ANALISIS DAN SIMULASI KEEFEKTIFAN ALAT PENUKAR KALOR TABUNG SEPUSAT DENGAN VARIASI KAPASITAS ALIRAN FLUIDA PANAS, FLUIDA DINGIN DAN SUHU MASUKAN FLUIDA PANAS DENGAN ALIRAN SEJAJAR.
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh : LAW RENCIUS (100401114)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
i
ABSTRAK Seiring dengan berjalannya waktu sebuah alat akan mengalami penurunan prestasi atau performansi. Penurunan prestasi ini akan menyebabkan alat yang digunakan tidak lagi efektif dalam melakukan kerjanya. Pada salah satu laboratorium di PTKI terdapat alat penukar kalor tabung sepusat yang sudah dipakai lebih dari 30 tahun dan belum sekalipun dikalibrasi. Penelitian ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui seberapa besar penurunan prestasi dari alat penukar kalor tersebut . Metode yang digunakan dalam penelitian yaitu dengan percobaan dan melakukan analisis baik secara perhitungan teori maupun hasil simulasi. Metode perhitungan secara teori dilakukan dengan menggunakan metode NTU dan perhitungan simulasi dilakukan dengan menggunakan Ansys Fluent. Pada hasil perhitungan didapatkan perbedaan yang cukup terlihat yaitu keefektifan hasil percobaan nilainya berbeda jauh dengan keefektifan yang diperoleh dari perhitungan teori dan hasil simulasi. Efektivitas tertinggi untuk hasil percobaan, perhitungan teori, dan simulasi pada suhu masuk fluida panas 70oC dan kapasitas aliran fluida panas 50 l/j dan kapasitas aliran fluida dingin 200 l/j berturut-turut yaitu 43%, 18,9%, dan 18,04% dan pada suhu masuk fluida panas 80oC kapasitas aliran fluida panas 50 l/j dan kapasitas aliran fluida dingin 400 l/j berturut-turut yaitu 50,39%, 27,38%, dan 30,97%. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa perhitungan secari teori didukung oleh simulasi dimana hasil efektivitas yang didapat tidak terlalu jauh perbedaannya, sedangkan hasil percobaan berbeda jauh dengan hasil perhitungan teori dan simulasi. Maka dapat diambil kesimpulan bahwa APK tersebut perlu untuk segera dikalibrasi. Kata kunci : penurunan prestasi , alat penukar kalor tabung sepusat, keefektifan, metode NTU, Ansys Fluent.
ii
ABSTRACT
Through the time, the performance of device will get decreased. The Decresed of performance will make device can’t do its job effectively. One of laboratory in PTKI has concentric heat exchanger has been used for more 30 years but it never calibrated. The purpose of this research is knowing how far the decreasing of concentric heat exchanger performance. The method that use for this research is experiment and analize data use theoretical calculation with simulation. Theoretical calculation use NTU method and simulation calculation use Ansys Fluent. The result of calculation has significant contrast, effectiveness from experiment has constrast value with theoretical calculation. High effectiveness from experiment, theoretical calculation, and simulation at hot temperature fluide 70oC, hot fluide volume flow 50 l/h, and cool fluide volume flow 200 l/h in series is 43%, 18,9%, and 18,04% and at hot temperature fluide 80oC, hot fluide volume flow 50 l/h, and cool fluide volume flow 400 l/h in series is 50,39%, 27,38%, and 30,97%. Based on that result we can see that theoriticall calculation is supported by simulation calculation, in the other hand experiment result has significant contrast with theoriticall calculation and simulation. The conclusion is that device must must calibrated soon. Keywords : decreased performance, concentric tube type of heat exchanger, Effectiveness, NTU method, Ansys Fluent
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji, syukur, dan hormat penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan penyertaanNya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini berjudul “Analisis dan simulasi keefektifan alat penukar kalor tabung sepusat dengan variasi kapasitas aliran fluida panas, kapasitas aliran fluida dingin, dan suhu masukan fluida panas dengan aliran sejajar”. Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kedua Orang Tua penulis, Hasudungan Simanjuntak, SH dan Luminar br. Siburian yang tidak henti memberikan kasih yang begitu tulus melalui doa, keringat, dan restu yang menjadi motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, D.E.A.selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 5. Wiranata Sinurat, selaku rekan skripsi atas kesetiaan dan semangat juang dikala suka maupun duka dalam menghadapi setiap permasalahan. 6. Adik penulis yang terkasih, Rio Christianto Simanjuntak atas semangat dan doa yang diberikan.
