BAB II LANDASAN TEORI

Laporan Tugas Akhir 2012 ₅ Teknik Konversi Energi

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Alat Penukar Panas

Alat penukar kalor merupakan suatu alat yang mengasilkan perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya tinggi ke fluida yang temperaturnya rendah, proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan secara langsung dan tidak langsung. Maksudnya ialah:

1. alat penukar kalor kontak langsung pada alat ini fluida yang panas akan bercampur

secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan misalnya ejector, daerator dan lain-lain.

2. alat penukar kalor kontak tidak langsung pada alat ini fluida panas tidak berhubungan

langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau peralatan jenis lainnya. Misalnya kondensor, ekonomiser air.

2.2 Kondensor

Kondensor adalah salah satu jenis mesin penukar kalor (heat excharger) yang

berfungsi untuk mengkondensasikan fluida kerja. Kondensor biasanya mengubah fa sa zat gas menjadi zat cair dari temperatur yang tinggi keluar melewati dinding-dinding kondensor melewati media kondensasi, sebagai akibatnya uap akan didinginkan hingga fasanya berubah menjadi fasa cair pada temperatur rendah.

Kondensor berguna membuang kalor ke lingkungan dan mengubah wujud bahan pendingin dari gas menjadi cair. Kondensor akan mengkondensasikan uap yang berasal dari kompresor yang bertemperatur dan bertekanan tinggi menjadi refrigrean cair yang akan mengalir ke katup ekspansi untuk diturunkan tekanannya. Kondensor harus ditempatkan diluar ruangan yang didinginkan agar dapat membuang panasnya keluar.

2.3 Jenis-Jenis Kondensor

Kondensor memiliki beberapa jenis yang dapat di kelompokan dari tipe aliran, bidang kontak kondensor, dan media pendinginnya.

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₆ Teknik Konversi Energi

2.3.1 Surface Kondensor

Prinsip kerja surface kondensor steam masuk ke dalam shell kondensor melalui

steam inlet connection pada bagian atas kondensor, steam kemudian bersinggungan dengan

tube kondensor yang bertemperatur rendah sehingga temperatur steam turun dan

terkondensasi.

Temperatur rendah pada tube dijaga dengan cara mensirkulasikan air yang

menyerap kalor dari steam pada proses kondensasi. Kalor yang dimaksud disini disebut

kalor laten penguapan dan terkadang disebut juga kalor kondensasi (heat of condensation)

dalam lingkup bahasan kondensor kondensat yang terkumpul di hotwell kemudian

dipindahkan dari kondensor dengan menggunakan pompa kondensat ke exhaust kondensor

ketika meninggalkan kondensor, hampir keseluruhan steam telah terkondensasi kecuali

bagian yang jenuh dari udara yang ada di dalam sistem. Udara yang ada di dalam sistem secara umum timbul akibat adanya kebocoran pada pemipaan, shaft seal, katup-katup, dan sebagainya.

Udara ini masuk ke dalam kondensor bersama dengan steam. Udara dijenuhkan

oleh uap air, kemudian melewati air cooling section dimana campuran antara uap dan

udara didinginkan untuk selanjutnya dibuang dari kondensor dengan menggunakan air ejectors yang berfungsi untuk mempertahankan vakum di kondensor. Untuk menghilangkan udara yang terlarut dalam kondensat akibat adanya udara di kondensor, dilakukan de-aeration. De-aeration dilakukan dikondensor dengan memanaskan kondensat dengan steam agar udara yang terlarut pada kondensat akan menguap. Udara kemudian ditarik ke air cooling section. Air ejector kemudian akan memindahkan udara dari sistem.

2.3.2 Kondensor Horizontal

Air pendingin masuk kondensor melalui bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa-pipa pendingin dan keluar pada bagian atas sedangkan arus panas masuk lewat bagian tengah kondensor dan keluar sebagai kondensat pada bagian bawah kondensor.

Gambar 2.1 Kondensor horizontal

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₇ Teknik Konversi Energi

Kelebihan kondensor horizontal adalah:

1. dapat dibuat dengan pipa pendingin bersirip sehingga relative berukuran kecil dan

ringan.

2. pipa pendingin dapat dibuat dengan mudah.

3. bentuk sederhana dan mudah dipasang.

4. pipa pendingin mudah dibersihkan.

2.3.3 Kondensor Vertikal

Air pendingin masuk kondensor melalui bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa-pipa pendingin dan keluar pada bagian atas sedangkan arus panas masuk lewat bagian atas kondensor dan keluar sebagai kondensat pada bagian bawah kondensor.

