Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Empat Laluan Tabung Chapter III V
44
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
3.1.1 Waktu
Waktu yang dibutuhkan dalam penelitian ini selama 2 bulan 14 hari, yaitu
pada tanggal 10 April 2017- 24Juni 2017.
3.1.2 Tempat
Penelitian ini bertempat di Jalan Sutomo Ujung, Medan, Sumatera Utara
dan Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor
Sebelum merancang sebuah alat penukar kalor tipe shell and tube,
dibutuhkan asumsi-asumsi data dari laju aliran yaitu menentukan jenis fluida,
temperatur masuk dan temperatur keluar dari dan tekanan operasi kedua fluida.
Data ini dibutuhkan terutama untuk fluida gas jika densitas gas tidak diketahui.
Untuk fluida berupa cairan, data tekanan operasi tidak terlalu dibutuhkan karena
sifat-sifatnya tidak banyak berubah apabila tekanannya berubah.
Langkah-langkah yang biasa dilakukan dalam merencanakan atau
mendesain alat penukar kalor adalah:
1. Penentuan besar kalor (Q) yang diperlukan. Penukarkalor yang
direncanakan harus memenuhi atau melebihi syarat ini.
2. Menentukan ukuran alat penukar kalor dengan perkiraan yang masuk akal
untuk koefisien perpindahan kalor keseluruhannya.
3. Menentukan fluida yang akan mengalir disisi tabung atau cangkang.
Biasanya sisi tabung direncanakan untuk fluida yang bersifat korosif,
beracun, bertekanan tinggi, atau bersifat mengotori dinding. Hal ini
dilakukan agar lebih mudah dalam proses pembersihan atau perawatannya.
4. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah tabung (Nt).
Universitas Sumatera Utara
45
5. Menentukan ukuran cangkang. Langkah ini dilakukan setelah kita
mengetahui jumlah tabung yang direncanakan. Kemudian perkirakan
jumlah laluan dan jarak dua sumbu tabung yang akan digunakan.
6. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah sekatdan jarak antar
sekat yang akan digunakan. Biasanya, sekat memiliki jarak yang seragam
dan minimum jaraknya 1/5 dari diameter cangkang tapi tidak kurang dari 2
inchi.
7. Langkah yang terakhir adalah memeriksa kinerja dari alat penukar kalor
yang telah direncanakan. Hitung koefisien perpindahan panas di sisi
tabung dan sisi cangkang, hitung faktor pengotorannya apakah sesuai
dengan standar yang diizinkan, dan penurunan tekanan di sisi tabung dan
cangkang.
3.3 Menggambar Desain dengan Autocad
Autocad adalah perangkat lunak CAD untuk menggambar dua dimensi dan
tiga dimensi yang dikembangkan oleh autodesk. Keluarga produk autoCAD,
secara keseluruhan, adalah software yang paling banyak digunakan didunia.
Dimana pada perancangan alat penukar kalor ini, penulis menggunakan
software autocad. Hasil gambar desain alat penukar kalor dapat dilihat pada
lampiran.
3.4 Alat dan Bahan
Pada tahap ini dilakukan pencarian dari pengumpulan bahan-bahan yang
diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut ini adalah alatalat dan bahan yang diperlukan dalam mengkonstruksi alat penukar kalor.
3.4.1 Alat
Berikut ini alat-alat yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor
sederhana tipe shell and tube satu laluan cangkang empat laluan tabung.
Universitas Sumatera Utara
46
1. Water Heater
Heater digunakan untuk mengkondisikan agar fluida panas oli dapat
dipanaskan kepada suhu yang diinginkan. Water heater yang digunakan
memiliki daya 1000 Watt.
Gambar 3.1 Water heater
2. Pompa
Pompa digunakan untuk mendorong fluida yang mengalir dalam pengujian
alat penukar kalor. Jenis pompa yang digunakan adalah pompa aquarium.
Mengapa digunakan pompa aquarium karena pompa aquarium memiliki
daya 6 Watt dan pada penelitian tidak membutuhkan daya pompa yang
besar untuk mendorong fluida dengan debit maximal 400 l/jam.
Gambar 3.2 Pompa
Universitas Sumatera Utara
47
3. Flowmeter
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran atau debit fluida panas dan
fluida dingin dalam satuan liter per menit ataupun galon per menit. Jenis
flowmeter yang digunakan merupakan jenis flowmeter manual vertikal
dengan kemampuan mengukur debit air minimum sebesar 1 liter/menit
dan debit fluida maximal 15 liter/menit.
Gambar 3.3 Flowmeter
3.4.2 Bahan
Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan alat
penukar kalor.
1. Pelat Besi
Digunakan sebagai tempat menampung fluida panas dan fluida dingin.
Pelat besi yang digunakan berukuran 300 mm x 300 mm dengan ketebalan
2 mm. Dipilih pelat besi karena memiliki nilai konduktifitas termal sebesar
80,2 W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan panas hingga mencapai
100oC dan memiliki kemudahan dalam pengelasan.
2. Glasswool
Digunakan untuk melapisi alat penukar kalor untuk meminimalisir panas
yang keluar atau sebagai isolator.Glasswool yang digunakan memiliki
Universitas Sumatera Utara
48
ketebalan 3,5 cm. Dipilih glasswool sebagai isolator karena memiliki
kehilangan panas yang rendah.
