Made Ricki Murti1), N. Suarnadwipa2),
1Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung, 80361 Telp/Fax : 0361 703321, E-mail : [email protected]
2Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung, 80361
ABSTRAK
Pada penelitian ini telah didisain sebuah alat penukar panas, pipa tubular tanpa sirif untuk aplikasi pada pengering rumput laut. susunan pipa-pipanya adalah sebaris (aligned), dengan mengalirkan dua fluida kerja, gas panas hasil pembakaran dan udara sebagai fluida dingin, sehingga terjadi pertukaran panas dari flue gas ke udara. Flue gas dihasilkan dari pembakaran liquefied petroleum gas (LPg) pada burner. Laju aliran massa konsumsi bahan bakar divariasikan. data yang diambil meliputi: temperatur udara masuk dan keluar alat penukar panas, temperatur flue gas masuk dan keluar alat penukar panas, kecepatan aliran udara pengering, kecepatan aliran flue gas, dan laju aliran massa konsumsi bahan bakar. Performansi yang dianalisis meliputi: log mean temprature difference, nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan, number of transfer unit (nTU), efektifitas heat excahanger. Hasil menunjukkan bahwa efektifitas heat exchanger maksimum adalah 85,84%, terjadi pada saat laju aliran massa konsumsi bahan bakar adalah 2,0 gram/menit. Koefisien perpindahan panas keseluruhan dan perbedaan temperatur rata-rata logaritmik adalah meningkat dengan peningkatan laju aliran massa konsumsi bahan bakar. Kata kunci: penukar panas pipa tubular tanpa sirif, efektivitas penukar panas, pengering rumput laut, laju aliran
massa konsumsi bahan bakar
ABSTRACT
This study has designed an unfinned tubular heat exchanger for application on seaweed dryers. The arrangement of pipes was aligned, by flowing two working fluids: hot flue gas was produced from the burning and air as cold fluid, so heat exchanged from flue gas to air. Flue gas is generated from the burning of liquefied petroleum gas (LPg) on the burner. The mass flow rate of fuel consumption was varied. The data colected are: inlet and exit air temperatures of heat exchanger, inlet and exit flue gas temperatures of heat exchanger, velocity of drying air flow, velocity of flue gas flow, and mass flow rate of fuel consumption. The analyzed performance includes: log mean temprature difference, overall heat transfer coefficient, number of transfer unit (nTU), heat excahanger effectiveness. The results showed that the maximum effectiveness of heat exchanger was 85.84%, occurred when the mass flow rate of fuel consumption was 2.0 grams/min. The overall heat transfer coefficient and the logarithmic temperature difference increased with increasing of fuel consumption mass flow rate.
Keywords: aligned unfinned tubular heat exchanger, effectiveness, seaweed dryer system, mass flow rate of fuel consumption.
1. PENDAHULUAN
Heat exchanger (HE) merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk memindahkan panas dari fluida bertemperatur lebih tinggi ke fluida bertempratur lebih rendah. Pemakaian unit ini digunakan pada proses-proses pemanasan (heating processes) ataupun proses-proses pendinginan (cooling processes). secara umum unit ini banyak dijumpai pemakaiannya dalam industri besar, industri sedang maupun industri kecil, gedung, perkantoran, kegiatan komersil maupun dalam rumah tangga. Kapasitas heat exchanger dapat diklasifikasikan mulai dari kecil, menengah dan besar. Jenis atau tipe dari heat exchanger tergantung pada fluida kerja yang digunakan dan kapasitas perpindahan panas. Jenis heat exchanger yang ada antara lain concentric tube, shell and tube, finned tubular, dan unfinned tubular. Jenis alat perpindahan panas unfinned tubular merupakan sebuah alat penukar panas yang tersusun dari beberapa pipa tanpa sirip. Jenis ini memeliki bentuk yang sederhana, kapasitasnya menengah ke bawah, paling mudah dalam pabrikasinya dan fluida kerjanya dari gas ke gas dan dari liquid ke gas atau sebaliknya. susunan pipa diklasifikasikan menjadi dua yaitu susunan segaris (aligned) dan selang-seling (staggered). Performansi sebuah heat exchanger dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah jenis fluida kerja, kecepatan aliran fluida atau laju aliran massa fluida, temperatur
124
fluida, susunan pipa, material heat exchanger, tipe heat exchanger, faktor pengotoran (fouling factor) dan faktor-faktor lainnya.
