PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE - Diponegoro University | Institutional Repository (UNDIP-IR)
UNIVERSITAS DIPONEGORO
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK
UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR
JENIS SHELL AND TUBE
TUGAS AKHIR
ARIF BUDIANTO
L2E 008 021
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK MESIN
SEMARANG
FEBRUARI 2013
TUGAS AKHIR
Diberikan Kepada
: Nama : Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Dosen Pembimbing
: Dr. Syaiful, ST, MT
Jangka Waktu
: 6 bulan (enam bulan)
Judul
: Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari
Nilai Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and
Tube
Isi Tugas
:
1. Merancang
sebuah
software
yang
bisa
digunakan untuk mencari nilai optimal desain
sebuah shell and tube baik dengan sisipan plat
maupun tidak ke dalam pipa.
2. Untuk mengetahui dan memahami perbedaan
bilangan Nusselt dan pressure drop dengan ada
atau tidaknya sisipan plat ke dalam pipa.
Semarang, 26 Februari 2013
Pembimbing,
Dr. Syaiful, ST.MT.
NIP. 197403081999031005
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA
: Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Tanda Tangan
:
Tanggal
: 26 Februari 2013
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama
: Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Jurusan/Program Studi
: Teknik Mesin
Judul Skripsi
: Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai
Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai
bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing
: Dr. Syaiful, ST, MT
(
)
Penguji
: Prof. Dr. A.P. Bayuseno, M.Sc
(
)
Penguji
: Ir. Bambang Yunianto, M.Sc
(
)
Penguji
: Dr. Achmad Widodo, ST, MT
(
)
Semarang, 26 Februari 2013
Jurusan Teknik Mesin
Ketua,
Dr. Sulardjaka
NIP. 197104201998021001
iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama
NIM
Jurusan/Program Studi
Fakultas
Jenis Karya
: ARIF BUDIANTO
: L2E 008 021
: TEKNIK MESIN
: TEKNIK
: SKRIPSI
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas
Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya
ilmiah saya yang berjudul:
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL
DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini
Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam
bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap
mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di
Pada Tanggal
:
:
Semarang
26 Februari 2013
Yang menyatakan
(ARIF BUDIANTO)
NIM. L2E 008 021
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas Akhir ini saya persembahkan untuk:
Ayahanda Abdullah Adiyanto, Ibunda Eni NIngsih, dan keluarga tercinta serta
Isma Fuaida yang senantiasa memberikan dukungan, doa, dan materiil mereka
kepadaku. Apa yang telah mereka berikan akan selalu saya kenang, karena dengan
adanya mereka, saya bisa berjuang untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik ini.
Terima Kasih.
vi
ABSTRACT
Applied a computerized system is not only to simplify the working system in a
company but also to find the optimal value of a design to make it more efficient. In this
research, a computer program is designed by Visual Basic 2010 that can be used to
simplify the design of shell and tube. The methodology that used to find the optimal
value of shell and tube design is a form of the algorithm. Stages of the algorithm used
as a guide in making a Visual Basic 2010 programming language consist of input,
process and output. In this software there are two types of shell and tube. They are shell
and tube with and without insert plate into the pipe. The shapes plates insert which are
designed in this software are longitudinal plate, longitudinal plate with additional
holes, and torsional plate with twists angles (α: 15:30, 24.40, and 34.40).
Keywords: Shell and tube, Plate insert, Visual Basic 2010, Optimal design
vii
ABSTRAK
Sistem
komputerisasi
yang
diterapkan
tidak
hanya
bertujuan
untuk
mempermudah sistem kerja pada sebuah perusahaan tetapi juga untuk mencari nilai
optimal sebuah desain agar lebih efisien. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah
perangkat lunak dengan menggunakan bantuan bahasa pemrograman Visual Basic 2010
yang dapat digunakan untuk mempermudah dalam merancang desain shell and tube.
Metodologi yang digunakan dalam perancangan desain shell and tube ini berupa
tahapan algoritma. Tahapan algoritma dijadikan panduan dalam membuat bahasa
pemrogaman Visual Basic 2010 yang berupa input, proses, dan output. Dari software
yang dibuat ada dua jenis shell and tube yang bisa dirancang, yaitu jenis shell and tube
tanpa sisipan dan dengan sisipan plat kedalam pipa. Bentuk sisipan plat yang bisa
dirancang dalam software ini yaitu sisipan plat longitudinal, sisipan plat longitudinal
dengan tambahan lubang, dan sisipan plat puntir dengan sudut puntir (α: 15.30, 24.40,
dan 34.40).