3. Besi Segiempat
Besi segi empat digunakan sebagai pembuatan rangka alat penukar
kalor.Dimensi besi segiempat 40 mm x 40 mm dan tebal 2 mm. Dipilih
besi segi empat karena kemudahan dalam penyatuan yaitu pengelasan dan
memiliki kemampuan untuk menahan massa dari alat penukar kalor itu
sendiri.
4. Pipa Tembaga
Pipa tembaga digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida panas. Dipilih
pipa tembaga dengan ketebalan 20 BWG karena memiliki nilai
konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak yaitu sebesar 401
W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan fluida pada suhu tinggi dan
tahan akan korosi.
5. Stop keran (Ball Valve)
Stop keran digunakan sebagai pemutus atau penyambung aliran fluida.
Pada perancangan alat penukar kalor ini dipilih stop keran jenis ball valve
karena kemudahan dalam mengatur debit fluida yang mengalir
dibandingkan dengan jenis yang lain dan ball valve memiliki nilai
koefisien kehilangan minor paling rendah.
Tabel 3.1 Koefisien kehilangan minor
No
Jenis Katup
Koefisien Kehilangan Minor
1
Katup Globe, terbuka penuh
10
2
Katu Angle, terbuka penuh
2
3
Katup Gate, terbuka penuh
0,15
4
Katup Gate, ¼ tertutup
0,26
5
Katup Gate, ½ tertutup
2,1
6
Katup Gate, ¾ tertutup
17
Universitas Sumatera Utara
49
7
Katup Ball, terbuka penuh
0,05
8
Katup Gate, 1/3 tertutup
5,5
6. Pipa Besi
Pipa besi digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida dingin. Dimensi
pipa besi yang digunakan pada perancangan alat penukar yaitu 5 inci.
Dipilih pipa besi karena memiliki nilai konduktivitas termal sebesar 80,2
W/m.K (tabel 4.2), tidak terlalu besar dibandingkan material yang lain
karena pipa besi hanya sebagai tempat mengalirnya fluida dingin yaitu air
dengan suhu tidak terlalu besar.
7. Engine oil
Engine oil atau oli mesin digunakan sebagai fluida panas. Oli yang
digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
50
3.5 Skema Alat Penukar Kalor
Berikut adalah skema dari alat penukar kalor yang dibuat:
1
Tangki
dingin air
2
Tangki
panas oli
2
Fluida dingin air
Heater
Fluida panas oli
3
Stop kran
ball valve
3
4
4
Pompa
Stop kran
ball valve
Flowmeter
5
5
Termocouple
6
6
7
7
Tangkidi
ngin air
8
8
Tangkip
anas oli
9
Gambar 3.4 Skema alat penukar kalor
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat
Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor, sebelumnya diperlukan
tahapan-tahapan dalam proses pembuatannya hingga menghasilkan sebuah model
jadi yang sesuai dengan keinginan yang diinginkan.
Universitas Sumatera Utara
51
Mulai
Studi literatur
Perhitungan dimensi alat penukar kalor
Menggambar desain dengan autocad
Pembuatan alat penukar kalor
Apakahalat
berfungsi
baik?
Tidak
Ya
Selesai
Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan alat penukar kalor
Universitas Sumatera Utara
52
BAB IV
DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor
Dalam perancangan alat penukar kalor ini akan dilakukan terlebih dahulu
penentuan spesifikasi dari alat penukar kalor seperti yang terlihat pada tabel 4.1,
yang kemudian dilakukan analisa perhitungan perancangan alat penukar kalor
untuk mendapatkan dimensi dari alat penukar kalor.
Tabel 4.1 Spesifikasi alat penukar kalor
Spesifikasi desain APK
Shell and Tube
Laju aliran fluida masuk tabung (mh)
0,025 kg/s
Temperatur fluida panas masuk (Thi)
100 °C
Temperatur fluida panas keluar (Tho)
40 °C
Perencanaan alat penukar kalor digunakan nantinya di industri-industri di
sumatera utara terkhusus kota Medan sebagai alat pendinginan oli yang
menggunakan air sebagai media pendingin. Temperatur air masuk alat penukar
kalor ditentukan berdasarkan tempat perencanaan alat penukar kalor digunakan.
Oleh karena itu dipilih temperatur air masuk alat penukar kalor sebesar 27 °C .
Kemudian kenaikan suhu air pendingin direncanakan sebesar 7 °C , sehingga
temperatur air pendingin keluar alat penukar kalor sebesar 34 °C .
Pipa yang digunakan sebagai media tempat mengalirnya fluida panas oli
dipilih pipa berbahan tembaga dengan diameter ½ in dan tebal 20 BWG. Alasan
dipilih pipa berbahan tembaga, karena tembaga tahan terhadap korosi dan
memiliki konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak seperti yang terlihat
pada tabel 4.2.
