KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH TEMPERATUR MASUKAN …/Kaji-eks...2.2.2. Hukum Kekekalan Energi Untuk...

KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH TEMPERATUR

MASUKAN OLI DAN JARAK SEKAT TERHADAP

PERFORMA ALAT PENUKAR PANAS TIPE SELONGSONG

DAN TABUNG

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk memenuhi Sebagian Syarat Guna Memperoleh

Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

METRI ARDANI

I. 0498035

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2004

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL....................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ ii

ABSTRAK...................................................................................................... iii

MOTTO DAN PERSEMBAHAN................................................................ v

KATA PENGANTAR.................................................................................... vi

DAFTAR ISI................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR...................................................................................... xii

DAFTAR TABEL........................................................................................... xv

DAFTAR SIMBOL........................................................................................ xvi

DAFTAR LAMPIRAN.................................................................................. xix

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang Masalah................................................................. 1

1.2 .Permasalahan................................................................................. 2

1.3. Batasan Masalah............................................................................ 3

1.4. Tujuan Penulisan........................................................................... 5

1.5. Manfaat Penulisan......................................................................... 5

1.6. Sistematika Penulisan................................................................... 6

BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka............................................................................ 7

2.2. Definisi Perpindahan Panas........................................................... 8

2.2.1. Mekanisme Fisik Perpindahan panas................................. 8

2.2.2. Hukum Kekekalan Energi Untuk Kontrol Volume............ 10

2.2.3. Hukum Kesetimbangan Energi Permukaan...................... 11

2.2.4. Mekanisme Perpindahan Panas Pada Bidang Datar............ 12

2.2.5. Beda Suhu Rata-Rata Logaritmik (ΔTLMTD)........................ 14

2.3. Alat Penukar Panas Selongsong Dan Tabung................................ 17

2.3.1.Tipe-Tipe Aliran Alat Penukar Panas................................... 18

2.3.2. Jenis-Jenis Alat Penukar Panas............................................ 20

2.3.3. Pola Susunan Tabung........................................................... 23

2.3.4. Jenis-Jenis Sekat (Baffle)..................................................... 24

2.4. Dasar Perhitungan............................................................................. 25

2.4.1. Data Masukan....................................................................... 25

2.4.2. Perhitungan Parameter-Parameter Dasar.............................. 25

2.4.3. Perhitungan-Perhitungan Tambahan ................................... 31

2.4.4. Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Dan

Pressure Drop....................................................................... 40

2.5. Diagram Alir Perhitungan........................................................... 47

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Diagram alir Pembuatan alat dan Penelitian............................... 56

3.2. Peralatan Penunjang dan Alat Ukur............................................ 58

3.3. Skema Perpipaan Fluida Panas.................................................... 60

3.4. Skema Perpipaan fluida dingin.................................................... 61

3.5. Skema Instalasi Kelistrikan.......................................................... 62

3.6. Dimensi Alat Penukar Panas ...................................................... 62

3.6.1. Dimensi Selongsong......................................................... 62

3.6.2. Dimensi Sisi Tabung......................................................... 63

3.7.Teknik Pengambilan Data ........................................................... 64

3.8.Parameter yang diukur................................................................. 65

3.9.Fluida yang dipergunakan............................................................ 65

3.10. Penempatan Alat Ukur.............................................................. 66

3.11. Prosedur Pengujian.................................................................... 67

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Penelitian............................................................................. 69

4.1.1. Data Dimensi Penukar panas........................................... 69

4.1.2. Data Percobaan............................................................... 70

4.2. Analisa Data ............................................................................... 71

4.2.1. Menentukan Temperatur Rata-Rata (Tav)........................ 71

4.2.2. Propertis Fluida Pada Temperatur Rata-Rata.................. 71

4.2.3. Perhitungan Parameter-Parameter Dasar......................... 72

4.2.4. Perhitungan Tambahan.................................................... 73

4.2.6. Jumlah Baris Tabung........................................................ 75

4.2.7. Luasan Kebocoran Sisi Selongsong.................................. 75

4.2.8. Perhitungan Faktor Koreksi Perpindahan Panas Sisi

Selongsong....................................................................... 76

4.2.9. Perhitungan Faktor Korelasi Perpindahan Panas Pada

Tabung Ideal................................................................... 78

4.2.10. Koefisien Perpindahan Panas Belum Terkoreksi

Pada Sisi Selongsong.................................................. 78

4.2.11. Koefisien Perpindahan Panas Belum Terkoreksi

Pada Sisi Tabung........................................................... 79

4.2.12. Perhitungan Temperatur Dinding.................................. 79

4.2.13. Menentukan Viskositas Fluida Pada

Temperatur Dinding...................................................... 79

4.2.14. Menentukan Rasio Viskositas....................................... 79

4.2.15. Koefisien Perpindahan Panas Pada Tabung Ideal........ 80

4.2.16. Koefisien Perpindahan Panas Terkoreksi Pada

Sisi Selongsong........................................................... 80

4.2.17. Hitung Koefisien Perpindahan Panas Pada Terkoreksi

Sisi Tabung................................................................... 80

4.2.18. Perhitungan Faktor Koreksi Pressure Drop Pada

Sisi Selongsong............................................................ 80

4.2.19. Perhitungan Pressure Drop Pada Tabung Ideal........... 81

4.2.20. Perhitungan Pressure Drop Pada Sisi Selongsong........ 82

4.2.21. Perhitungan Pressure Drop Pada Sisi Tabung............. 82

4.2.22 Perhitungan Performa Penukar Panas............................ 83

4.3 Pembahasan......................................................................... 85

4.3.1. Pengaruh Temperatur Masukan Terhadap Performa

Penukar Panas................................................................. 85

4.3.2. Pengaruh Jarak Sekat Pada Performa Penukar Panas.... 89

4.3.3. Pengaruh Arah Aliran Terhadap Performa

Penukar Panas................................................................. 95

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan...................................................................................... 97

5.2 Saran................................................................................................ 98

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Dimensi berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm

4


4


4

Gambar 2.1. Hukum kekekalan energi volume atur

11

Gambar 2.2. Kesetimbangan energi pada permukaan dari medium

11

Gambar 2.3. Perpindahan panas menyeluruh pada permukaan datar

12

Gambar 2.4. Distribusi temperatur penukar panas aliran searah

15

Gambar 2.5. Distribusi temperatur penukar panas aliran berlawanan

15

Gambar 2.6. Pola aliran Searah ( paralel flow )

18

Gambar 2.7. Pola aliran berlawanan (counter flow)

19

Gambar 2.8. Pola aliran melintang (cross flow)

19

Gambar 2.9. Pola aliran gabungan (multipass flow)

19

Gambar 2.10. Penukar kalor tipe fixed tubesheet

20

Gambar 2.11. Alat penukar panas tipe U-Tube

21

Gambar 2.12. Alat penukar panas tipe Floating head pull through with backing

device

22

Gambar 2.13. Alat penukar panas tipe Floating head pull through bundle

22

Gambar 2.14. Pola susunan tabung

23

Gambar 2.15. Segmental baffle

24

Gambar 2.16. Strip baffle

24

Gambar 2.17. Disc and doughnut baffle

24

Gambar 2.18. Orifice baffle

25

Gambar 2.19. Rod Baffle

25

Gambar 2.20. Skema panjang tabung efektif untuk perpindahan panas

31

Gambar 2.21. Diagram distribusi aliran untuk aliran sisi selongsong

32

Gambar 2.22. Skema geometri dari sekat segmental

33

Gambar 2.23. Skema kebocoran selongsong dengan sekat

36

Gambar 2.24. Skema jarak sekat pada bagian masukan dan keluaran

39

Gambar 3.1. Skema perpipaan fluida panas

60

Gambar 3.2. Skema perpipaan fluida dingin

62

Gambar 3.3. Instalasi kelistrikan

62

Gambar 3.4. Dimensi dari sisi selongsong

63


63

Gambar 3.6. Dimensi berkas tabung dengan Jarak sekat 50 mm

63

Gambar 3.7. Dimensi berkas tabung dengan Jarak antar sekat 100 mm

64

Gambar 3.8. Dimensi tabung dan susunan tabung

64

Gambar 3.9. Penempatan alat ukur

66

Gambar 4.1. Hubungan Temperatur masukan dengan koefisien perpindahan

panas sisi selongsong untuk aliran searah

85

Gambar 4.2. Hubungan Temperatur masukan dengan koefisien perpindahan

panas sisi selongsong untuk aliran berlawanan

85

Gambar 4.3. Hubungan temperatur masukan oli dengan pressure drop

selongsong untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran searah

86

Gambar 4.4. Hubungan temperatur masukan oli dengan pressure drop

selongsong untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

87

Gambar 4.5. Hubungan temperatur masukan oli dengan effektifitas

penukar panas untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran searah

88

Gambar 4.6. Hubungan Temperatur masukan dengan effektifitas

penukar panas untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

88

Gambar 4.7. Hubungan jarak sekat dengan jumlah sekat pada satu selongsong

89

Gambar 4.8. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan


90

Gambar 4.9. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan panas

selongsong untuk aliran berlawanan

90

Gambar 4.10. Hubungan jarak sekat dengan pressure drop selongsong untuk

debit air 1500 lt/jam pada aliran searah

91


debit air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

92

Gambar 4.12. Hubungan jarak sekat dengan effektifitas penukar panas untuk


92


93

debit air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

Gambar 4.14. Hubungan Jarak Sekat dengan effektifitas untuk aliran

93

searah dan berlawanan untuk debit air 1500 lt/jam temperatur

masukan oli 60 oC

95

Gambar 4.15. Hubungan Jarak Sekat dengan effektifitas untuk aliran

searah dan berlawanan untuk debit air 1500 lt/jam temperatur

masukan oli 60 oC

95

Gambar 4.16. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan selongsong

untuk debit air 1500 lt/jam temperatur masuk 80 oC aliran searah

dan berlawanan

96

DAFTAR SIMBOL ·

m : Laju aliran massa per luasan (kg/m2.det) Ao : Luas permukaan perpindahan panas (m2) Bc : Prosentase pemotongan sekat (%) cp : Panas spesifik fluida sisi selongsong (J/kg.K)

Dctl : Diameter lingkaran melalui pusat tabung terluar (m) Dotl : Diameter lingkaran melalui dinding tabung terluar (m) Ds : Diameter dalam selongsong (m)

Dt : Diameter luar tabung (m)

Dti : Diameter dalam tabung (m)