Kata kunci : Shell and tube, Sisipan plat, Visual Basic 2010, Desain optimal.
viii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena
berkat rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul
“PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL
DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE”. Tugas akhir ini merupakan
salah satu syarat yang harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan,
bantuan, serta dukungan kepada Dr. Syaiful, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing.
Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh
karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati
untuk kemajuan bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini
dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi
yang ada dalam laporan ini.
Terima kasih.
Semarang, 26 Januari 2013
Penulis
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .............................................................................................. i
HALAMAN TUGAS SARJANA ........................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI.............................. v
HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................. vi
ABSTRACT.............................................................................................................. vii
ABSTRAKSI .......................................................................................................... viii
KATA PENGANTAR ............................................................................................ ix
DAFTAR ISI ........................................................................................................... x
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xvi
NOMENKLATUR .................................................................................................. xviii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1
Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2
Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.3
Tujuan Penelitian ............................................................................ 3
1.4
Metode Penelitian ........................................................................... 4
1.5
Sistematika Penulisan ..................................................................... 5
BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 7
2.1. Pengertian Optimasi ........................................................................ 7
2.2. Pengertian Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger ).......................... 7
2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor ........................................................ 7
2.4. Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ............................................... 12
2.3.1. Jenis-jenis alat penukar kalor shell and tube ...................... 12
x
2.3.2. Diameter pipa di dalam cangkang (shell) ........................... 15
2.3.3. Susunan berkas pipa ............................................................ 16
2.3.4. Sekat (baffle) ....................................................................... 17
2.4. Perhitungan Perancangan Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ...... 19
2.4.1. Tata letak pipa (tube-sheet) ................................................. 19
2.4.2. Beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) .................. 20
2.5. Pertimbangan Umum Desain Shell and Tube Exchanger ............... 22
2.5.1. Fluida sisi shell dan sisi pipa .............................................. 22
2.5.2. Kecepatan fluida sisi shell dan sisi pipa ............................. 23
2.5.3. Penurunan tekanan (pressure drop) .................................... 24
2.6. Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Pipa ... 25
2.6.1. Perpindahan panas aliran laminar ....................................... 25
2.6.2. Perpindahan panas aliran turbulen ...................................... 25
2.6.3. Konduktivitas Termal Fluida Campuran Pada EGR cooler 26
2.6.4. Faktor perpindahan kalor, jh ............................................... 28
2.6.5. Faktor koreksi viskositas..................................................... 28
2.6.6. Penurunan tekanan sisi pipa ................................................ 29
2.7. Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Shell .................. 30
2.7.1. Metode Kern ....................................................................... 30
2.7.2. Langkah perhitungan perpindahan kalor sisi shell .............. 31
2.7.3. Pressure drop sisi cangkang (shell) ..................................... 33
BAB III PERANGKAT LUNAK SHELL AND TUBE ......................................... 34
3.1. Software Aplikasi ............................................................................ 34
3.1.1. Mengenal Visual Basic .NET (VB.NET) ............................ 34
3.1.2. Mengenal Integrated Development Environment (IDE) ..... 36
3.2. Tampilan Antarmuka Pengguna (User Interface) ........................... 42
3.2.1. Pentingnya user interface .................................................... 42
3.2.2. Prinsip – prinsip desain user interface ................................ 42
3.2.3. Proses desain user interface ................................................ 46
3.3. Perangkat Lunak Perancangan Shell and Tube ............................... 47
xi
3.4. Flowchart Optimasi Desain Shell and Tube .................................... 50
3.5. Perhitungan bilangan Nusselt dan faktor gesekan dengan sisipan
plat................................................................................................... 56
BAB IV ANALISA HASIL PENERAPAN PROGRAM ..................................... 57
4.1. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Tanpa Sisipan Plat....... 58
4.2. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Untuk EGR Cooler...... 60
4.3. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Dengan Sisipan Plat ke
Dalam Pipa ...................................................................................... 62
4.4. Proses Perhitungan Optimasi Desain Shell and Tube ..................... 70
4.5. Analisa Pengaruh Sisipan Plat Terhadap Parameter Perpindahan
Kalor ............................................................................................... 78
4.5.1. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi
pipa ...................................................................................... 79
4.5.2. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi
shell ..................................................................................... 81
4.5.3. Pengaruh sisipan plat terhadap koefisien perpindahan
kalor total ........................................................................... 83
4.5.4. Pengaruh sisipan plat terhadap luas perpindahan kalor ...... 85
4.5.5. Pengaruh sisipan plat terhadap panjang penukar kalor ....... 87
4.5.6. Pengaruh sisipan plat terhadap jumlah pipa penukar
kalor .................................................................................... 89
4.5.7. Pengaruh sisipan plat terhadap bilangan Nusselt ................ 91
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN................................................................ 94
5.1
Kesimpulan ..................................................................................... 94
5.2
Saran ............................................................................................... 95
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1.
