Analisis Efektifitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube Dengan Fluida Panas dan Fluida Dingin Air
ANALISIS EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR
SHELL & TUBE DENGAN AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS
DAN FLUIDA DINGIN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
FELIX WIJAYA
(110401068)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
i
ABSTRAK
Kebutuhan manusia dari zaman dahulu sudah ada yaitu ketika memasak air sampai
mendidih dengan memindahkan panas dari api sampai ketel kemudian panas tersebut
memanaskan air di dalam ketel dan air paling dasar yang menerima kalor terlebih dahulu
akan naik ke permukaan dan bersikulasi dengan air dingin dan siklus ini menghangatkan
air secara terus menerus sehingga ketel ini juga termasuk alat penukar kalor
(APK).Berbagai cara dilakukan manusia untuk memodifikasi APK tersebut untuk
memenuhi kebutuhannya yang beragam. Penelitian ini berpusat pada analisa dari alat
penukar kalor shell & tube 2 laluan dengan fluida panas dan dingin menggunakan air.
Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK dengan perhitungan metode NTU dan
perhitungan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK
terbesar adalah 96.56460 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 60 °C dan
temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510 l/jam dan
debit masuk fluida dingin 108 l/jam. Untuk perhitungan data di lapangan diperoleh
efektifitas APK terbesar adalah 35.4040 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50
°C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510
l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Hasil perhitungan metode NTU dan hasil
perhitungan di lapangan memiliki selisih yang cukup jauh dikarenakan alat ukur yang
kurang akurat, dan isolasi yang kurang sempurna sehingga masih terjadi heat loss.
Kata Kunci : Efektifitas, Alat penukar kalor tabung shell & tube, temperatur masuk dan
keluar.
Universitas Sumatera Utara
ii
ABSTRACT
Human needs from long time ago is already been needed when to boil water to boiled by
transferring heat to the kettle and then the heat is boiling water in the boiler water and the
mostly water that receive the most heat ,will rise to the surface and to circulate cold water
and this cycle warms water continuously so that the boiler also includes a heat exchanger.
Many ways that humans do to modify the heat exchanger to meet diverse needs. This
study focused on the analysis of heat exchanger shell and tube 2 passes with hot and cold
fluid using water. From this research, the effectiveness of the APK counted with NTU
calculation method and calculation of data in the field. For the calculation method of
NTU acquired the effectiveness of APK largest is 96.56460% at a temperature of hot
fluid entry (Th, i) 60 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot
fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 108 l / h. For the calculation of field data
obtained effectiveness APK biggest is 35.4040% at a temperature of hot fluid entry (Th,
i) 50 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry
510 l / h and cold fluid rate entry 180 l / h. For the calculation method of NTU and
calculation of data in the field ,there is a considerable difference caused by imprecise
measuring tools and heat loss caused by defective isolation.
Keyword : Effectiveness, Shell & Tube Heat exchanger, inlet and outlet temperature of
fluid.
Universitas Sumatera Utara
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 Efektifitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube
Dengan Fluida Panas dan Fluida Dingin Air”. 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 selalu memberikan dukungan, 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, ST. MT dan Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT 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. Rudianto dan Kevin Basri Ciwira, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan
semangatnya di masa suka maupun duka dalam menghadapi setiap
permasalahan.
Universitas Sumatera Utara
iv
7. Binsen Tan Nst , Hady Gunawan, dan Wilson untuk setiap bantuan dan
dukungan yang boleh diberikan.
8. Bapak Ir. Jaya Arjuna, M.Sc selaku kepala laboratorium Instalasi Uap dan
segenap asisten yang telah memberikan bantuan kepada penulis
melakukan penelitian di laboratorium tersebut.
9. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
telah memberikan masukan kepada penulis.