iv
7. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2010, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah mentransfer energi tak terbatas dan memberikan masukan kepada penulis, SOLIDARITY FOREVER, MESIN JAYA! 8. “Kaum Terpelajar” sahabat yang memotivasi penulis untuk berupaya melawan arus deras relativitas kebenaran dan tradisi. 9. Raymond Ebenezer Sipayung untuk setiap bantuan yang boleh diberikan. 10. Ibu Darni selaku kepala laboratorium OTK PTKI dan segenap asisten yang telah memberikan bantuan kepada penulis melakukan penelitian di laboratorium tersebut. 11. Partner segala lini, Debby Permata Situmorang atas dukungan dan motivasi yang boleh diberikan.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang. Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih.
Medan, Maret 2015 Penulis
LAW RENCIUS NIM. 100401114
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK .................................................................................................................i ABSTRACT ............................................................................................................... ii KATA PENGANTAR .............................................................................................. iii DAFTAR ISI............................................................................................................. v DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... vii DAFTAR TABEL ..................................................................................................... x DAFTAR NOTASI .................................................................................................. xi BAB I PENDAHULUAN ..........................................................................................1 1.1 Latar Belakang .......................................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah Penelitian ...................................................................................... 2 1.4 Manfaat Penelitian .................................................................................................... 2 1.5 Metodologi Penulisan ............................................................................................... 2 1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................................... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................5 2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor................................................................................ 5 2.2 Jenis Alat Penukar Kalor........................................................................................... 5 2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ................................................................................. 8 2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas ................................................................................ 16 2.4.1 Konduksi .......................................................................................................... 16 2.4.2 Konveksi .......................................................................................................... 17 2.4.3 Radiasi.............................................................................................................. 18 2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ............................................................. 20 2.6 Aliran Tabung Sepusat ............................................................................................ 21 2.7 Faktor Kotoran ........................................................................................................ 23 2.7 Metode LMTD ........................................................................................................ 24 2.7.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar) ............................................................ 24 2.7.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan.......................................................... 27 2.8 Metode NTU ........................................................................................................... 31 2.8.1 Keefektifan APK Aliran Sejajar ...................................................................... 34
vi
Tabel 2.3 hubungan efektifitas dengan NTU dan c........................................................... 36 2.9 Program Ansys 14.0 ................................................................................................ 37 2.9.1 Persamaan-persamaan Konservasi ................................................................... 41 BAB III METODE PENELITIAN ................................................................................ 46 3.1Tempat dan Waktu penelitian .................................................................................. 46 3.1.1 Tempat Penelitian ............................................................................................ 46 3.1.2 Waktu Penelitian .............................................................................................. 47 3.2 Metode Penelitian ................................................................................................... 47 3.3 Populasi dan Sampel ............................................................................................... 47 3.3.1 Populasi Penelitian ........................................................................................... 47 3.3.2 Sampel Penelitian............................................................................................. 48 3.3.3Teknik Sampling ............................................................................................... 49 3.4 Teknik Pengumpulan Data ...................................................................................... 