Gambar 2.2 Kondensor vertikal Keterangan :

1. esterfication reactor.

2. vertikal frational column.

3. vertikal kondensor.

4. horizontal kondensor.

Kelebihan kondensor vertikal adalah:

1. harganya murah karena mudah pembuatannya.

2. kompak karena posisinya yang vertikal dan mudah pemasangannya.

3. bisa dikatakan tidak mungkin mengganti pipa pendingin, pembersihan harus dilakukan

dengan menggunakan deterjen.

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₈ Teknik Konversi Energi

2.4 Kondensor Direct-contact

Kondensor direct-contact mengkondensasikan steam dengan mencampur langsung

dengan air pendingin.Direct-contact atau open kondensor digunakan pada beberapa kasus khusus, seperti :

1. geothermal powerplant.

2. pada powerplant yang menggunakan perbedaan temperatur di air laut (OTEC).

Direct-contact kondensor dibagi menjadi dua jenis lagi, yaitu:

2.4.1 Spray Kondensor

Pada spray kondensor, pencampuran steam dengan air pendingin dilakukan dengan

jalan menyemprotkan air ke steam. Sehingga steam yang keluar dari exhaust turbin pada

bagian bawah bercampur dengan air pendingin pada bagian tengah menghasilkan kondensat yang mendekati fase saturated. Kemudian dipompakan kembali ke cooling

tower, sebagian dari kondensat dikembalikan ke boiler sebagai feedwater.Sisanya

didinginkan, biasanya didalam dry-closed cooling tower. Air yang didinginkan pada

cooling tower disemprotkan ke exhaust turbin dan proses berulang. 2.4.2 Barometric dan Jet Kondensor

Ini merupakan jenis awal kondensor. Jenis ini beroperasi dengan prinsip yang sama

dengan spray kondensor kecuali tidak dibutuhkannya pompa pada jenis ini. Vacum dalam

kondensor diperoleh dengan menggunakan prinsip head statis seperti pada barometric

kondensor. Atau menggunakan diffuser seperti pada jet kondensor.

Gambar 2.3 Barometric dan jet kondensor

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₉ Teknik Konversi Energi

2.5 Pendinginan

Pendinginan pada dasarnya merupakan usaha untuk melepaskan panas dari suatu bahan ke lingkungan yang bersuhu lebih rendah, tetapi kadang-kadang pada proses tertentu dapat melepaskan panasnya pada suhu yang lebih tinggi. Pendinginan juga berarti menurunkan suhu bahan sesuai kebutuhan sehingga kandungan air dalam bahan tidak perlu sampai membeku (Helhman dan Singh, 1981).

Proses pendinginan suatu bahan dapat dilakukan dengan mendekatkan pada suatu fluida yang lebih dingin dari bahan itu sendiri. Menurut Kamarudin (1976), fluida yang lebih dingin (refrigran) dapat disirkulasikan dengan cara yang memungkinkan untuk memindahkan panas yang diambil dari bahan yang akan didinginkan. Ditambahkan bahwa proses perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.6 Unit Alat Pendingin dan Kondensator

Semua sistem pendinginan melakukan pertukaran kalor dengan cara melepaskan kalor ke udara, tetapi ada juga dengan cara lain yaitu dengan melepaskan kalor ke udara melalui kontak langsung dengan air (Lee dan Sears, 1959 dalam Firmansya, 2004). Ditambahkan bahwa berdasarkan zat pendingin yang dipakai, dapat dibedakan menjadi dua, yaitu:

1. alat pendingin dengan udara. Udara sebagai zat pendingin dialirkan ke dalam pendingin

dengan bantuan kipas angin.Pendingin udara mempunyai komponen utama pipa bersirip yang berliku-liku. Udara mengalir melalui bagian dalam pipa sedangkan pendingin mengalir di luarnya.Kebanyakan pendingin jenis ini dilengkapi dengan kipas angin.

2. alat pendingin dengan air. Air sebagai zat pendingin dipompakan ke dalam pendingin.

Biasanya air ini setelah keluar dari alat pendingin dialirkan lagi ke pendingin. Jika tersedia air yang banyak, air yang keluar dari alat pendingin langsung dibuang. Alat pendingin dengan air umumnya berbentuk suatu tabung silindris dengan jajaran pipa-pipa yang terpasang di dalamnya.