10. Andreas atas dukungan, motivasi dan beberapa masukan 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, 27 Mei 2016
Penulis
FELIX WIJAYA
NIM. 110401068
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK
................................................................................................................. i
ABSTRACT ................................................................................................................ ii
KATA PENGANTAR................................................................................................... iii
DAFTAR ISI .................................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... vii
DAFTAR TABEL ......................................................................................................... ix
DAFTAR NOTASI .........................................................................................................x
BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................................1
1.1 Latar Belakang ......................................................................................................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 TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................5
2.1 Teori Dasar Perpindahan Panas..............................................................................5
2.2 Pengertian Alat Penukar Kalor ...............................................................................6
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ..............................................................................9
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas .............................................................................18
2.4.1 Konduksi ......................................................................................................18
2.4.2 Konveksi ......................................................................................................19
2.4.3 Radiasi .........................................................................................................20
2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ...........................................................21
2.6 Faktor Kerak (Fouling Factor) ............................................................................23
2.7 Metode LMTD ....................................................................................................24
2.7.1 Metode LMTD Pada Aliran Paralel (Sejajar) .................................................25
Universitas Sumatera Utara
vi
2.7.2 Metode LMTD Pada Aliran Berlawanan .......................................................27
2.8 Metode NTU .......................................................................................................32
2.9 Persamaan – Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan Teoritis ................ 34
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................................38
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................................38
3.1.1 Tempat Penelitian .........................................................................................38
3.1.2 Waktu Penelitian...........................................................................................38
3.2 Metode Penelitian ................................................................................................38
3.3 Populasi dan Sampel............................................................................................38
3.3.1 Populasi Penelitian........................................................................................39
3.3.2 Sampel Penelitian .........................................................................................39
3.3.3 Teknik Sampling...........................................................................................39
3.4 Teknik Pengumpulan Data ...................................................................................40
3.5 Instrumen Penelitian ............................................................................................40
3.5.1 Bahan Penelitian ...........................................................................................40
3.5.2 Alat Penelitian ..............................................................................................40
3.5.3 Skema Uji Penelitian ....................................................................................46
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian .....................................................................46
3.5.5 Prosedur Percobaan.......................................................................................48
BAB IV ANALISA DATA ...........................................................................................49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................................65
5.1 Kesimpulan .........................................................................................................65
5.2 Saran ...................................................................................................................66
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................. xii
Universitas Sumatera Utara
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Water – Cooled Chiller ................................................................................7
Gambar 2.2 Thermosiphon Reboiler .............................................................................8
Gambar 2.3 Konstruksi Heat Exchanger ..........................................................................8
Gambar 2.4 Aliran double pipe heat exchanger .............................................................11
Gambar 2.5 Hairpin heat exchanger ..............................................................................12
Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current .............. 13
Gambar 2.7 Double-pipe heat exchangers in series .......................................................13
Gambar 2.8 Double-pipe heat exchangers in series–parallel..........................................14
Gambar 2.9 Bentuk susunan tabung...............................................................................15
Gambar 2.10 Shell and tube heat exchanger ..................................................................15
Gambar 2.11 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ...........................17
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 .................. 21
Gambar 2.16 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung
sepusat ....................................................................................................22
Gambar 2.17 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do
dan Ai ≈Ao ................................................................................................22
Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran sejajar ...........................................................25
Gambar 2.19 Grafik efektifitas untuk APK shell & tube ................................................35
Gambar 2.20 Grafik efektifitas untuk APK tabung sepusat aliran berlawanan ................ 35
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung shell & tube.......................................................42
Gambar 3.2 Termometer digital Double-pipe heat exchangers in series .........................43
Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida .................................................................43
Gambar 3.4 Water heater ..............................................................................................44
Universitas Sumatera Utara
viii
Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas..................................................................44
Gambar 3.6 Pompa fluida panas ....................................................................................45
Gambar 3.7 Tabung shell & tube ...................................................................................45
Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ..................................................................................46
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian..............................................................................47
Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell & tube ..............................................................49
Gambar 4.2 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 40°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................58
Gambar 4.3 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 50°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................58
Gambar 4.4 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 60°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................59
Gambar 4.5 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluifa panas variasi 3 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ...................60
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 40°C . 61
Gambar 4.7 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 50°C . 61
Gambar 4.8 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 60°C . 62
Universitas Sumatera Utara
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings ...............................................................12
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida .......................................................24
Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ................................................35
Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian .......................................................39
Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) .........................................57
Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan ....................................................................59
Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan metode NTU dan perhitungan di Lapangan ....59
Universitas Sumatera Utara
x
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/m2 K
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
W/m2
Q
Laju Perpindahan Panas
W
�
Tahanan Termal
m2. °C/W
m
Universitas Sumatera Utara
xi
Re
Bilangan Reynold
ΔT
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
ΔTRL
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
Universitas Sumatera Utara
SHELL & TUBE DENGAN AIR SEBAGAI FLUIDA PANAS
DAN FLUIDA DINGIN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
FELIX WIJAYA
(110401068)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
i
ABSTRAK
Kebutuhan manusia dari zaman dahulu sudah ada yaitu ketika memasak air sampai
mendidih dengan memindahkan panas dari api sampai ketel kemudian panas tersebut
memanaskan air di dalam ketel dan air paling dasar yang menerima kalor terlebih dahulu
akan naik ke permukaan dan bersikulasi dengan air dingin dan siklus ini menghangatkan
air secara terus menerus sehingga ketel ini juga termasuk alat penukar kalor
(APK).Berbagai cara dilakukan manusia untuk memodifikasi APK tersebut untuk
memenuhi kebutuhannya yang beragam. Penelitian ini berpusat pada analisa dari alat
penukar kalor shell & tube 2 laluan dengan fluida panas dan dingin menggunakan air.
