Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Dua Laluan Tabung Sebagai Pemanas Air Untuk Air Mandian Dengan Fluida Panas Air Belerang

RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TIPESHELLAND
TUBE SATU LALUAN CANGKANG DUA LALUAN TABUNG
SEBAGAI PEMANAS AIRUNTUK AIR MANDIAN
DENGAN FLUIDA PANAS AIR BELERANG
SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

OLEH :
JACKSON SIHOMBING
NIM : 110401115

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

Universitas Sumatera Utara

i

KATA PENGANTAR
Syukur kepada Tuhan Allah atas berkat dan penyertaan-Nya sehingga
penulis dapat menyelesaikan pengerjaan skripsi ini sebagai syarat kelulusan
tingkat Strata Satu dengan judul “Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tipe Shell
and Tube Satu Laluan Cangkang Dua Laluan Tabung Sebagai Pemanas Air
Untuk Air Mandian Dengan Fluida Panas Air Belerang“.
Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Dalam pengerjaan skripsi ini, banyak tantangan yang
dihadapi namun penulis selalu berupaya untuk dapat menyelesaikannya dengan
segala kemampuan dan bimbingan, dorongan, serta semangat dari banyak pihak.
Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Dosen
Pembimbing yang terhormat Bpk Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A yang
telahbersedia meluangkan waktu, tenaga dan pikirannya untuk membimbing
penulis. Selain itu, penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orangtua penulis Hasudungan Sihombing dan Tiaman Nainggolan
yang selalu memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, dana,
dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini .

2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT dan Bapak Terang UHSG Manik, ST, MT,
selaku dosen penguji.
4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
5. Adik penulis Jessica Renova Sihombing dan Rainhard Welfrin Sihombing
atas perhatian dan dukungan serta doa yang diberikan.
6. Rodoasih Ekaputri Juliana Simamora atas dukungan doa, semangat serta
kasih yang selalu diberikan kepada penulis untuk menyelesaikan laporan
ini.
7. Saudara-saudara penulis dalam CG 2.6 terkhusus Andre Leonard selaku
pemimpin rohani penulis dan appara Kristofel Sianipar yang senantiasa
memberi dukungan doa, arahan dan semangatnya.

Universitas Sumatera Utara

ii

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

motivasi, dan semangatnya.
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,

September 2016

Penulis,

Jackson Sihombing
NIM 110401115

Universitas Sumatera Utara

iii

ABSTRAK
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang menghasilkan
perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. Penelitian ini dilakukan
untuk merancang alat penukar kalor tipe shell and tube yang dapat diaplikasikan
sebagai pemanas air untuk air basuhan mandi pada pemandian air panas belerang
di Desa Semangat Gunung, Tanah Karo, dengan fluida panas air belerang. Alat
penukar kalor yang dirancang dengan satu laluan cangkang dan dua laluan
tabung. Fluida panas (air belerang) akan mengalir melalui cangkang (shell) dan
fluida dingin (air) mengalir melalui tabung (tube). Untuk material cangkang
(shell) dibuat dari stainless steel dan tabung (tube) dibuat dari tembaga
sedangkan rangka dan tangki-tangki fluida memakai pelat besi. Hasil yang
diperoleh adalah dimensi tabung alat penukar kalor berukuran panjang 1,4 m dan
berdiameter luar 0,0127 m dan diameter dalam 0,0115 m, sedangkan dimensi
cangkang alat penukar kalor berukuran panjang 1,4 m berdiameter luar 0,1524 m
dan diameter dalam 0,1464 m. Total panjang alat penukar kalor sebesar 1,7 m.
Alat penukar kalor juga dilapisi dengan glass wool dan aluminium foil sebagai
isolasi untuk mencegah terjadinya kehilangan panas saat melakukan percobaan.

Kata kunci : heat exchanger, shell and tube, pemanas air, Air belerang

Universitas Sumatera Utara

iv

ABSTRACT
Heat exchanger is a device that produces heat transfer from one fluid to another
fluid. This study was conducted to design a heat exchanger shell and tube type
that can be applied as a water heater for the shower water to the sulfur hot spring
in Semangat Gunung village, Tanah Karo, with hot fluid sulfur water. Heat
exchanger designed with a shell passes and two passes tubes. The hot fluid (sulfur
water) will flow through the shell and the cold fluid (water) flowing through the
tube. For the shell material is made of stainless steel and tubes is made of copper,
while the framework and fluid tanks put on the metal plate. The results obtained
are the dimensions of a heat exchanger tube of 1.4 m length and outer diameter
0.0127 m in diameter and 0.0115 m, while the dimensions of a heat exchanger
shell length of 1.4 m outside diameter 0.1524 m and diameter in 0.1464 m. The
total length of heat exchanger of 1.7 m. Heat exchanger is also coated with glass
wool and aluminum foil as insulation to prevent heat loss during the experiment.