rumput laut atau yang disebut gulma laut merupakan sumber daya hayati yang terdapat di wilayah pesisir dan laut. Manfaat rumput laut bagi kehidupan manusia adalah sebagai sumber makanan yang mengandung berbagai kandungan nutrisi dan baik untuk kesehatan. sumber daya ini biasanya dapat ditemui di perairan berasosiasi dengan ekosistem terumbu karang. Masyarakat pesisir di beberapa daerah dan pulau di indonesia banyak melakukan usaha budidaya rumput laut untuk menumbuhkan kehidupan ekonominya [gulma laut, 2017]. Agar terhindar dari kerusakan, sumber daya nabati ini membutuhkan sebuah proses sebelum dimanfatkan sebagai produk olahan. Proses yang dimaksud adalah proses pengeringan yang bertujuan untuk mengurangi kadar air produk agar bisa disimpan dalam waktu yang lama.
dalam proses pengeringan membutuhkan alat pengering. Terdapat berbagai tipe pengering dan berbagai sumber energi yang digunakan dan berbagai komponen pembantu yang digunakan. Berdasarkan kontak dengan media, sistem pengering dapat dibedakan menjadi dua yaitu direct (kontak langsung udara pengering dengan media) dan indirect (tidak kontak antara udara pengering dengan media). sumber-sumber energi yang digunakan diantaranya: steam, boimassa, minyak tanah, energi listrik, dan gas, radiasi matahari langsung, kolector surya dan yang lainnya. Komponen yang digunakan, salah satunya adalah heat exchanger.
Hasil penelitian sebelumnya sebelumnya mengenai pengeringan rumput laut menggunakan radiasi matahari langsung dan cabinet dryer menyatakan bahwa dengan cabinet dryer waktu pengeringan lebih cepat pada batas minimum sni yang ditetapkan [Evan Ch. Kumesan1 at al., 2017]. Hasil penelitian yang lain, yang menggunakan energi yang berbeda yaitu menggunakan kayu bakar dan kerosin untuk pengering kakao diperoleh bahwa kerosin lebih efektif, biaya ekonomis kayu bakar lebih murah, waktu pengeringan lebih cepat [Farel H. napitupulu at al., 2012]. Penggunaan sumber energi bahan bakar LPg untuk pengering pakain tipe tunnel dryer menghasilkan efisiensi tertinggi pada laju konsumsi bahan bakar terendah dan diperoleh laju pengeringan rata-rata 0,6 gram/sec [suarnadwipa at al., 2017].
Pada penelitian ini, tipe heat exchanger yang digunakan pada sistem pengering rumput laut adalah tipe aligned unfinned tubular heat exchanger. Fluida kerjanya adalah flue gas dan udara. Flue gas dihasilkan dari proses pembakaran liquefied petroleum gas (LPg). Udara yang dipanaskan digunakan sebagai fluida pengering. Unjuk kerja sebuah sistem pengering sangat dipengaruhi oleh performansi heat exchanger yang digunakannya. oleh karena itu dalam penelitian bertujuan untuk mendapatkan performansi terbaik unfinned tubular heat exchanger dengan memvariasikan laju massa konsumsi bahan bakar, laju massa udara pengering yang akan diaplikasikan pada pengering rumput laut
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan performansi staggered unfinned tubular heat exchanger yang terbaik dengan memvariasikan laju konsumsi bahan bakar sebagai sumber energi pada sistem pengering. Performansi meliputi log mean temprature difference (LMTd), koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), number of transfer unit (nTU), dan efektifitas heat excahanger.
2. METODE PENELITIAN
Alat yang digunakan dalam penelitian meliputi: timbangan digital, termokopel, stopwatch, anemometer, buner, fan, stsggered unfined heat exchanger, tunnel dryer. Bahan yang digunakan adalah LPg. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah laju aliran massa konsumsi bahan bakar. Variabel terikat meliputi log mean temprature difference (LMTd), koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), number of transfer unit (nTU), dan efektifitas heat excahanger. Variasi laju aliran massa komsumsi bahan bakar dilakukan 5 variasi yang meliputi 0,8 gram/menit, 1,2 gram/menit, 1,6 gram/menit, 2 gram/menit, dan 2,4 gram/menit, susunan pipa yang ditetapkan adalah susunan aligned dan kecepatan udara konstan 0,3 m/s.
rancangan penelitian ditunjukkan pada gambar 1. Prisip kerjanya adalah udara dialirkan melalui susunan tube heat exchanger, bahan bakar LPg dialirkan ke burner kemudian terjadi proses pembakaran, dari hasil pembakaran flue gas masuk ke dalam tube heat exchanger, kemudian udara keluar HE menuju tunnel driyer, sedangkan flue gas keluar HE menuju lingkungan. Parameter yang diukur meliputi pengukuran temperatur udara masuk heat exchanger (HE), temperatur udara keluar heat exchanger, temperatur flue gas masuk HE, temperatur flue gas keluar HE, massa konsumsi bahan bakar, waktu konsumsi bahan bakar, kecepatan udara, dan kecepatan flue gas.