Dw : Diameter hidrolik (m) f : Faktor gesekan Fc : Jumlah tabung dalam aliran melintang murni Fsbp : Rasio aliran bypass dengan aliran melintang keseluruhan Fw : Jumlah fraksi tabung dalam satu jedela hi : Koefisien perpindahan panas pada tabung ideal. (W/m2.K) hs : Koefisien perpindahan panas pada sisi selongsong (W/m2.K)

hss : Koefisien perpindahan panas selongsong belum terkoreksi (W/m2.K) hst : Koefisen perpindahan panas sisi tabung belum terkoreksi (W/m2.K) ht : Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung. (W/m2.K) Jc : Faktor koreksi jendela sekat terhadap perindahan panas Ji : Koefisien korelasi terhadap tabung ideal. Jl : Faktor koreksi kebocoran terhadap perpindahan panas. Jr : Faktor koreksi akibat gradien temperatur terhadap koefisien perpindahan panas. Js : Faktor koreksi akibat perbedaan jarak masukan dan keluaran terhadap perpindahan panas. k : Konduktivitas panas fluida sisi selongsong (W/m.K)

ktw : Konduktivitas panas material dinding (W/m.K)

Lbb : Celah antara selongsong dengan berkas tabung (m)

Lbc : Jarak antar sekat (m)

Lbi : Jarak sekat pada bagian masukan (m)

Lbo : Jarak sekat pada bagian keluaran (m)

Lsb : Celah antara selongsong dengan sekat (m)

Ltb : Celah antara sekat dengan lubang tabung (m)

Lte : Panjang tabung efektif (m)

Lti : Panjang tabung yang ditempati sekat (m)

Lto : Panjang tabung overall (m)

Ltp : Jarak antar puncak susunan tabung (m)

Ltw : Tebal dinding tabung (m)

M : Laju aliran massa fluida sisi selongsong (kg/det)

Nb : Jumlah Sekat Nc : Jumlah total baris tabung yang dilintasi pada keseluruhan penukar panas. Ntcw : Jumlah tabung yang dilintasi aliran melintang Ntp : Jumlah lintasan tabung

Ntt : Jumlah total tabung

Ntw : Jumlah tabung pada jendela sekat Pr : Bilangan Prandtl Qact : Perpindahan panas actual yang terjadi (Watt) Qmax : Perpindahan panas maksimum yang mungkin (Watt) rA : Rasio Luasan Rb : Faktor koreksi akibat aliran bypass terhadap pressure drop Re : Bilangan Reynolds Rf,i : Hambatan pengotoran fluida sisi tabung (m2 oK/W) Rf,o : Hambatan pengotoran fluida sisi selongsong (m2 oK/W) Rl : Faktor koreksi akibat kebocoran terhadap pressure drop. rlm : Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang Rs : Faktor koreksi akibat perbedaan jarak masukan dan keluaran terhadap pressure drop. rs : Rasio luasan kebocoran selongsong dengan sekat terhadap aliran melintang. Sb : Luasan aliran bypass pada satu sekat (m2) Sm : Luasan aliran melintang pada garis tengah selongsong (m2) Ssb : Luasan kebocoran selongsong terhadap sekat (m2)

Stb : Luasan kebocoran tabung terhadap sekat Sw : Luasan aliran melintang bersih pada satu jendela sekat (m2) Swg : Luasan aliran jendela sekat (m2) Swt : Luasan jendela sekat yang ditempati oleh tabung (m2) Tsav : Temperatur rata-rata fluida sisi selongsong (oK) Tsi : Temperatur fluida masuk selongsong (oK)

Tso : Temperatur fluida keluar selongsong (oK)

Ttav : Temperatur rata-rata fluida sisi tabung (oK) Tti : Temperatur fluida masuk tabung (oK)

Tto : Temperatur fluida keluar tabung (oK)

Tw : Temperatur dinding (K) Uo : Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2.K) V : Debit aliran fluida (L/det) Simbol Yunani r : Massa jenis fluida sisi selongsong (kg/m3) e : Efektifitas Fs : Rasio viskositas Selongsong Ft : Rasio viskositas Tabung ms : Viskositas fluida Selongsong (kg/m.det) mt : Viskositas fluida Tabung (kg/m.det)

qctl : Sudut bukaan terhadap lingkaran terluar (deg) qds : Sudut bukaan terhadap selongsong (deg) DPbi : Pressure drop pada tabung ideal (Pa) DPc : Presure drop akibat aliran bypass (Pa) DPe : Presure drop akibat perbedaan jarak masukan dan keluaran (Pa) DPs : Pressure drop pada sisi selongsong. (Pa) DPt : Pressure drop pada sisi tabung (Pa) DPw : Pressure drop pada jendela sekat (Pa) msw : Viskositas fluida selongsong pada temperatur dinding. (kg/m.det)

DTLMTD : Beda Temperatur Rata-rata Logaritmik (oK) qtp : Sudut karakteristik susunan tabung (deg)

mtw : Viskositas fluida tabung pada temperatur dinding (kg/m.det) DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Data masukan yang diperlukan untuk perhitungan 26

Tabel 2.2. Parameter Dasar Geometri Susunan Tabung 28

Tabel 2.3. Koefisien Korelasi Untuk Ji 42

Tabel 2.4. Tabel Koefisien Korelasi Untuk fi 44

Tabel 4.1. Data percobaan aliran searah untuk jarak sekat 36 mm 70

Tabel 4.2. Temperatur masukan, Ji danΦs untuk jarak sekat 36 mm 86

Tabel 4.3. Jarak sekat dan Luasan aliran Melintang 91

Tabel 4.4. Jarak sekat dan Laju aliran massa selongsong 92

Tabel 4.5. Koefisien perpindahan panas untuk tiga berkas tabung 94

Tabel 4.6. Harga ΔTLMTD untuk aliran searah dan berlawanan untuk

debit air 1500 lt/jam 96

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap syukur kehadirat Allah SWT, yang telah

melimpahkan Rahmat dan karunia-Nya atas penulisan Tugas Akhir ini. Tugas

Akhir ini diajukan sebagai persyaratan untuk menyelesaikan studi pada jurusan

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.Tugas Akhir

yang berjudul “Kaji Eksperimental Pengaruh Temperatur Masukan Oli Dan

Jarak Sekat Terhadap Performa Alat Penukar Panas Tipe Selongsong Dan

Tabung”. Tugas Akhir Ini membahas tentang perbandingan perpindahan panas

dari suatu shell and tube heat exchanger yang telah dibuat dan mempunyai

dimensi yang telah ditentukan dan mengacu kepada referensi perancangan yang

ada.

Dalam menyelesaikan tugas akhir ini penulis banyak sekali mendapatkan

bantuan dari berbagai pihak yang secara langsung maupun tidak langsung , untuk

itu penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada :

1. Bapak dan Ibu yang telah membesarkan saya dengan penuh kasih sayang.

2. Bapak Ir. Agustinus Sujono, MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret

3. Bapak Budi Santoso, ST,MT, selaku dosen pembimbing I yang telah

memberikan bimbingan dalam penulisan tugas akhir ini.

4. Bapak Suyitno, ST,MT, selaku dosen pembimbing II atas bimbingan dan

arahan dalam penulisan dan penyusunan tugas akhir ini.

5. Very Dyah Pratiwi, My 21082001 atas kasih sayang dan kepercayaan yang

begitu besar juga dukungan dan dorongan yang membuatku jauh dari putus

asa.

6. Mbak Rina, Mas Andri dan Dhek Naning yang senantiasa memberi

dorongan semangat untuk menyelesaikan tugas ini.

7. Pak Wido dan Bu Pur atas semua kesederhanaan yang telah menempaku

untuk lebih melihat kedepan bukan hanya menyesali.

8. Sukirno atas segala kritikan dan usahamu untuk terus berusaha yang

membuatku semakin termotivasi.

9. Yunus Evanudin yang mendorong untuk tetap mengerjakan tugas akhir ini.

10. Dwi Mulyono atas pendirian kamu yang selalu berusaha mandiri dan

membuatku sering merasa iri tetapi membantuku lebih berusaha untuk maju.

11. Rekan 98: Bambang, Qohar, Winarto, Suyono, Kasno, Ridwan, Joko p,

Joko, Ali, Kokoh, Carok, Edi, Iwan, Jabrik, Heri, Uqi, Suhari, Munhaf,

Rusli, Susilo Adji, Adji pri, Bhayu, Kenny, Farid, Agus Sri, Agus Kris,

Budi, Dhani, Leo, Bimo, Rudi, Aska, Erwin, Yuri, Subhan, Kirno, Yunus,

Very dyah, Dwi.

12. Rekan- rekan Teknik Mesin semua angkatan dan Alumnus Teknik Mesin

UNS, anak-anak Kame House, Lepisma, dan Klipux. Bravo Teknik Mesin.

13. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan semuanya, yang telah

memberikan bantuan.

Akhirnya penulis menyadari masih banyak dari penulisan ini yang

memiliki kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan adanya saran maupun

kritik yang dapat penulis gunakan untuk lebih sempurnanya penulisan yang akan

datang. Penulis berharap tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan

dunia ilmu pengetahuan pada umumnya.

Surakarta, April 2004

Penulis,

Metri Ardani

ABSTRACT

Various methods of designing had been developed to increase the performance of heat exchanger especially shell and tube heat exchanger, even some heat exchangers are designed for special purpose to achieve a good performance.The objective of this research is to analyze parameters which influenced the performance of shell and tube heat exchanger. Three tube bundles were used with variation of baffle spacing at a constant baffle cut 50 %.

The performance of heat exchanger were analyzed for 60oC, 70 oC dan 80 oC inlet temperature of hot fluid. Increasing the inlet temperature would increase the mass flow rate of the hot fluid because the viscosities of the hot fluid decerase. Beside with different inlet temperature the heat exchanger were also analyzed for parallel flow and counter flow.

After testing, for higher inlet temperaturethe shell side pressure drop and the heat exchanger effectiveness were decrease. Tube bundle with 36 mm baffle spacing parallel flow arrangement the shell side pressure drop for inlet temperature 60 oC, 70 oC and 80 oC were 341.34 pa, 260.69 pa and 216.974 pa respectively, and the heat exchanger effectiveness were 22.22 %, 19.16 % and 16.50 % respectively. The performance for tube bundle with shorter baffle spacing was better because for the same tube length, shorter baffle spacing meant the heat exchanger had more baffle and increasing the shell side Reynolds number but in the same time it increase the shell side pressure drop of the heat exchanger. For 36 mm, 50 mm and 100 mm baffle spacing the highest heat transfer effectiveness were 22.22 %, 20.50 % ,17.53 % and the shell side pressure drop were 341.34 pa, 260.69 pa and 216.97 Pa. In parallel flow and counter flow arrangement the performance of the heat exchanger were not much difference. The highest shell side pressure drop and effectiveness of the parallel flow heat exhanger obtained in 36 baffle spacing with inlet temperature 60 oC were 341.36 pa and 22.22 %. In counter flow heat exchanger also in 36 mm baffle spacing with inlet temprature 60oC the shell side pressure drop was 342.25 pa and the heat exchanger effectiveness was 22.12 %..

