BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Perpindahan Panas
2.1.2 Perpindahan Kalor konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi antara permukaan benda padat dengan fluida yang bergerak di mana diantara keduanya terdapat perbedaan
temperatur. Persamaan laju perpindahan kalor secara konveksi yang telah dianjurkan oleh Newton adalah sebagai berikut :
q = hc . A . ( tf – ts ) dengan catatan tf 〉 ts ...3 )
Dimana :
hc : Koefisien Konveksi ( W / m2 K ) tf : Temperatur fluida ( K )
ts : Temperatur permukaan ( K ) A : Luas permukaan ( m2 )
Untuk nilai ho udara pada konveksi bebas ( Free Convection ) dapat dicari dari persamaan rumus pada free convection yang akan dijelaskan pada Bab IV.
Hal ini berdasarkan pada literatur yang didapat yaitu buku perpindahan kalor J.P Hofman terbitan Erlangga.
3) Frank PI Dewitt, Third Edition, Fundamentals of Heat and mass transfer, New york, Hal . 313& P
12
Table typical value of the convection heat transfer coefficient...4 )
Process h ( W / m2 K )
Free Convection
Gases 2 – 25
Liquid 50 - 1000
Forced convection
Gases 25 - 250
Liquid 50 - 20000
Convection with phase change
Boiling or condensation 2500 - 100000
Sedangkan untuk h1 akan mengikuti keadaan steady state pada perpindahan panas yang terjadi, di mana batas – batasnya adalah di dalam konveksi paksa ( forced convection : 25 – 250 W / m2 K )
4) Frank PI & P Dewitt, Third Edition, Fundamentals of Heat and mass Transfer , New york, Hal. 9
13
Maka besarnya laju perpindahan kalor :
T1 - To
14
Karena analisa perpindahan panas yang terjadi diasumsikan steady state maka :
qi = qa = qb = qc = qo = q ...5)
Dari kelima persamaan di atas akan didapat hasil persamaan sebagai berikut :
5) Ir. M.J. Djokosetyardjo, edisi II, ketel uap, Jakarta, P.T Pradnya Paramita, hal. 31
6) Ibid
15
Dimana :
qi = Panas yang dirambatkan pada dinding lapisan bagian dalam
qA = Panas yang dirambatkan pada lapisan SS 400 qB = Panas yang dirambatkan pada lapisan glasswool qC = Panas yang dirambatkan pada lapisan plat SS 400 qo = Panas yang dirambakan pada lapisan bagian luar T = Temperatur ( K )
A = Luas penampang ( m2 ) X = Tebal lapisan ( m )
h = Koefisien konveksi ( W / m2K ) k = Koefisien konduksi ( W / m2K ) Untuk q dinyatakan dalam
Js atau Watt
Kuantitas Kalor
Jika suatu benda dikenakan suatu proses pemanasan , maka benda tersebut akan menyerap panas tersebut. Besarnya kalor yang diserap dicari dengan dengan rummus :
q = m . Δh Δh = cp . Δ T
16
Cp = Panas spesifik pada tekanan konstan ⎟
⎠⎞
2.3. Kuantitas Steam
Untuk menghitung besar dari kebutuhan steam dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
q =ms.hfg ...8)
7) Bueche. J Frederick, Edisi Kedelapan, Fisika, Erlangga, Jakarta, 1996, Hal 149
8) Lampiran, www.efunda.com
17
hfg = Nilai enthalpy spesifik ⎜⎝⎛ ⎟⎠⎞ Jkg
2.4 Valve
Dalam setiap instalasi perpipaan, valve digunakan untuk mengatur jalannya fluida yang mengalir. Ada beberapa jenis valve antara lain :
2.4.1 Ball valve / Gate valve
Ball valve biasa digunakan untuk mengatur masuk dan keluar dari fluida yang mengalir pada pipa. Jenis ini dijalankan dengan
memutar secara manual handle yang ada pada valve.
2.4.2 Steam trap
Valve ini dipakai untuk memisahkan steam dari steam yang terkondensasi, udara yang bercampur dengan steam, material gas yang tidak bisa terkondensasi seperti CO2.
18
2.4.3 Check valve
Valve ini digunakan untuk mengatur laju fluida sesuai arah yang diinginkan sehingga tidak terjadi laju fluida balik.
19
2.4.4 Control valve
Control valve digunakan untuk mengatur besar tekanan fluida yang masuk atau keluar.
2.4.5 Strainer
Valve ini digunakan untuk memisahkan fuida yang mengalir dari kotoran – kotoran yang terbawa.
20
2.4.6 Pressure gauge
Pressure gauge digunakan untuk mengetahui besar tekanan fluida yang mengalir dalam pipa.
