tugas akhir studi eksperimen performansi heat …eprints.ums.ac.id/65686/12/halaman depan-10.pdf ·...
TRANSCRIPT
i
TUGAS AKHIR
STUDI EKSPERIMEN PERFORMANSI HEAT EXCHANGER
TIPE SHELL AND TUBE, CROSS-FLOW 4 PASS UNMIXED
DENGAN VARIASI 3 DAN 6 CIRCULAR FIN TUBE
UNTUK MENGERINGKAN SINGKONG
Disusun oleh:
Gilang Yudha Mahardhika
D200160014
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2018
ii
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR
Berdasarkan surat Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Nomor 70/A.4-II/TM/II/2018 Tanggal 16 Juli 2018
Dengan ini :
Nama : Ir. Sartono Putro, MT.
Pangkat / jabatan :
Kedudukan : Pembimbing
Memberikan soal tugas akhir kepada mahasiswa :
Nama : Gilang Yudha Mahardhika
No. Induk : D200160014
NIRM :
Jurusan : Teknik Mesin
Judul / topik : STUDI EKSPERIMEN PERFORMANSI HEAT
EXCHANGER TIPE SHELL AND TUBE, CROSS-
FLOW 4 PASS UNMIXED DENGAN VARIASI 3 DAN
6 CIRCULAR FIN TUBE UNTUK MENGERINGKAN
SINGKONG
Rincian Soal / tugas :
Demikian soal tugas akhir ini dibuat untuk dapat dilaksanakan sebagaimana
mestinya.
Surakarta, 16 Juli 2018
Pembimbing
Ir. Sartono Putro, MT.
iii
HALAMAN PERSETUJUAN
Tugas akhir yang berjudul “Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger
Tipe Shell And Tube, Cross-Flow 4 Pass Unmixed Dengan Variasi 3 Dan 6
Circular Fin Tube Untuk Mengeringkan Singkong” telah disetujui oleh
pembimbing tugas akhir untuk dipertahankan didepan dewan penguji sebagai
syarat untuk memperoleh gelar sarjana strata satu pada Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh,
Nama : Gilang Yudha Mahardhika
NIM : D200160014
Disetujui pada,
Hari :
Tanggal :
Pembimbing
Sartono Putro, Ir., MT.
iv
HALAMAN PENGESAHAN
Tugas akhir yang berjudul “ Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger Tipe
Shell And Tube, Cross-Flow 4 Pass Unmixed Dengan Variasi 3 dan 6 Circular
Fin Tube Untuk Mengeringkan Singkong” telah dipertahankan dihadapan dewan
penguji dan telah dinyatakan sah untuk memenuhi sebagai syarat memperoleh
gelar sarjana strata satu pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh,
Nama : Gilang Yudha Mahardhika
NIM : D200160014
Disahkan pada,
Hari :
Tanggal :
Dewan Penguji,
Ketua : Sartono Putro Ir., MT .....................................
Anggota 1 : Agus Hariyanto Ir., MT .....................................
Anggota 2 : Nurmuntaha A. ST., MT .....................................
Dekan
( Ir. Sri Sunarjono, MT.,Ph.D. )
Ketua Jurusan
( Ir. Subroto, MT. )
v
` 2PERNYATAAN
KEASLIAN TUGAS AKHIR
Saya yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama : Gilang Yudha Mahardhika
NIM : D200160014
Fakultas / jurusan : Teknik / Teknik Mesin
Judul : Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger
Tipe Shell And Tube, Cross-Flow 4 Pass Unmixed
Dengan Variasi 3 dan 6 Circular Fin Tube
Untuk Mengeringkan Singkong
Menyatakan bahwa skripsi atau Tugas Akhir merupakan karya tulis yang penulis
buat sendiri, kecuali beberapa sumber kutipan – kutipan dan ringkasan dari
beberapa sumber yang berbeda yang telah penulis cantumkan dalam karya tulis
ini. Apabila dikemudian hari dapat dibuktikan karya tulis ini merupakan hasil
jiplakan, maka penulis bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang telah
dibuat.
