Analisis dan Simulasi Keefektifan Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Aliran Sejajar Dengan Variasi Kapasitas Aliran
ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR
KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN SEJAJAR DENGAN
VARIASI KAPASITAS ALIRAN.
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HADY GUNAWAN
(110401035)
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
Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar
penurunan prestasi dari alat penukar kalor tersebut . Metode yang digunakan
dalam penelitian yaitu dengan percobaan dan melakukan analisis baik secara
perhitungan teori maupun hasil simulasi. Metode perhitungan secara teori
dilakukan dengan menggunakan metode NTU dan perhitungan simulasi dilakukan
dengan menggunakan Ansys Fluent. Pada hasil perhitungan didapatkan perbedaan
yang cukup terlihat yaitu keefektifan hasil percobaan nilainya berbeda jauh
dengan keefektifan yang diperoleh dari perhitungan teori dan hasil simulasi.
Diperloleh hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum dari eksperimen
sebesar 21,67 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 300 L/jam dengan
suhu 55ºC dan aliran fluida dingin 240 L/jam dengan suhu 32ºC. Diperloleh hasil
keefektifan alat penukar kalor maksimum dari perhitungan secara teori sebesar
7,2% pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC
dan aliran fluida dingin 360 L/jam dengan suhu 37ºC. Diperloleh hasil keefektifan
alat penukar kalor maksimum secara simulasi sebesar 9.5% pada keadaan
kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC dan aliran fluida dingin
240 L/jam dengan suhu 36ºC
Kata kunci : penurunan prestasi , alat penukar kalor tabung sepusat,
keefektifan, metode NTU, Ansys Fluent, persen ralat.
i
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 “Analisis dan simulasi keefektifan alat penukar kalor
tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida
dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar”. 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, yang tidak henti memberikan kasih yang begitu
tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi 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 S.T M.T selaku dosen yang ikut membimbing
dalam proses pelaksanaan tugas 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, Wilson, David Oktavianus dan Hendrico, selaku rekan
skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam
menghadapi setiap permasalahan.
7. Adik penulis yang terkasih, atas semangat dan doa yang diberikan.
ii
Universitas Sumatera Utara
8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi
tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY
FOREVER, MESIN JAYA!
9. “Kaum Terpelajar” sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya
melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi.
10. Daniel Christian Aritonang untuk setiap bantuan yang boleh 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.
Akhir kata penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, Juni 2015
Penulis,
HADY GUNAWAN
NIM. 110401035
iii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR ISI ............................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... vi
DAFTAR TABEL .................................................................................................... iviii
DAFTAR NOTASI ........................................................................................................x
BAB I .............................................................................................................................1
PENDAHULUAN..........................................................................................................1
1.1 Latarbelakang ........................................................................................................1
1.2 Tujuan Penelitian...................................................................................................2
1.3 Batasan Masalah Penelitian ...................................................................................2
1.4 Manfaat Penelitian .................................................................................................2
1.5 Metodologi Penulisan ............................................................................................3
1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................................3
BAB II ...........................................................................................................................5
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................5
2.1 Definisi Kalor ........................................................................................................5
2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor .............................................................................7
2.3 Jenis Alat Penukar Kalor ..................................................................................... 11
2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor……………………………………………11
2.5 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ........................... Error! Bookmark not defined.21
2.5.1 Konduksi .................................................................................................. 2121
2.5.2 Konveksi .................................................................................................. 2222
2.5.3 Radiasi ..................................................................................................... 2323
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ......................................................... 255
2.7 Aliran Tabung Sepusat ...................................................................................... 277
2.8 Faktor Kotoran ................................................................................................ 2828
2.9 Metode LMTD .................................................................................................. 299
2.9.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar) ........................................................ 299
2.9.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan .................................................... 3132
