UNIVERSITAS DIPONEGORO PENGEMBANGAN...

UNIVERSITAS DIPONEGORO

PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK

UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL DESAIN PENUKAR KALOR

JENIS SHELL AND TUBE

TUGAS AKHIR

ARIF BUDIANTO

L2E 008 021

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESIN

SEMARANG

FEBRUARI 2013

ii

TUGAS AKHIR

Diberikan Kepada : Nama : Arif Budianto

NIM : L2E 008 021

Dosen Pembimbing : Dr. Syaiful, ST, MT

Jangka Waktu : 6 bulan (enam bulan)

Judul : Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari

Nilai Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and

Tube

Isi Tugas : 1. Merancang sebuah software yang bisa

digunakan untuk mencari nilai optimal desain

sebuah shell and tube baik dengan sisipan plat

maupun tidak ke dalam pipa.

2. Untuk mengetahui dan memahami perbedaan

bilangan Nusselt dan pressure drop dengan ada

atau tidaknya sisipan plat ke dalam pipa.

Semarang, 26 Februari 2013

Pembimbing,

Dr. Syaiful, ST.MT.

NIP. 197403081999031005

iii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

NAMA : Arif Budianto

NIM : L2E 008 021

Tanda Tangan :

Tanggal : 26 Februari 2013

iv

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama : Arif Budianto

NIM : L2E 008 021

Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin

Judul Skripsi : Pengembangan Perangkat Lunak Untuk Mencari Nilai

Optimal Desain Penukar Kalor Jenis Shell and Tube

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai

bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada Jurusan/Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Diponegoro.

TIM PENGUJI

Pembimbing : Dr. Syaiful, ST, MT ( )

Penguji : Prof. Dr. A.P. Bayuseno, M.Sc ( )

Penguji : Ir. Bambang Yunianto, M.Sc ( )

Penguji : Dr. Achmad Widodo, ST, MT ( )

Semarang, 26 Februari 2013

Jurusan Teknik Mesin

Ketua,

Dr. Sulardjaka

NIP. 197104201998021001

v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Diponegoro, saya yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : ARIF BUDIANTO

NIM : L2E 008 021

Jurusan/Program Studi : TEKNIK MESIN

Fakultas : TEKNIK

Jenis Karya : SKRIPSI

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas

Diponegoro Hak Bebas Royalti Noneksklusif (None-exclusive Royalty Free Right) atas karya

ilmiah saya yang berjudul:

PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL

DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti/Noneksklusif ini

Universitas Diponegoro berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam

bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Semarang

Pada Tanggal : 26 Februari 2013

Yang menyatakan

(ARIF BUDIANTO)

NIM. L2E 008 021

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Tugas Akhir ini saya persembahkan untuk:

Ayahanda Abdullah Adiyanto, Ibunda Eni NIngsih, dan keluarga tercinta serta

Isma Fuaida yang senantiasa memberikan dukungan, doa, dan materiil mereka

kepadaku. Apa yang telah mereka berikan akan selalu saya kenang, karena dengan

adanya mereka, saya bisa berjuang untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik ini.

Terima Kasih.

vii

ABSTRACT

Applied a computerized system is not only to simplify the working system in a

company but also to find the optimal value of a design to make it more efficient. In this

research, a computer program is designed by Visual Basic 2010 that can be used to

simplify the design of shell and tube. The methodology that used to find the optimal

value of shell and tube design is a form of the algorithm. Stages of the algorithm used

as a guide in making a Visual Basic 2010 programming language consist of input,

process and output. In this software there are two types of shell and tube. They are shell

and tube with and without insert plate into the pipe. The shapes plates insert which are

designed in this software are longitudinal plate, longitudinal plate with additional

holes, and torsional plate with twists angles (α: 15:30, 24.40, and 34.40).