21
BAB III
MESIN OVEN BASAH ( AUTOCLAVE )
3.1. Gambaran umum
Keterangan :
1. Oven ( Retort / Autoclave ) 2. Truck up - down
01
05
02
04
03
22
3. Truck mandrel A 4. Truck mandrel B 5. Instalasi perpipaan
3.2. Proses Kerja Mesin
Secara garis besar proses memasak dengan mesin oven ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Pintu oven yang digerakkan dengan sistem hidrolik dibuka.
2. Truck UP – DOWN dinaikkan.
3. Truck mandrel A yang sudah memuat produk dimasukkan ke dalam oven.
4. Truck UP – DOWN diturunkan selanjutnya pintu oven Ditutup.
5. Proses memasak ( ± 25 menit )
6. Proses masak selesai pintu oven dibuka selanjutnya TRUCK UP – DOWN dinaikkan.
7. Truck mandrel A dikeluarkan.
8. Truck mandrel B dimasukkan ke dalam Oven dan seterusnya.
9. Selama proses memasak operator melakukan bongkar pasang produk yang sudah masak dan yang akan di masak.
23
3.3. Bagian – bagian Autoclave dan Fungsinya
Sebagian besar bagian – bagian dari satu set mesin ini dibagi dalam 4 bagian, yaitu:
3.3.1. Instalasi Perpipaan
Bagian ini berfungsi untuk mengatur dan menyuplai steam dari main pipe atau dari sumber steam yaitu Boiler. Untuk mengetahui sistem kerja instalasi perpipaan yang ada di mesin oven basah ini dapat dilihat dalam gambar instalasi berikut :
24
25
Dalam instalasi di atas dibagi dalam 5 proses, yaitu : 3.3.1.1. Proses Vent
Proses ini berlangsung saat pertama kali yang fungsinya untuk membuang sisa Steam yang ada di oven ( retort / Autoclave ). Proses vent
berlangsung selama ± 90 detik. Gambar berikut adalah instalasi pipa pada proses Vent, yaitu:
3.3.1.2. Proses Steam in
Proses ini adalah proses memasak loading ± 19 menit. Berikut instalasinya :
Steam out
From Oven
26
PS P1
P1 P1
3.3.1.3.Proses Seal In
Proses ini berfungsi untuk memasukkan steam kedalam seal pintu yang berfungsi menekan seal pintu agar tidak terjadi kebocoran pada pintu.
Berikut gambar instalasinya:
To Oven Steam
in
Steam in
27
P1
3.3.1.4 Proses Drain
Proses drain adalah proses buang steam setelah proses masak selesai.
Proses ini berlangsung ± 4.5 menit. Berikut gambar instalasinya:
Steam in
To Oven
From Oven Steam
out
Steam out
28
3.3.1.5 Proses Seal out
Proses seal out berfungsi membuang steam yang menekan seal pintu agar pintu bisa dibuka. Proses ini berlangsung berbarengan dengan proses drain.
Berikut gambar instalasinya:
3.3.2. Retort
Retort adalah bagian utama dari Mesin Oven ini. Didalam bagian ini produk dimasak. Adapun spesifikasinya adalah:
- Panjang : 4000 mm - Diameter dalam : 1500 mm - Tebal dinding : 15 mm Steam
out
From Oven
29
- Isolasi dinding : Glasswool - Tebal Isolasi dinding : 50 mm - Material Isolasi : SS 400 - Material dinding : SS 400 Berikut gambar dari retort :
30
3.3.3. Truck Up – Down
Bagian ini berfungsi sebagai track untuk membawa lorry mandrel yang berisi produk. Truck ini bergerak naik – turun yang digerakkan dengan sistem hidrolik. Adapun spesifikasinya adalah:
Panjang : 4500 mm Lebar : 1200 mm Tinggi : 200 mm
Material : UNP 75, Plat 10mm
Silinder Hidrolik : Φ 80 Stroke 300 mm ( 2 Pcs )
3.3.4. Lorry Mandrel A dan B
Lorry ini berfungsi untuk memuat produk yang akan di masak. Lorry ini di masukkan ke dalam retort melalui truck up – down secara bergantian.
Adapun spesifikasinya adalah : Panjang : 3500 mm
Lebar : 1200 mm
Tinggi : 800 mm
Material : UNP 75, Preporate plat 10 mm, Siku Stainless
SUS 304.
