Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Satu Laluan Dengan Aliran yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah
Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran
Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam
Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
M. YOKI AL MAHIR
110401159
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Alat penukar kalor pipa konsentris tiga saluran merupakan versi pengembangan
atau perbaikan alat penukar kalo pipa konsentris dua saluran. Alat penukar kalor
tiga saluran sudah cukup banyak dikembangkan, terutama oleh C.L. Ko dan G.L.
Wedekind secara teoritis dan eksperimen. Penelitian ini dilakukan untuk
mengetahui temperatur keluaran masing-masing saluran, dan perfomansi alat
penukar kalor berdasarkan efektifitas secara eksperimen dan teoritis. Dalam
skripsi ini, dilakukan pengembangan dengan cakupan yang lebih luas dari
penelitian C.L. Ko dan G.L. Wedekind, yaitu C1/Cs ≥ 1 dan C1/Cs ≤ 1 dalam
konfigurasi aliran berlawanan arah dan searah dengan alat penukar kalor yang
digunakan sesuai ukuran yang digunakan C.L. Ko dan G.L. Wedekind. Hasil
eksperimen bahwa efektifitas rata-rata ± 60% dengan efektifitas tertinggi ± 80,4
% dalam konfigurasi aliran berlawanan, dan efektitas rata-rata ± 43,4% dengan
nilai tertinggi ± 55,1% dalam konfigurasi aliran searah. Efektifitas penukar kalor
yang diperoleh dari prediksi secara teori, mempunyai perbedaan rata-rata terhadap
pengujian ± 9,06% terhadap pengujian dalam aliran berlawanan dan 5,67% dalam
aliran searah. Pada percobaan ini juga menunjukkan pergeseran desain optimum
berdasarkan efektifitas maksimum yang dipengaruhi distribusi aliran terbagi dari
prediksi C.L.Ko dan G.L. Wedekind.
Kata Kunci : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe,
Split Flow, Overall coefficient convection
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The triple concentric pipes heat exchanger is an improved or the repair version of
double pipe heat exchanger. The research of triple concentric pipe heat exchanger
have enough developed, especially by C.L.Ko dan G.L. Wedekind who have
given theoretically and experimentally analysis. This research was conducted to
determine the output of temperature of each channel and find out perfomance
heat exchanger effectiveness is based on experimentally and theoretically. In this
essay, the development is doing with a broader scope of research C.L. Ko and
G.L. Wedekind, the experiment have done with C1/Cs ≤ 1 and C1/Cs ≥ 1 in both
counter flow and paralel flow configuration a heat exchanger used according to
the size used C.L. Ko and G.L. Wedekind. The result experiment that average
effectiveness is ± 60% with the higgest effectiveness is ± 80.4 % in counter flow
configuration and the average effectiveness is ± 43.4% with the higgest
effectiveness is ± 55.1 % in paralel flow configuration. Theoretically predicted
heat exchanger effectiveness are found on the average different of the experiment
± 9,06% in counter flow configuration and 5,67% in paralel flow configuration.
The experiment also show different result of optimum point that predicted by
C.L.Ko dan G.L. Wedekind.
Keyword : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe,
Split Flow, Overall coefficient convection
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas limpahan berkah
dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi sebagai syarat
kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran
Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan
Arah dan Searah”. Dalam menyelesaikan skripsi ini banyak hal yang dihadapi
baik teknis dan non teknis.. Penulis telah berupaya dengan keras untuk
menyelesaiakn skripsi ini dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang
diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis juga benyak mendapat dukungan
dan bimbingan yang sangat berharga, baik berupa moril maupun materil. Maka
dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T
selaku dosen pembimbing yang sudah
membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang
penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Ayahanda dan Ibunda yang selalu memberikan dukungan baik moril dan
materil sehingga skripsi ini terselesaikan.
4. Saudara-saudara penulis abangda Wahyu Ramadhan yang memberikan
dukungannya dalam menyelesaiakn skrispsi ini
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
6. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011.
