7/23/2019 elektronika 2014
1/16
ANALISA PERFORMANSI ALAT PENUKAR KALOR
(HEAT EXCHANGER)TYPE SHELL AND TUBEDI PLTA RENUN
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan
Program Pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik
Oleh
MODISSYA GABRIELLA VINAFADIHOZA SARAGIH
1105052084
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI MEDAN
MEDAN
2014
7/23/2019 elektronika 2014
2/16
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah S.W.T atas rahmat dan
karunia-Nya sehingga penulis dapat meneylesaikan laporan tugas akhir ini sesuai
dengan waktu yang ditentukan oleh Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan
Teknik Mesin.
Adapun judul dari laporan tugas akhir ini ialah ANALISA
PERFORMANSI ALAT PENUKAR KALOR (HEAT EXCHANGER) TIPE
SHELL AND TUBE di PLTA RENUN. Laporan tugas akhir ini penulis susun
sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri
Medan.
Dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini penulis telah mendapat
dukungan yang luar biasa besarnya dari berbagai pihak baik itu berupa materil,
motivasi, informasi dan doa sehingga penulis termotivasi untuk memberikan yang
terbaik. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang luar biasa
kepada:
1. Bapak M. Syahrudin, S.T, M.T., Direktur Politeknik Negeri Medan;
2. Bapak Idham Kamil, S.T, M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin;
3. Bapak Ir. Abdul Razak, M.T., Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi;
4.
Bapak Aulia Salman, S.T, M.T., Sekretaris Jurusan Teknik Mesin;
5.
Bapak Abdi Hanra Sebayang, S.T, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah
meluangkan waktu dan tenaga dalam memberikan saran dan arahan kepada
penulis;
6. Bapak Ir. Silmi, M.T., Wali Kelas EN 6D;
7.
Kedua orangtua penulis yang tercinta Jahormat Saragih dan Yulizar Hanif,
SE. yang tidak pernah berhenti untuk selalu memberikan dukungan kepada
penulis;
7/23/2019 elektronika 2014
3/16
vi
8.
Seluruh Dosen Pengajar di Jurusan Teknik Mesin, Teknik Konversi Energi
terutama Bapak Suprapto, Ibu Rahmawati, Bapak Darwis, Bapak Husein,
Bapak Isman, Bapak Rufinus. Dosen-Dosen favorit saya;
9. Adik Adik saya tercinta Jarenzhi Firjatullah Saragih dan Jovando Fawwaz
Rizqullah Saragih dan Seluruh Keluarga Besar;
10.Teman Teman susah senang saya, teman satu kelompok PKL, Mhd. Yunus
Lubis, M. Fahmisyah Putra Nst, Sutini Wulandari, Vika Ristiplimin Ginting;
11.
Sahabat Sahabat tercintaku yang selalu memberikan dukungan dansemangat, Okky, Ibun, Aci, Lizar, Ajik, Ian, Nugrah, Budi, Uti, Kak Depo,
Kak Gita, Ria Marissa, Ester, Lusi, Khesti, Peggy, Edo, Johannes, seluruh
teman-teman Rasikal Art, Fuiten;
12.
Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin dan Teknik Konversi Energi
khususnya angkatan tahun 2011 kelas EN-6A, EN-6B, EN-6C, terkhusus EN-
6D.
Penulis menyadari bahwa masih ada kekurangan dalam menyelesaikan
Laporan Tugas Akhir ini baik dari segi pembuatannya maupun dari segi
penyajiannya. Untuk itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang
sifatnya membangun demi kesempurnaan tugas akhir ini. Demikian Tugas
Akhir ini dibuat dengan harapan semoga berguna bagi semua pihak.
Medan, Agustus 2014
Hormat Penulis,
MODISSYA G.V SARAGIH
NIM. 1105052084
7/23/2019 elektronika 2014
4/16
vii
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS AKHIR ............................................................................ ii
LEMBAR PERSETUJUAN................................................................................... iii
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................... iv
KATA PENGANTAR ........................................................................................... v
DAFTAR ISI .......................................................................................................... vii
DAFTAR TABEL .................................................................................................. ix
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. x
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... xii
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN .............................................................. xiii
INTISARI ............................................................................................................... xiv
ABSTRACT ........................................................................................................... xv
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1
A. Latar Belakang ................................................................... 1
B. Perumusan Masalah ........................................................... 3
C.
Tujuan Tugas Akhir ........................................................... 3
D.