Keywords: Shell and tube heat exchanger, parallel flow, counter flow, baffle, pressure drop

ABSTRAK

Berbagai macam metode perencanaan telah dikembangkan untuk meningkatkan performa dari alat penukar panas khususnya tipe selongsong dan tabung. Bahkan beberapa penukar panas didesain hanya untuk tujuan tertentu yang khusus untuk memperoleh performa yang baik. tujuan dari penelitian ini adalah analisa parameter yang mempengaruhi performa dari alat penukar panas tipe selongsong dan tabung. Digunakan 3 berkas tabung dengan variasi jarak sekat untuk pemotongan sekat yang konstan 50%.

Performa dari alat penukar panas akan dianalisa untuk temperatur masukan fluida panas 60oC, 70 oC dan 80 oC. Selain dengan temperatur masukan yang bebeda alat penukar panas juga dianalisa untuk aliran fluida dingin searah dan berlawanan.

Setelah pengujian, untuk temperatur masukan yang lebih tinggi maka harga pressure drop sisi selongsong dan effektifitas penukar panas semakin turun. Untuk berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm aliran searah pada debit air 1500 lt/jam harga pressure drop sisi selongsongnya untuk temperatur masuk oli 60 oC, 70 oC dan 80 oC adalah 341,34 pa, 260,69 pa dan 216,97 pa, sedangkan harga effektifitas penukar panasnya sebesar 22,22 %, 19,16 % dan 16,50 %. Performa dari penukar panas dengan jarak sekat yang lebih pendek lebih baik karena untuk panjang berkas tabung yang sama berarti jumlah sekat yang lebih banyak yang akan meningkatkan harga bilangan Reynolds sisi selongsong tetapi juga akan meningkatkan pressure drop sisi selongsong. Untuk jarak sekat 36 mm, 50 mm dan 100 mm efektifitas penukar panas tertinggi sebesar 22,22 %, 20,50 %, 17,53 % dan pressure drop sisi selongsongnya sebesar were 341,34 pa, 260,69 pa dan 216,97 Pa Untuk aliran searah dan berlawanan performa dari penukar panas tidak berbeda jauh untuk variasi jarak sekat. Harga pressure drop sisi selongsong dan effektifitas penukar panas tertinggi untuk aliran searah adalah pada berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm temperatur masukan oC yaitu sebesar 341,34 pa dan 22,22 %, sedangkan untuk aliran berlawanan juga terjadi pada berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm harga presure drop sisi selongsongnya sebesar 342,25 pa dan effetifitas penukar panasnya 22,12 %.

Kata kunci : Penukar panas tipe selongsong dan tabung, aliran searah, aliran berlawanan, sekat, koefisien perpindahan panas, Pressure drop

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Didalam proses produksi masalah perpindahan panas adalah hal yang

sangat banyak terjadi. Sebagaimana diketahui bahwa perpindahan panas dapat

terjadi melalui 3 cara, dimana mekanisme perpindahan panas itu sendiri berlainan

adanya. Adapun perpindahan panas dapat dilaksanakan dengan :

1. Secara molekuler, yang disebut dengan konduksi (conduction)

2. Secara aliran yang disebut dengan perpindahan panas konveksi (convection)

3. Secara gelombang elektromagnetik yang disebut dengan radiasi (radiation)

Alat penukar panas (heat exchanger) merupakan suatu alat penunjang

produksi yang berfungsi untuk melakukan proses perpindahan panas pada suatu

aliran fluida ke aliran fluida yang lain, dengan tujuan sesuai dengan kebutuhan

dan penempatan peralatan tersebut.

Salah satu jenis alat penukar panas tersebut adalah jenis shell and tube,

dimana suatu fluida mengalir di dalam suatu tabung dan fluida yang satu lagi

dialirkan melalui selongsong yang melintasi bagian luar tabung. Hal ini akan

mengakibatkan terjadinya perpindahan panas dari aliran fluida yang memiliki

temperatur lebih tinggi menuju fluida lain yang memiliki temperatur lebih rendah.

Untuk menjamin bahwa fluida sebelah selongsong melintasi tabung dan

menyebabkan perpindahan panas maka didalam selongsong dipasang sekat-sekat

(baffle) dimana sekat ini berfungsi untuk mengarahkan aliran untuk menambah

olakan yang terjadi pada aliran yang diharapkan akan menambah terjadinya

perpindahan panas.

Untuk itu pada kesempatan ini akan dibahas alat penukar panas dengan

melewatkan fluida dingin di dalam berkas tabung sedangkan fluida panas berada

di luar berkas tabung . Dengan sistem ini diharapkan fluida panas akan mengalami

penurunan suhu karena terjadi perpindahan panas menuju fluida dingin, demikian

juga sebaliknya fluida dingin akan mengalami peningkatan temperatur setara

dengan panas yang diserap dari fluida panas. Dalam penelitian ini digunakan

variasi jarak sekat (baffle) pada alat penukar panas jenis selongsong dan tabung.

1.2. Permasalahan

Untuk mengetahui performa sebenarnya dari suatu alat penukar panas,

perlu dilakukan suatu percobaan guna mendapatkan data–data yang sesuai dengan

keadaan permasalahan operasionalnya.

1. Berkas tabung yang dibuat menggunakan pemotongan sekat 50% dan variasi

jarak sekat dengan dimensi dari selongsong maupun tabung adalah sama

dengan demikian seharusnya koefisien perpindahan panas dan pressure drop

dari tiap alat penukar panas akan berbeda. Untuk jarak sekat yang semakin

kecil atau jumlah sekatnya semakin banyak maka koefisien perpindahan

panasnya akan semakin besar tetapi di sisi lain pressure drop akan meningkat.

2. Adanya kebocoran pada sisi selongsong (shell) akan mengakibatkan adanya

faktor faktor koreksi yang akan mempengaruhi perpindahan panas dan

pressure drop yang terjadi. Karena kebocoran tersebut akan mengurangi

jumlah aliran melintang di dalam selongsong yang tentu saja mengurangi

kontak perpindahan panas antara fluida yang mengalir pada sisi selongsong

dengan sisi tabung (tube)

3. Disamping persyaratan perpindahan panas yang harus dipenuhi dalam alat

penukar panas juga harus diperhatikan adanya penurunan tekanan akibat

kerugian gesek yang terjadi pada permukaan tabung yang mengakibatkan

bertambahnya biaya pemompaan fluida. Adanya kebocoran antara tabung

dengan sekat dan selongsong dengan sekat juga menjadi perhatian dari

penulisan ini.

4. Dengan pemotongan sekat 50% maka jumlah aliran melintang pada aliran

fluida dalam selongsong akan lebih sedikit dibanding untuk pemotongan yang

lebih kecil yang tentunya akan mengurangi perpindahan panas.

5. Fluida panas (oli) mengalir secara gravitasi jadi dengan bukaan katup keluaran

yang tetap maka kemungkinan perubahan debit oli keluar dapat terjadi akibat

perbedaan temperatur keluaran dari oli.

1.3. Batasan Masalah

Dalam tugas akhir dengan judul “Kaji Eksperimental Pengaruh

Temperatur Masukan Oli Dan Jarak Sekat Terhadap Performa Alat Penukar

Panas Tipe Selongsong Dan Tabung” ini pembahasan masalah yang akan

dibawakan adalah performa dari alat penukar kalor dengan tipe selongsong dan

tabung satu lintasan yang meliputi koefisien perpindahan panas, pressure drop

dan effektifitas penukar panas. Perhitungan performa alat penukar panas

menggunakan metode Bell – Delaware dan J.Taborek. Dimana pressure drop dan

koefisien perpindahan panas dihitung dengan menggunakan metode shell-side

approach yang memperhatikan adanya kebocoran aliran dalam alat penukar

panas.

Berikut ini adalah batasan yang penulis tetapkan dalam melakukan

perhitungan dan pembahasan tugas akhir ini :

1. Sistem ditinjau dalam keadaan steady state

2. Alat penukar panas diisolasi dari lingkungan, dimana hanya terdapat

perpindahan panas antara fluida panas dan dingin.

3. Konduksi pada arah aksial dari tabung diabaikan.

4. Perubahan energi potensial dan energi kinetik diabaikan.

5. Tidak ada perubahan fase dalam fluida.

6. Aliran fluida sisi selongsong (Oli) secara gravitasi.

Dimensi dari alat penukar panas adalah tetap untuk selongsong dengan

tiga buah berkas tabung yang memiliki dimensi yang sama tetapi memiliki jarak

sekat yang berbeda yaitu Jarak sekat 36 mm (Gambar 1.1), jarak sekat 50 mm

(Gambar 1.2) dan jarak sekat 100 mm (Gambar 1.3) dengan pemotongan sekat

50%.

a. Jarak sekat 34 mm


b. Jarak sekat 50 mm

Gambar 1.2 Dimensi berkas tabung dengan jarak sekat 50 mm

c. Jumlah sekat 5 buah


1.4. Tujuan Penulisan

Tujuan dari kaji eksperimental ini adalah sebagai berikut:

1. Dapat diketahui beberapa faktor yang dapat mempengaruhi performa penukar

panas terutama tipe selongsong dan tabung.

2. Dapat diketahui perbedaan koefisien perpindahan panas dari alat penukar

panas selongsong dan tabung.dengan variasi jarak sekat pada pemotongan

sekat 50 %.

3. Dapat diketahui perbedaan pressure drop selongsong dan efektifitas alat

penukar panas tipe selongsong dan tabung dengan variasi temperatur masukan

fluida panas


penukar panas tipe selongsong dan tabung dengan variasi jarak sekat.


penukar panas tipe selongsong dan tabung untuk aliran searah dan berlawanan.

1.5. Manfaat Penulisan

Manfaat dari kajian eksperimental alat penukar panas tersebut di atas

adalah dapat memahami pentingnya perpindahan panas dalam pemanfaatan

perpindahan energi khususnya dalam alat penukar panas seperti yang akan

dilakukan yaitu sebagai pendingin oli. Dari penulisan ini juga dapat dioptimalkan

penggunaan alat penukar panas yang sesuai dengan kondisi pemakaian karena

dapat diketahui kemampuan kerja dari alat penukar panas. Sebenarnya aplikasi

alat penukar panas sangat banyak ditemui tetapi tidak banyak dikenal sebagai heat

exchanger namun dalam berbagai aplikasinya misalnya kettle reboiler, radiator,

reheater, superheater, condenser dan masih banyak lagi.

1.6. Sistematika Penulisan

Tahapan-tahapan penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

Bab I Berisi latar belakang masalah, permasalahan, batasan masalah, tujuan

penulisan, manfaat penulisan dan sistematika penulisan.

Bab II Berisi dasar teori yang meliputi dasar perpindahan panas, tinjauan

pustaka, tinjauan umum alat penukar panas tipe selongsong dan tabung

mengenai pola aliran, jenis konstruksi, susunan tabung, jenis sekat. Bab

ini juga menjabarkan langkah-langkah perhitungan alat penukar panas

berikut diagram alir dari perhitungan tersebut.

Bab III Berisi metodologi penelitian yang berisi skema alat meliputi sistem

perpipaan dan kelistrikan, alat yang dipergunakan, prosedur penelitian

dan cara pengambilan data.