7. Keluarga besar HMI Komiariat Teknik USU, HMI Cabang Medan, rekanrekan Instruktur HMI Cabang Medan, dan juga rekan-rekan yang tidak dapat
penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.
iii
Universitas Sumatera Utara
Dalam penulisan skripsi ini, dan tentunya masih terdapat kekurangan,
oleh karena itu penulis mengharapkan berupa kritik dan saran yang bersifat
membangun dari pembaca.
Akhirnya penulis mengharapkan, semoga skripsi ini dapat bermanfaat
terutama bagi penulis sendiri maupun bagi bagi para rekan-rekan sesama
mahasiswa Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Medan,
September 2016
M. Yoki Al Mahir
110401159
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...............................................................................................................i
ABSTRACT ..............................................................................................................ii
KATA PENGANTAR ..............................................................................................iii
DAFTAR ISI .............................................................................................................v
DAFTAR TABEL ....................................................................................................viii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ix
DAFTAR SIMBOL ..................................................................................................xiii
DAFTAR LAMPIRAN ...........................................................................................xv
BAB I PENDAHULUAN .........................................................................................1
1.1 Latar Belakang ...............................................................................................1
1.2 Tujuan Pengujian............................................................................................2
1.3 Batasan Permasalahan ....................................................................................2
1.4 Metode Penelitian ...........................................................................................2
1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................................2
BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................................4
2.1 Alat Penukar Kalor .........................................................................................4
2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ......................................................................5
2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ..............................................10
2.3.1 Mesin Refrigasi (Chiller) ...........................................................................10
2.3.2.Kondensor ..................................................................................................11
2.3.3.Mesin Pendingin (Cooler)..........................................................................12
2.3.4. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) ......................................................12
2.3.5.Alat Pemanas Ulang (ReHeater) ................................................................13
2.3.6. Evaporator .................................................................................................13
2.3.7. Alat Pemanas Air Pengisi Ketel ................................................................14
2.4 Jenis – Jenis Heat Exchanger .........................................................................14
v
Universitas Sumatera Utara
2.5 Analisa Perpindahan Panas ............................................................................19
2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi pada Pipa Anulus ........................................19
2.6 Analisa Alat Penukar Kalor dengan Metode LMTD (Log Mean
Temperature Difference) ................................................................................23
2.7 Analisa Penukar Kalor dengan Metode ε-NTU (efectivines – Number
Transfer of Unit) ............................................................................................29
2.8 Distribusi Temperatur Secara Aksial dan Hubungan ε-NTU pada
Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran yang Terbagi ..............................31
2.8.1 Persamaan-persamaan Diffrensial Membentuk Distribusi Temperatur
Aksial ...........................................................................................................32
2.8.2 Solusi Umum .............................................................................................36
2.8.3 Hubungan ε-NTU pada Penukar Kalor Tiga Saluran ................................39
2.8.4 Analisa Penukar Panas Aliran yang Berlawanan Arah dengan C1 = Cs ....43
2.9 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Dengan Aliran Terbagi ..45
BAB III METODE PENELITIAN .........................................................................46
3.1 Pendahuluan ..................................................................................................46
3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................46
3.2.1 Tempat Penelitian ......................................................................................46
3.2.2 Waktu Penelitian ........................................................................................46
3.3 Metode Penelitian ...........................................................................................46
3.4 Populasi dan Sampel .......................................................................................47
3.4.1 Populasi Penelitian .....................................................................................47
3.4.2 Sampel Penelitian.......................................................................................47
3.5 Teknik Pengumpulan Data ..............................................................................47
3.6 Instrumen Penelitian ........................................................................................49
3.6.1 Bahan Penelitian ........................................................................................49
3.6.1.1 Sumber Air Panas .................................................................................49
3.6.1.2 Sumber Air dingin ................................................................................49
3.6.2 Alat .............................................................................................................49
