RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR (HEAT EXCHANGER) BERSIRIP HELICAL DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG SEPEDA MOTOR SEBAGAI PEMANAS AIR
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Konversi Energi
Oleh DWI DESY PARDEDE 1005051015
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2013
RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR (HEAT EXCHANGER) BERSIRIP HELICAL DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG SEPEDA MOTOR SEBAGAI PEMANAS AIR
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Konversi Energi
Oleh: DEBY FIANI DWI DESY PARDEDE OTNIEL SIANTURI
1005051012 1005051015 1005051035
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2013
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur penulis sampaikan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan anugerah-Nya telah memberikan pengetahuan dan kesehatan sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini dengan baik dan tepat pada waktunya. Laporan Tugas Akhir ini berjudul “RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR ( HEAT EXCHANGER ) BERSIRIP HELICAL DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG SEPEDA MOTOR SEBAGAI PEMANAS AIR” disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan dalam menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini, penulis menemukan hambatan dan tantangan. Namun berkat bantuan dari semua pihak, penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ir. M Syahruddin S.T, M.T, selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Ir. Gidion Sembiring M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. 3. Ir. Isman Harianda, M.T, selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. 4. Ir. Etty Rayuanna, selaku Wali Kelas EN-6B yang telah memberikan motivasi dan nasehat kepada penulis. 5. Faisal Fahmi Hasan, ST. M.T., selaku Dosen Pembimbing dalam Penyusunan Laporan Tugas Akhir ini, serta motivasi dan nasehat yang diberikan kepada penulis. 6. Bapak dan Ibu staf pengajar di Jurusan Teknik Mesin, khususnya Dosen Program Studi Teknik Konversi Energi yang telah memberikan ilmu kepada penulis. 7. Secara khusus penulis ucapkan kepada kedua orang tua tercinta Ayahanda O. Pardede dan Ibunda L. Purba yang sangat Penulis cintai dan telah banyak memberikan bantuan moril, materil dan doa serta saudara laki –
laki penulis Lio Kansnov Pardede dan Joel Adlino Pardede dalam memberikan motivasi sehingga Penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas akhir ini. 8. Teman-teman satu PKL Deby Fiani, Jaka Pratama, Rahia Sembiring, Wilson Kaban terima kasih kerja samanya saat PKL. 9. Rekan – Rekan tim Tugas Akhir (Deby Fiani dan Otniel Sianturi) yang telah sama – sama meluangkan waktu, tenaga dan pikiran dalam menyelesaikan proyek Tugas Akhir ini. 10. Sahabat penulis yang selalu mememani Sui, Tomu, Ashari, Parwis, Ricardo. 11. Untuk Abang Majus Purba, Alumni Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan yang telah meluangkan waktu dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir. 12. Teman-teman seperjuangan di kelas EN-6B angkatan 2010 terimakasih untuk semua kenangan selama berkuliah di kampus POLMED tercinta.
Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih banyak kekurangan dari segi sistematika maupun referensi berhubung karena keterbatasan waktu, pengetahuan dan tenaga. Untuk itu diharapkan partisipasi semua pihak dalam menyumbangkan pikiran atau ide demi perbaikan ke arah yang lebih sempurna. Demikian Tugas Akhir ini dibuat dengan harapan semoga berguna bagi semua pihak. Terima kasih.