Tabel. properti fisik air.
LAMPIRAN 2.
Tabel properti fisik udara.
LAMPIRAN 3.
Tabel koefisien perpindahan kalor total.
LAMPIRAN 4.
Tabel faktor pengotor (Fouling Factor ).
LAMPIRAN 5.
Grafik faktor koreksi suhu: 1 laluan shell; 2 atau lebih lewatan
genap sisi pipa.
LAMPIRAN 6.
Grafik faktor koreksi suhu: 2 laluan shell; 4 atau kelipatan 4 laluan
pipa.
LAMPIRAN 7.
Grafik faktor koreksi suhu: divided-flow shell; 2 atau lebih laluan
pipa genap.
LAMPIRAN 8.
Grafik faktor koreksi suhu, split flow shell, 2 laluan pipa.
LAMPIRAN 9.
Grafik koefisien gesek sisi pipa.
LAMPIRAN 10.
Grafik faktor perpindahan panas sisi shell.
LAMPIRAN 11.
Grafik keofisien gesekan sisi shell.
LAMPIRAN 12.
Tabel properti material.
LAMPIRAN 13.
Tabel konstanta konduktivitas termal gas.
LAMPIRAN 14.
Tabel properti fisik molekul gas.
LAMPIRAN 15.
Pengoperasian software optimasi desain shell and tube.
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Dimensi standar ketebalan pipa (ASME) ....................................... 16
Tabel 2.2.
Konstanta tata letak pipa ................................................................. 20
Tabel 4.1.
Data masukan (Input) ...................................................................... 57
Tabel 4.2.
Hasil validasi dengan penelitian Kara dan Guraras[1].................... 58
Tabel 4.3.
Hasil validasi dengan penelitian Chiu dan Jang[2] ......................... 59
Tabel 4.4.
Data masukan (input) perancangan EGR cooler ............................. 60
Tabel 4.5.
Hasil perhitungan perancangan desain shell and tube untuk EGR
cooler .............................................................................................. 61
Tabel 4.6.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat longitudinal (chiu dan jang).. 65
Tabel 4.7.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan plat longitudinal dengan tambahan
lubang (chiu dan jang) .................................................................... 66
Tabel 4.8.
Hasil perbandingan perancangan shell and tubetanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-A (chiu dan jang) ....... 67
Tabel 4.9.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-B (chiu dan jang) ....... 68
Tabel 4.10.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-C (chiu dan jang) ....... 69
Tabel 4.11.
Variasi kecepatan sisi masuk pipa .................................................. 78
Tabel 4.12.
Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi pipa antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 80
Tabel 4.13.
Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi shell antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 82
Tabel 4.14.
Hasil perbandingan koefisien perpindahan kalor keseluruhan
antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design)
xiv
dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran
massa ............................................................................................... 84
Tabel 4.15.
Hasil perbandingan luas perpindahan kalor antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 86
Tabel 4.16.
Hasil perbandingan panjang pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 88
Tabel 4.17.
Hasil perbandingan jumlah pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 90
Tabel 4.18.
Hasil perbandingan bilangan Nusselt antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 92
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1.