3.7 Set Up Eksperimen ..........................................................................................55
3.8 Pengujian dan Pengambilan Data ....................................................................57
vi
Universitas Sumatera Utara
3.9 Metode Pengolahan Data.................................................................................61
3.9.1 Pengolahan Data Eksperimental ................................................................61
3.9.2 Pengolahan Data Secara Teoritis ...............................................................62
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................63
4.1 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Pipa ......................63
4.2 Pengolahan Data dan Analisa Hasil Ekperimen dan Perhitungan Teoritis ....65
4.2.1 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah
(Counter Flow)...........................................................................................66
4.2.2 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Searah (Paralel Flow) ............73
4.3 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran
Terbagi ...........................................................................................................76
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................................61
5.1 Kesimpulan ....................................................................................................77
5.2 Saran ...............................................................................................................78
DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................xvi
LAMPIRAN
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel 2.1
Judul
Bilangan
Nusselt
untuk
Halaman
aliran
laminar
20
berkembang penuh pada pipa anulus yang
tabung dimana yang permukaan diisolasi dan
permukaan yang lain temperatur konstan
Tabel 2.2
Koefisien pada aliran laminar berkembang
20
penuh di dalam tabung anulus dengan fluks
panas konstan
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
Gambar 2.1
Parallel flow
4
Gambar 2.2
Counter flow
5
Gambar 2.3
Tidak bersirip dengan satu fluida campur
5
Gambar 2.4
Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur
6
Gambar 2.5
Alat penukar kalor 1-1 pass
7
Gambar 2.6
Alat penukar kalor 1-2 pass
8
Gambar 2.7
Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller)
10
Gambar 2.8
Kondensor
10
Gambar 2.9
Mesin pendingin
11
Gambar 2.10
Alat penukar kalor dengan tabung tipe U
11
Gambar 2.11
Alat pemanasan ulang
12
Gambar 2.12
Evaporator
12
Gambar 2.13
Alat pemanas air pengisi ketel
13
Gambar 2.14
Shell and tube heat exchanger
14
Gambar 2.15
Aliran double pipe heat exchanger
14
Gambar 2.16
Hairpin heat exchanger
15
Gambar 2.17
Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan
16
counter current
Gambar 2.18
Double-pipe heat exchangers in series
16
Gambar 2.19
Pipa Coil Heat Exchanger
17
Gambar 2.20
Spiral Heat Exchanger
17
Gambar 2.21
Gasket plate exchanger
18
Gambar 2.22
Perpindahan panas pada pipa anulus
18
Gambar 2.23
Bilangan Nusselt dan koefisien yang berpengaruh untuk
21
aliran laminar pada pipa anulus dengan fluks panas
konstan, aliran dan profil temperatur telah berkembang
penuh.
Gambar 2.24
Distribusi suhu APK aliran searah
22
Gambar 2.25
Keseimbangan energi keseluruhan antara fluida panas
23
dan dingin pada penukar panas
ix
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26
Distribusi temperatur untuk aliran paralel alat peukar
25
kalor
Gambar 2.27
Distribusi temperatur untuk aliran berlawanan alat
28
peukar kalor
Gambar 2.28
Skematik alat penukar kalor tiga saluran
31
Gambar 3.1
Alat penukar kalor tiga saluran dengan aliran terbagi
48
Gambar 3.2
Termokopel Type K
49
Gambar 3.3
Penempatan kabel termokopel tipe K pada tabung
49
Gambar 3.4
Data acquisition module type 18200-400
50
Gambar 3.5
WaterFlow sensor
50
Gambar 3.6
Rangkaian water flow sensor dan Arduino Uno R3
51
Gambar 3.7
Display LCD dan Arduino Uno R3 pada waterflow
51
sensor
Gambar 3.8
Liquid flowmeter
52
Gambar 3.9
Drum Heater
53
Gambar 3.10
Pompa aquarium sentrifugal
54
Gambar 3.11
Skema alat pengujian dengan konfigurasi aliran searah
54
Gambar 3.12
Diagram alir pengumpulan data
57
Gambar 3.13
Set Up Ekperimen
58
Gambar 3.14
Diagram alir proses pengolahan data teoritis
60
Gambar 4.1
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
66
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,02 ≥ C1/Cs ≥ 1
Gambar 4.2
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
66
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,07 ≥ C1/Cs ≥ 1,05
Gambar 4.3
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
67
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,99 ≥ C1/Cs ≥ 0,95
Gambar 4.4
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
67
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,11 ≥ C1/Cs ≥ 1,17
x
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
68
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29
Gambar 4.6
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
68
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29
Gambar 4.7
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
69
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,82 ≥ C1/Cs ≥ 0,94
Gambar 4.8
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
69
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,6 ≥ C1/Cs ≥ 0,77
Gambar 4.9
Persentase Kesalahan efektifitas hasil eksperimen dan
71
teoritis
Gambar 4.10
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
72
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 1,12 ≥
C1/C2 ≥ 1,01
Gambar 4.11
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
72
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,9 ≥ C 1/Cs
≥ 0,97
Gambar 4.12
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
73
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,8 ≥ C 1/Cs
≥ 0,88
Gambar 4.13
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
73
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C1/C2
≥ 0,78
Gambar 4.14
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
74
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C 1/Cs
≥ 0,78
Gambar 4.15
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
75
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥C1/Cs
≥ 0,78
xi
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.16
Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi
81
alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran
berlawanan.
