PERANCANGAN KONSTRUKSI TEMPERATURE CONTROL

(1)

commit to user

PERANCANGAN KONSTRUKSI TEMPERATURE CONTROL

SYSTEM PADA ALIRAN FLUIDA VISCOUS DI DALAM PIPA

(Studi Kasus Temperature Control System Tipe II untuk Lini

Produksi Kecap PT. Lombok Gandaria)

Skripsi

Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

WAHYU PRABAWATI P.H.

I 1307058

JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2011

(2)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user viii

ABSTRAK

Wahyu Prabawati P.H, NIM: I1307058. PERANCANGAN KONSTRUKSI

TEMPERATURE CONTROL SYSTEM PADA ALIRAN FLUIDA VISCOUS DI

DALAM PIPA (Studi Kasus Temperature Control System Tipe II untuk Lini Produksi Kecap PT. Lombok Gandaria). Skripsi. Surakarta : Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Oktober 2011.

Penurunan produktivitas sering terjadi akibat dari meningkatnya viskositas bahan pada suatu aliran pipa. Permasalahan ini terjadi pada PT. Lombok Gandaria, tepatnya pada lintasan produksi, ketika mengalirkan kecap dari tangki ke mesin filler. Untuk mengatasi hal tersebut, telah dirancang sebuah Temperature Control System. Hasil observasi menunjukkan Temperature Control System tersebut mampu meningkatkan temperatur output fluida viscous dari temperatur awal 29°C menjadi 34°C. Namun, kinerja Temperature Control System tersebut belum efisien terutama disebabkan oleh desain konstruksi yang belum sempurna. Penelitian ini bertujuan untuk merancang konstruksi Temperature Control System tipe II sebagai perbaikan dari Temperature Control System sebelumnya (yang disebut sebagai tipe I).

Penelitian ini merupakan perancangan produk dalam skala laboratorium yang dilengkapi dengan pengujian. Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah metodologi perancangan produk yang diawali dengan tahap identifikasi dan deskripsi masalah. Setelah itu, dilakukan penentuan konsep rancangan yang merupakan jawaban atas kebutuhan perbaikan desain. Selanjutnya, konsep rancangan yang dihasilkan diwujudkan dalam sebuah prototipe. Pada tahap akhir, dilakukan pengujian terhadap Temperature Control System untuk mengetahui kinerjanya.

Konstruksi Temperature Control System tipe II menghasilkan rancangan yang mempunyai kinerja lebih efisien dengan sirip yang terbuat dari tembaga, isolasi panas yang lebih baik dan kebutuhan daya elemen pemanas yang diturunkan dari 1600 watt menjadi 1400 watt dapat menaikkan temperatur mencapai range 33°C-34°C dari kondisi awal 28°C dengan proses pre-heating 20 menit.

Kata kunci: heat exchanger, thermodinamika, perpindahan panas, performansi

sirip, mekanika fluida, fluida viscous

(3)

commit to user ix

ABSTRACT

Wahyu Prabawati P.H, NIM: I1307058. TEMPERATURE CONTROL SYSTEM DESIGN CONSTRUCTION OF VISCOUS FLUID FLOW IN PIPES (Temperature Control System Case Study for Type II Production Line Ketchup PT. Lombok Gandaria). Thesis. Surakarta: Department of Industrial Engineering Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, October 2011.

The productivity oftenly slow down as a result of the increased viscosity of the material in a pipe flow. This problem occur in PT. Lombok Gandaria, exactly on the production line when the ketchup is flowing from the tank to the filler machine. To overcome this situation, a Temperature Control System has been designed. The observation result show the design of Temperature Control System was able to increase the output temperature of the viscous fluid than the initial temperature of 29°C to 34°C. However, the performance of Temperature Control System was not efficient because of the design construction. This research aims to design the construction of Temperature Control System Type II as an improvement from the previous Temperature Control System (referred to as type I).