Surakarta,....................2018
Yang menyatakan
Gilang Yudha Mahardhika
vi
MOTTO
“ Suatu saat pasti kita bertemu kesulitan, anggap saja kesulitan itu sebagai tembok
yang menghalangi anda di tengah jalan, anda boleh saja menyerah dan berbalik,
namun anda akan menemui tembok tersebut lagi ketika anda akan mencoba
melewati jalan itu, atau anda memilih berusaha bagaimana caranya menggempur
tembok itu meskipun perlahan hingga tembok tersebut hancur ”
“ karena paku pada tapal kuda lepas maka kuda akan berlari lebih lambat, karena
kuda berlari lebih lambat maka surat yang di antarkan kuda datang tidak tepat
waktu, karena surat yang datang terlambat tersebut sebuah negara mengalami
kekalahan dalam peperangan, sekecil apapun suatu masalah, akan menjadi
masalah serius di kemudian hari, maka selesaikan apapun itu meskipun hal
tersebut terlihat sepele di mata anda “
“ pernah mendengar kata aksi = reaksi ?, menurut saya hal tersebut adalah nyata,
bagaimanapun perbuatan yang anda lakukan, kebaikan yang anda perbuat, usaha
yang anda perjuangkan akan berbanding lurus dengan apa yang akan anda
dapatkan, maka berbuatlah baik, berusahalah sungguh sungguh, senantiasa berdoa
maka anda akan mendapatkan hasil yang baik pula “
“ hidup kita hanyalah sebentar di dunia ini, dan tiap mahluk benyawa di dunia ini
tak tahu kapan mencapai batas usianya, maka berusahalah, berbuatlah,
bertindaklah, bersungguh sungguhlah seolah olah nyawa kita akan di ambil di
esok hari “
vii
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan rasa bahagia dan bangga karya sederhana ini dapat terselesaikan dan saya
persembahkan kepada :
1. Allah SWT dan Nabi Muhammad SAW.
2. Kepada kedua orang tua saya yang telah membesarkan saya, mendukung
saya secara materi dan secara psikis, mendoakan saya dan selalu memberi
semangat dalam berbagai bentuk.
3. Kepada adik dan kerabat saya yang memberi semangat serta doanya.
4. Seluruh rekan rekan teknik mesin universitas muhammadiyah surakarta.
Semoga tugas akhir ini membawa manfaat, saya selaku penulis mengucapkan
terimakasih.
viii
ABSTRAK
Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger Tipe Shell And Tube, Cross-
Flow 4 Pass Unmixed Dengan Variasi 3 Dan 6 Circular Fin Tube
Untuk Mengeringkan singkong
Heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk memindahkan panas atau
kalor antara dua fluida atau lebih tanpa terjadinya pencampuran (kontak langsung)
antara fluida tersebut. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui
pengaruh volume flow rate fluida dingin terhadap perubahan temperatur fluida
dingin, perubahan laju kalor yang diterima fluida dingin, koefisien perpindahan
kalor total, efisiensi heat exchanger, dan perubahan massa beban pengeringan
berupa singkong pada Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger Tipe Shell
and Tube, Cross-flow 4 Pass Unmixed Dengan Variasi 3 dan 6 Circular Fin
Tube.
Aliran yang digunakan merupakan aliran menyilang, dimana fluida
dingin dialirkan menuju heat exchanger melalui tube. Fluida dingin tersebut akan
menerima kalor dari fluida panas yang dihasilkan dari proses pembakaran gas
LPG. Fluida panas dialirkan pada shell heat exchanger. Fluida dingin yang telah
dialirkan dalam tube heat exchanger dan menerima kalor tersebut akan keluar
menuju mesin pengering yang digunakan untuk mengeringkan singkong sebagai
beban pengeringan.
Pada Heat Exchanger Tipe Shell and Tube, Cross-flow 4 Pass Unmixed
Dengan Variasi 3 circular fin tube, hasil optimal diperoleh pada fluida dingin
dengan volume flow rate 0.027 m3/s dengan perubahan massa singkong sebesar
154 gr, laju kalor yang diterima fluida dingin sebesar 2104,9 Watt, dan efisiensi
heat exchanger 30,0 %. Pada Heat Exchanger Tipe Shell and Tube, Cross-flow 4
Pass Unmixed Dengan Variasi 6 circular fin tube, hasil optimal diperoleh pada
fluida dingin dengan mass flow rate 0.023 Kg/s dengan perubahan massa
singkong sebesar 268,0 gr, laju kalor yang diterima fluida dingin sebesar 1986,6
Watt, dan efisiensi heat exchanger 28,3 %.