Gambar 4.17
Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi
82
alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran
searah
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
Satuan
k
Konduktifitas thermal
W/m.K
A
Satuan luas permukaan pipa
m2
A1i
Luas perpindahan panas antara saluran 1 dan i
m2
α
Parameter tak berdimensi
B
Koefisien tak tentu
b
Parameter tak berdimensi
cp
Panas Jenis Fluida
kJ/kg.K
Ci
Laju kapasitas panas aliran dalam saluran i
W/°K
Di
Koefisiesn dalam saluran i
�
Diameter Pipa
m
Dh
Diameter hidrolik
m
Do
Diameter luar pipa
m
Di
Diamter dalam pipa
m
L
Panjang total alat penukar panas
m
mi
Laju massa aliran dari aliran dalam saluran i (i = 1,2, dan 3)
Kg/s
Nu
Bilangan Nusselt
Ntu
Jumlah unit perpindahan panas
P1i
Keliling perpindahan panas antara saluran 1 dan saluran i
(i = 2 dan 3)
m
Q
Debit aliran
m3/s
q
Laju perpindahan panas total
Watt
Q1i
Laju perpindahan panas antara aliran-aliran dalam saluran 1 dan
saluran i (i = 2 dan 3)
Watt
S1
Parameter tak berdimensi
Ti
Temperatur saluran i (i = 1,2, dan 3)
°C
Ts
Temperatur ekuivalen
°C
U
Koefisien perpindahan panas konveksi menyeluruh
u
Perbedaan temperatur
°C
v
Perbedaan temperatur
°C
x
Koordinat aksial dari sebuah titik dalam penukar kalor
xiii
Universitas Sumatera Utara
z
Koordinat aksial yang dinormalisasikan
ε
Efektifitas perpindahan panas
α
Parameter tak berdimensi
β
Parameter tak berdimensi
ϒ
Parameter tak berdimensi
λ
Rasio kapasitas panas
μ
Rasio kapasitas aliran
ρ
Massa jenis fluida
Kg/m3
V
Kecepatan fluida
m/s
μ
Viskositas dinamik
N.s/m2
Ɵ*i
Koefisien berpengaruh dalam
Ɵ*o
Koefisien berpengaruh luar
Cmin
Kapasitas aliran minimum
W/°K
ΔT
Perbedaan temperatur
°K
Th
Temperatur fluida panas
°K
Tc
Temperatur fluida dingin
°K
Re
Bilangan reynold
k
Konduktivitas thermal
W/m.°K
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran I
Analisa Perhitungan Data
Lampiran II
Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk
penukar kalor dengan konfigurasi aliran
berlawanan arah (Counter flow)
Lampiran III
Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk
penukar kalor dengan konfigurasi aliran searah
(Paralel flow)
Lampiran IV
Properties of Saturated Water
xv
Universitas Sumatera Utara
Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam
Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah dan Searah
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
M. YOKI AL MAHIR
110401159
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Alat penukar kalor pipa konsentris tiga saluran merupakan versi pengembangan
atau perbaikan alat penukar kalo pipa konsentris dua saluran. Alat penukar kalor
tiga saluran sudah cukup banyak dikembangkan, terutama oleh C.L. Ko dan G.L.