Kondensor berfungsi sebagai tempat kondensasi refrigran pada saat proses desorpsi, yaitu untuk membuang kalor dan mengubah wujud bahan pendingin dari gas menjadi cair (Heldman dan Singh, 1981). Kondensor merupakan alat untuk membuat kondensasi dengan suhu dan tekanan tinggi.Kondensor didinginkan dengan udara dingin dan air yang di pompakan dan di sirkulasikan dalam tabung pada suhu ruang sewaktu

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₀ Teknik Konversi Energi

bahan pendingin bentuk gas dengan suhu dan tekanan tinggi mengalir dalam pipa sepanjang kondensor.Gas tersebut dari luar didinginkan oleh udara dingin sehingga suhunya turun. Setelah suhunya mencapai suhu kondensasi kemudian terjadi proses pengembunan. Wujudnya sedikit demi sedikit berubah menjadi cair tetapi tekanannya masih tetap tinggi.Waktu bahan pendingin keluar dari bagian bawah kondensor wujudnya telah seluruhnya menjadi cair. Jenis-jenis kondensor berdasarkan media/zat ysng mendinginkannya dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu:

1. air-Cooled Condensor, menggunakan udara sebagai media pendinginnya. 2. water-Cooled Condensor, menggunakan air sebagai media pendinginnya.

3. evaporative Condensor, menggunakan campuran air dan udara sebagai media pendinginnya.

2.7 Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah alat penukar kalor yang paling

banyak digunakan dalam berbagai macam industri dan paling sederhana dibanding dengan alat penukar kalor lainnya, hal ini karena:

1. hanya terdiri dari sebuah tube dan shell, dimana tube terletak secara konsentrik yang

berada di dalam shell.

2. kemampuannya untuk bekerja dalam tekanan dan temperatur yang tinggi.

3. kemampuannya untuk digunakan pada satu aliran volume yang besar.

4. kemampunnya untuk bekerja dengan fluida kerja yang mempunyai perbedaan satu

aliran volume yang besar.

5. tersedia dalam berbagai bahan atau material.

6. kontruksi yang kokoh dan aman.

7. secara mekanis dapat beroperasi dengan baik dan handal (reliability tinggi).

Pada jenis alat penukar kalor ini, fluida panas mengalir di dalam tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau di dalam shell, karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar kalor satu lintasan (single-pass), jika kedua fluida ini mengalir dalam arah yang sama, maka penukar kalor bertipe dua lintasan (paralle flow) gambar 2.4. Jika kedua aliran itu mengalir dalam arah yang berlawanan, maka penukar kalor ini bertipe aliran lawan (counter flow) gambar 2 (Kreith, 1997).                      

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₁ Teknik Konversi Energi

1. aliran sejajar (paralel flow) kedua jenis fluida masuk dari satu sisi secara bersamaan mengalir pada arah yang sama dan keluar dari satu sisi yang lain yang sama.

Gambar 2.4 Aliran sejajar kondensor

2. aliran berlawanan arah (counter flow) dua jenis fluida masuk dari arah yang berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan pula.

Gambar 2.5 Aliran berlawanan kondensor

Shell and Tube kondensor atau kondensor tipe tabung dan pipa yang digunakan pada kondensor yang berukuran kecil hingga besar. Biasanya digunakan untuk air pendingin berupa ammonia dan freon. Seperti pada gambar didalam kondensor tabung dan pipa, terdapat banyak pipa pendingin, dimana air pendingin mengalir di dalam pipa-pipa tersebut, ujung dan pangkal pipa pendingin terikat pada plat pipa, sedangkan diantara plat pipa dan tutup tabung dipasang sekat-sekat untuk membagi aliran air yang melewati pipa dan mengatur agar kecepatannya cukup tinggi, yaitu 1,5-2 m/s.

Gambar 2.6 Shell and tube kondensor

Air pendingin masuk melalui pipa bagian bawah kemudian keluar pada pipa bagian atas, jumlah saluran maksimum yang dapat digunakan sebanyak 12, semakin banyak

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₂ Teknik Konversi Energi

jumlah saluran yang digunakan maka semakin besar tahanan aliran air pendingin. Pipa pendingin ammonia biasa terbuat dari baja sedangkan untuk freon biasa terbuat dari pipa tembaga. Jika menginginkan pipa yang tahan terhadap korosi bias menggunakan pipa kuningan atau pipa cupro nikel, pipa stainless.

2.8 Kondensor Shell and Coil

Kondensor tabung tank oil banyak digunakan pada unit pendingin dengan freon

refrigerant berkapasitas kecil, misalnya untuk penyegar udara, pendingin air, dan sebagainya. Seperti gambar dibawah ini, kondensor tabung dan koil dengan tabung pipa pendingin di dalam tabung yang dipasang pada posisi vertikal.Koil pipa pendingin tersebut biasanya dibuat dari tembaga, berbentuk tanpa sirip maupun dengan sirip.