Manfaat Tugas Akhir ......................................................... 4
E. Metode Pengumpulan Data ................................................ 4
BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................... 5
A. Pandangan Umum Mengenai Alat Penukar Kalor ............. 5
B. Klasifikasi Penukar Kalor .................................................. 6
7/23/2019 elektronika 2014
5/16
viii
C.
Jenis Jenis Alat Penukar Kalor ........................................ 7
D.
Klasifikasi Alat Penukar Kalor Berdasarkan Konstruksi
Penukar Kalor..................................................................... 15
E. Klasifikasi Alat Penukar Kalor Berdasarkan Mekanisme
Perpindahan Panas ............................................................. 22
F. Klasifikasi APK Menurut Susunan Aliran Fluida .............. 24
G.
Jumlah Lintasan Pada Alat Penukar Kalor ........................ 26
H.
Komponen Komponen Heat Exchanger.......................... 29I. Beda Temperatur Rata Rata Logaritma (LMTD)............ 43
J. Faktor Pengotoran (Fouling Factor) ................................... 45
BAB III PEMBAHASAN ............................................................................ 51
A. Konstruksi Alat Penukar Kalor Di PLTA Renun ............... 51
BAB IV ANALISA DATA .......................................................................... 66
A. Data Spesifikasi .................................................................. 66
BAB V PENUTUP ...................................................................................... 88
A. Kesimpulan ........................................................................ 87
B. Saran ................................................................................... 87
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
7/23/2019 elektronika 2014
6/16
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 1 : Perbandingan Dari Susunan TubeAlat Penukar Kalor.36
7/23/2019 elektronika 2014
7/16
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 : Chiller ........................................................................................... 7
Gambar 2.2 : Condenser .................................................................................... 8
Gambar 2.3 : Cooler ........................................................................................... 9
Gambar 2.4 : Evaporator .................................................................................... 10
Gambar 2.5 : Reboiler ........................................................................................ 11Gambar 2.6 : Heat Exchanger ............................................................................ 12
Gambar 2.7 : Vaporizer Sirkulasi Paksa ............................................................ 12
Gambar 2.8 : Vaporizer Sirkulasi Alamiah ........................................................ 13
Gambar 2.9 : Heater ........................................................................................... 14
Gambar 2.10 : Superheater................................................................................... 14
Gambar 2.11 : Ekonomizer .................................................................................. 15
Gambar 2.12 : Konstruksi Alat Penukar Kalor jenis Shell and Tube .................. 16
Gambar 2.13 : Alat Penukar Kalor Jenis Pipa Ganda .......................................... 18
Gambar 2.14 : Koil Pipa Heat Exchanger ............................................................ 19
Gambar 2.15 : Heat Exchanger Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section) .......... 20
Gambar 2.16 : Alat Penukar Kalor Jenis Spiral ................................................... 20
Gambar 2.17 : Alat Penukar Kalor Jenis Lamella ............................................... 21
Gambar 2.18 : Alat Penukar Kalor Jenis Gasket Plate ........................................ 22
Gambar 2.19 : Aliran Sejajar (Parallel Flow) ................................................... 24
Gambar 2.20 : Aliran Berlawanan (Counter Flow)........................................... 25
Gambar 2.21 : Unmixed Crossflow ..................................................................... 25
Gambar 2.22 : Mixed Unmixed Crossflow ....................................................... 26
Gambar 2.23 : Alat penukar kalor 1-1 pass, dan aliran berlawanan arah ............ 27
Gambar 2.24 : APK laluan 1-2 dengan counter parallel flow floating head ..... 28
Gambar 2.25 : Konstruksi-konstruksi shell berdasarkan TEMA ......................... 30
Gambar 2.26 : Tube dengan susunan segitiga (Triangular pitch)....................... 33
7/23/2019 elektronika 2014
8/16
xi