Wedekind secara teoritis dan eksperimen. Penelitian ini dilakukan untuk
mengetahui temperatur keluaran masing-masing saluran, dan perfomansi alat
penukar kalor berdasarkan efektifitas secara eksperimen dan teoritis. Dalam
skripsi ini, dilakukan pengembangan dengan cakupan yang lebih luas dari
penelitian C.L. Ko dan G.L. Wedekind, yaitu C1/Cs ≥ 1 dan C1/Cs ≤ 1 dalam
konfigurasi aliran berlawanan arah dan searah dengan alat penukar kalor yang
digunakan sesuai ukuran yang digunakan C.L. Ko dan G.L. Wedekind. Hasil
eksperimen bahwa efektifitas rata-rata ± 60% dengan efektifitas tertinggi ± 80,4
% dalam konfigurasi aliran berlawanan, dan efektitas rata-rata ± 43,4% dengan
nilai tertinggi ± 55,1% dalam konfigurasi aliran searah. Efektifitas penukar kalor
yang diperoleh dari prediksi secara teori, mempunyai perbedaan rata-rata terhadap
pengujian ± 9,06% terhadap pengujian dalam aliran berlawanan dan 5,67% dalam
aliran searah. Pada percobaan ini juga menunjukkan pergeseran desain optimum
berdasarkan efektifitas maksimum yang dipengaruhi distribusi aliran terbagi dari
prediksi C.L.Ko dan G.L. Wedekind.
Kata Kunci : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe,
Split Flow, Overall coefficient convection
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The triple concentric pipes heat exchanger is an improved or the repair version of
double pipe heat exchanger. The research of triple concentric pipe heat exchanger
have enough developed, especially by C.L.Ko dan G.L. Wedekind who have
given theoretically and experimentally analysis. This research was conducted to
determine the output of temperature of each channel and find out perfomance
heat exchanger effectiveness is based on experimentally and theoretically. In this
essay, the development is doing with a broader scope of research C.L. Ko and
G.L. Wedekind, the experiment have done with C1/Cs ≤ 1 and C1/Cs ≥ 1 in both
counter flow and paralel flow configuration a heat exchanger used according to
the size used C.L. Ko and G.L. Wedekind. The result experiment that average
effectiveness is ± 60% with the higgest effectiveness is ± 80.4 % in counter flow
configuration and the average effectiveness is ± 43.4% with the higgest
effectiveness is ± 55.1 % in paralel flow configuration. Theoretically predicted
heat exchanger effectiveness are found on the average different of the experiment
± 9,06% in counter flow configuration and 5,67% in paralel flow configuration.
The experiment also show different result of optimum point that predicted by
C.L.Ko dan G.L. Wedekind.
Keyword : Heat Exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric Pipe,
Split Flow, Overall coefficient convection
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas limpahan berkah
dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi sebagai syarat
kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Analisa Perfomansi Alat Penukar Kalor Tiga Saluran
Satu Laluan Dengan Aliran Yang Terbagi Dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan
Arah dan Searah”. Dalam menyelesaikan skripsi ini banyak hal yang dihadapi
baik teknis dan non teknis.. Penulis telah berupaya dengan keras untuk
menyelesaiakn skripsi ini dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang
diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis juga benyak mendapat dukungan
dan bimbingan yang sangat berharga, baik berupa moril maupun materil. Maka
dalam kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, M.T
selaku dosen pembimbing yang sudah
membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang
penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Ayahanda dan Ibunda yang selalu memberikan dukungan baik moril dan
materil sehingga skripsi ini terselesaikan.
4. Saudara-saudara penulis abangda Wahyu Ramadhan yang memberikan
dukungannya dalam menyelesaiakn skrispsi ini
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
6. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2011.
7. Keluarga besar HMI Komiariat Teknik USU, HMI Cabang Medan, rekanrekan Instruktur HMI Cabang Medan, dan juga rekan-rekan yang tidak dapat
penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.
iii
Universitas Sumatera Utara
Dalam penulisan skripsi ini, dan tentunya masih terdapat kekurangan,
oleh karena itu penulis mengharapkan berupa kritik dan saran yang bersifat
membangun dari pembaca.