Bab IV Berisi data dan analisa yang menganalisa perpindahan panas dan

perhitungan alat penukar panas dari data yang diperoleh dari percobaan

Bab V Merupakan penutup yang berisi kesimpulan dan saran

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Untuk membandingkan performa dari alat penukar panas maka

dilakukan pengujian alat penukar panas dengan variasi jarak sekat pada kondisi

yang dapat dibandingkan artinya ada satu parameter yang dibuat tetap sama yaitu

debit aliran yang nantinya ada hubungannya dengan harga bilangan Reynolds

aliran. Dengan melakukan perbandingan ini diharapkan didapatkan beberapa

parameter yang mempengaruhi performa dari alat penukar kalor yang termasuk

koefisien perpindahan panas dan pressure drop dari alat penukar panas.

3.1. Diagram alir Pembuatan alat dan Penelitian

Rancangan Alat Penelitian Meliputi Rangka, sistem perpipaan, kelistrikan dan alat penukar panas selongsong dan tabung

START

Survey Literatur dan lapangan: 1.Laboratorium Thermodinamika

ITS. dan UMS. 2.Perpustakaan T.Mesin ITS, UMS,

dan PAU-UGM

Disepakati

Literatur

Penentuan jenis penukar panas yang akan dilakukan penelitian

Tidak

Ya

A

A

Pembuatan Alat Uji : 1. Pembuatan Rangka pengujian. 2. Pembuatan selongsong. 3. Pembuatan berkas tabung. 4. Pemasangan pompa oli ( Gear Pump) dan

pompa air (sentrifugal pump) 5. Pemasangan tangki fluida panas dan fluida

dingin. 6. Assembling sistem perpipaan fluida panas

(Pipa besi) dan fluda dingin ( Pipa PVC). 7. Finishing.

Penentuan alat ukur dan penempatannya dalam rangka pengujian

Pengujian fluida yang digunakan: 1.Untuk air digunakan properties

dari text book. 2.Untuk Oli digunakan propertis

untuk standard pelumas

Uji coba peralatan

Kalibrasi alat ukur

Baik

Penyempurnaan dan perbaikan

A

Ya

Tidak

B

3.2. Peralatan Penunjang dan Alat Ukur

1. Pompa fluida dingin dan fluida panas

a. Pompa fluida dingin

· Merk : DAB

· Tipe : Centrifugal pump

· Debit maksimum : 32 lt/menit

· Suction : 9 meter

· Discharge : 15 meter

· Winding class : B

STOP

Pembahasan

Kesimpulan dan Saran

Setting peralatan untuk percobaan

Lakukan Prosedur pengujian untuk : 1. Berkas tabung dengan Jumlah sekat 5 buah 2. Berkas tabung dengan Jumlah sekat 9 buah 3. Berkas tabung dengan Jumlah sekat 13 buah

Analisa data percobaan

A

· Putaran motor : 2850 rpm

b. Pompa fluida panas

· Tipe pompa : Gear pump

· Input : 1400 rpm, 0,25 hp

· Tipe motor : JY09A

· Putaran motor : 1400 rpm

· Buatan : China

2. Sistem pemanas dan kelistrikan

a. Thermocontroller:

· Model : IL-80EN

· Tegangan : 220 Volt

· Range : 0-200

· Thermocouple : CA(K)

b. Heater

· Daya : 1000 watt

· Tegangan : 220 volt AC

· Jumlah : 3 buah

c. MCB

· Jumlah : 2 buah

1. MCB 20 Amper untuk Heater

2. MCB 6 Amper untuk Pompa dan Thermocontrol

3. Alat Ukur

a. Manometer : 2 buah

· Manometer air untuk pressure drop sisi selongsong

· Manometer air raksa untuk pressure drop sisi tabung

b. Data Akuisisi :

· Card : PCLD-789D

· Software : Advantech Co.Ltd (Turbo Pascal)

· Sensor : Thermocouple

· Tipe : K

· Channel : 16 buah

3.3. Skema Perpipaan Fluida Panas.

Sistem perpipaan dari fluida panas dibuat dari pipa besi ¾’ dan

sambungan dibuat dengan sambungan ulir dengan tujuan dapat dibongkar pasang

dengan cepat seperti yang terlihat pada gambar 3.1. Bak Penampungan oli yang

berisi pemanas (heater) ditempatkan diatas untuk mengalirkan fluida panas secara

gravitasi, bak penampung oli ini diisolasi dengan gipsum agar panas oli tidak

banyak terbuang keluar. Katup K11 difungsikan untuk mengatur debit aliran turun

oli. Katup K9 merupakan katup aliran bypass oli. Katup K10 merupakan katup

pengatur aliran oli dari penampung oli menuju bak pemanas oli.

Gambar 3.1 Skema perpipaan fluida panas

3.4. Skema Perpipaan fluida dingin.

Dalam perencanaan peralatan uji coba penukar panas ini sistem

perpipaan fluida dingin dibuat agar dapat digunakan untuk melakukan pengujian

baik secara aliran searah (parallel flow) maupun berlawanan (counter flow). Pipa

yang digunakan adalah pipa PVC dengan alasan fluida yang digunakan adalah air

sehingga pipa tidak akan mengalami perkaratan sebagaimana terlihat pada gambar

3.2

Gambar 3.2 Skema perpipaan fluida dingin

Katup K1 adalah katup untuk mengatur debit aliran fluida dingin

Katup K2 adalah katup bypass aliran fluida dingin

Katup K3 adalah katup untuk mengatur arah aliran searah atau berlawanan

Katup K4 adalah katup untuk mengatur arah aliran searah atau berlawanan

Katup K5 adalah katup fluida keluar aliran searah

Katup K6 adalah katup fluida keluar aliran berlawanan

3.5. Skema Instalasi Kelistrikan

Sistem instalasi kelistrikan dirancang supaya alat pengujian ini mudah

dioperasikan dan aman seperti terlihat pada gambar 3.3. Sistem dilengkapi

dengan 2 buah MCB masing-masing untuk heater ( 20 Amper) dan pompa air

dan oli ( 6 Amper) untuk melindungi sistem apabila terjadi hubungan pendek.

Instalasi kelistrikannya juga diatur supaya mudah dalam pengoperasian pengujian.

Gambar 3.3 Instalasi kelistrikan

3.6. Dimensi Alat Penukar Panas

3.6.1. Dimensi Selongsong

Selongsong terbuat dari pipa baja dengan dimensi seperti gambar 3.4.

Bagian inlet dan outlet dapat dibuka untuk mempermudah pemasangan berkas

tabung. Karena dalam pengujian dilakukan penggantian berkas tabung sebanyak

tiga macam. Sambungan dibuat dengan sambungan mur/baut dengan

menggunakakan seal dari karet untuk menghindari kebocoran fluida keluar dari

alat penukar panas

Gambar 3.4 Dimensi dari sisi selongsong

3.6.2. Dimensi Sisi Tabung

a. Jarak antar sekat 36 mm

Gambar 3.5 Dimensi berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm

b. Jarak antar sekat 50 mm

Gambar 3.6 Dimensi berkas tabung dengan Jarak sekat 50 mm

c. Jarak antar sekat 100 mm

Gambar 3.7 Dimensi berkas tabung dengan Jarak antar sekat 100 mm

d. Dimensi susunan tabung

Gambar 3.8. Dimensi tabung dan susunan tabung

3.7. Teknik Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan di dalam ruangan Laboratorium Konversi

Energi Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Pengujian dilakukan untuk aliran searah dan berlawanan dengan 3 macam variasi

untuk temperatur masuk 60oC, 70oC dan 80 oC dengan debit aliran fluida dingin

dalam penelitian ini digunakan air. Pengambilan data dilakukan secara berturut-

turut untuk tiap set temperatur dan untuk ketiga berkas tabung. Temperatur fluida

dingin masuk ke alat penukar panas merupakan temperatur air pada ruangan

pengujian

3.8. Parameter yang diukur

Parameter-parameter yang diukur dalam pengujian adalah sebagai

berikut :

1. Debit aliran fluida panas (lt/jam) ( Mt )

2. Debit aliran fluida dingin (lt/jam) ( Ms )

3. Beda tekanan masuk dan keluar fluida dingin (mm) (DPs )

4. Beda tekanan masuk dan keluar fluida panas (mm) (DPt )

5. Temperatur fluida panas masuk (oC) (Tsi)

6. Temperatur fluida panas keluar (oC) (Tso)

7. Temperatur fluida dingin masuk (oC) (Tti)

8. Temperatur fluida dingin keluar (oC) (Tto)

Parameter yang diukur ini kemudian menjadi data masukan dari

perhitungan selain dari properties fluida dingin dan panas

3.9. Fluida Yang Dipergunakan

Pada pengujian ini alat penukar panas menggunakan fluida sebagai

fluida panas dan fluida dinginnya. Fluida yang digunakan adalah sebagai berikut :

a. Fluida dingin

Jenis : Air ( H2O)

b. Fluida panas (Pertamina, 2002)

Jenis : Oli

Tipe : MESRAN SAE 20W-50

Spesific Gravity, 15/4oC : 0,8873

Viskositas kinematik pada 40oC : 172,57 cSt

Viscosity index : 122

Colour, ASTM : 3,0

Flash point : 225oC

Pour point : -27oC

Total Base number, mg/KOH/g : 5,75

3.10. Penempatan Alat Ukur

Dalam pengujian ini dilakukan pengukuran terhadap parameter-

parameter yang digunakan untuk menganalisa peforma alat penukar panas. Untuk

itu alat-alat ukur diletakkan sedemikian rupa sehingga lebih mudah dalam

penempatan dan pembacaannya sebagaimana terlihat pada gambar 3.9

Gambar 3.9. Penempatan alat ukur

Alat pengukur beda tekanan fluida panas dan dingin digunakan

manometer yang ditempatkan pada bagian masuk dan keluar dari alat penukar

panas, Untuk mengukur temperatur fluida digunakan thermocouple yang

ditempatkan seperti pada gambar diatas. Thermocouple yang dipergunakan tipe K.

3.11. Prosedur Pengujian

Untuk mempermudah dalam pengambilan data dan agar diperoleh data

yang akurat maka diperlukan prosedur baku dalam pengambilan data ini. Adapun

beberapa tahapan itu adalah:

1. Tahap persiapan.

a. Berkas tabung dipasang pada selongsong alat penukar panas dengan

melepaskan kedua bagian ujung selongsong.

b. Thermocouple untuk mengukur temperatur pada sisi masuk dan keluar

dipasang pada alat penukar panas baik untuk fluida panas dan dingin

c. Saluran manometer untuk fluida panas dan dingin dipasang pada pressure

tap.

2. Tahap set up peralatan

a. Saklar utama dari instalasi dinyalakan

b. Katup saluran fluida dingin diatur dengan katup K3 atau K4 untuk

menentukan arah alirannya tipe searah atau berlawanan.