Flowchart Penelitian ....................................................................... 4
Gambar 2.1
Penukar kalor pipa konsentris ......................................................... 8
Gambar 2.2
Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua
fluidanya tidak campur (b) tidak bersirip dengan satu fluida
campur dan satu fluida lagi tidak campur ....................................... 8
Gambar 2.3
Penukar kalor Shell and Tube dengan satu laluan shell dan satu
laluan tube ....................................................................................... 9
Gambar 2.4
Penukar kalor Shell and Tube (a) satu laluan shell dan dua laluan
tube (b) dua laluan shell dan empat laluan tube .............................. 9
Gambar 2.5
Inti dari compact heat exchangers (a) Fin-tube (pipa datar, sirip
plat menyeluruh) (b)
Fin-tube (pipa bundar, sirip
plat
menyeluruh) (c) Fin-tube (pipa bundar, sirip bundar) (d) Plate-fin
(laluan tunggal) (e) Plate-fin (laluan banyak) ................................. 10
Gambar 2.6
Fixed-tube plate .............................................................................. 14
Gambar 2.7
U-tube ............................................................................................. 14
Gambar 2.8
Internal floating head without clamp ring ....................................... 15
Gambar 2.9
Internal floating head with clamp ring ............................................ 15
Gambar 2.10 External floating head, packed gland .............................................. 15
Gambar 2.11 Susunan berkas pipa ........................................................................ 17
Gambar 2.12 Jenis penyekat yang digunakan dalam penukar panas jenis shell
dan tube, Segmental, (b) Segraental and strip, dan (c) Disc and
doughnut ......................................................................................... 18
Gambar 2.13 Profil temperatur (a) Penukar kalor aliran berlawanan (b) 1 laluan
shell : 2 laluan pipa (c) Temperatur silang ..................................... 21
Gambar 2.14 Diameter ekivalen sisi pipa ............................................................. 31
Gambar 2.15 Clearence......................................................................................... 32
Gambar 3.1
Framework .NET ............................................................................. 34
Gambar 3.2
Tampilan awal Integrated Development Environment (IDE)
VB.NET ........................................................................................... 35
Gambar 3.3
Tampilan pembuatan project baru pada VB .NET........................... 35
xvi
Gambar 3.4
Tampilan jendela IDE VB.NET ....................................................... 38
Gambar 3.5
Form tampilan awal ........................................................................ 46
Gambar 3.6
Form data masukan (input) ............................................................. 46
Gambar 3.7
Form data keluaran (output) ........................................................... 47
Gambar 3.8
Form grafik ..................................................................................... 47
Gambar 3.9
Flowchart perangkat lunak perancangan shell and tube ................. 48
Gambar 4.1
Plat longitudinal .............................................................................. 62
Gambar 4.2
Plat longitudinal dengan tambahan lubang ..................................... 62
Gambar 4.3
Jenis-jenis sisipan plat puntir (a) plat puntir-A (α: 15.30) (b) plat
puntir-B (α: 24.40) (c) plat puntir-C (α: 34.30) ............................... 63
Gambar 4.4
Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi pipa
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 78
Gambar 4.5
Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi shell
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 80
Gambar 4.6
Pengaruh laju aliran massa terhadap koefisien perpindahan kalor
total pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................... 82
Gambar 4.7
Pengaruh laju aliran massa terhadap luas penukar kalor pada
berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 84
Gambar 4.8
Pengaruh laju aliran massa terhadap panjang pipa penukar kalor
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 86
Gambar 4.9
Pengaruh laju aliran massa terhadap jumlah pipa penukar kalor
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 88
Gambar 4.10 Pengaruh laju aliran massa terhadap bilangan Nusselt pada
berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 91
xvii
NOMENKLATUR
Daftar symbol
A0
Keterangan
Satuan
Luas penampang sisi pipa
m2
Luas area perpindahan kalor
m2
Luas penampang sisi shell
m2
Panas spesifik
J/kg.K
Clearence
m
Diameter bundel
m
Diameter ekivalen
m
Diameter dalam pipa
m
Diameter luar pipa
m
Diameter shell
m
Faktor gesekan
Faktor koreksi
Fluks massa
kg/m2s
Koefisien perpindahan kalor
W/m.K
Faktor Colburn
M
Konduktivitas termal fluida
W/m.K
Konduktivitas termal material
W/m.K
Jarak befel
m
Panjang pipa
m
Berat molekul
kg/mol
Jumlah befel
Jumlah laluan pipa
Jumlah total pipa
Jumlah pipa per laluan
P
Tekanan
bar
Bilangan Prandtl
Jarak transversal antar pipa
xviii
m
Q
h
Jarak antar bukit pada plat puntir
m
Laju aliran panas
W
Hambatan perpindahan kalor
W/m.K
Bilangan Reynold
̅
̇
Temperatur
K
Temperatur rata-rata
K
Kecepatan fluida
m/s
Koefisien perpindahan kalor total
W/m.K
Laju aliran masa
kg/s
Pressure drop
Pa
Beda temperatur logaritmik
K
Simbol Yunani
Sudut puntir
λm
Konduktivitas termal gas campuran
λtr
Konduktivitas termal radius
Viskositas dinamik
N.s/m2
Massa jenis fluida
kg/m3
Subscript
c
Kritis
Masuk
j
Komponen j
k
Komponen k
Keluar
r
(W/m.0C)
Radius
Sisi shell
Sisi pipa
xix
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK
UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR
JENIS SHELL AND TUBE
TUGAS AKHIR
ARIF BUDIANTO
L2E 008 021
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK MESIN
SEMARANG
FEBRUARI 2013
TUGAS AKHIR
Diberikan Kepada
: Nama : Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Dosen Pembimbing
: Dr. Syaiful, ST, MT
Jangka Waktu
: 6 bulan (enam bulan)
Judul
: Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari
Nilai Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and
Tube
Isi Tugas
:
1. Merancang
sebuah
software
yang
bisa
digunakan untuk mencari nilai optimal desain
sebuah shell and tube baik dengan sisipan plat
maupun tidak ke dalam pipa.