Universitas Sumatera Utara
53
Tabel 4.2 Konduktivitas Material
No
Material
Konduktivitas termal (300K) W/m.K
1
Aluminium
237
2
Berillium
200
3
Boron
27
4
Cadmium
96,8
5
Kromium
93,7
6
Kobalt
99,2
7
Tembaga
401
8
Germanium
59,9
9
Emas
317
10
Iridium
147
11
Besi
80,2
12
Magnesium
156
13
Molybdenum
138
14
Nikel
90,7
15
Platinum
71,6
16
Perak
429
17
Silicon
148
18
Titanium
21,9
19
Tungsten
174
20
Vanadium
30,7
Berikut perhitungan perancangan dimensi alat penukar kalor:
1. Menghitung besar aliran energi panas yang diterima oleh fluida dingin
(Qh), agar mendapatkan besar aliran energi panas yang diterima fluida
dingin maka panas jenis fuida panas oli diasumsikan sebesar Cph = 2131
J/kg.K dan juga suhu fluida panas oli keluar dirancang sebesar 40 °C .
Qh = m h . Cp h (Thi − Tho )
Q h = 0,025kg / s . 2131 J / kg.K . (100°C − 40°C )
Qh = 3196,5 Watt
Universitas Sumatera Utara
54
2. Menghitung laju aliran air pendingin (mc), agar mendapatkan nilai laju
aliran air pendingin, maka panas jenis fluida dingin air juga diasumsikan
sebesar Cpc = 4178 J/kg.K.
Q h = Qc
mc =
mc =
Qc
Cp c .∆Tc
3196,5 Watt
4178 J / kg.K (34°C − 27°C )
m c = 0,1 kg / s
3. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata logaritma kedua fluida dari
alat penukar kalor untuk aliran searah (LMTD).
LMTD =
LMTD =
(Thi − Tc i ) − (Tho − Tc o )
(Thi − Tc i )
ln
(Tho − Tc o )
(100°C − 27°C ) − (40°C − 34°C )
(100°C − 27°C )
ln
(40°C − 34°C )
LMTD = 26,81°C
4. Menghitung faktor koreksi (F) dapat dicari terlebih dahulu dengan menghitung
Rdan P.
R=
T1 − T2
27 °C − 34 °C
=
= 0,11
t 2 − t1
40 °C − 100 °C
P=
t 2 − t1 40 °C − 100 °C
=
= 0,82
T1 − t1 27 °C − 100 °C
1− P
R 2 + 1 ln
1 − PR
F=
2
2 − P( R + 1 − R + 1
( R − 1) ln
2
2 − P( R + 1 + R + 1
Universitas Sumatera Utara
55
F=
1 − 0,82
0,112 + 1 ln
1 − (0,82)(0,11)
2 − 0,82(0,11 + 1 − 0,112 + 1
(0,11 − 1) ln
2 − 0,82(0,11 + 1 + 0,112 + 1
F = 0,93
5. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata (∆Tlm )
∆Tlm = F . LMTD
∆Tlm = 0,93 x 26,81°C = 25,02°C
6. Kemudian menentukan perencanaan jumlah tabung (Nt) yang akan
digunakan. Jumlah tabung dipilih sebesar 16 tube.
7. Menghitung jarak dua sumbu tabung (Pt) dan bundle diameter (Db).
Pt = 1,25 do
Pt = 1,25 (12,7 mm)
Pt = 15,87 mm
N
Db = d o t
K1
1 / n1
16
Db = 12,7 mm
0,158
1 / 2 , 263
Db = 97,72 mm
Universitas Sumatera Utara
56
8. Tentukan jenis floating head dari alat penukar kalor. Jenis floating head
dipilih jenis fixed and U-tube dan untuk mendapatkan Bundle Diameter
Clearence (BDC) menggunakan grafik dibawah ini:
Universitas Sumatera Utara
57
BDC = 10 mm
9. Menghitung diameter cangkang (Ds).
Ds = Db + BDC
Ds = 97,72 mm + 10 mm
Ds = 107,72 mm
Ds ≈ 110 mm
Maka dipilih pipa besi dengan ukuran 5 inci dengan diameter luar pipa
(OD) 139,8 mm dan diameter dalam pipa (ID) 126,6 mm sesuai dengan
permintaan Ds dengan diameter dalam cangkang 110 mm.
Universitas Sumatera Utara
58
10. Menghitung jarak antar sekat (B).
B = 0,4 Ds
B = 0,4 (126,6 mm)
B = 50,64 mm
11. Menghitung panjang tabung (L).
Untuk menghitung panjang tabung keseluruhan yang dibutuhkan sesuai
dengan fungsinya yaitu sebagai tempat mengalirnya fluida panas oli, maka
dapat dihitung menggunakan parameter-parameter fluida dan dimensidimensi yang sudah dintentukan sebagai berikut ini:
Tabel 4.3 Dimensi Cangkang dan Tabung
No
Parameter
Simbol
Nilai
Satuan
1
Diameter cangkang (shell)
Ds
0,1266
m
2
Diameter tabung (tube)
di
0,0109
m
3
Jarak antar sekat
B
0,05064
m
4
Tebal tabung (tube)
T
20
BWG
5
Jarak 2 sumbu tabung
Pt
0,01587
m
6
Jumlah tabung (Nt)
Nt
16
Tube
Kemudian diperlukan data-data dari sifat fisik fluida yang digunakan pada
alat penukar kalor. Sifat fisik fluida diperoleh melalui temperatur rata-rata
dari fluida.