· Aliran searah

Katup K1 dibuka untuk mengatur debit, katup K4 Dibuka dan katup K3

ditutup untuk mengatur arah aliran menjadi aliran searah. Katup K5

dibuka dan katup K6 ditutup untuk mengalirkan fluida yang keluar dari

alat penukar panas

· Aliran berlawanan

Katup K1 dibuka untuk mengatur debit, katup K3 Dibuka dan katup K4

ditutup untuk mengatur arah aliran menjadi aliran berlawanan. Katup K6

dibuka dan katup K5 ditutup untuk mengalirkan fluida yang keluar dari

alat penukar panas

c. Panaskan oli dengan menghidupkan saklar heater.

d. Thermocontroller diatur pada temperatur yang dikehendaki

3. Tahap pengambilan data.

a. Atur debit aliran air sesuai pengambilan data setelah itu matikan pompa

air.

b. Katup fluida panas tetap bukaannya untuk semua pengambilan data

c. Nyalakan pompa oli untuk menaikkan oli ke bak atas penampungan oli

yang otomatis mengalirkan oli ke alat penukar panas.

d. Setelah temperatur sesuai dengan set yang akan diambil datanya maka

nyalakan pompa air untuk mengalirkan air pendingin.

e. Data siap diambil dengan interval waktu 5 menit setelah oli dialirkan

dengan menggunakan program data akuisisi untuk data temperatur dan

pressure drop dicatat secara manual.

f. Bila sudah selesai setting thermocontroller dan pompa air dimatikan.

g. Percobaan dilakukan untuk set temperatur 60 oC, 70 oC dan 80 oC

h. Percobaan yang sama dilakukan untuk tiga berkas tabung dengan jarak

sekat yang berbeda.

BAB IV

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Dengan menggunakan data yang didapat dari percobaan dan data-data

alat penukar panas, akan dilakukan perhitungan performa penukar panas yang

meliputi koefisien perpindahan panas dan pressure drop dengan memperhatikan

adanya kebocoran pada sisi selongsong untuk tiga macam berkas tabung yang

memiliki variasi jarak sekat.

4.1. Data Penelitian

4.1.1. Data Dimensi Alat Penukar Panas

a. Selongsong

Panjang (Ls) : 520 mm

Diameter dalam (Do) : 62 mm

Diameter luar (Di) : 70 mm

Diameter flange (Df) : 100 mm

b.Berkas Tabung

· Dimensi –Dimensi Yang Sama Dari 3 Berkas Tabung:

Diameter luar tabung (Dt) : 4.7 mm

Diameter dalam tabung (Dti) : 3.6 mm

Pola Susunan Tabung : Rectangle(90o)

Prosentase pemotongan sekat (Bc) : 50 %

Jumlah tabung (Ntt) : 25 buah

Jumlah lintasan tabung (Ntp) : 1 lintasan

Jarak antar pusat tabung (Ltp) : 10 mm

Panjang tabung keseluruhan (Lto) : 520 mm

Ketebalan tube sheet (Lts) : 2 mm

Celah antara diameter luar tabung dengan lubang (Ltb) : 0.1 mm

Celah antara selongsong dengan sekat (Lsb ) : 0.2 mm

· Dimensi Berkas Tabung Jarak Sekat 36 mm

Jumlah sekat (Nb) : 13 buah

Jarak sekat pada bagian masukan (Lbi) : 36 mm

Jarak sekat pada bagian keluaran (Lbo) : 36 mm




Jarak sekat pada bagian keluaran (Lbo) : 51 mm




Jarak sekat pada bagian (Lbo) : 50 mm

4.1.2. Data Percobaan

Data yang diperoleh merupakan hasil pengambilan data yang telah

dilakukan di laboratorium yang meliputi Tsi (oC), Tso (

oC), Tti (oC), Tto (

oC). Untuk

lebih lengkapnya dapat dilihat pada bagian lampiran data.

Berikut ini adalah data yang diperoleh untuk jarak sekat 36 mm aliran Parallel

Temperatur ruangan : 28 oC

Temperatur masukan : 60 oC

Tabel 4.1 Data percobaan aliran searah untuk jarak sekat 36 mm

Debit air

(lt/jam)

Debit oli

(lt/jam)

Tsin

(oC)

Tsout

(oC)

Ttin

(oC)

Ttout

(oC)

1500 0,035 60,22 52,30 28,82 29,12

1300 0,036 60,68 52,71 28,88 29,27

1100 0,036 60,54 53,53 28,84 29,38

900 0,036 60,12 54,07 28,86 29,41

700 0,037 60,58 55,31 28,83 29,39

500 0,037 60,53 56,91 28,85 29,40

4.2. Analisa Data

Dari tabel lampiran A1 diatas akan dilakukan contoh perhitungan untuk

baris pertama yaitu untuk set temperatur masukan 60o C debit aliran fluida dingin

1500 lt/jam.

4.2.1. Menentukan Temperatur Rata-Rata (Tav)

a.Sisi selongsong

( )

( )

K26,329

K3,325K22,3332

1

TT2

1T

o

sosiav,s

=

+=

+=

b.Sisi tabung

( )

K97,301

)K12,302K82,301(2

1

TT2

1T

o

totiav,t

=

+=

+=

4.2.2. Propertis Fluida Pada Temperatur Rata-Rata

a. Sisi selongsong

Pada temperatur 329,26 oK propertis oli

cps = 2032 J/kg.K

ms = 0.088 kg/m.det

rs = 866,24 kg/m3

ks = 0,141 W/m.K

Rf,o = 0,0008 m2.K/W

b. Sisi tabung (Air)

Pada temperatur 301,97 oK propertis air

cpt = 4178 J/kg.K

mt = 8,172.10-4 kg/m.det

rt = 995,99 kg/m3

kt = 0,608 W/m.K

Rf,i = 0,001 m2.K/W

4.2.3. Perhitungan Parameter-Parameter Dasar

a.Luasan aliran melintang pada garis tengah selongsong (Sm)

( )

23

ttpeff,tp

ctlbbbcm

m10207,1

)0047,001,0(01.0

051,07,636

DLL

DLLS

-´=

úûù

êëé -´+´=

úúû

ù

êêë

é-+=

b.Laju aliran massa melintang maksimum dari selongsong (ms)

s.m/kg126,25

m10207,1

s/kg030,0

S

Mm

2

23

m

s

s

=

´=

=

-

··

c. Laju aliran massa sisi tabung (mt)

( )

.skg/m 1632

25m0047,014,3s/kg415,04

NDM4

m

2

tti

t

t

=

´´´

=

´p=

··

d. Harga bilangan Reynolds Sisi selongsong (Res)

344,1

det.m/kgkg088,0s.m/kg126,25m0047,0

mDRe

2

s

sts

=

´=

m´

=

·

e. Harga bilangan Reynolds Sisi tabung (Ret)

7190

det.m/.kg10172,8

s.m/kg1632m0067,0

.mDRe

4

2

t

ttit

=´´

=

m´

=

-

·

f. Harga Bilangan Prandtl sisi Selongsong (Prs)

1265

K.m/W141,0

det.m/kg088,0K.kg/J2032

k

CpPr

s

sss

=

´=

m´=

g. Harga Bilangan Prandtl sisi Tabung (Prt)

616,5

K.m/W608,0

det.m/kg10.172,8K.kg/J4178

k

CpPr

4

t

ttt

=

´=

m´=

-

h. Harga ΔTLMTD

K08,27

12,3023,32582,30122,333

ln

)12,3023,325()82,30122,333(

TTTT

ln

)TT()TT(

toso

tisi

tosotisiLMTD

=

÷ø

öçè

æ--

---=

÷÷ø

öççè

æ--

---=DT

i. Luas Permukan perpindahan Panas (Ao)

2

tttato

m185,0

25m50,0m0047,014,3

NLDA

=

´´´=´´´p=

4.2.4. Perhitungan Tambahan

a. Jendela sekat segmental

· Sudut bukaan terhadap selongsong

m051,0

m0047,0m055,0

DDD totlctl

=-=

-=

deg180

10050

21cos.2

100

B21cos2

1

c1ds

=

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-=

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-=q

-

-

· Sudut bukaan terhadap lingkaran terluar tabung

deg180

10050

21051,0062,0

cos.2

100

B21

D

Dcos2

1

c

ctl

s1ctl

=þýü

îíì

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-=

þýü

îíì

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-=q

-

-

b. Luasan aliran jendela sekat

· Luasan aliran jendela sekat kotor

( )

( )

23

o2

dsds2swg

m1051,1

14,32)180sin(

360180

m062,0414,3

2

sin

360D

4S

-´=

÷÷ø

öççè

æ´

-´´=

÷øö

çèæ

pq

-q

´´p

=

· Jumlah fraksi tabung dalam jendela sekat

( )

5,0

14,32180sin

360180

2

sin

360F ctlctl

w

=´

-=

pq

-q

=

· Jumlah fraksi tabung dalam aliran melintang murni

0

5,021

)F(21F wc

=´-=

-=

· Jendela sekat yang ditempati oleh tabung

( )24

2

2ttw

2twttwt

m10169,2

0047,0414,3

5,025

D4

ND4

FNS

-´=

÷øö

çèæ ´´´=

÷øö

çèæ p=÷

øö

çèæ p´´=

· Luasan aliran melintang bersih pada satu jendela sekat

23

2423

wtwgw

m10293,1

m10169,2m1051,1

SSS

-

--

´=

´-´=

-=

4.2.5. Perhitungan Diameter Hidrolik Jendela Segmental

5,12

5,025

FNN wtttw

=´=´=

m018,0360180

m062,014,35,12m0047,014,3

m10.293,14

360DND

S4D

23

dsstwt

ww

=

´´´´´

´=

qp+p=

-

4.2.6.Jumlah Baris Tabung

· Jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang

0

10050

2101,0

m062,0

100

B21

L

DN c

pp

stcc

=

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-=

úû

ùêë

é÷øö

çèæ-´=

· Jumlah tabung yang dilintasi aliran melintang.