Dari penelitian ini diperoleh efektifitas APK dengan perhitungan metode NTU dan
perhitungan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektifitas APK
terbesar adalah 96.56460 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 60 °C dan
temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510 l/jam dan
debit masuk fluida dingin 108 l/jam. Untuk perhitungan data di lapangan diperoleh
efektifitas APK terbesar adalah 35.4040 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50
°C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 29 °C pada debit masuk fluida panas 510
l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Hasil perhitungan metode NTU dan hasil
perhitungan di lapangan memiliki selisih yang cukup jauh dikarenakan alat ukur yang
kurang akurat, dan isolasi yang kurang sempurna sehingga masih terjadi heat loss.
Kata Kunci : Efektifitas, Alat penukar kalor tabung shell & tube, temperatur masuk dan
keluar.
Universitas Sumatera Utara
ii
ABSTRACT
Human needs from long time ago is already been needed when to boil water to boiled by
transferring heat to the kettle and then the heat is boiling water in the boiler water and the
mostly water that receive the most heat ,will rise to the surface and to circulate cold water
and this cycle warms water continuously so that the boiler also includes a heat exchanger.
Many ways that humans do to modify the heat exchanger to meet diverse needs. This
study focused on the analysis of heat exchanger shell and tube 2 passes with hot and cold
fluid using water. From this research, the effectiveness of the APK counted with NTU
calculation method and calculation of data in the field. For the calculation method of
NTU acquired the effectiveness of APK largest is 96.56460% at a temperature of hot
fluid entry (Th, i) 60 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot
fluid rate entry 510 l / h and cold fluid rate entry 108 l / h. For the calculation of field data
obtained effectiveness APK biggest is 35.4040% at a temperature of hot fluid entry (Th,
i) 50 ° C and the temperature of cold fluid entry (Tc, i) 29 ° C on a hot fluid rate entry
510 l / h and cold fluid rate entry 180 l / h. For the calculation method of NTU and
calculation of data in the field ,there is a considerable difference caused by imprecise
measuring tools and heat loss caused by defective isolation.
Keyword : Effectiveness, Shell & Tube Heat exchanger, inlet and outlet temperature of
fluid.
Universitas Sumatera Utara
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 Efektifitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube
Dengan Fluida Panas dan Fluida Dingin Air”. 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 selalu memberikan dukungan, 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, ST. MT dan Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT 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. Rudianto dan Kevin Basri Ciwira, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan
semangatnya di masa suka maupun duka dalam menghadapi setiap
permasalahan.
Universitas Sumatera Utara
iv
7. Binsen Tan Nst , Hady Gunawan, dan Wilson untuk setiap bantuan dan
dukungan yang boleh diberikan.
8. Bapak Ir. Jaya Arjuna, M.Sc selaku kepala laboratorium Instalasi Uap dan
segenap asisten yang telah memberikan bantuan kepada penulis
melakukan penelitian di laboratorium tersebut.
9. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011, juga rekan-rekan yang
telah memberikan masukan kepada penulis.