Medan, Agustus 2013 Hormat Penulis,
Dwi Dessy Pardede NIM. 1005051015
DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ...................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. iii LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv KATA PENGANTAR... .................................................................................... v DAFTAR ISI. ..................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR......................................................................................... ix DAFTAR TABEL. ............................................................................................ x DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xi INTISARI.......................................................................................................... xii ABSTRACT........................................................................................................ xiii
BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................. 1 A. Latar Belakang .............................................................................. 1 B. Batasan Masalah ............................................................................ 2 C. Tujuan Tugas Akhir ....................................................................... 2 D. Manfaat Tugas Akhir..................................................................... 2 E. Teknik Pengumpulan Data............................................................. 3
BAB II
DASAR TEORI ................................................................................ 4 A. Pandangan Umum Tentang Alat Penukar Kalor ........................... 4 B. Klasifikasi APK............................................................................. 5 1. Klasifikasi Menurut Perpindahan Kalor......................................... 8 2. Klasifikasi Menurut Jumlah Fluida................................................ 12 3. Klasifikasi Menurut Permukaan Kompak...................................... 12 4. Klasifikasi Menurut Konstruksi .................................................... 13 5. Klasifikasi Menurut Pengaturan Aliran.......................................... 18
6. Klasifikasi Menurut Mekanisme Perpindahan Kalor..................... 19 C. Keunggulan Keunggulan APK Selongsong dan Pipa ................. 28 D. Persamaan-Persamaan yang Digunakan ...................................... 29 1. Perpindahan Panas Secara Thermodinamika ............................... 29 2. Perpindahan Panas Secara LMTD .............................................. 30 3. Efektivitas Alat Penukar Kalor ................................................... 35
BAB III
PEMBAHASAN ............................................................................ 36 A. Gambar Desain Alat Penukar Kalor ............................................ 36 B. Prinsip Kerja Alat ........................................................................ 36 C. Komponen-Komponen Alat Penukar kalor ................................. 37
BAB IV
ANALISA DATA ........................................................................... 39 A. Data-data Alat Penukar Kalor ..................................................... 39 B. Mencari Perpindahan Panas Konveksi Dalam Tube ................... 40 C. Mencari Perpindahan Panas Konveksi Dalam Anulus ................ 42 D. Mencari Beda Suhu....................................................................... 46 E. Mencari Perpindahan Panas Keseluruhan.................................... 47 F. Menghitung Efektivitas APK ....................................................... 48
BAB V
PENUTUP ....................................................................................... 49 A. Kesimpulan .................................................................................. 49 B. Saran... ......................................................................................... 50
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR No. gambar Gambar 2.1
Nama gambar
Halaman
APK dengan tambahan motor penggerak rotary regeneratif
6
Gambar 2.2
APK scraped surface
7
Gambar 2.3
Sirip tube pada APK
7
Gambar 2.4
APK pipa ganda
15
Gambar 2.5
APK Selongsong dan Pipa
16
Gambar 2.6
Aliran sejajar (paralel flow)
18
Gambar 2.7
Aliran berlawanan (cross flow)
18
Gambar 2.8
Perpindahan kalor konduksi dan difusi energi akibat aktifitas molekul
Gambar 2.9
23
Perpindahan panas konveksi,(a) konveksi paksa, (b)konveksi alamiah,(c) pendidihan, (d) kondensasi 25
Gambar 2.8
Perpindahan panas radiasi
28
Gambar 3.1
Gambar Desain APK
36
DAFTAR TABEL Tabel 4.1
Data percobaan
39
Tabel 5.1
Data kinerja alat penukar kalor
49
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1
Nilai sifat – sifat logam
Lampiran 2
Sifat – sifat gas pada tekanan atmosfer
Lampiran 3
Sifat – sifat air ( zat-cair jenuh )
Lampiran 4
Gambar APK