2.10 Metode NTU ................................................................................................... 356
2.11 Program Ansys 14.0 ........................................ Error! Bookmark not defined.42
iv
Universitas Sumatera Utara
2.12 Metanol ............................................................ Error! Bookmark not defined.8
2.13 Persamaan yang Digunakan Dalam Perhitungan………………………...49
BAB III .................................................................................................................... 5052
METODE PENELITIAN.......................................... Error! Bookmark not defined.52
3.1Tempat dan Waktu penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.52
3.1.1 Tempat Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.52
3.1.2 Waktu Penelitian......................................... Error! Bookmark not defined.52
3.2 Metode Penelitian .............................................. Error! Bookmark not defined.52
3.3 Populasi dan Sampel .......................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.1 Populasi Penelitian...................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.2 Sampel Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.3Teknik Sampling ......................................... Error! Bookmark not defined.54
3.4 Teknik Pengumpulan Data ................................. Error! Bookmark not defined.55
3.5 Instrumen Penelitian ............................................ Error! Bookmark not defined.6
3.5.1Bahan Penelitian ............................................ Error! Bookmark not defined.6
3.5.2 Alat Penelitian .............................................. Error! Bookmark not defined.6
3.5.3 Skema Uji Penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.62
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ................... Error! Bookmark not defined.63
3.5.5 Proses Percobaan……………………...……………………………...64
3.6 Instrumen Simulasi ............................................ Error! Bookmark not defined.64
3.6.1 Bahan Simulasi ........................................... Error! Bookmark not defined.64
3.6.2 Alat Simulasi .............................................. Error! Bookmark not defined.64
3.6.3 Diagram Alir Simulasi .................................... Error! Bookmark not defined.65
BAB IV .................................................................................................................... 6466
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ....................................................... 6466
4.1 Perhitungan Teoritis ........................................................................................ 6466
4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian .................................................................... 7383
4.3 Perhitungan Dengan Simulasi .......................................................................... 7692
BAB V...................................................................................................................... 9499
KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................ 9499
5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 9499
5.2 Saran ............................................................................................................... 9499
DAFTAR PUSTAKA ............................................... Error! Bookmark not defined.101
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chiller ....................................................................................... 07
Gambar 2.2 Kondenser ................................................................................. 08
Gambar 2.3 Cooler ........................................................................................ 08
Gambar 2.4 Evaporator ................................................................................. 09
Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler .............................................................. 09
Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ....................................................... 10
Gambar 2.7 Heater ....................................................................................... 11
Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger ............................................ 14
Gambar 2.9 Hair pin heat exchanger ........................................................... 14
Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan
counter current………………………………………………………………………...16
Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series ..................................... 16
Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ....................... 17
Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung ............................................................ 18
Gambar 2.14 shell and tube heat exchanger .................................................. 19
Gambar 2.15 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ......... 20
Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ...................................... 21
Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi......................................... 22
Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan
konveksi paksa ............................................................................................. 23
Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas...24
Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor
tabung sepusat……………………………………………………………… 25
Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding
tabung yang tipis…………………………………………………………..…26
Gambar 2.22 distribusi suhu APK aliran berlawanan………………………...32
Gambar 2.23 distribusi suhu pada APK sejajar……………………………….37
Gambar 2.24 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi………………………………...37
Gambar 2.25 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci………………………………...37
vi
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26 grafik efektifitas untuk aliran sejajar ........................................ 41
Gambar 2.27 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ................................. 42
Gambar 2.28 Persamaan Konservasi Momentum .......................................... 45