10. Andreas atas dukungan, motivasi dan beberapa masukan 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, 27 Mei 2016
Penulis
FELIX WIJAYA
NIM. 110401068
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK
................................................................................................................. i
ABSTRACT ................................................................................................................ ii
KATA PENGANTAR................................................................................................... iii
DAFTAR ISI .................................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... vii
DAFTAR TABEL ......................................................................................................... ix
DAFTAR NOTASI .........................................................................................................x
BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................................1
1.1 Latar Belakang ......................................................................................................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 TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................5
2.1 Teori Dasar Perpindahan Panas..............................................................................5
2.2 Pengertian Alat Penukar Kalor ...............................................................................6
2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ..............................................................................9
2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas .............................................................................18
2.4.1 Konduksi ......................................................................................................18
2.4.2 Konveksi ......................................................................................................19
2.4.3 Radiasi .........................................................................................................20
2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ...........................................................21
2.6 Faktor Kerak (Fouling Factor) ............................................................................23
2.7 Metode LMTD ....................................................................................................24
2.7.1 Metode LMTD Pada Aliran Paralel (Sejajar) .................................................25
Universitas Sumatera Utara
vi
2.7.2 Metode LMTD Pada Aliran Berlawanan .......................................................27
2.8 Metode NTU .......................................................................................................32
2.9 Persamaan – Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan Teoritis ................ 34
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................................38
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ..............................................................................38
3.1.1 Tempat Penelitian .........................................................................................38
3.1.2 Waktu Penelitian...........................................................................................38
3.2 Metode Penelitian ................................................................................................38
3.3 Populasi dan Sampel............................................................................................38
3.3.1 Populasi Penelitian........................................................................................39
3.3.2 Sampel Penelitian .........................................................................................39
3.3.3 Teknik Sampling...........................................................................................39
3.4 Teknik Pengumpulan Data ...................................................................................40
3.5 Instrumen Penelitian ............................................................................................40
3.5.1 Bahan Penelitian ...........................................................................................40
3.5.2 Alat Penelitian ..............................................................................................40
3.5.3 Skema Uji Penelitian ....................................................................................46
3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian .....................................................................46
3.5.5 Prosedur Percobaan.......................................................................................48
BAB IV ANALISA DATA ...........................................................................................49
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................................65
5.1 Kesimpulan .........................................................................................................65
5.2 Saran ...................................................................................................................66
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................. xii
Universitas Sumatera Utara
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Water – Cooled Chiller ................................................................................7
Gambar 2.2 Thermosiphon Reboiler .............................................................................8
Gambar 2.3 Konstruksi Heat Exchanger ..........................................................................8
Gambar 2.4 Aliran double pipe heat exchanger .............................................................11
Gambar 2.5 Hairpin heat exchanger ..............................................................................12
Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current .............. 13
Gambar 2.7 Double-pipe heat exchangers in series .......................................................13
Gambar 2.8 Double-pipe heat exchangers in series–parallel..........................................14
Gambar 2.9 Bentuk susunan tabung...............................................................................15
Gambar 2.10 Shell and tube heat exchanger ..................................................................15
Gambar 2.11 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent ...........................17
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 .................. 21
Gambar 2.16 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung
sepusat ....................................................................................................22
Gambar 2.17 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis Di ≈Do
dan Ai ≈Ao ................................................................................................22
Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran sejajar ...........................................................25
Gambar 2.19 Grafik efektifitas untuk APK shell & tube ................................................35
Gambar 2.20 Grafik efektifitas untuk APK tabung sepusat aliran berlawanan ................ 35
Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung shell & tube.......................................................42
Gambar 3.2 Termometer digital Double-pipe heat exchangers in series .........................43
Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida .................................................................43
Gambar 3.4 Water heater ..............................................................................................44
Universitas Sumatera Utara
viii
Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas..................................................................44
Gambar 3.6 Pompa fluida panas ....................................................................................45
Gambar 3.7 Tabung shell & tube ...................................................................................45
Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ..................................................................................46
Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian..............................................................................47
Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell & tube ..............................................................49
Gambar 4.2 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 40°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................58
Gambar 4.3 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 50°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................58
Gambar 4.4 Grafik efektifitas teori aliran fluida panas pada suhu 60°C kapasitas aliran
fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ....................................................59
Gambar 4.5 Grafik perbandingan efektifitas lapangan aliran fluifa panas variasi 3 suhu
pada kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j ,180 l/j dan 300 l/j ...................60
Gambar 4.6 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 40°C . 61
Gambar 4.7 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 50°C . 61
Gambar 4.8 Grafik perbandingan efektifitas secara teori dan lapangan pada suhu 60°C . 62
Universitas Sumatera Utara
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings ...............................................................12
Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida .......................................................24
Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ................................................35
Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian .......................................................39
Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) .........................................57
Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan ....................................................................59
Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan metode NTU dan perhitungan di Lapangan ....59
Universitas Sumatera Utara
x
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/m2 K
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
W/m2
Q
Laju Perpindahan Panas
W
�
Tahanan Termal
m2. °C/W
m
Universitas Sumatera Utara
xi
Re
Bilangan Reynold
ΔT
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
ΔTRL
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
Universitas Sumatera Utara