Roda : Φ 120 mm ( 8 Pcs )
31
3.4. Macam – macam Pattern yang ada pada Mesin Autoclave
Pada mesin Autoclave ini pada dasarnya terbagi dalam dua patern yang dibedakan untuk kegunaan masing – masing. Patten – pattern ini didapat dari Standard Operation Procedure ( SOP ) yang ditetapkan di PT. IRC Inoac Indonesia. Adapun patern-patern tersebut adalah:
3.4.1. Pattern 1
Pattern ini disebut juga pattern pemanasan, di mana sesuai namanya digunakan untuk memanaskan Autoclave sebelum dimulai proses produksi. Pada Pattern ini Autoclave bekerja tanpa loading ( material produk ) dan berlangsung selama 15 menit. Dalam patern ini retort dan truck dipanaskan dengan tujuan menjaga suhu retort dan truck pada suhu 1000C sampai 1100C saat akan mulai memasak produk. Berikut gambar grafik hubungan antara suhu dan waktu pada Pattern 1.
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15
w aktu ( m enit )
tekanan ( bar )
32
3.4.2. Pattern 2
Pada pattern inilah proses masak produk dilaksanakan dimana proses ini berlangsung selama 35 menit. Perbedaan mendasar pattern 1 dari pattern 2 selain waktu juga suhu mulai masak dimana suhu mulai masak tidak dari 00 C tetapi dari suhu 1000C sehingga waktu masak jadi lebih efisien. Untuk melihat lebih jelas proses pada pattern 2 dapat dilihat pada grafik berikut:
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Waktu ( menit )
Tekanan ( bar )
33
BAB IV
ANALISA KEBUTUHAN STEAM
Sesuai dengan batasan masalah di Bab Pendahuluan maka yang akan di analisa adalah kebutuhan steam Autoclave ( Oven ) dalam satu kali masak yang berlangsung selama 25 menit dengan tekanan 6 bar . Adapun hal – hal yang harus diperhitungkan dalam menganalisa kebutuhan steam tersebut adalah:
1. Perhitungan Beban Kalor Autoclave ( Oven ).
2. Perhitungan Beban Kalor Produk.
3. Perhitungan Beban Kalor Mandrel.
4. Perhitungan Beban Kalor Truck.
5. Perhitungan Kebutuhan Steam total
Selanjutnya akan dibahas hal – hal tersebut di atas dengan menggunakan dasar – dasar teori yang ada, yaitu:
4.1. Perhitungan Beban Kalor Autoclave ( Oven )
Untuk menghitung beban kalor yang dibutuhkan oleh Autoclave diperkirakan memerlukan waktu dari 0 – 30 menit. maka digunakan rumus gabungan konveksi dan konduksi, yaitu:
34
Maka besarnya laju perpindahan kalor :
35
Karena perpindahan panas yang terjadi diasumsikan steady state, maka : qhi = qss = qgw = qpt = qho = q
Adapun data – data yang diperlukan antara lain:
k glasswool = 0,050
Untuk dinding Autoclave adalah silinder horisontal : Asumsi steady state,
Tebal SS 400 : 0,015 m Tebal glasswool : 0,05 m Tebal plat : 0,003 m
Luas permukaan dinding : ( 3,14 x 1,53 x 4 ) m2 + 2 ( 0,785 x 1,532 ) m2 : 19,2168 m2 + 3,675 m2
: 22,8918 m 2 Untuk mendapatkan nilai ho didapat dari:
Tf =
8) Daftar Lampiran
36 karena kondisi steady state, maka:
9) Holman, JP , Perpindahan kalor, hal.307
37
38
K m hi =326,3134562W 2
Jadi, Koefisien konveksi pada dinding bagian dalam hi = 326,31
K m
W 2 maka
perpindahan panas pada oven yang berbentuk silinder horisontal adalah:
T
Jadi, perpindahan panas pada oven sebesar 2,99 kW
4.2. Perhitungan Beban Kalor Produk
Dalam hal ini produk yang dimasak adalah Radiator hose di mana material mentahnya adalah karet ( rubber ). Untuk menghitung beban kalor produk diperkirakan dimulai dari 0 – 30 menit sehingga di gunakan rumus sebagai
berikut :
10) Daftar lampiran
39
T2 = Temperatur akhir produk ( 160 0C ) T1 = Temperatur awal produk ( 35 0C ) t = Waktu masak ( 30 menit )
Jadi, beban kalor untuk memasak produk karet tersebut adalah sebagai berikut :
Dengan demikian kebutuhan kalor untuk memanaskan produk tersebut adalah sebesar 15,35 kW.
4.3. Perhitungan Beban Kalor Mandrel
Untuk mandrel yang digunakan dalam proses masak produk terbuat dari bahan Aluminium, sehingga untuk menghitung beban kalor yang terjadi dihitung dengan rumus:
40
Jadi, beban untuk pemanasan mandrel adalah:
s
Jadi , besar energi yang dibutuhkan untuk memanaskan mandrel adalah sebesar 4,76 kW.