Gambar 2.29 Flowchart Penerapan CFD ....................................................... 48
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat.............................................. 57
Gambar 3.2 Agilent …………………………………………………………..58
Gambar 3.3 Flowmeter ................................................................................. 59
Gambar 3.4 alat pengatur suhu fluida panas .................................................. 59
Gambar 3.5 pompa fluida panas .................................................................... 60
Gambar 3.6 tabung sepusat ........................................................................... 61
Gambar 3.7 Skema Uji Penelitian ................................................................. 62
Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 63
Gambar 3.9 Laptop…………………………………………………………. ..65
Gambar 3.10 Diagram Alir Simulasi…………………………………………..65
Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ...................................... 66
Gambar 4.2 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................. 66
Gambar 4.3 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................. 67
Gambar 4.4 Mengatur geometry .................................................................... 81
Gambar 4.5 Mengatur mesh .......................................................................... 81
Gambar 4.6 hasil pengecekan dan display mesh………………………………82
Gambar 4.7 Mengatur setup ......................................................................... 82
Gambar 4.8 Mengatur viscous ...................................................................... 83
Gambar 4.9 Mengatur setup heat exchanger.................................................. 83
Gambar 4.10 Mengatur cell zone condition ................................................... 84
Gambar 4.11 Mengatur mengatur setup boundary conditions ........................ 84
Gambar 4.12 Mengatur mengatur setup solution method ............................... 85
Gambar 4.13 Hasil perhitungan pada report .................................................. 85
Gambar 4.14 Hasil perhitungan pada report .................................................. 86
vii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.15 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...90
Gambar 4.16 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...90
Gambar 4.17 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC……………………………………………...91
Gambar 4.18 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC……………………………………………...91
Gambar 4.19 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...92
Gambar 4.20 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...92
Gambar 4.21 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC……………………………………………...93
Gambar 4.22 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC……………………………………………...93
Gambar 4.23 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...94
Gambar 4.24 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...94
Gambar 4.25 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50ºC……………………………………………...95
Gambar 4.26 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...95
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double pipe exchanger fittings ...................................................... 15
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ............................................. 29
Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ...................................... 41
Tabel 2.4. Bilangan Nu pada pipa annulus sepusat…………………………...50
Tabel 3.1 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 53
Tabel 3.2 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 54
Tabel 3.3 Variasi Sampel Penelitian…………………………………………..54
Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
74
Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
77
Tabel 4.3 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
80
Tabel 4.4 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 240 L/j)
83
Tabel 4.5 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 360 l/j)
84
Tabel 4.6 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 180 l/j) ................. 85
Tabel 4.7 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 240 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...98
Tabel 4.8 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 360 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...99
Tabel 4.9 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 180 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...100
Tabel 4.10 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ...................................... 101
Tabel 4.11 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ....................................... 102
Tabel 4.12 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ....................................... 103
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
q
laju pindahan panas
Watt
Q
kapasitas aliran
m3/s
ṁh
laju aliran massa fluidsa panas
kg/s
ṁc
laju aliran massa fluida dingin
kg/s
Cph
panas jenis fluida panas
J/kg K
Cpc
panas jenis fluida panas
J/kg K
Thi
Temperatur fluida panas masuk APK
(oC)
Tho
Temperatur fluida panas keluar APK
(oC)
Tci
Temperatur fluida dingin masuk APK
(oC)
Tco
Temperatur fluida dingin keluar APK
(oC)
U
koefisien perpindahan panas menyeluruh
A
Luas daerah perpindahan panas
m2
∆Trl
beda suhu rata-rata logaritma
(oC)
μ
viskositas dinamik
Ns/m2
pr
bilangan prandalt
Re
bilangan reynold
ρ
massa jenis
Nu
bilangan nusselt
f
koefisien gesekan
NTU
Number transfer unit
C
kapasitas panas
Watt/K
Cmin
kapasitas panas minimum
Watt/K
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
E
Efektifitas APK
%
Ch
kapasitas panas fluida panas
Watt/K
Cc
kapasitas fluida dingin
Watt/K
R
hambatan total
Rf,i
hambatan fluida di tabung dalam
Watt/m2 K
kg/m3
C/W
x
Universitas Sumatera Utara
Rf,o
hambatan fluida di dalam anullus
C/W
Di
diameter tabung dalam
m
Do
diameter tabung luar
m
Dh
diameter hidrolik
m
c
Perbandingan Cmin dengan Cmax
Kg/m3
k
koefisien konduksi
Watt/m K
Cmax
Kapasitas panas maksimu
Watt/K
xi
Universitas Sumatera Utara
KALOR TABUNG SEPUSAT ALIRAN SEJAJAR DENGAN
VARIASI KAPASITAS ALIRAN.