Temperatur rata-rata fluida dingin air (Tfc):
Tf c =
Tc i + Tc o
+ 273
2
Tf c =
27°C + 34°C
+ 273 = 303,5 K
2
Universitas Sumatera Utara
59
Tabel 4.4 Sifat fisik fluida dingin air berdasarkan tabel A.6
Temperatur, T
Massa jenis, ρ
Viskositas, µ x 10-3
Konduktifitas, k
(K)
(kg/m3)
(N.s/m2)
x 10-3(W/m.K)
300
995,7
0,798
613
303,5
995,5
0,79
617,9
305
992,2
0,653
620
Temperatur rata-rata fluida panas oli (Tfh):
Tf h =
Thi + Tho
+ 273
2
Tf h =
100°C + 40°C
+ 273 = 343 K
2
Tabel 4.5 Sifat fisik fluida panas oli berdasarkan tabel a.5
Temperatur, T
Massa jenis, ρ
Viskositas, µ x 10-2
Konduktifitas, k
(K)
(kg/m3)
(N.s/m2)
x 10-3(W/m.K)
340
859,9
5,31
139
343
858,1
4,78
138,7
350
853,9
3,56
138
Analisis Fluida Didalam Tabung:
Menghitung luas aliran (At),
At =
At =
π di 2
4
3,14 (0,0109 m) 2
= 0,000093 m 2
4
Menghitung kecepatan massa aliran (Gt).
Gt =
Gt =
mh
At
0,025 kg / s
0,000093 m 2
Gt = 268,8 kg / m 2 s
Universitas Sumatera Utara
60
Menghitung bilangan reynold (Re),
mh
N
Re =
π .d i .µ
4.
0,025 kg / s
4
Re =
3,14 (0,0109 m).4,78 x 10 − 2 Ns / m 2
4.
Re = 15,3 (Re< 2300, Aliran Laminar)
Menghitung bilangan prandtl (Pr),
Pr =
Pr =
µ . Cp
k
4,78 x 10 −2 N .s / m 2 . 2088,6 J / kg.K
138 ,7 x 10 −3 W / m.K
Pr = 719,8
Kemudian hitung bilangan nusselt untuk aliran laminar (Nu),
D
Nu = 1,86 Re . Pr .
L
1/ 3
µ
µw
0 ,14
Karena untuk mencari bilangan nusselt membutuhkan variabel L yaitu
panjang tabung, sementara itu panjang tabung belum diketahui, maka
panjang tabung dapat dicari dengan try and error dengan persamaan:
L=
Ao
π .d i .N t
Iterasi I:
Menghitung luas area (Ao),
Ao =
Ao =
Q
U .F .∆Tlm
3196,5 Watt
U .F .∆Tlm
Menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh (U),
1 1
1 T
= +
+ + Rf i + Rf o
U hi ho k
Universitas Sumatera Utara
61
Diperoleh nilai faktor pengotoran untuk kedua fluida berdasarkan tabel
2.2,
Oli (Rfi) = 0,0009 m 2 K / W
Air (Rfo) = 0,0001 m 2 K / W
Kemudian diasumsikan koefisien perpindahan panas pada sisi tabung dan
cangkang berdasarkan tabel 2.1,
hi = 60 W / m 2 K
Asumsi:
ho= 400 W / m 2 K
U=
1
1
1
0,0018
+
+
+
0
,
0009
+
0
,
0001
2
2
401
60
/
400
/
W
m
K
W
m
K
U = 49,6 W / m 2 K
Menghitung luas area (Ao),
Ao =
3196,5Watt
= 0,25 m 2
49,6W / m 2 K x 25,02°C
Menghitung panjang tabung (L),
L=
L=
Ao
π.di . Nt
0,25 m 2
= 0,47 m
3,14 x 0,0109 m x16
Menghitung bilangan nusselt (Nu),
0,0109 m
Nu = 1,86 15,3 x 719,8 x
0,47 m
1/ 3
µ
µw
0 ,14
Untuk nilai µ pada suhu rata-rata, sedangkan nilai µ w pada suhu dinding.
Namun karena variabel belum lengkap, maka nilai µ µ w diabaikan
sementara, sehingga
0,0109 m
Nu = 1,86 15,3 x 719,8 x
0,47 m
1/ 3
Nu = 4,9
Universitas Sumatera Utara
62
Maka koefisien perpindahan panas (hi),
hi = Nu
hi = 4,9
k
di
138,7 x 10 −3 W / m.K
= 62,3W / m 2 K
0,0109 m
Analisis Fluida Dalam Cangkang:
Menghitung luas aliran (As).
As =
As =
(Pt
− d o ) Ds . B
Pt
(15,87 mm − 12,7 mm ) 126,6 mm . 50,64 mm
15,87 mm
As = 1280,58 mm 2 ≈ 0,00128 m 2
Menghitung kecepatan massa aliran (GS).
Gs =
Gs =
mc
As
0,1 kg / s
0,00128 m 2
G s = 78,1 kg / m 2 s
Menghitung diameter hidrolik (Dh),
Dh =
Dh =
4 x ( Pt ) 2
− do
π.do
4 x (0,01587) 2
− 0,0127 m = 0,0129 m
3,14 (0,0127 m)
Menghitung bilangan reynold (Re),
Re =
Re =
G s . Dh
µ
78,1 kg / m 2 s . 0,0129 m
0,79 x 10 -3 N .s / m 2
Re = 1275,3 (Re
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
3.1.1 Waktu
Waktu yang dibutuhkan dalam penelitian ini selama 2 bulan 14 hari, yaitu
pada tanggal 10 April 2017- 24Juni 2017.