Keywords: heat exchangers, shell and tube, water heaters, water sulfur

Universitas Sumatera Utara

v

DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ....................................................................................i
ABSTRAK .....................................................................................................iii
DAFTAR ISI..................................................................................................v
DAFTAR TABEL ..........................................................................................vii
DAFTAR GAMBAR......................................................................................viii
DAFTAR NOTASI ........................................................................................xi
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................1
1.1 Latar Belakang ..............................................................................1
1.2 Perumusan Masalah .......................................................................2
1.3 Tujuan Penelitian ...........................................................................3
1.4 Manfaat Penelitian .........................................................................4
1.5 Sistematika Penulisan ....................................................................4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...................................................................5
2.1 Perpindahan Kalor .........................................................................5

2.1.1 Perpindahan Panas Radiasi atau Pancaran .................................5
2.1.2 Perpindahan Panas Konduksi (hantaran) ....................................7
2.1.3 Perpindahan Panas Konveksi ....................................................9
2.2 Perpindahan Panas Menyeluruh ......................................................10
2.3 Alat Penukar Kalor ........................................................................13
2.3.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ..................................................14
2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube ..........................................23
2.5 Konstruksi Alat Penukar Kalor .......................................................23
2.6 Aliran di dalam Alat Penukar Kalor ................................................32
2.6.1 Metode Log Mean Temperature Difference (LMTD) .................35
2.7 Dimensi Alat Penukar Kalor ...........................................................36
2.8 Isolasi Panas ..................................................................................38
2.9 Faktor Pengotoran dalam Alat Penukar Kalor .................................39
2.10 Manfaat Mandi Air Panas Belerang ..............................................40

Universitas Sumatera Utara

vi

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 Menghitung Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube .................42
3.3 Membuat Desain Alat Penukar Kalor Shell and Tube .......................42
3.4 Menggambar Desain Dengan Autocad ............................................42
3.5 Penyiapan Alat dan Bahan ..............................................................43
3.5.1 Alat .........................................................................................43
3.5.2 Bahan ......................................................................................47
3.6 Skema Alat Penukar Kalor .............................................................53
3.5 Diagram Alir Pembuatan Alat ........................................................53
BAB IV ANALISA DATA ............................................................................55
4.1 Identifikasi Pengaplikasian Alat Penukar Kalor ...............................55
4.2 Penentuan Tipe Alat Penukar Kalor ................................................60
4.3 Pemilihan Material .........................................................................61
4.4 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube ................61
4.4.1 Pemilihan Material dan Dimensi Cangkang (Shell) ....................61
4.4.2 Pemilihan Material dan Perancangan Dimensi
Tabung dan Cangkang ..............................................................63
4.5 Komponen-Komponen Alat Penukar Kalor Shell and Tube ..............73

4.6 Isolasi dan Heat Loss Alat Penukar Kalor ........................................78
4.7 Dimensi Tangki Fluida ....................................................................79
4.8 Rangka Alat Penukar Kalor .............................................................80
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................82
5.1 Kesimpulan ...................................................................................82
5.2 Saran .............................................................................................82
DAFTAR PUSTAKA .........................................................................................xiii
LAMPIRAN...................................................................................................xv

Universitas Sumatera Utara

vii

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung .............. 28
Tabel 2.2 Referensi Nilai Koefisien Pindahan Panas .................................... 37
Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi ............................................. 39
Tabel 2.4 Faktor Pengotoran Untuk Berbagai Fluida .................................... 40

Tabel 3.1 Nilai Viskositas Air Belerang ...................................................... 52

Tabel 3.2 Nilai Densitas Air Belerang ......................................................... 52

Tabel 4.1 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Dingin (Air) ............. 56
Tabel 4.2 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Panas
(Air Belerang) @325,5 K ........................................................... 57
Tabel 4.3 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Panas
(Air Belerang) @326,5 K ........................................................... 57
Tabel 4.4Parameter Fluida .......................................................................... 58
Tabel 4.5Sifat Fluida Dingin (Air) ............................................................... 59
Tabel 4.6Interpolasi Sifat Fisik Fluida Panas (Air Belerang) ........................ 59
Tabel 4.7Konduktifitas Material .................................................................. 63
Tabel 4.8Dimensi Cangkang dan Tabung .................................................... 64
Tabel 4.9Sifat Fisik Fluida Dingin (Air) ...................................................... 65
Tabel 4.10Sifat Fisik Fluida Panas (Air Belerang)........................................ 65

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan Panas Secara Radiasi ............................................ 6
Gambar 2.2 Konduktivitas Termal Beberapa Material .................................. 7

