TUGAS AKHIR Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman.

TUGAS AKHIR

Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem
Pendinginan Minyak Bantalan Poros
Turbin Generator PLTA PB. Soedirman

Tugas Akhir ini Disusun Guna Memperoleh Gelar Sarjana
Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun :
JOKO PRATOMO YUNANTO
NIM : D 200000196

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2011

i

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :
”Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak
Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman” yang dibuat

untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1
pada

Jurusan

Teknik

Mesin

Fakultas

Teknik

Universitas

Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan
merupakan

tiruan

atau

duplikasi

dari

skripsi

yang

sudah

dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar
kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta
atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya

saya cantumkan sebagaimana mestinya.

Surakarta, 7 Januari 2011
Yang menyatakan

Joko Pratomo Yunanto

ii

HALAMAN PERSETUJUAN

Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem
Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB.
Soedirman”, telah disetujui oleh Pembimbing dan diterima untuk
memenuhi sebagian Persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta

Dipersiapkan oleh :
Nama

: JOKO PRATOMO YUNANTO

NIM

: D200 000 196

Disetujui pada
Hari

:

Tanggal

:

Pembimbing Utama

Pembimbing Pendamping

Sunardi Wiyono, Ir, MT.

Sartono Putro, Ir, MT.

iii

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem
Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB.
Soedirman”, telah dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan telah
dinyatakan sah untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat
sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :
Nama

: JOKO PRATOMO YUNANTO

NIM

: D200 000 196

Disahkan pada
Hari

:

Tanggal

:

Tim Penguji

:

Ketua

: Sunardi Wiyono, Ir, MT.

………………………

Anggota 1

: Sartono Putro, Ir, MT.

………………………

Anggota 2

: Nur Aklis, ST.

………………………

Dekan,

Ketua Jurusan,

Agus Riyanto, Ir, MT.

Sartono Putro, Ir, MT.

iv

LEMBAR SOAL TA

v

MOTTO

”karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan,
maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan, kerjakanlah
dengan sungguh-sungguh urusan yang lain.
Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap”
(Q.S Alam Nasyarah : 6-8)

”Ketundukkan atau Penyerahan diri pada Allah adalah wujud ikhtiar
tertinggi dari seorang hamba, niscaya dunia dalam genggamannya”
(Penulis)

”Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang tidak menyadari
betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”
(Thomas Alva Edison)

”Jadilah kamu manusia yang pada kelahiranmu semua orang bahagia,
hanya kamu sendiri yang menangis, dan saat kematianmu, semua orang
menangis tetapi hanya kamu yang tersenyum”
(Mahatma Gandhi)

vi

PER
RSEMBAHAN

Suju
ud
s
senantiasa

syukur

dalam

memberikan

ketundukan
nku

kemudahan

b
bagi

pada-Mu

ALLA
AH

hamb

ba-Nya

yang

ya
ang

mau

Dalam cintta dan bimbingan-Mu selama ha
b
berusaha.
amba menuntut ilmu
b
berbuah
ka
arya sederh
hana ini yan
ng kupersem
mbahkan ke
epada :

™ Rosul--Mu MUHA
AMMAD sa
ang pembawa risala
ah kebenarran, yang
menun
njukkan ja
alan dari g
gelap-gulita
a menuju jalan yang terang,
terima
akasih ALLA
AH atas rid
dho-Mu hin
ngga hamb
ba dapat melangkahi
m
satu garis
g
hidup yang
y
telah Kau tetapk
kan atas hamba.
(“Deng
gan kepasrrahanku Ka
au beri aku kekuatan d
dan kesabaran”).

™ Ayah dan Ibu terrcinta, deng
gan do’a da
an kasih sa
ayang tulussmu selalu
senan
ntiasa

me
emberikan

kekuatan

dalam

setiap

la
angkahku,

kesab
baranmu tak berbatass, terima ka
asih atas semua
s
pen
ngorbanan
yang tidak
t
ternila
ai harganya
a.

™ Kedua
a

adikku

yang

selalu

memberiku

kebah
hagiaanmu terbagi untukku.

™ Almam
mater Teknik Mesin UM
MS.

vii

cin
nta.

Maafkkan

aku,

PERENCANAAN HEAT EXCHANGERS PADA SISTEM
PENDINGINAN MINYAK BANTALAN POROS TURBIN
GENERATOR PLTA PB. SOEDIRMAN
Joko Pratomo Yunanto, Sunardi Wiyono, Sartono Putro
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Surakarta
Email : cyclonesia@yahoo.com