3.1.2 Tempat
Penelitian ini bertempat di Jalan Sutomo Ujung, Medan, Sumatera Utara
dan Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor
Sebelum merancang sebuah alat penukar kalor tipe shell and tube,
dibutuhkan asumsi-asumsi data dari laju aliran yaitu menentukan jenis fluida,
temperatur masuk dan temperatur keluar dari dan tekanan operasi kedua fluida.
Data ini dibutuhkan terutama untuk fluida gas jika densitas gas tidak diketahui.
Untuk fluida berupa cairan, data tekanan operasi tidak terlalu dibutuhkan karena
sifat-sifatnya tidak banyak berubah apabila tekanannya berubah.
Langkah-langkah yang biasa dilakukan dalam merencanakan atau
mendesain alat penukar kalor adalah:
1. Penentuan besar kalor (Q) yang diperlukan. Penukarkalor yang
direncanakan harus memenuhi atau melebihi syarat ini.
2. Menentukan ukuran alat penukar kalor dengan perkiraan yang masuk akal
untuk koefisien perpindahan kalor keseluruhannya.
3. Menentukan fluida yang akan mengalir disisi tabung atau cangkang.
Biasanya sisi tabung direncanakan untuk fluida yang bersifat korosif,
beracun, bertekanan tinggi, atau bersifat mengotori dinding. Hal ini
dilakukan agar lebih mudah dalam proses pembersihan atau perawatannya.
4. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah tabung (Nt).
Universitas Sumatera Utara
45
5. Menentukan ukuran cangkang. Langkah ini dilakukan setelah kita
mengetahui jumlah tabung yang direncanakan. Kemudian perkirakan
jumlah laluan dan jarak dua sumbu tabung yang akan digunakan.
6. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah sekatdan jarak antar
sekat yang akan digunakan. Biasanya, sekat memiliki jarak yang seragam
dan minimum jaraknya 1/5 dari diameter cangkang tapi tidak kurang dari 2
inchi.
7. Langkah yang terakhir adalah memeriksa kinerja dari alat penukar kalor
yang telah direncanakan. Hitung koefisien perpindahan panas di sisi
tabung dan sisi cangkang, hitung faktor pengotorannya apakah sesuai
dengan standar yang diizinkan, dan penurunan tekanan di sisi tabung dan
cangkang.
3.3 Menggambar Desain dengan Autocad
Autocad adalah perangkat lunak CAD untuk menggambar dua dimensi dan
tiga dimensi yang dikembangkan oleh autodesk. Keluarga produk autoCAD,
secara keseluruhan, adalah software yang paling banyak digunakan didunia.
Dimana pada perancangan alat penukar kalor ini, penulis menggunakan
software autocad. Hasil gambar desain alat penukar kalor dapat dilihat pada
lampiran.
3.4 Alat dan Bahan
Pada tahap ini dilakukan pencarian dari pengumpulan bahan-bahan yang
diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut ini adalah alatalat dan bahan yang diperlukan dalam mengkonstruksi alat penukar kalor.
3.4.1 Alat
Berikut ini alat-alat yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor
sederhana tipe shell and tube satu laluan cangkang empat laluan tabung.
Universitas Sumatera Utara
46
1. Water Heater
Heater digunakan untuk mengkondisikan agar fluida panas oli dapat
dipanaskan kepada suhu yang diinginkan. Water heater yang digunakan
memiliki daya 1000 Watt.
Gambar 3.1 Water heater
2. Pompa
Pompa digunakan untuk mendorong fluida yang mengalir dalam pengujian
alat penukar kalor. Jenis pompa yang digunakan adalah pompa aquarium.
Mengapa digunakan pompa aquarium karena pompa aquarium memiliki
daya 6 Watt dan pada penelitian tidak membutuhkan daya pompa yang
besar untuk mendorong fluida dengan debit maximal 400 l/jam.
Gambar 3.2 Pompa
Universitas Sumatera Utara
47
3. Flowmeter
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran atau debit fluida panas dan
fluida dingin dalam satuan liter per menit ataupun galon per menit. Jenis
flowmeter yang digunakan merupakan jenis flowmeter manual vertikal
dengan kemampuan mengukur debit air minimum sebesar 1 liter/menit
dan debit fluida maximal 15 liter/menit.
Gambar 3.3 Flowmeter
3.4.2 Bahan
Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan alat
penukar kalor.
1. Pelat Besi
Digunakan sebagai tempat menampung fluida panas dan fluida dingin.
Pelat besi yang digunakan berukuran 300 mm x 300 mm dengan ketebalan
2 mm. Dipilih pelat besi karena memiliki nilai konduktifitas termal sebesar
80,2 W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan panas hingga mencapai
100oC dan memiliki kemudahan dalam pengelasan.
2. Glasswool
Digunakan untuk melapisi alat penukar kalor untuk meminimalisir panas
yang keluar atau sebagai isolator.Glasswool yang digunakan memiliki
Universitas Sumatera Utara
48
ketebalan 3,5 cm. Dipilih glasswool sebagai isolator karena memiliki
kehilangan panas yang rendah.