Akhirnya penulis mengharapkan, semoga skripsi ini dapat bermanfaat
terutama bagi penulis sendiri maupun bagi bagi para rekan-rekan sesama
mahasiswa Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Medan,
September 2016
M. Yoki Al Mahir
110401159
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK ...............................................................................................................i
ABSTRACT ..............................................................................................................ii
KATA PENGANTAR ..............................................................................................iii
DAFTAR ISI .............................................................................................................v
DAFTAR TABEL ....................................................................................................viii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ix
DAFTAR SIMBOL ..................................................................................................xiii
DAFTAR LAMPIRAN ...........................................................................................xv
BAB I PENDAHULUAN .........................................................................................1
1.1 Latar Belakang ...............................................................................................1
1.2 Tujuan Pengujian............................................................................................2
1.3 Batasan Permasalahan ....................................................................................2
1.4 Metode Penelitian ...........................................................................................2
1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................................2
BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................................4
2.1 Alat Penukar Kalor .........................................................................................4
2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ......................................................................5
2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ..............................................10
2.3.1 Mesin Refrigasi (Chiller) ...........................................................................10
2.3.2.Kondensor ..................................................................................................11
2.3.3.Mesin Pendingin (Cooler)..........................................................................12
2.3.4. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) ......................................................12
2.3.5.Alat Pemanas Ulang (ReHeater) ................................................................13
2.3.6. Evaporator .................................................................................................13
2.3.7. Alat Pemanas Air Pengisi Ketel ................................................................14
2.4 Jenis – Jenis Heat Exchanger .........................................................................14
v
Universitas Sumatera Utara
2.5 Analisa Perpindahan Panas ............................................................................19
2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi pada Pipa Anulus ........................................19
2.6 Analisa Alat Penukar Kalor dengan Metode LMTD (Log Mean
Temperature Difference) ................................................................................23
2.7 Analisa Penukar Kalor dengan Metode ε-NTU (efectivines – Number
Transfer of Unit) ............................................................................................29
2.8 Distribusi Temperatur Secara Aksial dan Hubungan ε-NTU pada
Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran yang Terbagi ..............................31
2.8.1 Persamaan-persamaan Diffrensial Membentuk Distribusi Temperatur
Aksial ...........................................................................................................32
2.8.2 Solusi Umum .............................................................................................36
2.8.3 Hubungan ε-NTU pada Penukar Kalor Tiga Saluran ................................39
2.8.4 Analisa Penukar Panas Aliran yang Berlawanan Arah dengan C1 = Cs ....43
2.9 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran Dengan Aliran Terbagi ..45
BAB III METODE PENELITIAN .........................................................................46
3.1 Pendahuluan ..................................................................................................46
3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................46
3.2.1 Tempat Penelitian ......................................................................................46
3.2.2 Waktu Penelitian ........................................................................................46
3.3 Metode Penelitian ...........................................................................................46
3.4 Populasi dan Sampel .......................................................................................47
3.4.1 Populasi Penelitian .....................................................................................47
3.4.2 Sampel Penelitian.......................................................................................47
3.5 Teknik Pengumpulan Data ..............................................................................47
3.6 Instrumen Penelitian ........................................................................................49
3.6.1 Bahan Penelitian ........................................................................................49
3.6.1.1 Sumber Air Panas .................................................................................49
3.6.1.2 Sumber Air dingin ................................................................................49
3.6.2 Alat .............................................................................................................49
3.7 Set Up Eksperimen ..........................................................................................55
3.8 Pengujian dan Pengambilan Data ....................................................................57