49 3.5 Instrumen Penelitian ............................................................................................... 51 3.5.1Bahan Penelitian ............................................................................................... 51 3.5.2 Alat Penelitian.................................................................................................. 51 3.5.3 Diagram Alir Proses Penelitian ........................................................................ 57 3.5.4 Proses Percobaan.............................................................................................. 57 3.6 Instrumen Simulasi ................................................................................................. 58 3.6.1 Bahan Simulasi ................................................................................................ 58 3.6.2 Alat Simulasi .................................................................................................... 58 3.6.3 Diagram Alir Simulasi ......................................................................................... 59 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ............................................... 60 4.1 Perhitungan Teoritis ................................................................................................ 60 4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian .......................................................................... 72 4.3 Perhitungan Dengan Simulasi ................................................................................. 84 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN..................................................................... 94 5.1 Kesimpulan ............................................................................................................. 95 5.2 Saran ....................................................................................................................... 95 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 97
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Thermosiphon Reboiler ................................................................ 07 Gambar 2.2 Konstruksi Heat Exchanger .......................................................... 07 Gambar 2.3 Aliran double pipe heat exchanger .............................................. 10 Gambar 2.4 Hairpin Heat exchanger ............................................................... 11 Gambar 2.5 Double pipe exchanger aliran concurrent dan counter curent ..... 12 Gambar 2.6 Double pipe heat exchanger series .............................................. 12 Gambar 2.7 Double pipe heat exchanger in series- parallel ........................... 13 Gambar 2.8 Bentuk susunan tabung ............................................................... 14 Gambar 2.9 shell and tube heat exchanger ...................................................... 14 Gambar 2.10 Plate type heat exchanger dengan aliran counter current.......... 15 Gambar 2.11 Skema dari jacketed vessel with coil and stirrer ........................ 16 Gambar 2.12 Perpindahan panas secara konduksi ........................................... 17 Gambar 2.13 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa . 18 Gambar 2.14 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas.. 19 Gambar 2.15 Jaringan tahan panas yang dibungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat .................................................................................................. 20 Gambar 2.16 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding yang tipis .... 20 Gambar 2.17 Distribusi suhu APK aliran sejajar ............................................. 24 Gambar 2.18 Distribusi suhu APK aliran Berlawanan .................................... 27 Gambar 3.19 Distribusi suhu APK sejajar ....................................................... 32 Gambar 2.20 ∆Tmax saat Tco mendekati Thi ................................................. 32 Gambar 2.21 ∆Tmax saat Tho mendekati Tci ................................................. 32 Gambar 2.22 grafik efektifitas untuk aliran sejajar .......................................... 36 Gambar 2.23 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan .................................. 37
viii
Gambar 2.24 Gambaran Umum Proses CFD ................................................... 40 Gambar 2.25 Persamaan Konservasi Momentum ............................................ 42 Gambar 2.26 Penerapan Boundary Condition ................................................. 44 Gambar 2.27 Flowchart Penerapan CFD ......................................................... 45 Gambar 3.1 Alat penukar kalor tabung sepusat ............................................... 50 Gambar 3.2 Alat ukur suhu masuk dan keluar fluida dalam APK tabung sepusat ........................................................................................................... 51 Gambar 3.3 Alat ukur kapasitas aliran fluida panas ........................................ 52 Gambar 3.4 Alat ukur kapasitas aliran fluida dingin ....................................... 53 Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ................................................... 53 Gambar 3.6 pompa fluida panas....................................................................... 54 Gambar 3.7 Tabung sepusat ............................................................................. 55 Gambar 3.8 Laptop........................................................................................... 57 Gambar 4.1 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ....................................... 59 Gambar 4.2 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................... 59 Gambar 4.3 Dimensi dari alat penukar kalor ................................................... 60 Gambar 4.4 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 66 Gambar 4.5 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 67 Gambar 4.6 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 67 Gambar 4.7 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 68 Gambar 4.8 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 69 Gambar 4.9 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 69 Gambar 4.10 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 70