2. Untuk mengetahui dan memahami perbedaan
bilangan Nusselt dan pressure drop dengan ada
atau tidaknya sisipan plat ke dalam pipa.
Semarang, 26 Februari 2013
Pembimbing,
Dr. Syaiful, ST.MT.
NIP. 197403081999031005
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
NAMA
: Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Tanda Tangan
:
Tanggal
: 26 Februari 2013
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama
: Arif Budianto
NIM
: L2E 008 021
Jurusan/Program Studi
: Teknik Mesin
Judul Skripsi
: Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai
Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai
bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro.
TIM PENGUJI
Pembimbing
: Dr. Syaiful, ST, MT
(
)
Penguji
: Prof. Dr. A.P. Bayuseno, M.Sc
(
)
Penguji
: Ir. Bambang Yunianto, M.Sc
(
)
Penguji
: Dr. Achmad Widodo, ST, MT
(
)
Semarang, 26 Februari 2013
Jurusan Teknik Mesin
Ketua,
Dr. Sulardjaka
NIP. 197104201998021001
iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama
NIM
Jurusan/Program Studi
Fakultas
Jenis Karya
: ARIF BUDIANTO
: L2E 008 021
: TEKNIK MESIN
: TEKNIK
: SKRIPSI
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas
Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya
ilmiah saya yang berjudul:
PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL
DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini
Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam
bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap
mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di
Pada Tanggal
:
:
Semarang
26 Februari 2013
Yang menyatakan
(ARIF BUDIANTO)
NIM. L2E 008 021
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Tugas Akhir ini saya persembahkan untuk:
Ayahanda Abdullah Adiyanto, Ibunda Eni NIngsih, dan keluarga tercinta serta
Isma Fuaida yang senantiasa memberikan dukungan, doa, dan materiil mereka
kepadaku. Apa yang telah mereka berikan akan selalu saya kenang, karena dengan
adanya mereka, saya bisa berjuang untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik ini.
Terima Kasih.
vi
ABSTRACT
Applied a computerized system is not only to simplify the working system in a
company but also to find the optimal value of a design to make it more efficient. In this
research, a computer program is designed by Visual Basic 2010 that can be used to
simplify the design of shell and tube. The methodology that used to find the optimal
value of shell and tube design is a form of the algorithm. Stages of the algorithm used
as a guide in making a Visual Basic 2010 programming language consist of input,
process and output. In this software there are two types of shell and tube. They are shell
and tube with and without insert plate into the pipe. The shapes plates insert which are
designed in this software are longitudinal plate, longitudinal plate with additional
holes, and torsional plate with twists angles (α: 15:30, 24.40, and 34.40).
Keywords: Shell and tube, Plate insert, Visual Basic 2010, Optimal design
vii
ABSTRAK
Sistem
komputerisasi
yang
diterapkan
tidak
hanya
bertujuan
untuk
mempermudah sistem kerja pada sebuah perusahaan tetapi juga untuk mencari nilai
optimal sebuah desain agar lebih efisien. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah
perangkat lunak dengan menggunakan bantuan bahasa pemrograman Visual Basic 2010
yang dapat digunakan untuk mempermudah dalam merancang desain shell and tube.
Metodologi yang digunakan dalam perancangan desain shell and tube ini berupa
tahapan algoritma. Tahapan algoritma dijadikan panduan dalam membuat bahasa
pemrogaman Visual Basic 2010 yang berupa input, proses, dan output. Dari software
yang dibuat ada dua jenis shell and tube yang bisa dirancang, yaitu jenis shell and tube
tanpa sisipan dan dengan sisipan plat kedalam pipa. Bentuk sisipan plat yang bisa
dirancang dalam software ini yaitu sisipan plat longitudinal, sisipan plat longitudinal
dengan tambahan lubang, dan sisipan plat puntir dengan sudut puntir (α: 15.30, 24.40,
dan 34.40).