3. Besi Segiempat
Besi segi empat digunakan sebagai pembuatan rangka alat penukar
kalor.Dimensi besi segiempat 40 mm x 40 mm dan tebal 2 mm. Dipilih
besi segi empat karena kemudahan dalam penyatuan yaitu pengelasan dan
memiliki kemampuan untuk menahan massa dari alat penukar kalor itu
sendiri.
4. Pipa Tembaga
Pipa tembaga digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida panas. Dipilih
pipa tembaga dengan ketebalan 20 BWG karena memiliki nilai
konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak yaitu sebesar 401
W/m.K (tabel 4.2) yang mampu menahan fluida pada suhu tinggi dan
tahan akan korosi.
5. Stop keran (Ball Valve)
Stop keran digunakan sebagai pemutus atau penyambung aliran fluida.
Pada perancangan alat penukar kalor ini dipilih stop keran jenis ball valve
karena kemudahan dalam mengatur debit fluida yang mengalir
dibandingkan dengan jenis yang lain dan ball valve memiliki nilai
koefisien kehilangan minor paling rendah.
Tabel 3.1 Koefisien kehilangan minor
No
Jenis Katup
Koefisien Kehilangan Minor
1
Katup Globe, terbuka penuh
10
2
Katu Angle, terbuka penuh
2
3
Katup Gate, terbuka penuh
0,15
4
Katup Gate, ¼ tertutup
0,26
5
Katup Gate, ½ tertutup
2,1
6
Katup Gate, ¾ tertutup
17
Universitas Sumatera Utara
49
7
Katup Ball, terbuka penuh
0,05
8
Katup Gate, 1/3 tertutup
5,5
6. Pipa Besi
Pipa besi digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida dingin. Dimensi
pipa besi yang digunakan pada perancangan alat penukar yaitu 5 inci.
Dipilih pipa besi karena memiliki nilai konduktivitas termal sebesar 80,2
W/m.K (tabel 4.2), tidak terlalu besar dibandingkan material yang lain
karena pipa besi hanya sebagai tempat mengalirnya fluida dingin yaitu air
dengan suhu tidak terlalu besar.
7. Engine oil
Engine oil atau oli mesin digunakan sebagai fluida panas. Oli yang
digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
50
3.5 Skema Alat Penukar Kalor
Berikut adalah skema dari alat penukar kalor yang dibuat:
1
Tangki
dingin air
2
Tangki
panas oli
2
Fluida dingin air
Heater
Fluida panas oli
3
Stop kran
ball valve
3
4
4
Pompa
Stop kran
ball valve
Flowmeter
5
5
Termocouple
6
6
7
7
Tangkidi
ngin air
8
8
Tangkip
anas oli
9
Gambar 3.4 Skema alat penukar kalor
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat
Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor, sebelumnya diperlukan
tahapan-tahapan dalam proses pembuatannya hingga menghasilkan sebuah model
jadi yang sesuai dengan keinginan yang diinginkan.
Universitas Sumatera Utara
51
Mulai
Studi literatur
Perhitungan dimensi alat penukar kalor
Menggambar desain dengan autocad
Pembuatan alat penukar kalor
Apakahalat
berfungsi
baik?
Tidak
Ya
Selesai
Gambar 3.5 Diagram alir pembuatan alat penukar kalor
Universitas Sumatera Utara
52
BAB IV
DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor
Dalam perancangan alat penukar kalor ini akan dilakukan terlebih dahulu
penentuan spesifikasi dari alat penukar kalor seperti yang terlihat pada tabel 4.1,
yang kemudian dilakukan analisa perhitungan perancangan alat penukar kalor
untuk mendapatkan dimensi dari alat penukar kalor.
Tabel 4.1 Spesifikasi alat penukar kalor
Spesifikasi desain APK
Shell and Tube
Laju aliran fluida masuk tabung (mh)
0,025 kg/s
Temperatur fluida panas masuk (Thi)
100 °C
Temperatur fluida panas keluar (Tho)
40 °C
Perencanaan alat penukar kalor digunakan nantinya di industri-industri di
sumatera utara terkhusus kota Medan sebagai alat pendinginan oli yang
menggunakan air sebagai media pendingin. Temperatur air masuk alat penukar
kalor ditentukan berdasarkan tempat perencanaan alat penukar kalor digunakan.
Oleh karena itu dipilih temperatur air masuk alat penukar kalor sebesar 27 °C .
Kemudian kenaikan suhu air pendingin direncanakan sebesar 7 °C , sehingga
temperatur air pendingin keluar alat penukar kalor sebesar 34 °C .
Pipa yang digunakan sebagai media tempat mengalirnya fluida panas oli
dipilih pipa berbahan tembaga dengan diameter ½ in dan tebal 20 BWG. Alasan
dipilih pipa berbahan tembaga, karena tembaga tahan terhadap korosi dan
memiliki konduktivitas termal tertinggi kedua setelah perak seperti yang terlihat
pada tabel 4.2.
