rancang bangun alat penukar kalor tipe shell and tube - USU-IR

i
RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TIPE
SHELL AND TUBE SATU LALUAN CANGKANG
EMPAT LALUAN TABUNG
SKRIPSI
Skripsi Yang DiajukanUntukMelengkapi
SyaratMemperolehGelarSarjanaTeknik
FERRY SIANTURI
NIM. 120401033
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2017
Universitas Sumatera Utara
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala berkat dan
rahmat yang diberikan-Nya sehingga skripsi dengan judul “Rancang Bangun Alat
Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Empat Laluan
Tabung” ini dapat penulis selesaikan.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
sarjana (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi
Fakultas Teknik, Univeritas Sumatera Utara.
Didalam pengerjaan skripsi ini telah melibatkan banyak pihak yang sangat
membantu dalam banyak hal. Oleh sebab itu, disini penulis sampaikan rasa terima
kasih sedalam-dalamnya kepada:
1. Bapak Dr.Ir. M. Sabri, MT Selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Terang Ukur H.S. Ginting Manik, ST.MT Selaku Sekretaris
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. Tekad Sitepu, MT Selaku Dosen Pembimbing yang telah
membimbing penulis dalam penyusunan skripsi ini, terimakasih banyak
pak, bapak luar biasa.
4. Ayahanda Robinson Sianturi yang disurga dan Ibunda Rosmalina Manik
yang sangat penulis kasihi dan cintai melebihi apapun yang telah banyak
memberikan doa dan dukungan kepada penulis secara moril maupun
meteril hingga skripsi ini dapat selesai, aku sayang kalian pak mak.
5. Abang dan Adik-adik tercinta Arya Eko Wijaya, Hotma Haryani, Luhut
Haryanto, dan Vivi Mulya Sari, juga anggota keluarga dan kerabat yang
senantiasa memberikan doa dan dukungan moril kepada penulis.
6. Rekan seperjuangan skripsi Junter S.R Sihite yang memberikan dukungan
serta masukan-masukan kepada penulis.
7. Saudara-saudari tercinta pemuda-pemudi GKPI padang bulan Medan yang
telah memberikan doa dan yang tiada henti memberi dukungan dan
motivasi kepada penulis yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu,
kalian luar biasa.
Universitas Sumatera Utara
ii
8. Rekan-rekan seperjuangan angkatan 2012 yang memberikan dukungan
moril kepada penulis terkhusus buat Sebastian Elkano Sitepu, Andi Siregar
yang membantu penulis dalam pengerjaan alat.
Penulis juga menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih jauh dari
kesempurnaan. Karena itu penulis memohon saran dan kritik yang membangun
demi kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata penulis berharap semoga skripsi ini
dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terimakasih.
Medan, Juli 2017
Penulis,
Ferry Sianturi
Universitas Sumatera Utara
iii
ABSTRAK
Alat penukar kalormerupakan peralatan yang digunakan untuk perpindahan panas
antara dua fluida atau lebih. Penelitian ini dilakukan untuk merancang dan
membangun alat penukar kalor tipe shell and tube satu laluan cangkang empat
laluan tabung untuk pendinginan oli. Kapasitas oli yang didinginkan 0,025 kg/s
dengan suhu masukan 100oC, digunakan air sebagai media pendingin. Fluida
panas oli mengalir melalui tabungdan fluida dingin air mengalir melalui
cangkang. Untuk material cangkang terbuat dari pipa besi dan tabung terbuat dari
pipa tembaga. Diperoleh dimensi alat penukar kalor dengan panjang cangkang 0,8
m, diameter dalam cangkang 0,1266 m, jenis floating headcangkang jenis fixed
and U-tube,jumlah tabung sebanyak 16, jarak antara dua sumbu tabung sebesar
0,01587 m, jumlah sekat sebanyak 8 sekat, jarak antar sekat 0,05064 m, diameter
luar tabung 0,0127 m, tebal tabung 20 BWG dengan diameter dalam tabung
0,0109 m, dan panjang tabung 0,58 m.
Kata kunci: alat penukar kalor, cangkang dan tabung, pendinginan oli
Universitas Sumatera Utara
iv
ABSTRACT
Heat exchangeris an equipment used for heat transfer between two or more fluids.
This research was done to design and build a shell and tube type heat exchanger
one passage of four shell tubes for oil cooling. Cooled oil capacity of 0.025 kg/s
with an input temperature of 100°C, used water as a cooling medium. The oil hot
fluid flows through the tube and the cold water fluid flows through the shell. Shell
material is made of steel pipe and tube materialis made of copper pipe. Obtained
dimension of heat exchanger with shell length is 0,8 m, internal diameter of shell
is 0,1266 m, type of floating head shell is fixed type and U-tube, tube number is
16 tube, distance between two axis tubes equal to 0,01587 m, amount of barrier is
8 barriers with 0.05064 m separation distance, outside tube diameteris 0.0127 m,
tube thickness is 20 BWG with 0.0109 m inner tube diameter,and tube length is
0,58 m.