Kata kunci : Shell and tube, Sisipan plat, Visual Basic 2010, Desain optimal.
viii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena
berkat rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul
“PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL
DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE”. Tugas akhir ini merupakan
salah satu syarat yang harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan,
bantuan, serta dukungan kepada Dr. Syaiful, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing.
Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh
karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati
untuk kemajuan bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini
dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi
yang ada dalam laporan ini.
Terima kasih.
Semarang, 26 Januari 2013
Penulis
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .............................................................................................. i
HALAMAN TUGAS SARJANA ........................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI.............................. v
HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................. vi
ABSTRACT.............................................................................................................. vii
ABSTRAKSI .......................................................................................................... viii
KATA PENGANTAR ............................................................................................ ix
DAFTAR ISI ........................................................................................................... x
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL ................................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xvi
NOMENKLATUR .................................................................................................. xviii
BAB I
PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1
Latar Belakang ................................................................................ 1
1.2
Batasan Masalah ............................................................................. 2
1.3
Tujuan Penelitian ............................................................................ 3
1.4
Metode Penelitian ........................................................................... 4
1.5
Sistematika Penulisan ..................................................................... 5
BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 7
2.1. Pengertian Optimasi ........................................................................ 7
2.2. Pengertian Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger ).......................... 7
2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor ........................................................ 7
2.4. Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ............................................... 12
2.3.1. Jenis-jenis alat penukar kalor shell and tube ...................... 12
x
2.3.2. Diameter pipa di dalam cangkang (shell) ........................... 15
2.3.3. Susunan berkas pipa ............................................................ 16
2.3.4. Sekat (baffle) ....................................................................... 17
2.4. Perhitungan Perancangan Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ...... 19
2.4.1. Tata letak pipa (tube-sheet) ................................................. 19
2.4.2. Beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) .................. 20
2.5. Pertimbangan Umum Desain Shell and Tube Exchanger ............... 22
2.5.1. Fluida sisi shell dan sisi pipa .............................................. 22
2.5.2. Kecepatan fluida sisi shell dan sisi pipa ............................. 23
2.5.3. Penurunan tekanan (pressure drop) .................................... 24
2.6. Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Pipa ... 25
2.6.1. Perpindahan panas aliran laminar ....................................... 25
2.6.2. Perpindahan panas aliran turbulen ...................................... 25
2.6.3. Konduktivitas Termal Fluida Campuran Pada EGR cooler 26
2.6.4. Faktor perpindahan kalor, jh ............................................... 28
2.6.5. Faktor koreksi viskositas..................................................... 28
2.6.6. Penurunan tekanan sisi pipa ................................................ 29
2.7. Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Shell .................. 30
2.7.1. Metode Kern ....................................................................... 30
2.7.2. Langkah perhitungan perpindahan kalor sisi shell .............. 31
2.7.3. Pressure drop sisi cangkang (shell) ..................................... 33
BAB III PERANGKAT LUNAK SHELL AND TUBE ......................................... 34
3.1. Software Aplikasi ............................................................................ 34
3.1.1. Mengenal Visual Basic .NET (VB.NET) ............................ 34
3.1.2. Mengenal Integrated Development Environment (IDE) ..... 36
3.2. Tampilan Antarmuka Pengguna (User Interface) ........................... 42
3.2.1. Pentingnya user interface .................................................... 42
3.2.2. Prinsip – prinsip desain user interface ................................ 42
3.2.3. Proses desain user interface ................................................ 46
3.3. Perangkat Lunak Perancangan Shell and Tube ............................... 47
xi
3.4. Flowchart Optimasi Desain Shell and Tube .................................... 50
3.5. Perhitungan bilangan Nusselt dan faktor gesekan dengan sisipan
plat................................................................................................... 56
BAB IV ANALISA HASIL PENERAPAN PROGRAM ..................................... 57
4.1. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Tanpa Sisipan Plat....... 58
4.2. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Untuk EGR Cooler...... 60
4.3. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Dengan Sisipan Plat ke
Dalam Pipa ...................................................................................... 62
4.4. Proses Perhitungan Optimasi Desain Shell and Tube ..................... 70
4.5. Analisa Pengaruh Sisipan Plat Terhadap Parameter Perpindahan
Kalor ............................................................................................... 78
4.5.1. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi
pipa ...................................................................................... 79
4.5.2. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi
shell ..................................................................................... 81
4.5.3. Pengaruh sisipan plat terhadap koefisien perpindahan
kalor total ........................................................................... 83
4.5.4. Pengaruh sisipan plat terhadap luas perpindahan kalor ...... 85
4.5.5. Pengaruh sisipan plat terhadap panjang penukar kalor ....... 87
4.5.6. Pengaruh sisipan plat terhadap jumlah pipa penukar
kalor .................................................................................... 89
4.5.7. Pengaruh sisipan plat terhadap bilangan Nusselt ................ 91
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN................................................................ 94
5.1
Kesimpulan ..................................................................................... 94
5.2
Saran ............................................................................................... 95
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1.