Universitas Sumatera Utara
53
Tabel 4.2 Konduktivitas Material
No
Material
Konduktivitas termal (300K) W/m.K
1
Aluminium
237
2
Berillium
200
3
Boron
27
4
Cadmium
96,8
5
Kromium
93,7
6
Kobalt
99,2
7
Tembaga
401
8
Germanium
59,9
9
Emas
317
10
Iridium
147
11
Besi
80,2
12
Magnesium
156
13
Molybdenum
138
14
Nikel
90,7
15
Platinum
71,6
16
Perak
429
17
Silicon
148
18
Titanium
21,9
19
Tungsten
174
20
Vanadium
30,7
Berikut perhitungan perancangan dimensi alat penukar kalor:
1. Menghitung besar aliran energi panas yang diterima oleh fluida dingin
(Qh), agar mendapatkan besar aliran energi panas yang diterima fluida
dingin maka panas jenis fuida panas oli diasumsikan sebesar Cph = 2131
J/kg.K dan juga suhu fluida panas oli keluar dirancang sebesar 40 °C .
Qh = m h . Cp h (Thi − Tho )
Q h = 0,025kg / s . 2131 J / kg.K . (100°C − 40°C )
Qh = 3196,5 Watt
Universitas Sumatera Utara
54
2. Menghitung laju aliran air pendingin (mc), agar mendapatkan nilai laju
aliran air pendingin, maka panas jenis fluida dingin air juga diasumsikan
sebesar Cpc = 4178 J/kg.K.
Q h = Qc
mc =
mc =
Qc
Cp c .∆Tc
3196,5 Watt
4178 J / kg.K (34°C − 27°C )
m c = 0,1 kg / s
3. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata logaritma kedua fluida dari
alat penukar kalor untuk aliran searah (LMTD).
LMTD =
LMTD =
(Thi − Tc i ) − (Tho − Tc o )
(Thi − Tc i )
ln
(Tho − Tc o )
(100°C − 27°C ) − (40°C − 34°C )
(100°C − 27°C )
ln
(40°C − 34°C )
LMTD = 26,81°C
4. Menghitung faktor koreksi (F) dapat dicari terlebih dahulu dengan menghitung
Rdan P.
R=
T1 − T2
27 °C − 34 °C
=
= 0,11
t 2 − t1
40 °C − 100 °C
P=
t 2 − t1 40 °C − 100 °C
=
= 0,82
T1 − t1 27 °C − 100 °C
1− P
R 2 + 1 ln
1 − PR
F=
2
2 − P( R + 1 − R + 1
( R − 1) ln
2
2 − P( R + 1 + R + 1
Universitas Sumatera Utara
55
F=
1 − 0,82
0,112 + 1 ln
1 − (0,82)(0,11)
2 − 0,82(0,11 + 1 − 0,112 + 1
(0,11 − 1) ln
2 − 0,82(0,11 + 1 + 0,112 + 1
F = 0,93
5. Menghitung perbedaan temperatur rata-rata (∆Tlm )
∆Tlm = F . LMTD
∆Tlm = 0,93 x 26,81°C = 25,02°C
6. Kemudian menentukan perencanaan jumlah tabung (Nt) yang akan
digunakan. Jumlah tabung dipilih sebesar 16 tube.
7. Menghitung jarak dua sumbu tabung (Pt) dan bundle diameter (Db).
Pt = 1,25 do
Pt = 1,25 (12,7 mm)
Pt = 15,87 mm
N
Db = d o t
K1
1 / n1
16
Db = 12,7 mm
0,158
1 / 2 , 263
Db = 97,72 mm
Universitas Sumatera Utara
56
8. Tentukan jenis floating head dari alat penukar kalor. Jenis floating head
dipilih jenis fixed and U-tube dan untuk mendapatkan Bundle Diameter
Clearence (BDC) menggunakan grafik dibawah ini:
Universitas Sumatera Utara
57
BDC = 10 mm
9. Menghitung diameter cangkang (Ds).
Ds = Db + BDC
Ds = 97,72 mm + 10 mm
Ds = 107,72 mm
Ds ≈ 110 mm
Maka dipilih pipa besi dengan ukuran 5 inci dengan diameter luar pipa
(OD) 139,8 mm dan diameter dalam pipa (ID) 126,6 mm sesuai dengan
permintaan Ds dengan diameter dalam cangkang 110 mm.
Universitas Sumatera Utara
58
10. Menghitung jarak antar sekat (B).
B = 0,4 Ds
B = 0,4 (126,6 mm)
B = 50,64 mm
11. Menghitung panjang tabung (L).
Untuk menghitung panjang tabung keseluruhan yang dibutuhkan sesuai
dengan fungsinya yaitu sebagai tempat mengalirnya fluida panas oli, maka
dapat dihitung menggunakan parameter-parameter fluida dan dimensidimensi yang sudah dintentukan sebagai berikut ini:
Tabel 4.3 Dimensi Cangkang dan Tabung
No
Parameter
Simbol
Nilai
Satuan
1
Diameter cangkang (shell)
Ds
0,1266
m
2
Diameter tabung (tube)
di
0,0109
m
3
Jarak antar sekat
B
0,05064
m
4
Tebal tabung (tube)
T
20
BWG
5
Jarak 2 sumbu tabung
Pt
0,01587
m
6
Jumlah tabung (Nt)
Nt
16
Tube
Kemudian diperlukan data-data dari sifat fisik fluida yang digunakan pada
alat penukar kalor. Sifat fisik fluida diperoleh melalui temperatur rata-rata
dari fluida.