ABSTRAKSI
Tujuan dari perencanaan heat exchangers pada sistem pendinginan
minyak bantalan poros turbin generator PLTA PB. Soedirman adalah: untuk
mengetahui nilai neraca panas yang dihasilkan, menghitung koefisien
perpindahan panas, luas perpindahan panas, jumlah tube yang dibutuhkan dan
penurunan tekanan yang terjadi serta mengetahui besarnya pengaruh fouling
terhadap penurunan koefisien perpindahan panas secara keseluruhan .
Dalam perencanaan dibahas heat exchanger jenis Shell and Tube tipe
AES untuk mendinginkan minyak pelumas bantalan turbin-generator dari
temperatur
600C menjadi 420C, dengan media pendingin air sungai
bertemperatur masuk 250C dan temperatur keluar 350C. Cara penyelesaian
dalam perencanaan berupa analisis thermal yang menggunakan prinsip-prinsip
perpindahan panas dan pendekatan LMTD (Logaritmic Mean Temperature
difference) serta metode Kern
Kesimpulan dari analisis perhitungan sebuah heat exchanger jenis shell
and tube tipe AES dengan konstruksi 1-2 pass aliran adalah: Besarnya neraca
panas (Qh=Qc) sebesar 16,002 kW, koefisien perpindahan panas pada tube
(hi) sebesar 6933,45 W/m2 K, luas perpindahan panas sisi tube (A) sebesar
5,55 m2 dengan tube berjumlah 78 buah, penurunan tekanan sisi tube (∆Pt)
sebesar 0,040 N/m2, koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) sebesar
147,06 W/m2K dan pengaruh fouling menyebabkan penurunan nilai U sebesar
12,71%.
Kata kunci : minyak pelumas, heat exchangers, shell and tube, analisis thermal

viii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Syukur Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas
berkah dan rahmat-Nya sehingga penyusun laporan penelitian ini dapat
terselesaikan.
Tugas Akhir berjudul “Perencanaan Heat Exchangers pada
Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA
PB. Soedirman” dapat terselesaikan atas dukungan dari pihak. Untuk itu
pada kesempatan ini, penulis dengan segala ketulusan dan keikhlasan
hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang
sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Agus Riyanto,SR, MT, selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Ir. Sartono Putro, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta dan selaku
selaku Dosen Pembimbing II yang telah membimbing, mengarahkan,
memberikan petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Sunadi Wiyono, MT selaku Dosen Pembimbing I yang telah
membimbing, mengarahkan, memberikan petunjuk dalam penyusunan
Tugas Akhir ini. Dengan segala kesabaran dan nasehat bijaknya.
4. Bapak M. Al Fatih hendrawan, ST, MT. Selaku Pembimbing Akademik
yang telah mendampingi dari awal hingga akhir perjuangan.
5. Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
yang telah memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis selama
mengikuti kegiatan kuliah.

ix

6. Bapak dan Ibu terkasih yang senantiasa mendoakan, memberikan
semangat dan cinta.Terima kasih atas semua nasehat, bimbingan, dan
pengorbananmu

selama

ini.

Kesabaranmu

adalah

do’a

yang

terkabulkan.
7. Kedua adikku yang selalu memberiku cinta, kau rela bagikan
kebahagiaanmu untukku.
8. Catur 01dan Iwan 05, kalian laskar yang Allah hadirkan untuk
membangkitkan semangatku.
9. Sahabat-sahabat

angkatan

2000,

berkat

doa-doamu

akhirnya

penantian panjang itu telah tertunaikan.
10. Alam semesta yang telah memberiku inspirasi, kau tunjukkan arti
ketundukan dan ketakwaan pada sang Maha Rahmat, Allah SWT.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna,
oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca
akan penulis terima dengan senang hati.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb

Surakarta, 17 Agustus 2011

Penulis

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .....................................................................................i
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ........................................................ ii
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... iv
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR .................................................................. v
MOTTO ................... ................................................................................ vi
PERSEMBAHAN .................................................................................... vii
ABSTRAKSI ...............................................................................................viii
KATA PENGANTAR ................................................................................ ix
DAFTAR ISI ................................................................................................ xi
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................................ xiv
DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xx
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ xxii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang .......................................................... ........ 1
1.2. Perumusan Masalah .......................................................... 3
1.3. Pembatasan Masalah ................................................ 3
1.4. Maksud dan Tujuan................................................................4
1.5. Metode Pengumpulan Data ...................................................4
1.6. Sistematika Penyusunan Laporan...........................................5
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas .................................... 7
2.1.1. Bentuk Aliran Dalam Pipa ......................................... 9
2.1.2. Rumus-Rumus Empiris Konveksi Paksa ................ 12
2.2. Alat penukar Kalor ............................................................ 14
2.2.1. Pandangan Umum Alat Penukar Kalor ................. 14
2.2.2. Klasifikasi Alat Penukar Kalor ............................... 16
2.2.3. Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube ................ 17