Kata kunci: heat exchanger, fin, volume flow rate, kalor, fluida
ix
ABSTRACT
Studi Eksperimen Performansi Heat Exchanger Tipe Shell And Tube, Cross-
Flow 4 Pass Unmixed Dengan Variasi 3 Dan 6 Circular Fin Tube
Untuk Mengeringkan singkong
Heat exchanger is an equipment used to move heat between two fluids or more
without the occurrence of mixing (direct contact) between the fluids. The purpose
of this research is to know the effect of cold fluid volume flow rate to cold
temperature change of fluid, change of heat rate received cold fluid, total heat
transfer coefficient, heat exchanger efficiency, and change of curing load mass in
the form of cassava at performance experiment study of heat exchanger shell and
tube type, cross-flow 4 pass unmixed with variation of 3 and 6 circular fin tube.
The flow used is a crossed stream, where cold fluid is flowed to the heat
exchanger through the tube. The cold fluid will receive the heat from the hot fluid
generated from the LPG gas combustion process. Hot fluid is flowed on a heat
exchanger shell. The cold fluid that has been flowed in the heat exchanger tube
and receives the heat will go out to the drying machine used to dry the cassava as
a drying load.
In performance experiment study of heat exchanger shell and tube type,
cross-flow 4 pass unmixed with variation of 3 circular fin tube, the optimum result
is obtained in cold fluids with mass flow rate of 0,027 m3/s with the change of
cassava mass of 154 gr, the heat rate received by cold fluida of 2104,9 Watt and
efficiency of heat exchanger 30,0%. In performance experiment study of heat
exchanger shell and tube type, cross-flow 4 pass unmixed with variation of 6
circular fin tube, the optimum result is obtained in cold fluid with a mass flow rate
of 0.023 Kg / s with a change of cassava mass of 268,0 gr, heat receiving rate of
1986,6 Watt, and heat exchanger efficiency of 28,3%.
Keywords: heat exchanger, fin, volume flow rate, heat, fluid
x
KATA PENGANTAR
Puji syukur atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan
segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir
ini dengan tepat waktu dan tanpa halaman berarti yakni dengan judul “ Studi
Eksperimen Performansi Heat Exchanger Tipe Shell And Tube, Cross-Flow 4
Pass Unmixed Dengan Variasi 3 Dan 6 Circular Fin Tube Untuk Mengeringkan
singkong ”
Tugas akhir ini disusun guna memenuhi salah satu syarat
menempuh gelar sarjana teknik pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Selama proses penyusunan Tugas Akhir penulis sadar bahwa
banyak hambatan dan kesulitan yang dialami. Bantuan semangat dan dorongan
serta bantuan baik materiil maupun non materiil tidak lepas dari jasa berbagai
pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penyusun menyampaikan ucapan
terima kasih kepada :
1. Allah SWT yang senantiasa melimpahkan rahmat, nikmat, karunia dan
kasih sayang-Nya.
2. Ibu dan Ayah atas segala perhatian, doa, dan dukungan baik secara
materi dan non materi yang telah di berikan.
3. Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT, Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
4. Bapak Ir. Subroto, MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Surakarta
5. Bapak Ir. Sartono Putro, MT. Selaku pembimbing utama dan penguji
pendadaran yang telah memberikan kritik dan saran yang bersifat
membangun dalam proses penelitan dan penyusunan tugas akhir ini.
6. Bapak Ir. Agus Hariyanto, MT. Selaku penguji seminar hasil dan penguji
pendadaran yang telah banyak memberikan masukan yang bermanfaat.
xi
7. Bapak Nurmuntaha A, ST., MT selaku penguji pendadaran yang telah
memberi dukungan, memberi masukan dan wawasan ilmu yang
bermanfaat.
8. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah
Surakarta yang begitu banyak memberikan pengetahuan yang tiada
ternilai.
9. Seluruh staf dan karyawan yang telah memberikan pelayanan dan
fasilitas dalam terwujudnya tugas akhir ini.
10. Seluruh rekan rekan Mahasiswa Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Surakarta yang telah berjasa besar dalam proses
penelitian dan penulisan tugas akhir.
11. Vitha vidianingrum, Amd. Kep. Yang telah berjasa dalam proses
penulisan tugas akhir serta saran yang bersifat membangun.
12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah
membantu penulis dalam penyusunan tugas akhir ini.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penyusunan Tugas Akhir ini masih
jauh dari sempurna yang disebabkan keterbatasan penulis. Dengan lapang hati
penulis menerima masukan demi perkembangan dan kemajuan pengetahuan di
masa mendatangsekaligus demi sempurnanya tugas akhir ini.
Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bernanfaat bagi
penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.
Surakarta, ....., .................... 2018
Penulis
Gilang Yudha Mahardhika
xii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .................................................................................... i
LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR ............................................................. ii
HALAMAN PERSETUJUAN..................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... iv
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ..................................................... v
LEMBAR MOTTO ...................................................................................... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN................................................................... vii
ABSTRAKSI ................................................................................................. viii
ABSTRACTS ................................................................................................ ix
KATA PENGANTAR .................................................................................. x
DAFTAR ISI ................................................................................................. xi
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xii
DAFTAR TABEL......................................................................................... xiii
DAFTAR GRAFIK ...................................................................................... xiv
DAFTAR RUMUS ....................................................................................... xv
DAFTAR SIMBOL ...................................................................................... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ xvii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah ........................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah................................................................................. 4
1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................... 6
xiii
1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................. 6
1.6 Sistematika Penulisan......................................................................... 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................. 9
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................................ 9
2.2 Landasan Teori ................................................................................... 10
2.2.1 Definisi Heat Exchanger ................................................... 10
2.2.2 Analisa Heat Exchanger ........................................................... 11
2.2.3 Teori Kesetimbangan Kalor ..................................................... 14
2.2.4 Perpindahan Panas Gabungan Antara Knduksi dan Konveksi 15
2.2.5 Metode Effectiveness – NTU ............................................. .... 17
2.2.6 Fin ( Sirip ) .......................................................................... .... 21
BAB III MTODOLOGI PENELITIAN ..................................................... 22
3.1 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 22
3.2 Studi Literatur .................................................................................... 23
3.3 Bahan dan Alat ................................................................................... 23
3.3.1 Bahan Penelitian.................................................................. 23
3.3.2 Alat Alat Penelitian ............................................................. 26
3.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 33
3.5 Hasil Pengujian ................................................................................. 35
3.6 Analisa Data dan Pembahasan .......................................................... 35
3.7 Kesimpulan ....................................................................................... 36
xiv
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...................................................... 37
4.1 Dimensi Heat Exchanger .................................................................... 37
4.2 Data Hasil Pengujian Heat Exchanger ............................................... 38
4.3 Analisa Perhitungan ........................................................................... 39
4.4 Hasil Analisa Perhitungan .................................................................. 48
4.5 Pembahasan ........................................................................................ 51
BAB V KESIMPULAN................................................................................ 58
5.1 Kesimpulan......................................................................................... 58
5.2 Saran .............................................................................................. 59
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................... 61
LAMPIRAN
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan Panas Gabungan Pada Pipa ................................... 15
Gambar 2.2 Diagram Efektivitas-NTU Heat Exchanger Cross Flow One
Fluid Mix (Holman, 2010) .........................................................19
Gambar 2.3 Tabel Persamaan Efektivitas-NTU Heat Exchanger (Holman,
2010)............................................................................................ 20
Gambar 2.4 Jenis-Jenis Sirip (Holman 2010) ................................................ 21
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................. 22
Gambar 3.2 Tabung Gas LPG 3 Kg ............................................................... 24
Gambar 3.3 Singkong..................................................................................... 25