gambar 1. rancangan Penelitian
Prosedur penelitian meliputi persiapan alat uji, meng on-kan fan, mengatur bukaan katup bahan bakar pada laju aliran massa bahan bakar yang telah ditentukan mulai dari yang rendah, menyalakan burner, setelah aliran stedi mencatat temperatur masuk dan keluaran heat exchanger yang terbaca pada indikator termokopel, mengukur kecepatan udara, mengukur kecepatan flue gas, menimbang massa konsumsi bahan bakar, mencatat waktu konsumsi bahan bakar. Pencatatan data dilakukan 5 menit selama 60 menit. Lakukan pengulangan sebanyak 3 kali. Ulangi langkah dari awal sampai akhir dengan variasi penambahan massa konsumsi bahan bakar berikutnya sampai variasi yang terakhir.
Persamaan matematis yang digunakan dalam pengolahan data untuk menentukan performansi aligned unfinned tubular heat exchanger ditentukan dengan persamaan bawah ini.
Laju aliran massa udara , adalah [robert W. Fox at al., 1973] : t u uV .A (kg/s) (1)
tA
luas penampang tube (m2).ρ = massa jenis udara (kg/m3)
Energi bahan bakar yang memasuki ruang pengering secara matematis dapat ditulis sebagai berikut [William C. reynolds at al., 1996]:
= bb . LHV (W) (2)
= energi bahan bakar yang diberikan (kJ/s) bb = laju aliran massa bahan bakar (kg/s) LHV= nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg)
Laju energi panas flue gas yang dilepas ditentukan dengan persamaan [incropera at al., 1996]:
(W) (3)
= laju aliran massa flue gas (kg/s) cp,f = kalor spesifik flue gas (J/kgK)
o f
T , temperatur flue gas keluar HE (oC)
i f
T , temperatur flue gas masuk HE (oC)
Laju perpindahan panas ke udara yang dimanfaatkan untuk menaikkan temperatur udara ditentukan dengan persamaan:
(W) (4)
= laju aliran massa udara (kg/s) cp,u kalor spesifik udara (J/kgK)
o u
126
i u
T, temperatur udara masuk HEr (oC)
Laju energi panas maksimal yang dimanfaatkan untuk menaikkan temperatur udara fluida ditentukan dengan persamaan:
(W) (5)
dimana, ̇= laju perpindahan panas maksimum (kg/s) Cmin =( min =kalor spesifik minimum (J/kgK) Tf,i =temperatur flue gas masuk HE (oC)
Tu,i = temperatur udara masuk HE (oC)
Efisiensi HE ( ), dihitung dengan persamaan [incropera at al., 1996]:
= (6)
Koefisien Perpindahan panas keseluruhan (U) menggunakan persamaan [incropera at al., 1996]: (kW/m2oC) (7)
n= jumlah pipa
d= diameter luar pipa (m) L= panjang pipa (m)
∆TLM = beda temperature rata-rata log (oC)
Perbedaan temperatur rata-rata logaritmik ditentukan dengan persamaan:
(8) number of Transfer Unit (nTU) ditentukan dengan persamaan [incropera at al., 1996]:
(9)
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil
Tabel 1. Hasil Perhitungan Variasi Laju Massa Konsumsi Bahan Bakar bb (gr/mnt) ∆Tlm (oC) U (W/m2oC) n TU εH E (%) 0.80 38.1 3 15.11 1. 63 56 .22 1.20 68.3 9 19.35 1. 83 82 .97 1.60 82.3 1 23.70 1. 99 82 .56 2.00 101. 14 25.40 1. 92 85 .84 2.40 109. 00 25.99 1. 79 82 .46 3.2. Pembahasan
dari tabel hasil diatas dapat digambarkan ke dalam grafik seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Pada gambar 2 menunjukkan hubungan efektivitas heat exchanger terhadap variasi laju massa konsumsi bahan bakar dan hubungan nTU heat exchanger terhadap variasi laju massa konsumsi bahan bakar. dari hasil diperoleh bahwa efektivitas heat exchanger semakin meningkat dengan meningkatnya laju aliran massa konsumsi bahan bakar tetapi pada laju aliran massa diatas 1,6 gram/menit mengalami penurunan. Efektifitas sebuah heat exchanger menyatakan rasio antara laju perpindahan panas aktual pada HE terhadap laju perpindahan panas maksimumnya. Makin besar laju
massa konsumsi bahan bakar maka akan semakin besar laju perpindahan panas aktual yang ditransfer, sedangkan laju perpindahan panas maksimum sangat tergantung pada kapasitas panas minimum pada kedua fluida kerja dan tergantung pula pada beda temperatur flue gas inlet dan temperatur udara inlet. Kapasitas panas minimum terjadi pada flue gas, yang mana dengan meningkatnya laju massa konsumsi bahan bakar menyebabkan peningkatan kapasitas panas minimum pada flue gas, demikian juga terjadi pada beda temperatur sisi masuk kedua fluida kerja. Pada laju massa konsumsi di atas 1,6 gram/menit, peningkatan laju perpindahan panas aktual lebih rendah dibandingkan dengan laju perpindahan maksimum sehingga efektifitas HE mengalami penurunan dan nTU-nya mengikuti trend yang serupa dengan efektifitas. nTU merupakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) dan kapasitas panas minimum (Cmin). nTU berbanding lurus dengan U dan berbanding terbalik dengan Cmin. Koefisien perpindahan panas menyeluruh mengalami peningkatan dengan meningkatnya laju massa konsumsi seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Pada awalnya terjadi peningkatan nTU, ini berarti peningkatan U lebih besar dari peningkatan Cmin, kemudian pada pada penambahan konsumsi bahan bakar berikutnya terjadi penurunan nTU, hal ini dikarenakan peningkatan U lebih rendah dengan peningkatan Cmin.