0,2

2m062,0

10050

m062,001,08,0

2DD

100B

DL

8.0N ctlsc

spp

tcw

=

úû

ùêë

é-÷

øö

çèæ´=

úû

ùêë

é --÷øö

çèæ´=

4.2.7.Luasan Kebocoran Sisi Selongsong

· Luasan aliran bypass pada satu sekat

Untuk perhitungan standart digunakan Lpl = 0

( )[ ]( )[ ]

24

plotlsbcb

m10412,2

m055,0m062,0m036,0

LDDLS

-´=

-´=

+-=

· Luasan kebocoran selongsong terhadap sekat

Rasio aliran bypass terhadap aliran melintang keseluruhan

2,0

m1014,1m10278,2

S

SF

23

24

m

bsbp

=´´

=

=

-

-

26

4

dssbs

dssbssb

m10739,9

)180360(m10.2m0062,000436,0

)360(LD00436,0

360

360

2

LDS

-

-

´=

-´´´=

q-´´´=

÷øö

çèæ q-

´÷øö

çèæ´p=

· Luasan kebocoran tabung terhadap sekat

( )[ ]

( ) ( )( )25

224

wtt22

tbttb

m10885,1

)5,01(250047,010.2m0047,04

14,3

)F1)(N(DtLD4

S

-

-

´=

-´´þýü

îíì -+=

-þýü

îíì -+p

=

4.2.8. Perhitungan Faktor Koreksi Perpindahan Panas Sisi Selongsong

· Faktor koreksi jendela sekat

55,0

072,055,0

F72,055,0J cc

=´+=

+=

· Faktor koreksi akibat kebocoran sekat

Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang

016,0

m1,207.10m10.327,9m10.739,9

SSS

r

23-

2626

m

tbsblm

=

+=

+=

--

Rasio luasan kebocoran selongsong dengan sekat terhadap luasan aliran

melintang

511,0

m10.327,9m10.739,9m10.739,9

SS

Sr

2626

26

tbsb

sbs

=+

=

+=

--

-

( ) ( )[ ][ ]

973,0

016,02,2exp(511,01(44,01)511,01(44,0

)2,2exp(144,01144,0

=´---+-=

´---+-= lmssl rrrJ

· Faktor koreksi akibat aliran bypass

Karena Res = 2,63

maka . Cbh = 1,25

( )[ ]( )[ ]

763,0

0212,05,12exp

r21FCexpJ

3

3sssbpbhb

=´-´-=

´-´-=

· Faktor koreksi akibat adanya gradien temperatur

Jumlah total baris tabung yang dilintasi pada keseluruhan penukar panas

( )( )

336,28

)113)(024,20(

1NNNN btcwtccc

=++=++=

Karena harga Res = 1,344

( )[ ]1J80

Re20)J(J rr

srrr -÷

øö

çèæ -

+=

· Faktor koreksi akibat jarak masukan dan keluaran yang berbeda

94,0LL

LL

*Lbo

bi

bc

bo ===

917,0LL

*Lbc

bii ==

972,0LL

*Lbc

boo ==

( )

005,1

)974,0()917,0()125()974,0()917,0()125(

*)L(*)L()1N(*)L(*)L(1N

J

)6,01()6,01(

oib

)n1(o

)n1(ib

s

=++-++-

=

++-++-

=

--

--

Dengan jarak sekat bagian masuk dan keluaran mendekati sama dengan

toleransi 4 % maka Js=1 (Taborek. J, 1994)

4.2.9. Perhitungan Faktor Korelasi Perpindahan Panas Pada Tabung Ideal.

Dari tabel 2.2 diperoleh harga

a1 = 0,97

a2 = - 0,667

a3 = 0

a4 = 0

0

)344,1(14,010

)(Re14,010

a

0

as

4

=´+

=

+=

( ) ( )

796,0

)344,1(m0047,0m01,0

33,19,0

ReDL

33,1aj

631,0

0

2as

0

ttp1i

=

´÷÷ø

öççè

æ´

´=

÷÷ø

öççè

æ´=

-

4.2.10.Koefisien Perpindahan Panas Belum Terkoreksi Pada Sisi Selongsong

Harga Koefisien perpindahan panas belum terkoreksi adalah harga

koefisien perpindahan panas karena belum adanya pengaruh perubahan sifat-sifat

fisik dari fluida terhadap temperatur.

( )K.m/W635,347

1265126,252032796,0

(Pr)m)C(jh

2

3

2

3/2ssspist

=

´´´=

=

-

-·

4.2.11. Koefisien Perpindahan Panas Belum Terkoreksi Pada Sisi Tabung.

Seperti halnya fluida dalam selongsong untuk fluida dalam tabung juga

terdapat koreksi karena perubahan sifat-sifat fisik fluida terhadap

temperatur.

( )

K.m/W9229

5,00036,0

1e616,512571900036,0608,0

1,0

LD

1ePr)125(ReDk

1,0h

2

32

)616,5(0225,0495,032

32

ta

tiPrln0225,0495,0t

32t

ti

ttt

2

2t

=

÷ø

öçè

æ+´´´÷

øöç

èæ -´÷

ø

öçè

æ´=

÷÷ø

öççè

æ+´´´-´÷÷

ø

öççè

æ´=

´-

´-

4.2.12. Perhitungan Temperatur Dinding.

Temperatur dinding adalah temperatur dinding tabung pada saat

perpindahan panas berlangsung.

( ) ( )

K961,302K.m.W635,347

K.m.W92291

K19,302K26,329K97,301

hh1

TTTtT

12

12

rs

sr

t

t

av,tav,sav,w

=

+

-+=

÷÷ø

öççè

æúû

ùêë

éFú

û

ùêë

éF

+

-+=

-

-

4.2.13. Menentukan Viskositas Fluida Pada Temperatur Dinding.

a.Sisi selongsong

Pada temperatur 302,961 oK viskositas oli

msw = 0,4 17kg/m.det

b.Sisi tabung (Air)

Pada temperatur 302,961 oK viskositas air

mtw = 7,987.10-4 kg/m.det

4.2.14. Menentukan Rasio Viskositas.

a. Sisi Selongsong

211,0det.m/kg417,0det.m/kg088,0

tw

ss ==

mm

=F

b. Sisi Tabung

023,1det.m/kg10.987,7det.m/kg10.172,8

4

4

tw

tt ==

mm

=F -

-

4.2.15. Koefisien Perpindahan Panas Pada Tabung Ideal

( ) ( )K.m/W527,297

211,0.858,744.126,25.2068.796,0

).((Pr)m)C(jh

2

14,032

rs

3/2ssspii

=

=

F=-

-·

4.2.16. Koefisien Perpindahan Panas Terkoreksi Pada Sisi Selongsong

12

12

srblcis

K.m.W704,94

1855,0763,0972,055,0K.m.W527,297

JJJJJhh

--

--

=

´´´´´=

´´´´´=

4.2.17. Hitung Koefisien Perpindahan Panas Pada Terkoreksi Sisi Tabung.

Untuk harga Reynolds antara 2300 sampai 10.000 digunakan

( )

( ) ( )

K.m/W9258

032,15.0

0036.01ePr125Re\

0036.0

608,01,0

LD

1ePr)125(ReDk

1,0h

2

14.0Prln0225,0t

32

t

at

32

ta

tiPrln0225,0495,0t

32t

ti

tt

2t

2t

=

´÷øö

çèæ +´´´-´÷

øö

çèæ´=

F´÷÷ø

öççè

æ+´´´-´÷÷

ø

öççè

æ´=

´-

´-

4.2.18. Perhitungan Faktor Koreksi Pressure Drop Pada Sisi Selongsong.

a. Faktor Koreksi Akibat Adanya Kebocoran

016,010207,1

10327,910739,9

SSS

r

3

66

m

tbsblm

=´

´+´=

+=

-

--

( )[ ]( )[ ]

573,0

8,0511,0115,0

8,0r115,0p s

=++-=

++-=

( )[ ]( )[ ]

830,0

016,0511,0133,1exp

r)r1(33,1expR573,0

plmsl

=´+´-=

+-=

b. Faktor Koreksi Akibat Aliran Bypass

Cbp = 4,5 untuk aliran laminar, Res £ 100

Cbp = 3,7 untuk aliran turbulen dan transisi, Res> 100

( )[ ]( )[ ]

407,0

0212,05,4exp

r21FCexpR

3

3sssbpbpb

=´-´´-=

´-´-=

c. Faktor Koreksi Akibat Jarak Masukan Dan Keluaran Berbeda

118,2

034,0036,0

034,0036,0

LL

LL

R

n212

n2

bi

bc

n2

bo

bcs

=

÷ø

öçè

æ+÷

ø

öçè

æ=

÷÷ø

öççè

æ+÷÷

ø

öççè

æ=

--

--

n = 1 untuk aliran laminar, Res< 100

n » 0,2 untuk aliran turbulen

4.2.19. Perhitungan Pressure Drop Pada Tabung Ideal.

b1 = 35

b2 = -1

b3 = 0

b4 = 0

( )

00344,114,01

0

bRe14,01b

b4s

3

=´´+

=

´´+=

( ) ( )

( ) ( )

Pa0

211,0244,886

126,25010.690,82

mNf2p

14,02

3

14,0s

s

2s

tccibi

=

´´´´=

Fr

´´´=D

--

-

4.2.20. Perhitungan Pressure Drop Pada Sisi Selongsong.

a. Pressure Drop Akibat Aliran Bypass Dan Kebocoran

( )( )( )( )( )( )

Pa0

825,0.407,0.`250

R.R.1NPp lbbbic

=-´=-D=D

b.Presure Drop Akibat Jendela Sekat

1.2

2323

1

wm

sw

detm.kg276,24

m10.293,1m10.207,1

det.kg030,0

SS

Mm

--

---

-

=

+=

´=

Untuk harga Reynolds selongsong kurang dari 100 digunakan

( ) ( )

( )( )

( )

Pa343,341

825,0244,8662

276,242

018,0

034,0

0047,001,0

024,2

244,866

088,0276,24.2613

R2

m2

)D(

L

DL

Nm.26Np

2

2

ls

2w

2w

bc

ttp

tcw

s

swbw

=

´ïþ

ïýü

ïî

ïíì

÷÷ø

öççè

æ

´´+ú

û

ùêë

é+

-=

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

úû

ùêë

é

r+

úúû

ù

êêë

é+

-rm

=D

c. Pressure drop akibat jarak masukan dan keluaran berbeda

Pa0

118,2407,00024,2

1Pa0

RRNN

1pp sbtcc

tcwbie

=

´´÷øö

çèæ +=

´´÷÷ø

öççè

æ+D=D

d. Pressure drop total pada sisi selongsong

Pa343,341

Pa0343,341Pa0

ppPp ewcs

=++=D+D+D=D

4.2.21. Perhitungan Pressure Drop Pada Sisi Tabung.

Untuk Harga bilangan Reynolds kurang dari 10.000

Faktor gesekan untuk smooth tube adalah

00869,0

Re

125,00014,0f 32,0

t

=

+=

( )( )

( )Pa6436

032,10036,048,995252,0163200869,04

D2

L)m(f4p

14,0

2

14,0ttit

to2

tt

=

úû

ùêë

é

´´´´´´

=

úû

ùêë

é

F´´r´´´´

=D

4.2.22. Perhitungan Performa Penukar Panas

a. Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan

Pada temperatur dinding harga konduktivitas panas dari tembaga adalah

ktw = 402,702 W.m-1.K-1

12

5-

55

5-

5

i

ofifo

twta

o

io

i

o

ts

o

K.m.W995,85

101,017

10734,1001,00008,0

704,4025,014,32

10734,1

101,017

10734,1

9258

1

704,94

1

1

AARR

kL2

rrlnA

AA

h1

h1

1U

--

---

=

÷÷ø

öççè

æ´´

´++´´´

´+÷÷ø

öççè

æ´´

+=

÷øöç

èæ++

p

÷øöç

èæ

+÷÷ø

öççè

æ+

=

b. Perpindahan Panas aktual

W904,487

K082,27m185,0K.m.W955,85

T.Ao.Uoq212

LMTDact

=´´=

D=--

c. Harga Cc, Ch dan Cr

K/W1735

K.kg/J4178det/kg1632

cpmC ccc

=´=

´=·

K/W604,61

K.kg/J2032det/kg126,225

cpmC hhh

=´=

´=·

Karena Ch < Cc maka Cmin = Ch

d. Laju Perpindahan panas Maksimum

Watt1934

)82,30122,333(K/W604,61

)TtTs(minCq ininmaks

=-´=

-´=

e. Effektifitas perpindahan panas

%22,22W1934

W904,487%100

qmaksq

==´=e

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

40 50 60 70 80 90

Temperatur masukan oli (oC)

Koe

fisie

n Pe

rpin

daha

n pa

nas

selo

ngso

ng (W

/m2 .K

)

4.3. Pembahasan

4.3.1 Pengaruh Temperatur Masukan Terhadap Performa Penukar Panas.

Untuk menganalisa pengaruh temperatur masukan digunakan data pada

berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm untuk debit 1500 lt/jam. Temperatur

masuk yang digunakan adalah 60 oC, 70 oC dan 80oC

4.3.1.a. Terhadap koefisien Perpindahan panas sisi selongsong.