Keywords: Shell and tube, Plate insert, Visual Basic 2010, Optimal design

viii

ABSTRAK

Sistem komputerisasi yang diterapkan tidak hanya bertujuan untuk

mempermudah sistem kerja pada sebuah perusahaan tetapi juga untuk mencari nilai

optimal sebuah desain agar lebih efisien. Pada penelitian ini akan dirancang sebuah

perangkat lunak dengan menggunakan bantuan bahasa pemrograman Visual Basic 2010

yang dapat digunakan untuk mempermudah dalam merancang desain shell and tube.

Metodologi yang digunakan dalam perancangan desain shell and tube ini berupa

tahapan algoritma. Tahapan algoritma dijadikan panduan dalam membuat bahasa

pemrogaman Visual Basic 2010 yang berupa input, proses, dan output. Dari software

yang dibuat ada dua jenis shell and tube yang bisa dirancang, yaitu jenis shell and tube

tanpa sisipan dan dengan sisipan plat kedalam pipa. Bentuk sisipan plat yang bisa

dirancang dalam software ini yaitu sisipan plat longitudinal, sisipan plat longitudinal

dengan tambahan lubang, dan sisipan plat puntir dengan sudut puntir (α: 15.30, 24.40,

dan 34.40).

Kata kunci : Shell and tube, Sisipan plat, Visual Basic 2010, Desain optimal.

ix

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur senantiasa penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena

berkat rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul

“PENGEMBANGAN PERANGKAT LUNAK UNTUK MENCARI NILAI OPTIMAL

DESAIN PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE”. Tugas akhir ini merupakan

salah satu syarat yang harus dipenuhi pada program strata satu (S1) di Jurusan Teknik

Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas bimbingan,

bantuan, serta dukungan kepada Dr. Syaiful, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing.

Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari banyak kekurangan. Oleh

karena itu segala kritik yang bersifat membangun akan diterima dengan senang hati

untuk kemajuan bersama. Akhir kata penulis berharap semoga laporan tugas akhir ini

dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membutuhkan data maupun referensi

yang ada dalam laporan ini.

Terima kasih.

Semarang, 26 Januari 2013

Penulis

x

DAFTAR ISI

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

HALAMAN TUGAS SARJANA ........................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .............................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................. vi

ABSTRACT .............................................................................................................. vii

ABSTRAKSI .......................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR ............................................................................................ ix

DAFTAR ISI ........................................................................................................... x

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ................................................................................................... xiv

DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. xvi

NOMENKLATUR .................................................................................................. xviii

BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1

1.2 Batasan Masalah ............................................................................. 2

1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................ 3

1.4 Metode Penelitian ........................................................................... 4

1.5 Sistematika Penulisan ..................................................................... 5

BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 7

2.1. Pengertian Optimasi ........................................................................ 7

2.2. Pengertian Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) .......................... 7

2.3. Jenis-jenis Alat Penukar Kalor ........................................................ 7

2.4. Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ............................................... 12

2.3.1. Jenis-jenis alat penukar kalor shell and tube ...................... 12

xi

2.3.2. Diameter pipa di dalam cangkang (shell) ........................... 15

2.3.3. Susunan berkas pipa ............................................................ 16

2.3.4. Sekat (baffle) ....................................................................... 17

2.4. Perhitungan Perancangan Penukar Kalor Jenis Shell and Tube ...... 19

2.4.1. Tata letak pipa (tube-sheet) ................................................. 19

2.4.2. Beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) .................. 20

2.5. Pertimbangan Umum Desain Shell and Tube Exchanger ............... 22

2.5.1. Fluida sisi shell dan sisi pipa .............................................. 22

2.5.2. Kecepatan fluida sisi shell dan sisi pipa ............................. 23

2.5.3. Penurunan tekanan (pressure drop) .................................... 24

2.6. Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Pipa ... 25

2.6.1. Perpindahan panas aliran laminar ....................................... 25

2.6.2. Perpindahan panas aliran turbulen ...................................... 25

2.6.3. Konduktivitas Termal Fluida Campuran Pada EGR cooler 26

2.6.4. Faktor perpindahan kalor, jh ............................................... 28

2.6.5. Faktor koreksi viskositas ..................................................... 28

2.6.6. Penurunan tekanan sisi pipa ................................................ 29

2.7. Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Sisi Shell .................. 30