Gambar 2.27 : Tube dengan susunan segitiga diputar 30o................................... 34
Gambar 2.28 : Tube dengan susunan bujur sangkar ............................................ 34
Gambar 2.29 : Tube dengan susunan bujur sangkar diputar 45o......................... 34
Gambar 2.30 : Sekat segmen tunggal................................................................... 38
Gambar 2.31 : Sekat segmen ganda ..................................................................... 38
Gambar 2.32 : Sekat segmen triple ...................................................................... 39
Gambar 2.33 : Sekat segmen dimana tidak terdapat tube pada jendela sekat ...... 39
Gambar 2.34 : Sekat cakram dan donat ............................................................... 39Gambar 2.35 : Sekat orifis ................................................................................... 40
Gambar 2.36 : Sekat batang (rod baffle) .............................................................. 41
Gambar 3.1 : Sistem aliran fluida pada alat penukar kalor ................................ 51
Gambar 3.2 : Distribusi suhu dalam penukar kalor aliran berlawanan arah ...... 57
Gambar 3.3 : Grafik faktor koreksi .................................................................... 58
7/23/2019 elektronika 2014
9/16
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 : Sifat sifat fisik air
Lampiran 2 : Sifat sifat zat cair jenuh
7/23/2019 elektronika 2014
10/16
xiii
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN
U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh
Nb = Jumlah baffle
TLMTD = Selisih temperatur rata-rata logaritmik
Cpc = Panas jenis air [kJ/kg K]
Cph = Panas jenis minyak pelumas [J/kg K]
Pt = Jarak tube dari pusat (m)v = Kecepatan oli [m
2/s]
Re = Bilangan Reynold
Nu = Bilangan Nusselts
Q = Laju aliran perpindahan panas [W]
At = Luas perpindahan panas total [m2]
L = Panjang tabung [m]
Tci = Suhu masuk air []
Tco = Suhu keluar keluar []
Thi = Suhu oli masuk []
Thi = Suhu oli keluar []
Ma = Laju aliran air [kg/s]
Mo = Laju aliran oli [kg/s]
Ds = Diameter dalam shell [mm]
Do = Diameter luar tube [mm]
Di = Diameter dalam tube [mm]
Ps = Tekanan dalam (shell) [bar]
7/23/2019 elektronika 2014
11/16
xiv
INTISARI
Alat penukar kalor merupakan salah satu alat yang dipergunakan untuk
perpindahan energi dalam bentuk panas antara 2 fluida yang berbeda suhunya. Fluida
yang saling bertukar energi tersebut dapat merupakan 2 fluida yang berbeda fasanya
(cair - gas) atau fasa yang sama (cair cair atau gas gas) dan fluida juga dapat
bertukar energi dengan satu jenis fluida saja.
Pada Laporan Tugas Akhir ini, alat penukar kalor yang digunakan di PLTARenun ialah APK shell and tube tipe pipa ganda aliran berlawanan arah (counter
flow)dengan 1-2 pass.Alat penukar kalor tipe shell and tube ini difungsikan untuk
mendinginkan oli upper dan thrust guide bearingGenerator Sinkron 41 MW dengan
mengunakan fluida air. Q = 240000W, LMTD = 16,50, L = 2,22m, = 55%.
Kata Kunci: Alat penukar kalor Shell and tube
7/23/2019 elektronika 2014
12/16
xv
ABSTRACT
Heat exchanger is one of the equipment that used for heat transferring
between 2 fluid which has different temperatures. The fluid could be a different phase
fluid (liquid gas) or same phase (liquid liquid or gas gas) or fluid also could
exchange with the same kind of fluid.
In this last assignment, PLTA Renun is using shell and tube heat exchanger
double pipe counter flow type with 1-2 pass. This shell and tube heat exchanger have
function for coolling upper oil and thrust guide bearing of generator sinkron 41MW
by using water fluids. Q = 240000W, LMTD = 16,50, L = 2,22m, = 55%.
\Keyword: Shell and Tube Heat Exchanger
7/23/2019 elektronika 2014
13/16
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan
untuk memindahkan energi panas antara 2 (dua) fluida yang berbeda suhunya
tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun pendingin.
Fluida yang saling bertukar energinya tersebut dapat dapat merupakan 2 (dua)
fluida yang berbeda fasenya (cair gas) atau mempunyai fase yang sama (cair
cair atau gas gas) dan dapat merupakan satu jenis fluida saja.
Energi dapat berpindah dalam bentuk panas dari suatu zat ke
lingkungannya atau zat lain apabila di antara kedua zat tersebut beda
temperaturnya. Jadi beda temperatur merupakan potensial utama terjadinya
perpindahan energi dalam bentuk panas yang sering atau lebih popular di singkat
dengan perpindahan panas saja.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung,
yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin
tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas
dan fluida dingin tidak berhubungan lansung tetapi dipisahkan oleh sekat sekat
pemisah.