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

40 50 60 70 80 90


Koe

fisie

n pe

rpin

daha

n pa

nas

selo

ngso

ng (W

/m2 .K

)

Gambar 4.1 Hubungan Temperatur masukan dengan koefisien perpindahan


Gambar 4.2 Hubungan Temperatur masukan dengan koefisien perpindahan

panas sisi selongsong untuk aliran berlawanan

Dari gambar 4.1 dan 4.2 Hubungan temperatur masukan oli terlihat

bahwa untuk temperatur masukan yang semakin tinggi maka harga

koefisien perpindahan panas akan semakin turun hal tersebut

diakibatkan harga faktor koreksi untuk tabung ideal yang berbanding lurus

dengan koefisien perpindahan panas dimana untuk temperatur masukan yang

semakin besar harga faktor koreksi perpindahan panas akan semakin kecil.

Penurunan tersebut juga dipengaruhi semakin kecilnya harga faktor koreksi

viskositas fluida selongsong (oli) untuk temperatur masukan yang lebih

besar karena hs = f(hi, Jl,Jb,Jr,Jc,Js ) dan hi = f( Ji,cps,ms,prs,Φs ) sebagaimana

dapat terlihat dalam tabel 4.2 sebagai berikut

Tabel 4.2 Temperatur masukan, Ji danΦs untuk jarak sekat 36 mm

Tsin (oC) Ji Φs

0

50

100

150

200

250

300

350

400

50 60 70 80 90

Temperatur Masukan Oli (oC)

Pres

sure

dro

p se

long

song

(pa)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

40 50 60 70 80 90


Pres

sure

dro

p (p

a)

60 0,796 0,211

70 0,556 0,144

80 0,509 0,127

4.3.1.b. Terhadap Pressure Drop Sisi Selongsong

Besarnya pressure drop selongsong dapat dipengaruhi oleh temperatur

masukan dari oli seperti dapat dilihat pada grafik 4.3 dan 4.4

Gambar 4.3 Hubungan temperatur masukan oli dengan pressure drop

selongsong pada aliran searah

10

12

14

16

18

20

22

24

55 60 65 70 75 80 85


Eff

ektif

itas

(%)

Gambar 4.4 Hubungan temperatur masukan oli dengan pressure drop

selongsong pada aliran berlawanan

Dari Gambar 4.3 dan 4.4 Hubungan temperatur masukan oli terhadap

Pressure drop sisi selongsong terlihat bahwa semakin tinggi temperatur

masukan dari oli maka pressure drop dari selongsong akan semakin

turun. Hal tersebut diakibatkan perubahan propertis dari fluida akibat

temperatur terutama harga viskositas dan densitas oli. Untuk temperatur

semakin tinggi harga viskositas fluida akan semakin turun, densitas oli juga

semakin kecil. Pressure drop dari selongsong berbanding lurus dengan

harga viskositas fluida tetapi berbanding terbalik dengan besarnya densitas.

Perubahan viskositas oli sangat sensitif terhadap perbedaan temperatur

berbeda dengan densitas yang kurang sensitif terhadap perubahan

temperatur, Misalnya untuk temperatur 60 oC harga viskositas oli 8,174 .

10-4 kg/m.s, densitas fluida 995,988 kg/m3 dan untuk temperatur 70 oC harga

viskositas oli 8,141.10-3 kg/m.s, densitas fluida 995,942 kg/m3 sehingga

harga pressure drop tidak terpengaruh dari perubahan densitas yang sangat

kecil. Harga Allowable pressure drop dibawah tekanan atmosfer adalah

sebesar 0,05 sampai 0,1 dari tekanan masuk, dari tangki atas oli bisa

diperkirakan harga tekanan masuk = ρolix g x Δh = 995,988 kg/m3 x 9,81

m/det2x 1m = 9771 pa. Sehingga Allowable pressure dropnya sebesar 0,05 x

9771 pa = 488,55 pa maka harga pressure drop untuk ketiga berkas tabung

masih dibawah Allowable pressure dropnya

4.1.2.c. Terhadap Effektifitas Penukar Panas

10

12

14

16

18

20

22

24

55 60 65 70 75 80 85


Effe

kti

fitas

(%

)

Gambar 4.5 Hubungan temperatur masukan oli dengan effektifitas penukar

panas untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran searah

Gambar 4.6. Hubungan Temperatur masukan dengan effektifitas penukar

panas untuk debit air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

Dari Gambar 4.5 dan 4.6 hubungan temperatur oli dengan efektifitas

penukar panas, terlihat harga effektifitas perpindahan panas semakin kecil

dengan temperatur masukan dari oli yang semakin besar. Penurunan

effektifitas penukar panas ini adalah karena untuk temperatur masukan yang

lebih tinggi perbedaan temperatur air masuk dengan temperatur oli yang

keluar akan menjadi semakin besar sehingga harga Qmaks akan semakin besar,

walaupun harga Qact lebih besar untuk temperatur masukan yang lebih tinggi.

Seperti untuk temperatur masukan 60 oC jarak sekat 36 mm aliran searah

harga effektifitasnya sebesar 22,22% harga Qact= 428,45 Watt dan harga

Qmaks= 1942 Watt dengan selisih temperatur masuk oli dan air sebesar = 31,53

K. Sedangkan untuk temperatur masukan oli 80 oC harga effektifitasnya

sebesar 16,50 % harga Qact = 591,43 Watt dan harga Qmaks = 3584 Watt

dengan selisih temperatur masuk oli dan air sebesar 51,35 oC. Begitu juga

untuk ketiga berkas tabung yang lain menunjukkan kecenderungan menurun

harga effektifitas perpindahan panasnya.

4.3.2 Pengaruh Jarak Sekat Pada Performa Penukar Panas

0

3

6

9

12

15

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Jum

lah

Seka

t

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Koe

fisi

en P

erpi

ndah

an P

anas

(W/m

2 .K)

Untuk menganalisa pengaruh jarak sekat terhadap performa penukar panas

digunakan data untuk temperatur masukan 60oC, 70oC dan 80oC pada debit aliran

air sebesar 1500 lt/jam.

4.3.3.a Terhadap Jumlah Sekat

Gambar 4.7 Hubungan jarak sekat dengan jumlah sekat pada satu selongsong

Dari gambar 4.7 hubungan jarak sekat dengan jumlah sekat untuk

jarak sekat yang semakin besar untuk panjang berkas tabung (Lta) yang

sama maka jumlah sekat akan semakin sedikit. Untuk jarak sekat 100 mm

memiliki jumlah sekat 5 buah, untuk jarak sekat 50 mm memiliki jumlah sekat

9 buah dan untuk jarak sekat 36 memiliki jumlah sekat 13 buah.

4.3.3.a. Terhadap Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Koe

fisi

en P

erpi

ndah

an P

anas

(W

/m2.

K)

Gambar 4.8. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan panas sisi

selongsong untuk aliran searah

Gambar 4.9. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan panas

selongsong untuk aliran berlawanan

Dari grafik gambar 4.8 dan 4.9 hubungan jarak sekat dengan harga

koefisien perpindahan panas sisi selongsong dapat terlihat bahwa Untuk jarak

sekat yang semakin besar maka harga koefisien perpindahan panas sisi

selongsong tidak terlalu terpengaruh besar. Hal tersebut disebabkan untuk

jarak sekat yang semakin besar pada pemotongan sekat 50 % aliran didalam

selongsong cenderung mengalir secara bypass melalui garis tengah selongsong

dan besarnya aliran melintang untuk jarak sekat 36 mm, 50 mm dan 100 mm

sangat kecil sebagai mana terlihat pada tabel 4.3 walaupun sebenarnya pada jarak

sekat 36 dan 50 mm menunjukkan menurun tetapi untuk berkas 100 mm memiliki

faktor koreksi perpindahan panas yang lebih besar yakni 1,103 dibanding dengan

dua berkas lainnya yaitu 1. akan tetapi pengaruhnya terhadap performa

perpindahan panas dapat terlihat.

Tabel 4.3 Jarak sekat dan Luasan aliran Melintang

Jarak Sekat (Lb) Luasan aliran Melintang (Sm)

(mm) M2

36 0,00121

50 0,00168

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Pres

sure

Dro

p (p

a)

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Pre

ssur

e D

rop

(pa)

100 0,00335

4.3.3.c. Terhadap Pressure Drop Sisi Selongsong



10

12

14

16

18

20

22

24

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Efe

kti

fita

s (%

)

Gambar 4.11. Hubungan jarak sekat dengan pressure drop selongsong untuk debit

air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

Dari gambar 4.10 dan 4.11 hubungan jarak sekat dengan harga

pressure drop sisi selongsong dapat dilihat bahwa untuk jarak antar

semakin besar sekat maka harga pressure drop sisi selongsong akan

semakin kecil. Hal tersebut disebabkan untuk jarak sekat yang semakin besar

maka jumlah sekat akan semakin kecil sebagaimana terlihat pada gambar 4.11

dimana pressure drop sisi selongsong berbanding lurus dengan jumlah sekat.