ix
Gambar 4.11 Grafik efektifitas perhitungan teori(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 70 Gambar 4.12 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 78 Gambar 4.13 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 78 Gambar 4.14 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 79 Gambar 4.15 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 200l/j) ........................................................................................................... 79 Gambar 4.16 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 81 Gambar 4.17 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 82 Gambar 4.18 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 82 Gambar 4.19 Grafik efektifitas hasil percobaan(kapasitas fluida dingin 400l/j) ........................................................................................................... 83 Gambar 4.20 Mengatur geometry .................................................................... 84 Gambar 4.21 Mengatur mesh ........................................................................... 84 Gambar 4.22 Mengatur mesh (untuk aliran laminar dan transisi).................... 84 Gambar 4.23 Mengatur setup (untuk aliran turbulen)..................................... 85 Gambar 4.24 Mengatur viscous ....................................................................... 85 Gambar 4.25 Mengatur setup heat exchanger ................................................. 86 Gambar 4.26 Mengatur cell zone condition ..................................................... 86 Gambar 4.27 Mengatur mengatur setup boundary conditions ......................... 77 Gambar 4.28 Mengatur mengatur setup solution method ................................ 87 Gambar 4.29 Hasil perhitungan pada report .................................................... 88 Gambar 4.30 Hasil perhitungan pada report .................................................... 89
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Double pipe exchanger fittings ........................................................ 11 Tabel 2.2 Faktor kotoran untuk berbagai fluida .............................................. 23 Tabel 2.3 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ....................................... 36 Tabel 3.1 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 47 Tabel 3.2 Variasi parameter sampel penelitian……………………………… 48 Tabel 4.1 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
66
Tabel 4.2 Hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi
68
Tabel 4.3 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 200 l/j)
71
Tabel 4.4 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 200 l/j)
72
Tabel 4.5 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 200 l/j) .................. 72 Tabel 4.6 Data rata-rata hasil percobaan (kapasitas fluida dingin 200 l/j)...... 73 Tabel 4.7 Data hasil percobaan 1 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) .................. 74 Tabel 4.8 Data hasil percobaan 2 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) .................. 74 Tabel 4.9 Data hasil percobaan 3 (kapasitas fluida dingin 400 l/j) .................. 75 Tabel 4.10 Data rata-rata hasil percobaan (kapasitas fluida dingin 400 l/j)..... 75 Tabel 4.11 Hasil dari perhitngan Ch dan Cc ..................................................... 77 Tabel 4.12 Hasil dari perhitngan Ch dan Cc ..................................................... 81 Tabel 4.13 Hasil simulasi dengan variasi fluida dingin (air) 200 l/j dan fluida panas 50 l/j, 100 l/j, 150 l/j, 200 l/j .................................................................. 89 Tabel 4.14 Hasil simulasi dengan variasi fluida dingin (air) 400 l/j dan fluida panas 50 l/j, 100 l/j, 150 l/j, 200 l/j .................................................................. 90 Tabel 4.15 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ....................................... 91 Tabel 4.16 Hasil eksperimental, teori, dan simulasi ........................................ 92
xi
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
q
laju pindahan panas
Watt
Q
kapasitas aliran
m3/s
ṁh
laju aliran massa fluidsa panas
kg/s
ṁc
laju aliran massa fluida dingin
kg/s
Cph
panas jenis fluida panas
J/kg K
Cpc
panas jenis fluida panas
J/kg K
Thi
Temperatur fluida panas masuk APK
(oC)
Tho
Temperatur fluida panas keluar APK
(oC)
Tci
Temperatur fluida dingin masuk APK
(oC)
Tco
Temperatur fluida dingin keluar APK
(oC)
U
koefisien perpindahan panas menyeluruh
A
Luas daerah perpindahan panas
m2
∆Trl
beda suhu rata-rata logaritma
(oC)
μ
viskositas dinamik
Ns/m2
pr
bilangan prandalt
Re
bilangan reynold
ρ
massa jenis
Nu
bilangan nusselt
f
koefisien gesekan
NTU
Number transfer unit
C
kapasitas panas
Watt/K
Cmin
kapasitas panas minimum
Watt/K
E
Efektifitas APK
%
Watt/m2K
kg/m3
xii
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
Ch
kapasitas panas fluida panas
Watt/K
Cc
kapasitas fluida dingin
Watt/K
R
hambatan total
Rf,i
hambatan fluida di tabung dalam
C/W
Rf,o
hambatan fluida di dalam anullus
C/W
Di
diameter tabung dalam
m
Do
diameter tabung luar
m
Dh
diameter hidrolik
m
c
Perbandingan Cmin dengan Cmax
Kg/m3
k
koefisien konduksi
Watt/m K
Cmax
Kapasitas panas maksimu
Watt/K