2.7.1. Metode Kern ....................................................................... 30

2.7.2. Langkah perhitungan perpindahan kalor sisi shell .............. 31

2.7.3. Pressure drop sisi cangkang (shell) ..................................... 33

BAB III PERANGKAT LUNAK SHELL AND TUBE ......................................... 34

3.1. Software Aplikasi ............................................................................ 34

3.1.1. Mengenal Visual Basic .NET (VB.NET) ............................ 34

3.1.2. Mengenal Integrated Development Environment (IDE) ..... 36

3.2. Tampilan Antarmuka Pengguna (User Interface) ........................... 42

3.2.1. Pentingnya user interface .................................................... 42

3.2.2. Prinsip – prinsip desain user interface ................................ 42

3.2.3. Proses desain user interface ................................................ 46

3.3. Perangkat Lunak Perancangan Shell and Tube ............................... 47

xii

3.4. Flowchart Optimasi Desain Shell and Tube .................................... 50

3.5. Perhitungan bilangan Nusselt dan faktor gesekan dengan sisipan

plat ................................................................................................... 56

BAB IV ANALISA HASIL PENERAPAN PROGRAM ..................................... 57

4.1. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Tanpa Sisipan Plat ....... 58

4.2. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Untuk EGR Cooler...... 60

4.3. Hasil Perancangan Desain Shell and Tube Dengan Sisipan Plat ke

Dalam Pipa ...................................................................................... 62

4.4. Proses Perhitungan Optimasi Desain Shell and Tube ..................... 70

4.5. Analisa Pengaruh Sisipan Plat Terhadap Parameter Perpindahan

Kalor ............................................................................................... 78

4.5.1. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi

pipa ...................................................................................... 79

4.5.2. Pengaruh sisipan plat terhadap kerugian tekanan sisi

shell ..................................................................................... 81

4.5.3. Pengaruh sisipan plat terhadap koefisien perpindahan

kalor total ........................................................................... 83

4.5.4. Pengaruh sisipan plat terhadap luas perpindahan kalor ...... 85

4.5.5. Pengaruh sisipan plat terhadap panjang penukar kalor ....... 87

4.5.6. Pengaruh sisipan plat terhadap jumlah pipa penukar

kalor .................................................................................... 89

4.5.7. Pengaruh sisipan plat terhadap bilangan Nusselt ................ 91

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 94

5.1 Kesimpulan ..................................................................................... 94

5.2 Saran ............................................................................................... 95

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1. Tabel. properti fisik air.

LAMPIRAN 2. Tabel properti fisik udara.

LAMPIRAN 3. Tabel koefisien perpindahan kalor total.

LAMPIRAN 4. Tabel faktor pengotor (Fouling Factor).

LAMPIRAN 5. Grafik faktor koreksi suhu: 1 laluan shell; 2 atau lebih lewatan

genap sisi pipa.

LAMPIRAN 6. Grafik faktor koreksi suhu: 2 laluan shell; 4 atau kelipatan 4 laluan

pipa.

LAMPIRAN 7. Grafik faktor koreksi suhu: divided-flow shell; 2 atau lebih laluan

pipa genap.

LAMPIRAN 8. Grafik faktor koreksi suhu, split flow shell, 2 laluan pipa.

LAMPIRAN 9. Grafik koefisien gesek sisi pipa.

LAMPIRAN 10. Grafik faktor perpindahan panas sisi shell.

LAMPIRAN 11. Grafik keofisien gesekan sisi shell.

LAMPIRAN 12. Tabel properti material.

LAMPIRAN 13. Tabel konstanta konduktivitas termal gas.

LAMPIRAN 14. Tabel properti fisik molekul gas.

LAMPIRAN 15. Pengoperasian software optimasi desain shell and tube.