Gambar 2.7 Kondensor shell and coil

Pada kondensor tabung dan koil, aliran air mengalir di dalam koil pipa pendingin.Disini endapan dan kerak yang terbentuk di dalam pipa harus dibersihkan menggunakan zat kimia (detergent).

Adapun ciri-ciri kondensor tabung tank oil sebagai berikut :

1. harganya murah karena mudah dalam pembuatannya.

2. kompak karena posisinya yang vertikal dan mudah dalam pemasangannya.

3. tidak perlu mengganti pipa pendingin, tetapi hanya perlu pmbersihan dengan

menggunakan detergent.

2.9 Kondensor Tube and Tubes

Kondensor jenis pipa ganda merupakan susunan dari dua pipa coaksial dimana refrigerant mengalir melalui saluran yang terbentuk antara pipa dalam dan pipa luar yang melintang dari atas ke bawah.Sedangkan air pendingin mengalir di dalam pipa dalam berlawanan arah, yaitu refrigerant mengalir dari atas ke bawah. Pada mesin pendingin berkapasitas rendah dengan freon sebagai refrigerant, pipa dalam dan pipa luarnya terbuat

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₃ Teknik Konversi Energi

dari tembaga. Gambar dibawah ini menunjukkan kondensor jenis pipa ganda, dalam bentuk koil pipa dalam dapat dibuat bersirip atau tanpa sirip.

Gambar 2.8 Kondensor tube and tubes

Kecepatan aliran di dalam pipa pendingin kira-kira antara 1-2 m/s. sedangkan perbedaaan temperatur air keluar dan masuk pipa pendingin (kenaikan temperatur air pendingin di dalam kondensor) kira-kira mencapai suhu 10° C. laju perpindahan panas relatf besar.

Adapun ciri-ciri kondensor jenis pipa ganda adalah sebagai berikut :

1. konstruksi sederhana dengan harga yang memadai.

2. dapat mencapai kondisi yang super dingin karena arah aliran refrigerant dan air

pendingin yang berlawanan.

3. penggunaan air pendingin relatif kecil.

4. sulit dalam membersihkan pipa, harus menggunakan detergen.

5. pemeriksaan terhadap korosi dan kerusakan pipa tidak tidak mungkin dilaksanakan.

Penggantian pipa pun sulit dilaksanakan.

2.10 Komponen Alat Penghasilan Asap Cair 2.10.1 Pirolisis

Pirolisis adalah pengembangan dari teknik karbonisasi kayu atau bahan sejenis yang berkembang di masyarakat umumnya dengan pembakaran kayu atau bahan sejenisnya langsung dalam suatu tungku, drum, lubang yang ditutup sehingga tidak menggunakan oksigen dengan suhu tinggi dalam waktu tertentu, dimana asap yang dihasilkan dari pembakaran tidak dilepaskan ke udara, tetapi dikondensasi sehingga

terbentuk cairan hitam yang disebut asap cair atau cairan pirolygneous liquor/crud

(Hendra, 1992).

Pirolisis berasal dari dua kata yaitu pyro berarti panas dan lysis berarti penguaraian

atau degradasi, sehingga pirolisis berarti penguraian biomassa karena panas pada suhu lebih dari 150°C (Kamaruddin et al. 1999). Menurutnya dalam pirolisis terdapat dua

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₄ Teknik Konversi Energi

tingkatan proses, yaitu pirolisis primer dan pirolisis sekunder dan dapat di definisikan sebagai berikut:

1. pirolisis primer adalah pirolisis yang terjadi pada bahan baku dan berlangsung pada

suhu kurang dari 600°C, hasil penguraian yang utama adalah karbon (arang). Pirolisis primer dibedakan atas pirolisis primer lambat dan cepat. Pirolisis primer lambat terjadi pada proses pembuatan arang. Pada laju pemanasan lambat (suhu 150 °C-300 °C) proses pirolisis ini bekerja.

2. pirolisis sekunder yaitu pirolisis yang terjadi atas partikel gas/uap hasil pirolisis

primer dan berlangsung diatas suhu 600°C.

2.10.2 Asap Cair

Asap cair merupakan cairan hasil kondensasi asap hasil pirolisa kayu atau bahan sejenis untuk memberikan aroma dan rasa. Asap cair berwarna coklat muda sampai coklat tua yang mempunyai daya bunuh terhadap mikroba dan mempunyai daya anti oksidan yang berefek terhadap keawetan produk (Purnama, 1997).