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HADY GUNAWAN
(110401035)
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
Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar
penurunan prestasi dari alat penukar kalor tersebut . Metode yang digunakan
dalam penelitian yaitu dengan percobaan dan melakukan analisis baik secara
perhitungan teori maupun hasil simulasi. Metode perhitungan secara teori
dilakukan dengan menggunakan metode NTU dan perhitungan simulasi dilakukan
dengan menggunakan Ansys Fluent. Pada hasil perhitungan didapatkan perbedaan
yang cukup terlihat yaitu keefektifan hasil percobaan nilainya berbeda jauh
dengan keefektifan yang diperoleh dari perhitungan teori dan hasil simulasi.
Diperloleh hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum dari eksperimen
sebesar 21,67 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 300 L/jam dengan
suhu 55ºC dan aliran fluida dingin 240 L/jam dengan suhu 32ºC. Diperloleh hasil
keefektifan alat penukar kalor maksimum dari perhitungan secara teori sebesar
7,2% pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC
dan aliran fluida dingin 360 L/jam dengan suhu 37ºC. Diperloleh hasil keefektifan
alat penukar kalor maksimum secara simulasi sebesar 9.5% pada keadaan
kapasitas aliran fluida panas 360 L/jam dengan suhu 50ºC dan aliran fluida dingin
240 L/jam dengan suhu 36ºC
Kata kunci : penurunan prestasi , alat penukar kalor tabung sepusat,
keefektifan, metode NTU, Ansys Fluent, persen ralat.
i
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 “Analisis dan simulasi keefektifan alat penukar kalor
tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida
dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar”. 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, yang tidak henti memberikan kasih yang begitu
tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi 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 S.T M.T selaku dosen yang ikut membimbing
dalam proses pelaksanaan tugas 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, Wilson, David Oktavianus dan Hendrico, selaku rekan
skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam
menghadapi setiap permasalahan.
7. Adik penulis yang terkasih, atas semangat dan doa yang diberikan.
ii
Universitas Sumatera Utara
8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi
tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY
FOREVER, MESIN JAYA!
9. “Kaum Terpelajar” sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya
melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi.
10. Daniel Christian Aritonang untuk setiap bantuan yang boleh 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.
Akhir kata penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, Juni 2015
Penulis,
HADY GUNAWAN
NIM. 110401035
iii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ................................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR ISI ............................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... vi
DAFTAR TABEL .................................................................................................... iviii
DAFTAR NOTASI ........................................................................................................x
BAB I .............................................................................................................................1
PENDAHULUAN..........................................................................................................1
1.1 Latarbelakang ........................................................................................................1
1.2 Tujuan Penelitian...................................................................................................2
1.3 Batasan Masalah Penelitian ...................................................................................2
1.4 Manfaat Penelitian .................................................................................................2
1.5 Metodologi Penulisan ............................................................................................3
1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................................3
BAB II ...........................................................................................................................5
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................5
2.1 Definisi Kalor ........................................................................................................5
2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor .............................................................................7
2.3 Jenis Alat Penukar Kalor ..................................................................................... 11
2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor……………………………………………11
2.5 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ........................... Error! Bookmark not defined.21
2.5.1 Konduksi .................................................................................................. 2121
2.5.2 Konveksi .................................................................................................. 2222
2.5.3 Radiasi ..................................................................................................... 2323
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ......................................................... 255
2.7 Aliran Tabung Sepusat ...................................................................................... 277
2.8 Faktor Kotoran ................................................................................................ 2828
2.9 Metode LMTD .................................................................................................. 299
2.9.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar) ........................................................ 299
2.9.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan .................................................... 3132
2.10 Metode NTU ................................................................................................... 356
2.11 Program Ansys 14.0 ........................................ Error! Bookmark not defined.42