Selain itu dengan semakin besar jumlah sekat maka kecepatan fluida melalui

selongsong akan semakin besar pressure drop selongsong juga semakin besar,

yang dapat terlihat pada besarnya Laju aliran massa oli yang lebih besar

misalnya untuk aliran searah temperatur masukan 60 oC untuk debit air 1500

lt/jam pada tabel 4.4 sebagai berikut:

Tabel 4.4 Jarak sekat dan Laju aliran massa selongsong

Jarak Sekat (Lb) Laju aliran massa (ms)

(mm) (kg/m2.det)

36 25,13

50 19,13

100 11,68

4.3.3.d.Terhadap Effektifitas Perpindahan Panas

10

12

14

16

18

20

22

24

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Eff

ekti

fita

s (%

)

Gambar 4.12. Hubungan jarak sekat dengan effektifitas penukar panas untuk


Gambar 4.13. Hubungan jarak sekat dengan effektifitas penukar untuk debit

air 1500 lt/jam pada aliran berlawanan

Dari gambar 4.12 dan 4.13 hubungan jarak sekat dengan effektifitas

perpindahan panas dapat terlihat untuk jarak sekat yang semakin besar

maka effektifitas penukar panas akan semakin menurun. Untuk ketiga

berkas tabung dengan jarak sekat yang berbeda harga perpindahan panas

aktual (Qact) ditentukan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang

dipengaruhi perpindahan panas sisi selongsong, harga koefisien perpindahan

panas sisi selongsong dapat dilihat dalam tabel 4.5 sebagai berikut:

Tabel 4.5 Koefisien Perpindahan Panas Untuk Tiga Berkas Tabung

Debit Air Lb = 36 mm Lb = 50 mm Lb = 100 mm

lt/jam (W/m2.K) (W/m2.K) (W/m2.K)

1500 94,70 92,91 95,73

Dari tabel 4.5 diatas terlihat untuk jarak sekat 100 mm memiliki

harga koefisien perpindahan panas yang paling besar karena untuk jarak sekat

100 mm harga faktor koreksi perpindahan panas untuk perbedaan jarak

masukan dan keluaran tidak sama untuk kedua berkas tabung yang lain, untuk

berkas tabung dengan jarak sekat 36 mm dan 50 mm harga faktor koreksi

perpindahan panas Js = 1 sedangkan untuk berkas dengan jarak sekat 100 mm

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Pres

sure

Dro

p (p

a)

faktor koreksi perpindahan panasnya Js = 1,103, Sehingga besarnya koefisien

perpindahan panas keseluruhan Uo untuk berkas tabung dengan jarak sekat

100 mm sedikit lebih besar dibanding dengan kedua berkas tabung yang lain.

Harga Uo yang lebih besar mendukung harga perpindahan panas aktual (Qact )

yang lebih besar, tetapi harga Qact yang lebih besar tidak mempengaruhi harga

effektifitas perpindahan panas yang semakin kecil untuk jarak sekat yang

semakin besar karena harga perpindahan panas maksimum yang mungkin

(Qmaks ) menjadi lebih besar untuk jarak sekat yang semakin besar yang

menunjukkan kemampuan perpindahan panas yang kecil. Hal tersebut adalah

akibat dari laju aliran massa oli lebih besar untuk berkas tabung dengan jarak

antar sekat yang semakin besar, sehingga harga Cmin untuk berkas tabung

dengan jarak sekat semakin besar akan semakin besar. Dari perbedaaan harga

temperatur oli masuk dengan temperatur air masuk kurang lebih sama maka

besarnya harga Qmaks akan lebih besar untuk jarak sekat yang semakin besar.

4.3.4. Pengaruh Arah Aliran Terhadap Performa Penukar Panas

Arah aliran dapat mempengaruhi performa perpindahan panas dari

penukar panas karena arah aliran dapat mempengaruhi besarnya harga ΔTLMTD

dimana secara teoritis harga ΔTLMTD untuk aliran searah lebih kecil dari ΔTLMTD

untuk aliran berlawanan. Untuk menganalisa data tersebut digunakan data untuk

berkas dengan jarak sekat 36 mmm.

0

6

12

18

24

0 20 40 60 80 100 120Jarak Sekat (mm)

Eff

ektif

itas

(%)

Searah Berlawanan

Gambar 4.14. Hubungan Jarak Sekat dengan effektifitas untuk aliran searah dan

berlawanan untuk debit air 1500 lt/jam temperatur masukan oli 60 oC

Gambar 4.15. Hubungan Jarak Sekat dengan effektifitas untuk aliran searah dan

berlawanan untuk debit air 1500 lt/jam temperatur masukan oli 60 oC

Dari gambar 4.14 dan 4.15 diatas terlihat bahwa performa dari

penukar panas dengan dengan variasi jarak sekat untuk pemotongan sekat

50 % pada aliran searah dan berlawanan adalah hampir sama walaupun

dengan harga ΔTLMTD untuk aliran berlawanan memang lebih besar seperti terlihat

pada tabel 4.6 dibawah :

Tabel 4.6. Harga ΔTLMTD untuk aliran searah dan berlawanan untuk debit

air 1500 lt/jam

ΔTLMTD (oC)

Jarak sekat (mm) Searah Berlawanan

36 27,08 27,09

50 26,53 26,64

100 26,93 27,02

70

75

80

85

90

95

100

0 20 40 60 80 100 120

Jarak Sekat (mm)

Koe

fisie

n Pe

rpin

daha

n Pa

nas

Selo

ngso

ng (W

/m2.

K)

Aliran Searah Aliran berlawanan

Gambar 4.16. Hubungan jarak sekat dengan koefisien perpindahan selongsong

untuk debit air 1500 lt/jam 60 oC aliran searah dan berlawanan

Karena perbedaan ΔTLMTD untuk aliran searah dan berlawanan tidak

terlalu besar juga harga koefisien perpindahan panas yang hampir sama untuk

ketiga berkas tabung seperti terlihat pada gambar 4.16, dimana harga koefisien

perpindahan panas selongsong tersebut hampir sama sehingga Qact yang terjadi

untuk aliran searah dan berlawanan juga hampir sama, karena temperatur masuk

ke penukar panas tidak benar-benar sama sehingga harga Qmaks dari penukar panas

juga berbeda sehingga menyebabkan perbedaaan harga efektifitas penukar panas

walaupun perbedaannya cukup kecil untuk aliran searah dan berlawanan.

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari hasil analisa data dan pembahasan pada bab sebelumnya dapat

diambil beberapa poin kesimpulan tentang performa penukar panas dengan variasi

jarak sekat untuk pemotongan sekat konstan 50% sebagai berikut :

1. Pada pengujian penukar panas dengan variasi jarak sekat diperoleh harga

effektifitas perpindahan panas tertinggi pada aliran searah sebesar 22,22 %

sedangkan untuk aliran berlawanan sebesar 22,12 %

2. Untuk Temperatur masukan oli yang semakin tinggi maka harga pressure

drop sisi selongsong semakin berkurang juga harga effektifits penukar

panasnya. Besarnya pressure drop dan effektifitas penukar panas sisi

selongsong untuk jarak sekat 36 mm pada temperatur masukan oli 60 oC, 70 oC dan 80 oC sebagai berikut: pressure drop selongsong 341,34 pa, 260,69 pa,

dan 216,97 pa, effektifitas penukar panasnya 22,22 %, 19,16 % dan 16,50 %.

3. Untuk Pemotongan sekat 50 % harga koefisien perpindahan panasnya hampir

sama untuk ketiga berkas tabung karena untuk pemotongan 50 % kemampuan

dari sekat untuk mengarahkan aliran tidak optimal, yang menyebabkan aliran

hanya mengalir secara bypass pada garis tengah selongsong. Besarnya

koefisien perpindahan panas selongsong pada temperatur masukan 60 oC

untuk jarak sekat 36 mm, 50 mm dan 100 mm berturut-turut 94,70 W/m2.K,

92,91 W/m2.K dan 95,73 W/m2.K.

4. Untuk jarak sekat yang semakin besar maka harga pressure drop sisi

selongsong semakin berkurang. Pada jarak sekat 36 mm, 50 mm dan 100 mm

temperatur masukan 60 oC untuk aliran searah harga pressure drop selongsong

341.34 pa, 239,15 pa, dan 149,77 pa untuk aliran berlawanan berturut-turut

342,25 pa, 244,09 pa dan 151,94 pa.

5. Untuk jarak sekat yang semakin besar maka harga effektifitas penukar panas

semakin kecil sebagai berikut pada jarak sekat 36 mm, 50 mm dan 100 mm

temperatur masukan 60 oC untuk aliran searah berturut-turut effektifitasnya

22,22 %, 20,50 %, dan 17,53 % untuk aliran berlawanan berturut-turut 22,12

%, 20,12 % dan 17,45 %.

5.2. Saran

1. Utamakan desain penukar panas yang bisa dibuat dengan kemampuan kita

atau kemampuan pembuat juga desain yang mengacu pada bahan yang ada

dipasaran sehingga kita tidak kesulitan dalam pembuatan.

2. Dalam pengambilan data harus benar-benar diperhatikan karena penggunaan

data akuisisi yang sangat sensitif terhadap perubahan daya maupun voltase

ruangan sehingga data yang diperoleh nantinya tidak menyimpang.

3. Penempatan Thermocouple harus benar benar tepat dan tetap karena adanya

gerakan ujung thermocouple maka thermocouple bisa terhubung dengan

dinding dalam alat yang akan mengganggu pembacaan temperatur.

4. Penempatan fluida juga harus diperhatikan, fluida mana yang tepat untuk

dialirkan pada sisi selongsong atau tabung karena adanya sifat-sifat dari fluida

tersebut yang dapat menganggu performa dari penukar panas, seperti fluida

yang bersifat korosif, fluida yang memiliki faktor pengotoran yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Chien-Yuh Yang, 1999, Heat Transfer of Liquid Refrigerant R-134a Cooled In Small Circular Tubes, National Central University, Taiwan.

Holman, J.P.,1994, Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta.

Incropera. F,D 1996, Fundamental Heat and Mass Transfer, John Wiley and Sons, Canada.

Kreith, F., 1997, Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Erlangga, Jakarta.

Miča Vukič, 2000, A New Approach To Prediction And Design Of Shell And Tube Heat Exchanger, Facta Universitatis, Mechanical Engineering vol.1, No7, 2000,pp. 775 -787, Yugoslavia.

Mukheerje,R., 1998, Effectively Design Shell and Tube Heat Exchanger, Chemical Engineering Progress.

Pertamina, 2002, Pertamina Lubricant Guide, Pemasaran dan Unit Niaga Pertamina, Jakarta.

Saunders E.A.D., 1988, Heat Exchanger Selection, Design And Construction, Longman Grup UK Limited, England.

Sitompul, T.M., 1994, Alat Penukar Kalor, PT. Raja Grafindo Persada, Jakarta. Taborek,J., 1988, Shell and Tube Heat Exchangers, Heat Exchager Design Handbook, Vol 3, Vol 4, Hemisphere Publishing Coorporation, Washington, London, New York.

Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) , 1988, Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, 7th ed., TEMA, New York.

KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH TEMPERATUR MASUKAN …/Kaji-eks...2.2.2. Hukum Kekekalan Energi Untuk...

Documents

Transcript of KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH TEMPERATUR MASUKAN …/Kaji-eks...2.2.2. Hukum Kekekalan Energi Untuk...