2.10.3 Reaktor Pirolisis

Reaktor Pirolisis adalah alat pengurai senyawa-senyawa organik yang dilakukan dengan proses pemanasan tanpa berhubungan langsung dengan udara luar dengan suhu

300-600 0C. Reaktor pirolisis dibalut dengan selimut dari bata dan tanah untuk

menghindari panas keluar berlebih, memakai bahan bakar kompor minyak tanah atau gas. Proses pirolisis menghasilkan zat dalam tiga bentuk yaitu padat, gas dan cairan (Buckingham, 2010).

Cara penggunaan alat ini yaitu dengan memasukkan sampel ke dalam reaktor pirolisis dan ditutup rapat.Reaktor kemudian dipanaskan selama 5 jam.Destilat yang keluar dari reaktor ditampung dalam dua wadah.Wadah pertama untuk menampung fraksi berat, sedangkan wadah kedua untuk menampung fraksi ringan.Fraksi ringan ini diperoleh setelah dilewatkan tungku pendingin yang dilengkapi pipa berbentuk spiral.

2.10.4 Pipa Penghubung

Pipa penghubung merupakan bagian komponen dari alat penghasil asap cair yang berfungsi sebagai penghubung antara reaktor pirolisis dengan kondensor. Asap dari proses pembakaran pirolisa akan mengalir menuju kondensor akibat adanya perbedaan tekanan yang disebabkan oleh perbedaan temperatur antara reaktor piirolisis dengan kondensor.

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₅ Teknik Konversi Energi

2.11 Perhitungan Energi pada Proses Kondensasi di Kondensor

Pada prinsipnya asap cair merupakan asap (fasa gas) yang terkondensasi menjadi cair (fasa cair), percobaan ini difokuskan pada proses kondensasi asap cair untuk memprediksi proses kondensasi asap cair dapat digunakan persamaan sebagai berikut:

1. energi yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur uap asap dari temperatur

pirolisis (200-400◦C) sampai titik didih air (100◦C) dengan menggunakan persamaan

sebagai berikut :

Q1 = m .Cp .( Tu2 – Tu1 )……….(2.1)

Q1 = energi yang dibutuhkan

M = massa asap cair yang diharapkan (diperhitungkan) Cp = panas sensible air

Tu1 = temperatur air mendididh

Tu2 = temperatur pirolisa

2. energi yang dibutuhkan untuk perubahan uap asap menjadi cair dapat digunakan

persamaan sebagai berikut :

Q2 = m.Lp………..(2.2)

Q2 = Energi yang di butuhkan untuk mencair

M = massa asap cair yang diharapkan (diperhitungkan) Lp = panas latent untuk mengembun.

3. energi yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur asap cair dari temperatur titik

didih air (100◦C) sampai temperatur proses kondensasi yang diharapkan yaitu 20◦C.

Q3 = M .Cp . (Tu2 – Tu3)………(2.3)

Q3 = energi yang dibutuhkan

m = massa asap cair yang diharapkan (diperhitungkan) Cp = panas sensibel air

Tu2 = temperatur air mendidih

Tu3 = temperatur proses kondensasi yang diharapkan

4. energi Total

Qtot = Q1 + Q2 + Q3...(2.4)

2.11 Asas Black

Asas black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black (Wikipedia.com). Asas ini menjabarkan :

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₆ Teknik Konversi Energi

1. jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas

member kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama.

2. Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda

panas.

3. Benda yang idinginkan melepasa kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila

dipanaskan

Asas black berbunyi :

“pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi

sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih

rendah”(Wikipedia.com)

Secara umum rumus Asas Black adalah Qlepas= Qterima

Dimana :

Qlepas adalah jumlah kalor yang dilepas oleh zat Qterima adalah jumlah kalor yang diterima oleh zat Rumus penjabaran dari rumus diatas :

M1 x Cp x ΔT = M2 x Cp x ΔT Keterangan

M1= adalah massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi Cp1= adalah kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi T1= adalah temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur yang lebih tinggi

Ta = Temperatur akhir pencampuran kedua benda

M2 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

C2 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

T2 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

2.12 ΔT (Log Mean Temperature Difference)

Perubahan suhu pada penggabungan dua fluida yang berbeda antara fluida asap dan fluida air yang digunakan untuk mengetahui energi panas pada proses kondensasi

ΔTLMTD=

T asap,i − T air,o − ( T asap,o − T air,i ) ln T asap,i − T air,o ∶( T asap,o − T air,i )

                     

Laporan Tugas Akhir 2012 ₁₇ Teknik Konversi Energi

1. T (asap, i) : temperatur asap input

2. T (asap,o) : temperatur asap output

3. T (air, i) : temperatur air input

4. T (air, o) : temperatur air output