Tabel. properti fisik air.
LAMPIRAN 2.
Tabel properti fisik udara.
LAMPIRAN 3.
Tabel koefisien perpindahan kalor total.
LAMPIRAN 4.
Tabel faktor pengotor (Fouling Factor ).
LAMPIRAN 5.
Grafik faktor koreksi suhu: 1 laluan shell; 2 atau lebih lewatan
genap sisi pipa.
LAMPIRAN 6.
Grafik faktor koreksi suhu: 2 laluan shell; 4 atau kelipatan 4 laluan
pipa.
LAMPIRAN 7.
Grafik faktor koreksi suhu: divided-flow shell; 2 atau lebih laluan
pipa genap.
LAMPIRAN 8.
Grafik faktor koreksi suhu, split flow shell, 2 laluan pipa.
LAMPIRAN 9.
Grafik koefisien gesek sisi pipa.
LAMPIRAN 10.
Grafik faktor perpindahan panas sisi shell.
LAMPIRAN 11.
Grafik keofisien gesekan sisi shell.
LAMPIRAN 12.
Tabel properti material.
LAMPIRAN 13.
Tabel konstanta konduktivitas termal gas.
LAMPIRAN 14.
Tabel properti fisik molekul gas.
LAMPIRAN 15.
Pengoperasian software optimasi desain shell and tube.
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Dimensi standar ketebalan pipa (ASME) ....................................... 16
Tabel 2.2.
Konstanta tata letak pipa ................................................................. 20
Tabel 4.1.
Data masukan (Input) ...................................................................... 57
Tabel 4.2.
Hasil validasi dengan penelitian Kara dan Guraras[1].................... 58
Tabel 4.3.
Hasil validasi dengan penelitian Chiu dan Jang[2] ......................... 59
Tabel 4.4.
Data masukan (input) perancangan EGR cooler ............................. 60
Tabel 4.5.
Hasil perhitungan perancangan desain shell and tube untuk EGR
cooler .............................................................................................. 61
Tabel 4.6.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat longitudinal (chiu dan jang).. 65
Tabel 4.7.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan plat longitudinal dengan tambahan
lubang (chiu dan jang) .................................................................... 66
Tabel 4.8.
Hasil perbandingan perancangan shell and tubetanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-A (chiu dan jang) ....... 67
Tabel 4.9.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-B (chiu dan jang) ....... 68
Tabel 4.10.
Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat
(present design) dengan sisipan plat puntir-C (chiu dan jang) ....... 69
Tabel 4.11.
Variasi kecepatan sisi masuk pipa .................................................. 78
Tabel 4.12.
Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi pipa antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 80
Tabel 4.13.
Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi shell antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 82
Tabel 4.14.
Hasil perbandingan koefisien perpindahan kalor keseluruhan
antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design)
xiv
dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran
massa ............................................................................................... 84
Tabel 4.15.
Hasil perbandingan luas perpindahan kalor antara desain shell
and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat
(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 86
Tabel 4.16.
Hasil perbandingan panjang pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 88
Tabel 4.17.
Hasil perbandingan jumlah pipa antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 90
Tabel 4.18.
Hasil perbandingan bilangan Nusselt antara desain shell and tube
tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and
Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 92
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1.