Sesuai dengan fungsinya, alat penukar kalor diperlukan untuk sistem
sistem yang berkaitan dengan pemakaian energi, oleh karena itu pemakaian alat
ini sangat luas. Di industri proses termal seperti petrokimia, industri makanan,
baja, kimia dasar, industri agro dan pembangkit energi baik dari segi jumlah
maupun nilai pemakaian alat penukar kalor perananannya cukup penting. Dengan
7/23/2019 elektronika 2014
14/16
pertumbuhan di sektor industri yang semakin cepat, kebutuhan untuk alat penukar
kalor akan semakin meningkat. Oleh karena itu, penelitian pada berbagai tipe
penukar kalor untuk mendapatkan suatu penukar kalor yang mempunyai prestasi
kerja yang baik terus dilakukan.
Efektivitas dari alat penukar kalor didefinisikan sebagai perbandingan
antara perpindahan kalor nyata dengan perpindahan kalor maksimum yang
mungkin terjadi. Perpindahan kalor nyata dengan kalor maksimum yang mungkin
terjadi. Perpindahan kalor nyata merupakan perpindahan kalor yang diterima
fluida dingin. Sedangkan perpindahan kalor maksimum mungkin terjadi bila satu
fluida mengalami perbedaan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat
dalam alat penukar kalor tersebut, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas
dan fluida dingin. Untuk Alat Penukar Kalor (APK) yang baik harus mempunyai
efektivitas yang tinggi yang dipengaruhi oleh bentuk pipa, temperatur dan
kecepatan dari udara masuk baik dingin maupun panas serta keadaan lingkungan.
Salah satu tipe dari alat penukar kalor yang banyak dipakai adalah Shell
and Tube Heat Exchanger. Alat ini terdiri dari sebuah shellsilindris di bagian luar
dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam, dimana temperatur fluida di
dalam tube bundleberbeda dengan di luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi
perpindahan panas antara aliran fluida di dalam tube dan di luar tube. Adapun
daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tubedisebut dengan tube sidedan
yang di luar tubedisebut shell side.
Didasarkan atas definisi definisi yang menjelaskan tentang Alat Penukar
Kalor dan karena alat penukar kalor telah dibahas pada mata kuliah Mesin Fluida
dan Perpindahan Panas pada semester sebelumnya, maka penulis tertarik untuk
mengangkatnya sebagai judul dan bahasan dalam Laporan Tugas Akhir. Adapun
yang menjadi judul dari Laporan Tugas Akhir tersebut adalah Analisa
7/23/2019 elektronika 2014
15/16
Performansi Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) Tipe Shell And Tubedi PLTA
Renun.
B. Perumusan Masalah
Pada laporan tugas akhir analisa performansi alat penukar kalor (Heat
Exchanger) tipe shell and tube ini, penulis membatasi masalah yang akan dibahas
yaitu:
1. Apa saja jenis jenis dari APK?
2. Bagaimana mengetahui efektivitas alat penukar kalor tipe shell and tube?
C. Tujuan Tugas Akhir
Adapun yang menjadi tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah:
1. Untuk mengetahui jenis jenis dari APK.
2. Untuk mengetahui prinsip kerja APK tipe shell and tube.
3. Untuk mengetahui efektivitas APK di PLTA Renun.
4. Untuk mengetahui panjang dari APK.
5. Untuk mengetahui kaitan Hukum Thermodinamika dan Heat Transfer
dengan APK.
7/23/2019 elektronika 2014
16/16
D. Manfaat Tugas Akhir
Adapun manfaat dari penulisan Tugas Akhir ini adalah:
1. Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan khususnya ilmu perpindahan
panas.
2. Membantu para pembaca yang ingin menambah pengetahuan tentang ilmu
perpindahan panas dan thermodinamika.
E. Metode Pengumpulan Data
Pengumpulan data mengenai analisa tugas akhir ini diperoleh penulis
dengan cara:
1.
Data yang diperoleh penulis dalam penyusunan tugas akhir ini didapat dari
pengambilan data akurat di PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan
Pandan Sibolga Unit PLTA Renun, Desa Silalahi Kabupaten Dairi,
Sumatera Utara.
2. Studi Literatur di Politeknik Negeri Medan dan juga dari berbagai sumber
lainnya seperti internet dan buku mengenai alat penukar kalor dan
Thermodinamika.
3.
Konsultasi dengan Dosen Pembimbing.
4. Menganalisa data data tersebut untuk mendapatkan perhitungan
efisisensi APK tipe shell and tube.