This research is a laboratory scale product design that is equipped with testing. This study used a product design methodology that begins with problem identification and description. After that, there was a determination of design concept which was a response of the needs of the design improvements. The next step, the design concept was realized in a detail design. At the final phase, there was a tests on Temperature Control System to determine its performance.

Construction of Temperature Control System Type II result designs that have a more efficient performance with fins that made of copper, the better heat insulator and heater requirement from 1600 watt to 1400 watt can increase the temperature up to range 33°C to 34°C from the initial conditions 28°C with pre-heating process 20 minutes.

Key words: heat exchanger, thermodynamics, heat transfer, performance fins, fluid mechanics, viscous fluid

(4)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user x

DAFTAR ISI

Halaman HALAMAN JUDUL ....……….………... i HALAMAN PENGESAHAN………. ii

HALAMAN VALIDASI………. iii

SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH………….. iv

SURAT PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH………. v

KATA PENGANTAR………. vi

ABSTRAK……… viii

ABSTRACT………. ix

DAFTAR ISI………... x

DAFTAR TABEL……… xiii

DAFTAR GAMBAR……….….. xiv

DAFTAR LAMPIRAN……….……….. xviii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah...………..…… I-1 1.2 Perumusan Masalah………..……... I-2 1.3 Tujuan Penelitian .………..……...……. I-3 1.4 Manfaat Penelitian..………..……...…... I-3 1.5 Batasan Masalah………... I-3 1.6 Asumsi……….…... I-4 1.7 Sistematika Penulisan………..…... I-4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Heat Exchanger……….……….. II-1 2.1.1 Heat Exchanger Shell and Tube………...………... II-1 2.1.2 Pemilihan Kriteria Heat Exchanger…………...………… II-2 2.2 Thermodinamika………..….……... II-2 2.3 Perpindahan Panas……….………. II-3 2.3.1 Konduksi……….………... II-4

(5)

commit to user

xi

2.3.2 Konveksi……….….……….…………... II-5 2.3.3 Radiasi ……..………..……….………….….. II-5 2.3.4 Perpindahan Panas Pada Sirip……….….... II-6 2.3.5 Performansi Sirip……….… II-9 2.4 Mekanika Fluida……….……….…………... II-12 2.4.1 Fluida……….……….…………... II-13 2.4.2 Kerapatan (Density) Fluida…….………….…………... II-13 2.4.3 Kekentalan (Viskositas) Fluida. …….………. II-14 2.4.4 Tekanan Dalam fluida ……….……... II-15 2.4.5 Aliran Fluida Dalam Pipa…….……….. II-15 2.5 Kajian Pustaka…….……… II-16 2.5.1 Penelitian Terdahulu………... II-16 2.5.2 State Of The Art…….………..….. II-18

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Identitas Penelitian……….……….…. III-1 3.2 Kerangka Pikir……….. III-1 3.3 Metodologi Penelitian……….…. III-3 3.3.1 Tahap Studi Awal... III-5 3.3.2 Tahap Pengolahan Data... III-6 3.3.3 Analisis dan Interpretasi Hasil... III-11 3.3.4 Kesimpulan dan Saran... III-11

BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

4.1 Identifikasi dan Deskripsi Permasalahan……….. IV-1 4.2 Kebutuhan Perbaikan Rancangan……….… IV-10 4.3 Spesifikasi Rancangan……….……….… IV-13 4.4 Bill of Material………. IV-39 4.5 Estimasi Biaya……….. IV-40 4.6 Realisasi Perbaikan Desain ……….. IV-41 4.7 Pengujian Hasil Rancangan……….. IV-50 4.8 Penyempurnaan Hasil rancangan……….…. IV-58

(6)

commit to user

xii

BAB V ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL

5.1 Analisis Hasil Penelitian……….…... V-1 5.1.1 Analisis Hasil Rancangan………. V-1 5.1.2 Analisis Hasil Pengujian………..…. V-5 5.2 Interpretasi hasil penelitian...………..……….... V-12

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan……….…………...… VI-1 6.2 Saran……….…. VI-2