INTISARI Penukar kalor merupakan salah satu peralatan yang digunakan untuk memanfaatkan gas buang daur sepeda motor, salah satunya adalah penukar kalor tipe shell and tube. Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui prinsip kerja alat penukar kalor tipe shell and tube sebagai pemanas air bersirip helikal sehingga akhirnya diketahui efektivitas kinerja dari shell and tube tersebut. Penukar kalor double pipe bersirip helical (Helical Heat Exchanger) pada prinsipnya terbuat dari dua pipa yang disusun sejajar dimana salah satu di antaranya mempunyai diameter yang lebih kecil dan mempunyai celah di antara keduanya, kemudian pada pipa yang berada didalam pipa yang paling besar ditambahkan plat dengan posisi melingkar yang bertujuan untuk memperluas bidang perpindahan kalor. Tube terbuat dari stainlis yang mempunyai konduktivitas thermal 55 (W/m.K) pada temperatur 300oC, diameter luar tube 0,026 m, sirip terbuat dari stainlis, tinggi 0,017 m, lebar 0,001 m, anulus terbuat dari stainlis, diameter luar anulus 0,076 m, panjang tube 0,48 m. Dari hasil perancangan diperoleh efektivitas = 96,7 % Kata kunci :Penukarkalor, Shell and Tube, Helical,Efektivitas
ABSTRACT
Shell and tube heat exchanger is one of the heat exchanger type which use to reuse heat from motor cycle exhaust. As the target of this final duty is to know the affectivity of the Shell and tube heat exchanger system as a helical fin water heater. The helical fin double pipe heat exchanger is contain of two align pipes which one of the tube diameter is smaller and has a distance between the pipes, there is circular additional plate between pipes to get a better heat exchanger value. Tube is made from Stainless where the thermal conductivity is 55 (W/m.K) on 300 0C temperature, external tube diameter is 0.026 m, fin made from Stainless, 0,017 m high, 0,001 m wide, annulus made from stainless, external annulus diameter is 0,076 m, 0,48 m long. The affectivity of the heat exchanger is 96.7% Keyword : heat exchanger, Shell and Tube, Helical, Affectivity
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah Penerapan prinsip perpindahan kalor untuk merancang (design) alat – alat guna mencapai sesuatu tujuan teknik sangatlah penting, karena dalam menerapkan prinsip ke dalam rancanganlah orang bekerja ke arah pencapaian tujuan untuk mengembangkan barang hasil yang memberikan manfaat ekonomi. Akhirnya ekonomi pulalah
yang memegang peranan penting dalam perancangan dan
pemilihan alat – alat penukar kalor, dan para ahli teknik tidak boleh melupakan ini setiap kali berhadapan dengan soal – soal baru dalam perancangan alat penukar kalor. Dalam hal ini kebutuhan akan energi setiap hari terjadi peningkatan terutama kebutuhan akan bahan bakar minyak (BBM), energi ini termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui. Setiap orang bisa mencari solusi dalam pemecahan masalah kelangkaan bahan bakar minyak tersebut, diantaranya dengan cara penghematan pemakaian bahan bakar minyak pada pribadi setiap orang. Salah satu cara penghematan bahan bakar adalah dengan membuat alat yang menggunakan atau yang memakai bahan bakar lebih hemat dari alat – alat yang sebelumnya.
Berdasarkan pemakaian untuk penghematan BBM maka dibuat suatu alat yang memanfaatkan gas buang sepeda motor untuk memanaskan air tanpa harus membakar atau memakai bahan bakar minyak yang lebih banyak. Pada saluran gas buang ditambahkan sebuah Heat Exchanger yang berfungsi sebagai penyerap panas yang dimiliki gas buang dan dipindahkan ke air yang bersuhu relatif lebih rendah. Efektifitas dipengaruhi oleh temperatur air keluar, temperatur gas buang keluar, besar laju aliran massa air dan banyak kalor yang diserap fluida dingin. Alat ini bisa dipakai apabila sepeda motor tersebut pada saat beroperasi. Sewaktu pengendara melakukan perjalanan jauh ditengah jalan ingin beristirahat sejenak, pengendara langsung bisa menggunakan air yang sudah dipanaskan untuk membuat teh, kopi dan sebagainya tanpa harus memasaknya lagi. Alat yang
digunakan untuk memanaskan air tersebut adalah Alat Penukar Kalor jenis pipa ganda bersirip helical.
B. Batasan Masalah Adapun yang menjadi pokok permasalahan dalam Tugas Akhir ini adalah: 1. Bagaimana memanfaatkan gas buang sepeda motor untuk memanaskan air? 2. Bagaimana prinsip kerja Alat Penukar Kalor? 3. Bagaimana cara perancangan Alat Penukar Kalor?
C. Tujuan Tugas Akhir Adapun yang menjadi tujuan penulisan laporan tugas akhir ini adalah: 1. Memanfaatkan energi thermal dari gas buang sepeda motor sebagai pemanas air. 2. Mempelajari prinsip kerja dari Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube. 3. Untuk mengetahui perancangan Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube. 4. Sebagai persyaratan untuk menyelesaikan Program Pendidikan Diploma 3 Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan.
D. Manfaat Tugas Akhir Adapun manfaat dari rancang bangun tugas akhir ini adalah: 1. Untuk mendapatkan alat penukar kalor yang memberikan hasil yang lebih baik. 2. Memperoleh
gambaran
keefektifan
alat
penukar
kalor
dengan
memanfaatkan gas buang sebagai pemanas air. 3. Sebagai pengembangan ilmu dan pengetahuan dan teknologi. 4. Membantu para pembaca yang ingin menambah pengetahuan dan berniat memodifikasi alat ini dengan efisiensi serta praktis.
E. Teknik Pengumpulan Data Adapun metode pengumpulan data mengenai perancangan ini dengan cara:
1. Studi literature dengan buku-buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun sumber lain yang berkaitan dengan perancangan alat tersebut. 2. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing yang bersangkutan maupun dengan pihak - pihak yang dapat membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang memahami dan mengerti tentang perancangan alat ini. 3. Melakukan studi di lapangan dengan melihat dan mengamati alat rancangan yang telah di rancang.