iv
Universitas Sumatera Utara
2.12 Metanol ............................................................ Error! Bookmark not defined.8
2.13 Persamaan yang Digunakan Dalam Perhitungan………………………...49
BAB III .................................................................................................................... 5052
METODE PENELITIAN.......................................... Error! Bookmark not defined.52
3.1Tempat dan Waktu penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.52
3.1.1 Tempat Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.52
3.1.2 Waktu Penelitian......................................... Error! Bookmark not defined.52
3.2 Metode Penelitian .............................................. Error! Bookmark not defined.52
3.3 Populasi dan Sampel .......................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.1 Populasi Penelitian...................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.2 Sampel Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.53
3.3.3Teknik Sampling ......................................... Error! Bookmark not defined.54
3.4 Teknik Pengumpulan Data ................................. Error! Bookmark not defined.55
3.5 Instrumen Penelitian ............................................ Error! Bookmark not defined.6
3.5.1Bahan Penelitian ............................................ Error! Bookmark not defined.6
3.5.2 Alat Penelitian .............................................. Error! Bookmark not defined.6
3.5.3 Skema Uji Penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.62
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian ................... Error! Bookmark not defined.63
3.5.5 Proses Percobaan……………………...……………………………...64
3.6 Instrumen Simulasi ............................................ Error! Bookmark not defined.64
3.6.1 Bahan Simulasi ........................................... Error! Bookmark not defined.64
3.6.2 Alat Simulasi .............................................. Error! Bookmark not defined.64
3.6.3 Diagram Alir Simulasi .................................... Error! Bookmark not defined.65
BAB IV .................................................................................................................... 6466
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ....................................................... 6466
4.1 Perhitungan Teoritis ........................................................................................ 6466
4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian .................................................................... 7383
4.3 Perhitungan Dengan Simulasi .......................................................................... 7692
BAB V...................................................................................................................... 9499
KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................ 9499
5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 9499
5.2 Saran ............................................................................................................... 9499
DAFTAR PUSTAKA ............................................... Error! Bookmark not defined.101
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Chiller ....................................................................................... 07
Gambar 2.2 Kondenser ................................................................................. 08
Gambar 2.3 Cooler ........................................................................................ 08
Gambar 2.4 Evaporator ................................................................................. 09
Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler .............................................................. 09
Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger ....................................................... 10
Gambar 2.7 Heater ....................................................................................... 11
Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger ............................................ 14
Gambar 2.9 Hair pin heat exchanger ........................................................... 14
Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan
counter current………………………………………………………………………...16
Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series ..................................... 16
Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series–parallel ....................... 17
Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung ............................................................ 18
Gambar 2.14 shell and tube heat exchanger .................................................. 19
Gambar 2.15 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ......... 20
Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer ...................................... 21
Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi......................................... 22
Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan
konveksi paksa ............................................................................................. 23
Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas...24
Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor
tabung sepusat……………………………………………………………… 25
Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding
tabung yang tipis…………………………………………………………..…26
Gambar 2.22 distribusi suhu APK aliran berlawanan………………………...32
Gambar 2.23 distribusi suhu pada APK sejajar……………………………….37
Gambar 2.24 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi………………………………...37
Gambar 2.25 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci………………………………...37
vi
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26 grafik efektifitas untuk aliran sejajar ........................................ 41
Gambar 2.27 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ................................. 42
Gambar 2.28 Persamaan Konservasi Momentum .......................................... 45
Gambar 2.29 Flowchart Penerapan CFD ....................................................... 48