vi
Universitas Sumatera Utara
3.9 Metode Pengolahan Data.................................................................................61
3.9.1 Pengolahan Data Eksperimental ................................................................61
3.9.2 Pengolahan Data Secara Teoritis ...............................................................62
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................63
4.1 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Pipa ......................63
4.2 Pengolahan Data dan Analisa Hasil Ekperimen dan Perhitungan Teoritis ....65
4.2.1 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Berlawanan Arah
(Counter Flow)...........................................................................................66
4.2.2 Penukar Panas dalam Konfigurasi Aliran Searah (Paralel Flow) ............73
4.3 Desain Optimum Alat Penukar Kalor Tiga Saluran dengan Aliran
Terbagi ...........................................................................................................76
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................................61
5.1 Kesimpulan ....................................................................................................77
5.2 Saran ...............................................................................................................78
DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................xvi
LAMPIRAN
vii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel 2.1
Judul
Bilangan
Nusselt
untuk
Halaman
aliran
laminar
20
berkembang penuh pada pipa anulus yang
tabung dimana yang permukaan diisolasi dan
permukaan yang lain temperatur konstan
Tabel 2.2
Koefisien pada aliran laminar berkembang
20
penuh di dalam tabung anulus dengan fluks
panas konstan
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
Gambar 2.1
Parallel flow
4
Gambar 2.2
Counter flow
5
Gambar 2.3
Tidak bersirip dengan satu fluida campur
5
Gambar 2.4
Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur
6
Gambar 2.5
Alat penukar kalor 1-1 pass
7
Gambar 2.6
Alat penukar kalor 1-2 pass
8
Gambar 2.7
Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller)
10
Gambar 2.8
Kondensor
10
Gambar 2.9
Mesin pendingin
11
Gambar 2.10
Alat penukar kalor dengan tabung tipe U
11
Gambar 2.11
Alat pemanasan ulang
12
Gambar 2.12
Evaporator
12
Gambar 2.13
Alat pemanas air pengisi ketel
13
Gambar 2.14
Shell and tube heat exchanger
14
Gambar 2.15
Aliran double pipe heat exchanger
14
Gambar 2.16
Hairpin heat exchanger
15
Gambar 2.17
Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan
16
counter current
Gambar 2.18
Double-pipe heat exchangers in series
16
Gambar 2.19
Pipa Coil Heat Exchanger
17
Gambar 2.20
Spiral Heat Exchanger
17
Gambar 2.21
Gasket plate exchanger
18
Gambar 2.22
Perpindahan panas pada pipa anulus
18
Gambar 2.23
Bilangan Nusselt dan koefisien yang berpengaruh untuk
21
aliran laminar pada pipa anulus dengan fluks panas
konstan, aliran dan profil temperatur telah berkembang
penuh.
Gambar 2.24
Distribusi suhu APK aliran searah
22
Gambar 2.25
Keseimbangan energi keseluruhan antara fluida panas
23
dan dingin pada penukar panas
ix
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.26
Distribusi temperatur untuk aliran paralel alat peukar
25
kalor
Gambar 2.27
Distribusi temperatur untuk aliran berlawanan alat
28
peukar kalor
Gambar 2.28
Skematik alat penukar kalor tiga saluran
31
Gambar 3.1
Alat penukar kalor tiga saluran dengan aliran terbagi
48
Gambar 3.2
Termokopel Type K
49
Gambar 3.3
Penempatan kabel termokopel tipe K pada tabung
49
Gambar 3.4
Data acquisition module type 18200-400
50
Gambar 3.5
WaterFlow sensor
50
Gambar 3.6
Rangkaian water flow sensor dan Arduino Uno R3
51
Gambar 3.7
Display LCD dan Arduino Uno R3 pada waterflow
51
sensor
Gambar 3.8
Liquid flowmeter
52
Gambar 3.9
Drum Heater
53
Gambar 3.10
Pompa aquarium sentrifugal
54
Gambar 3.11
Skema alat pengujian dengan konfigurasi aliran searah
54
Gambar 3.12
Diagram alir pengumpulan data
57
Gambar 3.13
Set Up Ekperimen
58
Gambar 3.14
Diagram alir proses pengolahan data teoritis
60
Gambar 4.1
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
66
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,02 ≥ C1/Cs ≥ 1
Gambar 4.2
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
66
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,07 ≥ C1/Cs ≥ 1,05
Gambar 4.3
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
67
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,99 ≥ C1/Cs ≥ 0,95
Gambar 4.4
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
67
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,11 ≥ C1/Cs ≥ 1,17
x
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
68
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29
Gambar 4.6
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
68
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
1,21 ≥ C1/Cs ≥ 1,29
Gambar 4.7
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
69
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,82 ≥ C1/Cs ≥ 0,94
Gambar 4.8
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
69
(ε) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan
0,6 ≥ C1/Cs ≥ 0,77
Gambar 4.9
Persentase Kesalahan efektifitas hasil eksperimen dan
71
teoritis
Gambar 4.10
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
72
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 1,12 ≥
C1/C2 ≥ 1,01
Gambar 4.11
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
72
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,9 ≥ C 1/Cs
≥ 0,97
Gambar 4.12
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
73
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,8 ≥ C 1/Cs
≥ 0,88
Gambar 4.13
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
73
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C1/C2
≥ 0,78
Gambar 4.14
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
74
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥ C 1/Cs
≥ 0,78
Gambar 4.15
Hubungan rasio kapasitas aliran (C1/Cs) dan efektifitas
75
(ε) alat penukar panas aliran searah dengan 0,62 ≥C1/Cs
≥ 0,78
xi
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.16
Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi
81
alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran
berlawanan.