xi

2.2.4. Konstruksi Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube 21
2.2.5. Prosedur Analisis Perhitungan....................................24
BAB III PENDEKATAN STRUKTURAL DAN FUNGSIONAL
3.1. Konstruksi Alat Penukar Kalor ............................................ 29
3.2. Bagian-Bagian Alat Penukar Kalor .... .................................33
3.3. Shell (Cangkang).................... ............. ...............................33
3.3.1. Ruang Bebas pada Shell ........................................ 36
3.3.2. Aliran Fluida dalam Shell ........................................ 36
3.3.3. Penurunan Tekanan Sisi Shell ................................ 37
3.4. Tube (Pipa)................................... ......................................37
3.4.1. Diameter Tube ........................................................ 38
3.4.2. Tipe Susunan Tube ................................................. 39
3.4.3. Panjang Tube .......................................................... 41
3.4.4. Kekuatan Tube........................................................ 42
3.4.5. Penurunan Tekanan Sisi Tube................................ 42
3.5. Tube Sheet............. .............................................................43
3.5.1. Kekuatan Tube Sheet ............................................. 44
3.6. Baffles...................................................................................45
3.6.1. Jenis-Jenis Baffles .................................................. 45
3.6.2. Pemilihan Jenis Baffles ........................................... 48
3.6.3. Jarak Antar Baffles .................................................. 50
3.7. Front and Stationary Heat ...................................................51
3.8. Rear and Head .....................................................................52
3.9. Nozzle ................................................................................ 54
3.10. Fouling ............................................................................. 54
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Perhitungan Penukar Kalor AES..................................56
4.1.1. Data pada Sisi Tube..................................................57
4.1.2. Data pada Sisi Shell................................................57

4.2.

Analisis Perhitungan .........................................................58

xii

4.2.1. Selisih Temperatur dan menghitung LMTD.............58
4.2.2. Perhitungan pada Sisi Tube ................................... 61
4.3. Pembahasan ......... ............................................................64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1.

Kesimpulan........................................................................67

5.2. Saran-saran........................................................................68
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Profil kecepatan aliran laminer .................................... 10
Gambar 2.2

Profil Kecepatan turbulen .............................................. 18

Gambar 2.3

Perpindahan panas Menyeluruh .................................. 18

Gambar 2.4. Alat penukar Kalor 1-1 pass aliran ................................ 21
Gambar 2.5

Alat penukar Kalor 1-2 pass aliran ................................ 23

Gambar 2.6

Alat penukar Kalor 2-4 pass......................................... 23

Gambar 2.7

Konstruksi Alat Penukar Kalor dan Bagiannya ............ 26

Gambar 3.1

Alat Penukar Kalor (APK) Tipe AES ............................ 28

Gambar 3.2

Jenis dan Tipe dari Shell ............................................. 29

Gambar 3.3

susunan Tube Alat Penukar Kalor .............................. 30

Gambar 3.4. Pola Aliran Fluida akibat baffles cut..............................30
Gambar 4.1. Sketsa dan pola aliran fluida pada APK...........................

xiv

DAFTAR SIMBOL

q

= Laju perpindahan panas (W)

K

= Konduktivitas thermal (W/m.oC)

dT
dx

= Gradien suhu

σ

= Konstanta proposionalitas (Konstanta Stefans Boltzman)

T

= Suhu (K)

h

= Koefesien perpindahan panas konveksi (W/m2.oC)

.

m

= Laju aliran massa (kg/s)

Cp

= Spesifik kalor (kJ/ K)

Tb1

= Temperatur rata-rata pada ujung 1 (K)

Tb2

= temperatur rata-rata pada ujung 2 (K)

Tw

= Temperatur dinding (K)

Tb

= Temperatur rata-rata energi (suhu limbak) (K)

Q

= Neraca panas (W)

U

= Koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m2 K)

A

= Luas penampang perpindahan panas (m2)

∆Tlm

= Beda suhu rata-rata (0C)

Tci

= Temperatur masuk air (K)

Tco

= Temperatur keluar air (K)

Thi

= Temperatur masuk pelumas (K)

Tho

= Temperatur keluar pelumas (K)

xv

FT

= faktor koreksi temperature

Qc

= Neraca panas sisi tube (W)

Mc

= Laju aliran massa air (kg/s)

µ

= Viskositas (Ns/m2)

Di

= Diameter dalam tube (m)

Do

= Diameter luar tube (m)

L

= Panjang tube (m)

Nt

= Jumlah tube

Uf

= Koefisien perpindahan panas fouling (W/m2K)

Rf

= Tahanan thermal akibat fouling (m2K/W)

∆Pt

= Pressure drop pada tube (N/m2)

f0

= Faktor pressure drop
= Massa jenis fluida pada tube (kg/m3)

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel A.6, Thermophysical Properties of Saturated Water
Lampiran 2. Tabel A.5, Thermophysical Properties of Saturated Fluids
Lampiran 3. Gambar Grafik Faktor Koreksi Temperatur
Lampiran 4. Daftar Faktor Pengotoran
Lampiran 5. Laporan Harian Kontrol Lantai Turbin PLTA PB. Soedirman
Lampiran 6. Data Konstruksi Alat Penukar Kalor

xvii