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat.............................................. 57
Gambar 3.2 Agilent …………………………………………………………..58
Gambar 3.3 Flowmeter ................................................................................. 59
Gambar 3.4 alat pengatur suhu fluida panas .................................................. 59
Gambar 3.5 pompa fluida panas .................................................................... 60
Gambar 3.6 tabung sepusat ........................................................................... 61
Gambar 3.7 Skema Uji Penelitian ................................................................. 62
Gambar 3.8 Diagram Alir Penelitian ............................................................ 63
Gambar 3.9 Laptop…………………………………………………………. ..65
Gambar 3.10 Diagram Alir Simulasi…………………………………………..65
Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ...................................... 66
Gambar 4.2 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................. 66
Gambar 4.3 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................. 67
Gambar 4.4 Mengatur geometry .................................................................... 81
Gambar 4.5 Mengatur mesh .......................................................................... 81
Gambar 4.6 hasil pengecekan dan display mesh………………………………82
Gambar 4.7 Mengatur setup ......................................................................... 82
Gambar 4.8 Mengatur viscous ...................................................................... 83
Gambar 4.9 Mengatur setup heat exchanger.................................................. 83
Gambar 4.10 Mengatur cell zone condition ................................................... 84
Gambar 4.11 Mengatur mengatur setup boundary conditions ........................ 84
Gambar 4.12 Mengatur mengatur setup solution method ............................... 85
Gambar 4.13 Hasil perhitungan pada report .................................................. 85
Gambar 4.14 Hasil perhitungan pada report .................................................. 86
vii
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.15 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...90
Gambar 4.16 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...90
Gambar 4.17 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC……………………………………………...91
Gambar 4.18 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC……………………………………………...91
Gambar 4.19 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...92
Gambar 4.20 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...92
Gambar 4.21 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50 ºC……………………………………………...93
Gambar 4.22 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 55 ºC……………………………………………...93
Gambar 4.23 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 40 ºC……………………………………………...94
Gambar 4.24 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...94
Gambar 4.25 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 50ºC……………………………………………...95
Gambar 4.26 grafik efektifitas teori,praktek, dan secara simulasi dengan variasi
suhu masukan fluida panas 45 ºC……………………………………………...95
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double pipe exchanger fittings ...................................................... 15
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ............................................. 29
Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ...................................... 41
Tabel 2.4. Bilangan Nu pada pipa annulus sepusat…………………………...50
Tabel 3.1 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 53
Tabel 3.2 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 54
Tabel 3.3 Variasi Sampel Penelitian…………………………………………..54
Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
74
Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
77
Tabel 4.3 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
80
Tabel 4.4 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 240 L/j)
83
Tabel 4.5 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 360 l/j)
84
Tabel 4.6 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 180 l/j) ................. 85
Tabel 4.7 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 240 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...98
Tabel 4.8 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 360 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...99
Tabel 4.9 hasil simulasi dengan variasi fliuida dingin (metanol) 180 L/j
dan fluida panas (air) 180,240,300,360 L/j…………………………………...100
Tabel 4.10 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ...................................... 101
Tabel 4.11 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ....................................... 102
Tabel 4.12 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ....................................... 103
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
q
laju pindahan panas
Watt
Q
kapasitas aliran
m3/s
ṁh
laju aliran massa fluidsa panas
kg/s
ṁc
laju aliran massa fluida dingin
kg/s
Cph
panas jenis fluida panas
J/kg K
Cpc
panas jenis fluida panas
J/kg K
Thi
Temperatur fluida panas masuk APK
(oC)
Tho
Temperatur fluida panas keluar APK
(oC)
Tci
Temperatur fluida dingin masuk APK
(oC)
Tco
Temperatur fluida dingin keluar APK
(oC)
U
koefisien perpindahan panas menyeluruh
A
Luas daerah perpindahan panas
m2
∆Trl
beda suhu rata-rata logaritma
(oC)
μ
viskositas dinamik
Ns/m2
pr
bilangan prandalt
Re
bilangan reynold
ρ
massa jenis
Nu
bilangan nusselt
f
koefisien gesekan
NTU
Number transfer unit
C
kapasitas panas
Watt/K
Cmin
kapasitas panas minimum
Watt/K
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
E
Efektifitas APK
%
Ch
kapasitas panas fluida panas
Watt/K
Cc
kapasitas fluida dingin
Watt/K
R
hambatan total
Rf,i
hambatan fluida di tabung dalam
Watt/m2 K
kg/m3
C/W
x
Universitas Sumatera Utara
Rf,o
hambatan fluida di dalam anullus
C/W
Di
diameter tabung dalam
m
Do
diameter tabung luar
m
Dh
diameter hidrolik
m
c
Perbandingan Cmin dengan Cmax
Kg/m3
k
koefisien konduksi
Watt/m K
Cmax
Kapasitas panas maksimu
Watt/K
xi
Universitas Sumatera Utara