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Dimensi standar ketebalan pipa (ASME) ....................................... 16

Tabel 2.2. Konstanta tata letak pipa ................................................................. 20

Tabel 4.1. Data masukan (Input) ...................................................................... 57

Tabel 4.2. Hasil validasi dengan penelitian Kara dan Guraras[1].................... 58

Tabel 4.3. Hasil validasi dengan penelitian Chiu dan Jang[2] ......................... 59

Tabel 4.4. Data masukan (input) perancangan EGR cooler ............................. 60

Tabel 4.5. Hasil perhitungan perancangan desain shell and tube untuk EGR

cooler .............................................................................................. 61

Tabel 4.6. Hasil perbandingan perancangan shell and tube tanpa sisipan plat

(present design) dengan sisipan plat longitudinal (chiu dan jang).. 65


(present design) dengan plat longitudinal dengan tambahan

lubang (chiu dan jang) .................................................................... 66

Tabel 4.8. Hasil perbandingan perancangan shell and tubetanpa sisipan plat

(present design) dengan sisipan plat puntir-A (chiu dan jang) ....... 67


(present design) dengan sisipan plat puntir-B (chiu dan jang) ....... 68


(present design) dengan sisipan plat puntir-C (chiu dan jang) ....... 69

Tabel 4.11. Variasi kecepatan sisi masuk pipa .................................................. 78

Tabel 4.12. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi pipa antara desain shell

and tube tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat

(Chiu and Jang) pada variasi laju aliran massa ............................... 80

Tabel 4.13. Hasil perbandingan kerugian tekanan sisi shell antara desain shell



Tabel 4.14. Hasil perbandingan koefisien perpindahan kalor keseluruhan

antara desain shell and tube tanpa sisipan plat (present design)

xv

dengan sisipan plat (Chiu and Jang) pada variasi laju aliran

massa ............................................................................................... 84

Tabel 4.15. Hasil perbandingan luas perpindahan kalor antara desain shell



Tabel 4.16. Hasil perbandingan panjang pipa antara desain shell and tube

tanpa sisipan plat (present design) dengan sisipan plat (Chiu and

Jang) pada variasi laju aliran massa ................................................ 88

Tabel 4.17. Hasil perbandingan jumlah pipa antara desain shell and tube



Tabel 4.18. Hasil perbandingan bilangan Nusselt antara desain shell and tube



xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Flowchart Penelitian ....................................................................... 4

Gambar 2.1 Penukar kalor pipa konsentris ......................................................... 8

Gambar 2.2 Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua

fluidanya tidak campur (b) tidak bersirip dengan satu fluida

campur dan satu fluida lagi tidak campur ....................................... 8

Gambar 2.3 Penukar kalor Shell and Tube dengan satu laluan shell dan satu

laluan tube ....................................................................................... 9

Gambar 2.4 Penukar kalor Shell and Tube (a) satu laluan shell dan dua laluan

tube (b) dua laluan shell dan empat laluan tube .............................. 9

Gambar 2.5 Inti dari compact heat exchangers (a) Fin-tube (pipa datar, sirip

plat menyeluruh) (b) Fin-tube (pipa bundar, sirip plat

menyeluruh) (c) Fin-tube (pipa bundar, sirip bundar) (d) Plate-fin

(laluan tunggal) (e) Plate-fin (laluan banyak) ................................. 10

Gambar 2.6 Fixed-tube plate .............................................................................. 14

Gambar 2.7 U-tube ............................................................................................. 14

Gambar 2.8 Internal floating head without clamp ring ....................................... 15

Gambar 2.9 Internal floating head with clamp ring ............................................ 15

Gambar 2.10 External floating head, packed gland .............................................. 15

Gambar 2.11 Susunan berkas pipa ........................................................................ 17

Gambar 2.12 Jenis penyekat yang digunakan dalam penukar panas jenis shell

dan tube, Segmental, (b) Segraental and strip, dan (c) Disc and

doughnut ......................................................................................... 18