Flowchart Penelitian ....................................................................... 4
Gambar 2.1
Penukar kalor pipa konsentris ......................................................... 8
Gambar 2.2
Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua
fluidanya tidak campur (b) tidak bersirip dengan satu fluida
campur dan satu fluida lagi tidak campur ....................................... 8
Gambar 2.3
Penukar kalor Shell and Tube dengan satu laluan shell dan satu
laluan tube ....................................................................................... 9
Gambar 2.4
Penukar kalor Shell and Tube (a) satu laluan shell dan dua laluan
tube (b) dua laluan shell dan empat laluan tube .............................. 9
Gambar 2.5
Inti dari compact heat exchangers (a) Fin-tube (pipa datar, sirip
plat menyeluruh) (b)
Fin-tube (pipa bundar, sirip
plat
menyeluruh) (c) Fin-tube (pipa bundar, sirip bundar) (d) Plate-fin
(laluan tunggal) (e) Plate-fin (laluan banyak) ................................. 10
Gambar 2.6
Fixed-tube plate .............................................................................. 14
Gambar 2.7
U-tube ............................................................................................. 14
Gambar 2.8
Internal floating head without clamp ring ....................................... 15
Gambar 2.9
Internal floating head with clamp ring ............................................ 15
Gambar 2.10 External floating head, packed gland .............................................. 15
Gambar 2.11 Susunan berkas pipa ........................................................................ 17
Gambar 2.12 Jenis penyekat yang digunakan dalam penukar panas jenis shell
dan tube, Segmental, (b) Segraental and strip, dan (c) Disc and
doughnut ......................................................................................... 18
Gambar 2.13 Profil temperatur (a) Penukar kalor aliran berlawanan (b) 1 laluan
shell : 2 laluan pipa (c) Temperatur silang ..................................... 21
Gambar 2.14 Diameter ekivalen sisi pipa ............................................................. 31
Gambar 2.15 Clearence......................................................................................... 32
Gambar 3.1
Framework .NET ............................................................................. 34
Gambar 3.2
Tampilan awal Integrated Development Environment (IDE)
VB.NET ........................................................................................... 35
Gambar 3.3
Tampilan pembuatan project baru pada VB .NET........................... 35
xvi
Gambar 3.4
Tampilan jendela IDE VB.NET ....................................................... 38
Gambar 3.5
Form tampilan awal ........................................................................ 46
Gambar 3.6
Form data masukan (input) ............................................................. 46
Gambar 3.7
Form data keluaran (output) ........................................................... 47
Gambar 3.8
Form grafik ..................................................................................... 47
Gambar 3.9
Flowchart perangkat lunak perancangan shell and tube ................. 48
Gambar 4.1
Plat longitudinal .............................................................................. 62
Gambar 4.2
Plat longitudinal dengan tambahan lubang ..................................... 62
Gambar 4.3
Jenis-jenis sisipan plat puntir (a) plat puntir-A (α: 15.30) (b) plat
puntir-B (α: 24.40) (c) plat puntir-C (α: 34.30) ............................... 63
Gambar 4.4
Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi pipa
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 78
Gambar 4.5
Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi shell
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 80
Gambar 4.6
Pengaruh laju aliran massa terhadap koefisien perpindahan kalor
total pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................... 82
Gambar 4.7
Pengaruh laju aliran massa terhadap luas penukar kalor pada
berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 84
Gambar 4.8
Pengaruh laju aliran massa terhadap panjang pipa penukar kalor
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 86
Gambar 4.9
Pengaruh laju aliran massa terhadap jumlah pipa penukar kalor
pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 88
Gambar 4.10 Pengaruh laju aliran massa terhadap bilangan Nusselt pada
berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 91
xvii
NOMENKLATUR
Daftar symbol
A0
Keterangan
Satuan
Luas penampang sisi pipa
m2
Luas area perpindahan kalor
m2
Luas penampang sisi shell
m2
Panas spesifik
J/kg.K
Clearence
m
Diameter bundel
m
Diameter ekivalen
m
Diameter dalam pipa
m
Diameter luar pipa
m
Diameter shell
m
Faktor gesekan
Faktor koreksi
Fluks massa
kg/m2s
Koefisien perpindahan kalor
W/m.K
Faktor Colburn
M
Konduktivitas termal fluida
W/m.K
Konduktivitas termal material
W/m.K
Jarak befel
m
Panjang pipa
m
Berat molekul
kg/mol
Jumlah befel
Jumlah laluan pipa
Jumlah total pipa
Jumlah pipa per laluan
P
Tekanan
bar
Bilangan Prandtl
Jarak transversal antar pipa
xviii
m
Q
h
Jarak antar bukit pada plat puntir
m
Laju aliran panas
W
Hambatan perpindahan kalor
W/m.K
Bilangan Reynold
̅
̇
Temperatur
K
Temperatur rata-rata
K
Kecepatan fluida
m/s
Koefisien perpindahan kalor total
W/m.K
Laju aliran masa
kg/s
Pressure drop
Pa
Beda temperatur logaritmik
K
Simbol Yunani
Sudut puntir
λm
Konduktivitas termal gas campuran
λtr
Konduktivitas termal radius
Viskositas dinamik
N.s/m2
Massa jenis fluida
kg/m3
Subscript
c
Kritis
Masuk
j
Komponen j
k
Komponen k
Keluar
r
(W/m.0C)
Radius
Sisi shell
Sisi pipa
xix