Gambar 2.3 Skematik Perpindahan Panas Pada Batang ................................ 8
Gambar 2.4 Perpindahan Panas Secara Konduksi......................................... 8
Gambar 2.5 Perpindahan Panas Secara Konveksi ......................................... 10
Gambar 2.6 Perpindahan Panas Menyeluruh Melalui Bidang Datar .............. 11
Gambar 2.7 Jaringan Tahanan Panas Pada Alat Penukar Kalor ..................... 12
Gambar 2.8 Luasan Alat Penukar Kalor....................................................... 12
Gambar 2.9 Chiller Sentrifugal ................................................................... 14
Gambar 2.10 Kondensor ............................................................................. 15
Gambar 2.11 Coller .................................................................................... 15
Gambar 2.12 Evaporator AC ....................................................................... 16
Gambar 2.13 Reboiler ................................................................................. 16
Gambar 2.14Salah Satu Konstruksi Heat Exchanger Tipe Shell and Tube..... 17
Gambar 2.15 Heat Exchanger Double Pipe ................................................. 20
Gambar 2.16Shell and Tube Heat Exchanger ............................................... 21
Gambar 2.17Plate Type Heat Exchanger Dengan Aliran Countercurrent ...... 22
Gambar 2.18 Standar Tipe Shell (Cangkang) ............................................... 24
Gambar 2.19Bagian-Bagian Alat Penukar Kalor Shell and Tube................... 25
Gambar 2.20Sket Skematik Beberapa Tipe Cangkang Yang Sering
Digunakan.................................................................................... 26
Gambar 2.21Sudut Susunan Tabung ........................................................... 27
Gambar 2.22Jenis Plat Baffel ...................................................................... 31
Gambar 2.23Eksperimen Untuk Menentukan Jenis Aliran ............................ 33
Gambar 2.24 Aliran didalam Cangkang Alat Penukar Kalor Shell
and Tube ...................................................................................... 34
Gambar 2.25Sket susunan tabung pada plat tabung ...................................... 35
Gambar 2.26Grafik Faktor Koreksi Alat Penukar Kalor Untuk Satu
Laluan Cangkang ................................................................... 37
Gambar 2.27Grafik Faktor Koreksi Alat Penukar Kalor .............................. 38

viii

Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.1 Gunting ................................................................................. 43
Gambar 3.2 Termometer Digital ................................................................ 44
Gambar 3.3 Water Heater ......................................................................... 44
Gambar 3.4 Alluminium Foil Kraft Paper .................................................. 45
Gambar 3.5 Flowmeter ............................................................................... 45
Gambar 3.6 Pompa ..................................................................................... 46
Gambar 3.7 Laptop ................................................................................... 46
Gambar 3.8 Plat Besi ................................................................................ 47
Gambar 3.9 Glasswool .............................................................................. 47
Gambar 3.10 Besi segi empat ...................................................................... 48
Gambar 3.11 Pipa Tembaga ........................................................................ 48
Gambar 3.12 Stop KeranBall Valve ............................................................. 48
Gambar 3.13Pipa Stainless Steel ................................................................. 49
Gambar 3.14Fitting Pipa ............................................................................. 49
Gambar 3.15Packing TBA .......................................................................... 50
Gambar 3.16Lem Packing TBA .................................................................. 50
Gambar 3.17 Lem Dextone ......................................................................... 50
Gambar 3.18 Viskometer Ostwald ............................................................... 51
Gambar 3.19 Piknometer ............................................................................ 51
Gambar 3.20 Skema Alat Penukar Kalor ..................................................... 53
Gambar 3.21 Diagram Alir Pengolahan Data Penelitian ............................... 54

Gambar 4.1 Pemandian Air Belerang Alam Sibayak ................................... 55
Gambar 4.2 Identifikasi Suhu dan Laju Aliran Fluida .................................. 55
Gambar 4. 3 Heat Exchanger Shell and Tube 1 pass Shell
dan 2 Pass Tube ..................................................................... 60
Gambar 4.4 Susuan Tube Diamond dan Bujur Sangkar ............................... 62
Gambar 4.5 Grafik Faktor Koreksi ............................................................. 66
Gambar 4.6 Cangkang (Shell) .................................................................... 74
Gambar 4.7 Tabung (Tube) Alat Penukar Kalor .......................................... 75
Gambar 4.8 Front End Stationary Head ..................................................... 75
Gambar 4.9 Rear End Stationary Head ....................................................... 76

ix

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.10 Plat Tabung (Tube Sheet) ....................................................... 77
Gambar 4.11 Baffel .................................................................................... 77
Gambar 4.12 Rangkaian Alat Penukar Kalor Dengan Isolasi ........................ 78
Gambar 4.13 Tangki Fluida......................................................................... 79
Gambar 4.14 Rangka Alat Penukar Kalor .................................................... 80

x

Universitas Sumatera Utara

xi

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

�

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

C

C

C

Re

Bilangan Reynold

�i

Diameter Pipa

m

Dh

Diameter hidrolik

m

p

Keliling penempang pipa

m

Nu

Bilangan Nusselt

Pr

Bilangan Prandtl

Do

Diameter Luar Tabung

m

De

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

xi

Universitas Sumatera Utara

xii

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

ΔTLM

Beda Suhu rata-rata logaritma

°C

Cc

Kapasitas Fluida Dingin

W/K

Ch

Kapasitas Fluida Panas

W/K

q

Heat Loss

W

xii

Universitas Sumatera Utara