Gambar 2.13 Profil temperatur (a) Penukar kalor aliran berlawanan (b) 1 laluan

shell : 2 laluan pipa (c) Temperatur silang ..................................... 21

Gambar 2.14 Diameter ekivalen sisi pipa ............................................................. 31

Gambar 2.15 Clearence ......................................................................................... 32

Gambar 3.1 Framework .NET ............................................................................. 34

Gambar 3.2 Tampilan awal Integrated Development Environment (IDE)

VB.NET ........................................................................................... 35

Gambar 3.3 Tampilan pembuatan project baru pada VB .NET ........................... 35

xvii

Gambar 3.4 Tampilan jendela IDE VB.NET ....................................................... 38

Gambar 3.5 Form tampilan awal ........................................................................ 46

Gambar 3.6 Form data masukan (input) ............................................................. 46

Gambar 3.7 Form data keluaran (output) ........................................................... 47

Gambar 3.8 Form grafik ..................................................................................... 47

Gambar 3.9 Flowchart perangkat lunak perancangan shell and tube ................. 48

Gambar 4.1 Plat longitudinal .............................................................................. 62

Gambar 4.2 Plat longitudinal dengan tambahan lubang ..................................... 62

Gambar 4.3 Jenis-jenis sisipan plat puntir (a) plat puntir-A (α: 15.30) (b) plat

puntir-B (α: 24.40) (c) plat puntir-C (α: 34.30) ............................... 63

Gambar 4.4 Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi pipa

pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ........................... 78

Gambar 4.5 Pengaruh laju aliran massa terhadap kerugian tekanan sisi shell


Gambar 4.6 Pengaruh laju aliran massa terhadap koefisien perpindahan kalor

total pada berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................... 82

Gambar 4.7 Pengaruh laju aliran massa terhadap luas penukar kalor pada

berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 84

Gambar 4.8 Pengaruh laju aliran massa terhadap panjang pipa penukar kalor


Gambar 4.9 Pengaruh laju aliran massa terhadap jumlah pipa penukar kalor


Gambar 4.10 Pengaruh laju aliran massa terhadap bilangan Nusselt pada

berbagai kondisi sisipan plat ke dalam pipa ................................... 91

xviii

NOMENKLATUR

Daftar symbol Keterangan Satuan

Luas penampang sisi pipa m2

A0 Luas area perpindahan kalor m2

Luas penampang sisi shell m2

Panas spesifik J/kg.K

Clearence m

Diameter bundel m

Diameter ekivalen m

Diameter dalam pipa m

Diameter luar pipa m

Diameter shell m

Faktor gesekan

Faktor koreksi

Fluks massa kg/m2s

Koefisien perpindahan kalor W/m.K

Faktor Colburn

Konduktivitas termal fluida W/m.K

Konduktivitas termal material W/m.K

Jarak befel m

Panjang pipa m

M Berat molekul kg/mol

Jumlah befel

Jumlah laluan pipa

Jumlah total pipa

Jumlah pipa per laluan

P Tekanan bar

Bilangan Prandtl

Jarak transversal antar pipa m

xix

Jarak antar bukit pada plat puntir m

Q Laju aliran panas W

h Hambatan perpindahan kalor W/m.K

Bilangan Reynold

Temperatur K

Temperatur rata-rata K

Kecepatan fluida m/s

Koefisien perpindahan kalor total W/m.K

Laju aliran masa kg/s

Pressure drop Pa

Beda temperatur logaritmik K

Simbol Yunani

Sudut puntir

λm Konduktivitas termal gas campuran (W/m.0C)

λtr Konduktivitas termal radius

Viskositas dinamik N.s/m2

Massa jenis fluida kg/m3

Subscript

c Kritis

Masuk

j Komponen j

k Komponen k

Keluar

r Radius

Sisi shell

Sisi pipa

UNIVERSITAS DIPONEGORO PENGEMBANGAN...

Documents

Transcript of UNIVERSITAS DIPONEGORO PENGEMBANGAN...