Gambar 4.17
Pengaruh distribusi aliran terbagi terhadap perfomansi
82
alat penukar kalor tiga saluran dengan konfigurasi aliran
searah
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
Satuan
k
Konduktifitas thermal
W/m.K
A
Satuan luas permukaan pipa
m2
A1i
Luas perpindahan panas antara saluran 1 dan i
m2
α
Parameter tak berdimensi
B
Koefisien tak tentu
b
Parameter tak berdimensi
cp
Panas Jenis Fluida
kJ/kg.K
Ci
Laju kapasitas panas aliran dalam saluran i
W/°K
Di
Koefisiesn dalam saluran i
�
Diameter Pipa
m
Dh
Diameter hidrolik
m
Do
Diameter luar pipa
m
Di
Diamter dalam pipa
m
L
Panjang total alat penukar panas
m
mi
Laju massa aliran dari aliran dalam saluran i (i = 1,2, dan 3)
Kg/s
Nu
Bilangan Nusselt
Ntu
Jumlah unit perpindahan panas
P1i
Keliling perpindahan panas antara saluran 1 dan saluran i
(i = 2 dan 3)
m
Q
Debit aliran
m3/s
q
Laju perpindahan panas total
Watt
Q1i
Laju perpindahan panas antara aliran-aliran dalam saluran 1 dan
saluran i (i = 2 dan 3)
Watt
S1
Parameter tak berdimensi
Ti
Temperatur saluran i (i = 1,2, dan 3)
°C
Ts
Temperatur ekuivalen
°C
U
Koefisien perpindahan panas konveksi menyeluruh
u
Perbedaan temperatur
°C
v
Perbedaan temperatur
°C
x
Koordinat aksial dari sebuah titik dalam penukar kalor
xiii
Universitas Sumatera Utara
z
Koordinat aksial yang dinormalisasikan
ε
Efektifitas perpindahan panas
α
Parameter tak berdimensi
β
Parameter tak berdimensi
ϒ
Parameter tak berdimensi
λ
Rasio kapasitas panas
μ
Rasio kapasitas aliran
ρ
Massa jenis fluida
Kg/m3
V
Kecepatan fluida
m/s
μ
Viskositas dinamik
N.s/m2
Ɵ*i
Koefisien berpengaruh dalam
Ɵ*o
Koefisien berpengaruh luar
Cmin
Kapasitas aliran minimum
W/°K
ΔT
Perbedaan temperatur
°K
Th
Temperatur fluida panas
°K
Tc
Temperatur fluida dingin
°K
Re
Bilangan reynold
k
Konduktivitas thermal
W/m.°K
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran I
Analisa Perhitungan Data
Lampiran II
Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk
penukar kalor dengan konfigurasi aliran
berlawanan arah (Counter flow)
Lampiran III
Hasil perhitungan teksperimen dan teoritis untuk
penukar kalor dengan konfigurasi aliran searah
(Paralel flow)
Lampiran IV
Properties of Saturated Water
xv
Universitas Sumatera Utara