4.4. Perhitungan Beban Kalor Truck
Seperti telah dijelaskan dalam bab sebelumnya bahwa truck berfungsi untuk mengangkut produk yang akan dimasak. Dalam hal ini truck dipakai sebagai
11) Daftar Lampiran
41
tempat dudukan mandrel dan produk. Untuk truck ini material yang akan digunakan adalah SS 400, sehingga untuk menghitung beban kalor akibat pamanasan pada truck digunakan rumus:
t
Jadi, beban pemanasan untuk memanaskan truck adalah sebagai berikut :
s
12) Daftar Lampiran
42
Dengan demikian beban pemanasan kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan truck tersebut adalah 9,854 kW.
4.5. Perhitungan Kebutuhan Steam Total
Untuk menghitung kebutuhan steam total diperlukan data – data dari kebutuhan kalor total yang dipakai untuk memasak produk. Dalam hal ini kebutuhan kalor total didapat dari penjumlahan kebutuhan kalor retort ( oven ), Kebutuhan kalor produk, Kebutuhan kalor mandrel , dan Kebutuhan kalor truck.
Sehingga Kebutuhan kalor total dapat dirumuskan sebagai berikut:
truck
Sehingga untuk mencari jumlah kebutuhan steam dalam satu kali masak didapat dengan rumus:
Qtotal =ms.hfg Dimana:
Qtotal = Jumlah kebutuhan kalor total = 32,954 kW
ms = Jumlah Kebutuhan steam ( kg/h )
hfg = Enthalpy spesifik dari steam = 2,083 kJ/kg ...13)
13) Daftar Lampiran
43
Dari hasil di atas maka didapat kesimpulan bahwa besar kebutuhan steam untuk satu kali masak produk adalah 15,82
s
kg atau 56952 h
kg . Sehingga dari
data ini dapat digunakan untuk menghitung kebutuhan steam dalam 1 hari dengan catatan 1 hari terbagi dalam 3 shift dan 1 shift dapat memasak 7 kali, yaitu sebesar:
44
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil Analisa yang telah dilakukan, didapat kesimpulan dan saran-saran sebagai berikut:
Kesimpulan
Kesimpulan yang bisa diambil dari penulisan tugas akhir ini adalah:
Spesifikasi Autoclave
Jenis Autoclave : Oven basah
Panjang : 4000 ( mm )
Diameter dalam : Φ 1500 ( mm ) Tebal dinding : 15 ( mm ) Material dinding : SS 400 Tebal isolasi : 50 ( mm ) Material isolasi : Glasswool Patern yang ada : 2 jenis Sistem Control : Automatic Tekanan kerja : 5 – 6 bar
45
Spesifikasi Lorry masak
Panjang : 3500 mm Lebar : 1200 mm
Tinggi : 800 mm
Material : UNP 75, Preporate plat 10 mm, Siku Stainless SUS 304.
Roda : Φ 120 mm ( 8 Pcs )
Kapasitas Produk : 110 kg
Spesifikasi Produk
Material : Rubber jenis EPDM ρ : 1506 kg / m3
k
: 0.14 W. m-1.K-1
Proses kerja dalam instalasi perpipaan
Proses kerja instalasi perpipaan pada Autoclave ini terbagi dalam 56 proses yaitu :
1. Proses Vent 2. Proses Seal In 3. Proses Steam In 4. Proses Drain 5. Proses Seal Out
46
Besar Kebutuhan Steam
Besar kebutuhan steam dalam satu kali masak produk adalah sebesar:
s ms =15,82kg
h ms=56952kg
Besar Kebutuhan steam dalam 1 hari yang terbagi dalam 3 shift, 1 shift dapat memasak produk sebanyak 7 kali, maka :
15,82 3 7( )
Adapun saran – saran yang bisa penulis ungkapkan dalam penulisan Tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Adanya otomasisasi dalam proses kerja operator dalam hal menarik dan mendorong lorry ke dalam oven
2. Adanya kontrol terhadap hasil data grafis proses masak.
3. Adanya Autonomous Maintenance terhadap lorry tarik mandrel dan oven seperti : Kebersihan, pelumasan roda, visual kontrol.
4. Penyederhanaan instalasi perpipaan karena terlalu memakan banyak tempat
5. Mengurangi material pembuatan lorry tarik mandrel untuk mempercepat proses masak.
47
6. Adanya Pipa blowdown sendiri untuk satu mesin ini agar proses blowdown tidak banyak memakan waktu yang sekarang ± 5 menit.
7. Pemasangan flow meter untuk pipa masuk instalasi oven sehingga debit steam masuk ke oven dapat diketahui.