Keywords: heat exchanger, shell and tube, oil cooling
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ............................................................................................ i
ABSTRAK ............................................................................................................ iii
DAFTAR ISI .......................................................................................................... v
DAFTAR TABEL .............................................................................................. viii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ ix
DAFTAR NOTASI ............................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1
1.2 Perumusan Masalah ..................................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 2
1.4 Tujuan Perancangan .................................................................................... 2
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA........................................................................... 4
2.1 Perpindahan Kalor ....................................................................................... 4
2.2 Mekanisme Perpindahan Kalor ................................................................... 4
2.2.1 Perpindahan Kalor Konduksi .................................................................. 4
2.2.2 Perpindahan Kalor Konveksi .................................................................. 5
2.2.3 Perpindahan Kalor Radiasi .................................................................... 7
2.3 Alat Penukar Kalor ...................................................................................... 8
2.4 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor .......................................... 10
2.5 Klasifikasi Alat Penukar Kalor .................................................................. 13
2.6 Shell and Tube ........................................................................................... 15
2.7 Pipa Ganda (Double Pipe) ......................................................................... 18
2.8 Koil Pipa (Panelcoil) ................................................................................. 18
2.9 Jenis Spiral (Spiral Plate).......................................................................... 19
2.10 Jenis Plat (Gesketed Plate) ...................................................................... 20
Universitas Sumatera Utara
vi
2.11 Komponen Alat Penukar Kalor ............................................................... 20
2.11.1 Cangkang ............................................................................................ 20
2.11.2 Tabung ................................................................................................ 24
2.11.3 Sekat.................................................................................................... 26
2.11.4 Pelat Tabung ....................................................................................... 28
2.12 Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran .................................... 28
2.12.1 Kesetimbangan Energi ........................................................................ 28
2.12.2 Bilangan Reynold ............................................................................... 29
2.12.3 Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl .............................................. 30
2.12.4 Log Mean Temperature Difference (LMTD) ..................................... 32
2.12.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ......................................... 33
2.12.6 Faktor Koreksi (F) .............................................................................. 36
2.12.7 Faktor Pengotoran ............................................................................... 37
2.12.8 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan di Cangkang. 39
2.12.9 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan di Tabung..... 40
2.13 Pendinginan Minyak Pelumas ................................................................. 42
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 44
3.1 Waktu dan Tempat .................................................................................... 44
3.1.1 Waktu .................................................................................................... 44
3.1.2 Tempat .................................................................................................. 44
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor ....................................................... 44
3.3 Menggambar Desain dengan Autocad ...................................................... 45
3.4 Alat dan Bahan .......................................................................................... 45
3.4.1 Alat........................................................................................................ 45
3.4.2 Bahan .................................................................................................... 47
3.5 Skema Alat Penukar Kalor ........................................................................ 50
Universitas Sumatera Utara
vii
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat ................................................................... 50
BAB IV DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR .............................................. 52
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor ................................................ 52
4.2 Perancangan Dimensi Rangka Alat Penukar Kalor ................................... 70
4.3 Dimensi Tangki Fluida .............................................................................. 72
BAB VKESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 73
5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 73
5.2 Saran .......................................................................................................... 73
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 74
LAMPIRAN ......................................................................................................... 76
Universitas Sumatera Utara
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Koefisien perpindahan panas (Kakac) .................................................. 35