Gambar 3.4 Heat Exchanger tipe shell and tube, cross-flow unmixed,
finned tube ................................................................................... 26
Gambar 3.5 Heat Exchanger Variasi 3 Fin .................................................... 26
Gambar 3.6 Heat Exchanger Variasi 6 Fin .................................................... 27
Gambar 3.7 Rotary Dryer ............................................................................... 27
Gambar 3.8 Blower Sentrifugal 2 inchi ......................................................... 28
Gambar 3.9 Kompor (burner) ...................................................................... 29
Gambar 3.10 Reader Thermocouple .............................................................. 30
Gambar 3.11 Thermocouple Analog .............................................................. 30
Gambar 3.12 Anemometer ............................................................................. 31
Gambar 3.13 Timbangan Digital.................................................................... 31
Gambar 3.14 Timbangan Analog ................................................................... 32
Gambar 3.15 Stopwatch ................................................................................. 32
Gambar 4.1 diagram NTU ............................................................................. 47
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Heat Exchanger Varisi 3 Fin ....................... 38
Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Heat Exchanger Varisi 6 Fin ....................... 39
Tabel 4.3 Lampiran A-15 Appendix 1 ........................................................... 40
Tabel 4.4 Lampiran A-15 Appendix 1 ........................................................... 41
xvii
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Pengaruh volume flow rate ( c) fluida dingin terhadap perubahan
temperatur fluida dingin (ΔTc) pada heat exchanger 3 fin tube dan 6
fin tube ......................................................................................... 52
Grafik 4.2 Pengaruh volume flow rate ( c) fluida dingin terhadap laju kalor yang
diterima oleh fluida dingin ( ) pada heat exchanger 3 fin tube dan 6
fin tube ........................................................................................... 53
Grafik 4.3 Pengaruh volume flow rate ( c) fluida dingin terhadap koefisien
perpindahan kalor total (U) pada heat exchanger 3 fin tube dan 6 fin
tube ................................................................................................ 54
Grafik 4.4 Pengaruh volume flow rate ( c) fluida dingin terhadap efisiensi heat
exchanger (η) pada heat exchanger 3 fin tube dan 6 fin tube ....... 55
Grafik 4.5 Pengaruh volume flow rate ( c) fluida dingin terhadap perubahan
massa singkong (Δms) sebagai beban pengeringan menggunakan heat
exchanger 3 fin tube dan 6 fin tube ............................................... 56
xviii
DAFTAR RUMUS
Rumus 2.1 Mencari Nilai Kalor Fluida .......................................................... 12
Rumus 2.2 Teori Kesetimbangan Kalor ......................................................... 15
Rumus 2.3 Hambatan Total............................................................................ 16
Rumus 2.4 Menentukan Nilai Koefisien Perpindahan Kalor total ................. 16
Rumus 2.5 Menentukan Angka Reynold ....................................................... 16
Rumus 2.6 Menentukan Angka Nusselt ......................................................... 17
Rumus 2.7 Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Koneveksi ............... 17
Rumus 2.8 Menentukan Efektivitas ............................................................... 18
Rumus 2.9 Menentukan Laju Perpindahan Kalor Aktual .............................. 18
Rumus 2.10 Menentukan Laju perpindahan kalor maksimal......................... 18
Rumus 2.11 Menentukan Harga Terkecil C ................................................... 18
Rumus 2.12 Menentukan Harga Terkecil C ................................................... 18
Rumus 2.13 Menentukan Nilai C ................................................................... 19
Rumus 2.14 Menentukan NTU ..................................................................... 20
xix
DAFTAR SIMBOL
Simbol
q : Perpindahan kalor (J) atau (W)
m : Massa (Kg)
: Massa Fluida (Kg/s)
Cp : Kalor Jenis Benda (KJ/KgK)
ΔT : Perubahan Suhu (K)
K : Konduktivitas Thermal (W/m2K)
A : Luas Permukaan (m3)
Rwall : Hambatan Pada Dinding
h : Koefisien Perpindahan Kalor (W/m2K)
U : Koefisien Perpindahan Kalor Total (W/m2K)
Re : Bilangan Reynold
µ : Viskositas Absolut Fluida (Kg/m.s)
v : Viskositas Kinematik Fluida
Nu : Bilangan Nusselt
F : Faktor Koreksi
ΔTLMTD : Perbedaan Temperatur Rata Rata Logaritma (K)
P : Rasio Temperatur P
R : Rasio Temperatur R
Ɛ : Keefektifan Perpindahan Kalor
Qmax : Perpindahan Kalor Maksimal (W)
xx
C : Kapasitas Kalor (W/K)
NTU : Number of Transfer Unit
Ƞ : Efisiensi (%)
Q : Debit (m3/s)
Subskrip
c : Cool
h : Hot
xxi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Tabel A-15 appendix 1 properties of air at 1 atm pressure
Lampiran 2 Effectiveness for Heat Exchanger
Lampiran 3 Diagram titik pengaruh volume flowrate fluida dingin terhadap laju
kalor yang di terima fluida dingin
Lampiran 3 Diagram titik pengaruh volume flowrate fluida dingin terhadap
efisiensi Heat Exchanger .
Lampiran 4 Diagram titik pengaruh volume flowrate fluida dingin terhadap
koefisien perpindahan kalor total
Lampiran 4 Diagram titik pengaruh volume flowrate fluida dingin terhadap
perubahan masa singkong
Lampiran 5 Diagram titik pengaruh volume flowrate fluida dingin terhadap
perubahan temperatur fluida dingin
Lampiran 6 Heating values of hydrogen and fuels