Temperatur rata-rata fluida dingin air (Tfc):
Tf c =
Tc i + Tc o
+ 273
2
Tf c =
27°C + 34°C
+ 273 = 303,5 K
2
Universitas Sumatera Utara
59
Tabel 4.4 Sifat fisik fluida dingin air berdasarkan tabel A.6
Temperatur, T
Massa jenis, ρ
Viskositas, µ x 10-3
Konduktifitas, k
(K)
(kg/m3)
(N.s/m2)
x 10-3(W/m.K)
300
995,7
0,798
613
303,5
995,5
0,79
617,9
305
992,2
0,653
620
Temperatur rata-rata fluida panas oli (Tfh):
Tf h =
Thi + Tho
+ 273
2
Tf h =
100°C + 40°C
+ 273 = 343 K
2
Tabel 4.5 Sifat fisik fluida panas oli berdasarkan tabel a.5
Temperatur, T
Massa jenis, ρ
Viskositas, µ x 10-2
Konduktifitas, k
(K)
(kg/m3)
(N.s/m2)
x 10-3(W/m.K)
340
859,9
5,31
139
343
858,1
4,78
138,7
350
853,9
3,56
138
Analisis Fluida Didalam Tabung:
Menghitung luas aliran (At),
At =
At =
π di 2
4
3,14 (0,0109 m) 2
= 0,000093 m 2
4
Menghitung kecepatan massa aliran (Gt).
Gt =
Gt =
mh
At
0,025 kg / s
0,000093 m 2
Gt = 268,8 kg / m 2 s
Universitas Sumatera Utara
60
Menghitung bilangan reynold (Re),
mh
N
Re =
π .d i .µ
4.
0,025 kg / s
4
Re =
3,14 (0,0109 m).4,78 x 10 − 2 Ns / m 2
4.
Re = 15,3 (Re< 2300, Aliran Laminar)
Menghitung bilangan prandtl (Pr),
Pr =
Pr =
µ . Cp
k
4,78 x 10 −2 N .s / m 2 . 2088,6 J / kg.K
138 ,7 x 10 −3 W / m.K
Pr = 719,8
Kemudian hitung bilangan nusselt untuk aliran laminar (Nu),
D
Nu = 1,86 Re . Pr .
L
1/ 3
µ
µw
0 ,14
Karena untuk mencari bilangan nusselt membutuhkan variabel L yaitu
panjang tabung, sementara itu panjang tabung belum diketahui, maka
panjang tabung dapat dicari dengan try and error dengan persamaan:
L=
Ao
π .d i .N t
Iterasi I:
Menghitung luas area (Ao),
Ao =
Ao =
Q
U .F .∆Tlm
3196,5 Watt
U .F .∆Tlm
Menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh (U),
1 1
1 T
= +
+ + Rf i + Rf o
U hi ho k
Universitas Sumatera Utara
61
Diperoleh nilai faktor pengotoran untuk kedua fluida berdasarkan tabel
2.2,
Oli (Rfi) = 0,0009 m 2 K / W
Air (Rfo) = 0,0001 m 2 K / W
Kemudian diasumsikan koefisien perpindahan panas pada sisi tabung dan
cangkang berdasarkan tabel 2.1,
hi = 60 W / m 2 K
Asumsi:
ho= 400 W / m 2 K
U=
1
1
1
0,0018
+
+
+
0
,
0009
+
0
,
0001
2
2
401
60
/
400
/
W
m
K
W
m
K
U = 49,6 W / m 2 K
Menghitung luas area (Ao),
Ao =
3196,5Watt
= 0,25 m 2
49,6W / m 2 K x 25,02°C
Menghitung panjang tabung (L),
L=
L=
Ao
π.di . Nt
0,25 m 2
= 0,47 m
3,14 x 0,0109 m x16
Menghitung bilangan nusselt (Nu),
0,0109 m
Nu = 1,86 15,3 x 719,8 x
0,47 m
1/ 3
µ
µw
0 ,14
Untuk nilai µ pada suhu rata-rata, sedangkan nilai µ w pada suhu dinding.
Namun karena variabel belum lengkap, maka nilai µ µ w diabaikan
sementara, sehingga
0,0109 m
Nu = 1,86 15,3 x 719,8 x
0,47 m
1/ 3
Nu = 4,9
Universitas Sumatera Utara
62
Maka koefisien perpindahan panas (hi),
hi = Nu
hi = 4,9
k
di
138,7 x 10 −3 W / m.K
= 62,3W / m 2 K
0,0109 m
Analisis Fluida Dalam Cangkang:
Menghitung luas aliran (As).
As =
As =
(Pt
− d o ) Ds . B
Pt
(15,87 mm − 12,7 mm ) 126,6 mm . 50,64 mm
15,87 mm
As = 1280,58 mm 2 ≈ 0,00128 m 2
Menghitung kecepatan massa aliran (GS).
Gs =
Gs =
mc
As
0,1 kg / s
0,00128 m 2
G s = 78,1 kg / m 2 s
Menghitung diameter hidrolik (Dh),
Dh =
Dh =
4 x ( Pt ) 2
− do
π.do
4 x (0,01587) 2
− 0,0127 m = 0,0129 m
3,14 (0,0127 m)
Menghitung bilangan reynold (Re),
Re =
Re =
G s . Dh
µ
78,1 kg / m 2 s . 0,0129 m
0,79 x 10 -3 N .s / m 2
Re = 1275,3 (Re