Tabel 2.2Faktor pengotoran untuk berbagai fluida (Incropera) ............................ 38
Tabel 3.1 Koefisien kehilangan minor .................................................................. 48
Tabel 4.1 Spesifikasi alat penukar kalor ............................................................... 52
Tabel 4.2Konduktivitas material ........................................................................... 52
Tabel 4.3Dimensi cangkang dan tabung ............................................................... 57
Tabel 4.4 Sifat fisik fluida dingin air berdasarkan tabel A.6 ................................ 58
Tabel 4.5Sifat fisik fluida panas oli berdasarkan tabel A.5 .................................. 58
Tabel 4.6 Dimensi besi segiempat ........................................................................ 69
Universitas Sumatera Utara
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Perpindahan panas konduksi, difusi energi akibat aktifitas
molekul.......................................................................................... 5
Gambar 2.2
Perpindahan panas konveksi. (a) konveksi paksa (b) konveksi
alamiah (c) pendidihan (d) kondensasi ......................................... 7
Gambar 2.3
Perpindahan panas radiasi (a) pada permukaan (b) antara
permukaan dan lingkungan ........................................................... 8
Gambar 2.4
Penukar kalor pipa konsentris (a) parallel flow (b) counter flow . 9
Gambar 2.5
Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua
fluidanya tidak campur (b) tidak bersirip dengan satu fluida
campur dan satu fluida lagi tidak campur ..................................... 10
Gambar 2.6
Alat penukar kalor jenis shell and tube ......................................... 15
Gambar 2.7
Penukar kalor tipe shell and tube CFU (standar TEMA).............. 16
Gambar 2.8
Penukar kalor jenis pipa ganda ..................................................... 18
Gambar 2.9
Alat penukar kalor koil pipa.......................................................... 19
Gambar 2.10 Alat penukar kalor jenis spiral plat ............................................... 19
Gambar 2.11 Alat penukar kalor jenis plat ......................................................... 20
Gambar 2.12 Sket skematik dari beberapa tipe cangkang yang sering
digunakan ...................................................................................... 21
Gambar 2.13 Standar tipe-tipe cangkang (berdasarkan standar TEMA) ............ 22
Gambar 2.14 Konstanta untuk menggunakan persamaan 2.5 ............................. 23
Gambar 2.15 Grafik bundle diameter clearence vs bundle diameter .................. 24
Gambar 2.16 Susunan tube alat penukar kalor ................................................... 25
Gambar 2.17 Plat sekat, dimodifikasi oleh Mueller (1973) ................................ 27
Gambar 2.18 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida
dingin ............................................................................................ 29
Gambar 2.19 Daerah lapisan batasplat rata ......................................................... 29
Gambar 2.20 Alat penukar kalor aliran searah ................................................... 32
Gambar 2.21 Alat penukar kalor aliran berlawanan arah ................................... 33
Gambar 2.22 Aliran temperatur dengan aliran searah ........................................ 34
Gambar 2.23 Aliran temperatur pada aliran berlawanan arah ............................ 34
Universitas Sumatera Utara
x
Gambar 2.24 Grafik faktor koreksi untuk alat penukar kalor dengan satu
lintasan pada cangkang dan dua, empat, atau kelipatannya dari
lintasan pada tabung ...................................................................... 37
Gambar 2.25 Grafik faktor koreksi untuk alat penukar kalor dengan 2
lintasan pada cangkang dan 4,8 atau kelipatannya dalam lintasan
pada tabung ................................................................................... 37
Gambar 3.1
Waterheater ................................................................................... 46
Gambar 3.2
Pompa............................................................................................ 46
Gambar 3.3
Flowmeter ..................................................................................... 47
Gambar 3.4
Skema alat penukar kalor .............................................................. 50
Gambar 3.5
Diagram alir pembuatan alat penukar kalor .................................. 51
Gambar 4.1
Alat penukar kalor yang dirancang ............................................... 68
Gambar 4.2
Alat penukar kalor telah dilakukan pengujian .............................. 69
Gambar 4.3
Besi segiempat .............................................................................. 70
Gambar 4.4
Rangka alat penukar kalor............................................................. 70
Gambar 4.5
Tangki fluida ................................................................................. 71
Universitas Sumatera Utara
xi
DAFTAR NOTASI
Notasi
Keterangan
Satuan
Ao
luas areaalat penukar kalor
m2
As
luas aliran cangkang
m2
At
luas aliran tabung
m2
B
jarak antar sekat
m
Cph
panas jenis fluida panas
J/kg.K
Cpc
panas jenis fluida dingin
J/kg.K
Ds
diameter cangkang
m
Dh
diameter hidrolik
m
do
diameter luar tabung
m
di
diameter dalam tabung
m
F
faktor koreksi
f
friction factor
Gs
kecepatan massa aliran
kg/m2.s
Gt
kecepatan massa aliran
kg/m2.s
hi
koefisien perpindahan panas tabung
W/m2K
ho
koefisien perpindahan panas canngkang
W/m2K
k
konduktivitas termal
W/m.K
L
panjang tabung
m
mh
laju aliran fluida panas
kg/s
mc
laju aliran fluida dingin
kg/s
Nb
jumlah sekat
Nu
bilangan nusselt
Pt
jarak antara dua sumbu tabung
Pr
bilangan prandtl
Q
banyaknya kalor yang dilepaskan
Re
bilangan reynold
Rf
faktor pegotoran
m2K/W
Thi
temperatur fluida panas masuk
o
C
Tho
temperatur fluida panas keluar
o
C
m
Watt
Universitas Sumatera Utara
xii
temperatur fluida dingin masuk
o
C
temperatur fluida dingin keluar
o
C
tw
temperatur dinding
o
C
t
tebal tabung
m
U
koefisien perpindahan panas menyeluruh
W/m2K
∆Tlm
perbedaan temperatur rata-rata logaritmik
o
∆Ps
penurunan tekanan dicangkang
Pa
∆Pt
penurunan tekanan ditabung
Pa
Tci
Tco
C
Universitas Sumatera Utara