gambar 2. Hubungan Efektivitas, nTU terhadap Laju Massa Konsumsi Bahan Bakar
gambar 3. Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U), Beda Temperatur rata-rata Log terhadap Laju Massa Konsumsi Bahan Bakar
Pada gambar 3 menunjukkan koefisien perpindahan panas menyeluruh mengalami peningkatan dengan meningkatnya laju massa konsumsi karena peningkatan laju massa konsumsi bahan bakar menyebabkan peningkatan laju massa flue gas dengan demikian terjadi peningkatan kecepatan flue gas sehingga meningkatkan koefisien konveksi flue gas. Beda temperature rata-rata log (∆Tlm) yang
128
dihasilkan semakin meningkat dengan peningkatan konsumsi bahan bakar, hal ini disebakan dengan peningkatan konsumsi bahan bakar maka temperatur inlet flue gas mengalami peningkatan.
4. KESIMPULAN
dari hasil disimpulkan bahwa efektifitas heat exchanger maksimum adalah 85,84 % terjadi pada laju aliran massa konsumsi bahan bakar 2,0 gram/menit, number of Transfer Unit (nTU) maksimum adalah 1,9 terjadi pada laju aliran massa konsumsi bahan bakar 1,6 gram/menit, koefisien perpindahan panas menyeluruh dan beda temperatur rata-rata log meningkat dengan peningkatan laju massa konsumsi bahan bakar dengan nilai secara beurutan 25,99 W/m2.oC dan 109 oC pada laju massa konsumsi 2,4 gr/mnt.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terima kasih kepada diPA PnBP Universitas Udayana yang telah mendanai penelitian ini, LPPM Universitas Udayana, dan Fakultas Teknik yang merealisasikan pendanaan penelitian. DAFTAR PUSTAKA
Evan Ch. Kumesan1, Engel V. Pandey2 dan Helen J. Lohoo, 2017, Analisa Total Bakteri, Kadar Air dan PH Pada rumput Laut (Kappaphycus Alvarezii) dengan dua Metode Pengeringan, Jurnal Media Teknologi Hasil Perikanan, Januari 2017, 5(1), pp. 124-129.
Farel H. napitupulu , Putra Mora Tua, 2012, Perancangan dan Pengujian Alat Pengering Kakao dengan tipe Cabinet dryer Untuk Kapasitas 7,5 Kg Per-siklus, Jurnal Dinamis, Januari 2012, 2(10), pp.11-18
‘Gulma Laut’ , https://id.wikipedia.org/wiki/, [diunduh 22 oktober 2017].
Incropera, Frank P, David D. Hewitt (1996) ‘Fundamentals of Heat and Mass Transfer’, Fourth edition,
John Willey & sons, new York
Suarnadwipa, Bandem Adnyana, Agus Hendra Wiguna (2017) ‘Performansi sistem Pengering Pakaian
Dengan Variasi Konsumsi Bahan Bakar’, Prosiding Konferensi Nasional Engineering
Perhotelan VIII, Juli 2017, 5(1), pp. 144-146
William C. Reynolds, Henry C, Perkins, Filino Harahap (1996) ‘Termodinamika Teknik’ Erlangga
robert W. Fox, Alan T. McDonald (1973) ‘Introduction to Fluid Mechanics’, 2nd edition, John Wiley &son.