK

m2

Ao

Luas area permukaan luar APK

m2

As

Area permukaan perpindahan panas

m2

Cc

Kapasitas Fluida Dingin

W/K

Ch

Kapasitas Fluida Panas

W/K

cp,c

Panas Jenis fluida dingin

J/kg.K

cp,h

Panas Jenis fluida panas

J/kg.K

cp

Panas Jenis Fluida

J/kg.K

Diameter Pipa

m

Dh

Diameter hidrolik

m

Do

Diameter Luar Tabung

m

Di

Diameter Dalam Tabung

m

ε

Emisifitas

σ

konstanta Stefan-Boltzmann

W/m2.K4

h

Koefisien Perpindahan Panas Konveksi

W/m2K

k

Konduktifitas thermal

W/m.K

L

Panjang tabung

m

ṁ

Laju aliran massa fluida

kg/s

ṁc

Laju aliran massa fluida dingin

kg/s

ṁh

Laju aliran massa fluida panas

kg/s

Nu

Bilangan Nusselt

Nui

Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam

Nuo

Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

p

Keliling penempang pipa

Pr

Bilangan Prandtl

q”x

Fluks Panas

m
W/m2

xii

Q

Laju Perpindahan Panas

W

Tahanan Termal

m2. °C/W

Re

Bilangan Reynold

∆T

Perbedaan Temperatur

o

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

∆TRL

Beda Suhu rata-rata logaritma

°C

Ts

Temperatur Permukaan Benda

o

T∞

Temperatur lingkungan sekitar benda

o

U

Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

W/m2°C

V

Kecepatan Fluida

m/s

µ

Viskositas Dinamis

N.s/m2

ρ

Massa Jenis

kg/m3

C

C
C