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

(7)

commit to user

I-1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH

Heat exchanger adalah perangkat yang memberi efek transfer energi antara

dua atau lebih fluida pada temperatur yang berbeda (Kuppan, 2000). Salah satu jenis heat exchanger berdasarkan konstruksinya meliputi tipe shell and tube (selubung dibagian luar pipa dan tabung dibagian dalam) yang dalam berbagai modifikasi konstruksinya banyak digunakan dalam proses industri. Hal ini sejalan dengan apa yang dikatakan Ulaan (2008), yaitu tipe shell and tube mempunyai keuntungan, antara lain dapat dibuat dengan berbagai jenis material yang disesuaikan dengan temperatur, mudah membersihkannya, konstruksinya sederhana dan prosedur pengoperasiannya mudah. Sedangkan salah satu aplikasi dari heat exchanger tipe shell and tube adalah rancangan Temperature Control

System pada aliran fluida viscous di dalam pipa yang dikerjakan oleh Permatasari

(2010).

Permatasari (2010) mengembangkan Temperature Control System pada aliran fluida viscous di dalam pipa yang digunakan untuk mengatur temperatur aliran kecap dalam pipa dengan udara panas yang dihembuskan diantara pipa kecap dan selubungnya. Hasil dari rancangan ini adalah Temperature Control

System mampu meningkatkan temperatur output fluida viscous dari temperatur

awal 29°C hingga temperatur 34°C. Namun, desain konstruksi Temperature

Control System yang ada saat ini belum efisien yang diindikasikan dari lamanya

proses pre-heating. Pre-heating berguna untuk mempersiapkan alat agar berfungsi dengan baik saat produksi dimulai. Pada observasi awal dan perhitungan perpindahan panas dari Temperature Control System dengan total daya elemen pemanas 1600 watt, seharusnya proses pre-heating memerlukan waktu kurang dari 10 menit untuk mencapai temperatur 33°C-34°C. Tetapi, kondisi aktual dari desain konstruksi Temperature Control System pada aliran fluida viscous di dalam pipa memerlukan waktu hingga 40 menit (Permatasari, 2010). Proses pre-heating alat ini lebih lama dibandingkan dengan kondisi yang dipersyaratkan untuk proses

(8)

commit to user

I-2

pre-heating pada fasilitas produksi di PT. Lombok Gandaria yang berkisar antara

10-20 menit sehingga hal ini dapat berpotensi menimbulkan delay.

Setelah dilakukan observasi lebih lanjut, desain konstruksi Temperature

Control System ini masih terdapat beberapa kekurangan, khususnya pada bagian case (pembungkus), inlet (saluran masuk udara), throttle pada exhaust (katup

saluran buang), isolasi panas, pipa untuk mengalirkan fluida viscous, dan fin (sirip). Bagian-bagian tersebut diduga telah mengalami penurunan dari sisi fungsi jika dibandingkan pada saat pertama kali Temperature Control System ini dibuat. Disamping dilihat dari kinerjanya yang telah menurun, hal ini dapat dilihat secara langsung dari menurunnya tingkat kerapatan pada bagian-bagian yang berpasangan dan telah rusaknya beberapa komponen karena oksidasi. Jika bagian-bagian tersebut dikaji kembali dan dilakukan perbaikan, Temperature Control

System akan dapat berfungsi seperti sediakala bahkan dapat bekerja lebih efisien

serta diperoleh sistem yang lebih reliabel, khususnya jika perbaikan diarahkan pada aspek fungsionalitas (functionality) dan kemampurawatannya (maintainability). Untuk mengukur seberapa besar peningkatan kinerja alat ini tentu saja diperlukan pengujian, baik berupa pengujian kinerja sistem keseluruhan maupun pengujian sistem secara parsial.

Berdasarkan uraian tentang permasalahan yang ada, pada dasarnya penelitian ini memandang perlunya perancangan konstruksi Temperature Control

System yang baru untuk aliran fluida viscous di dalam pipa tersebut. Perancangan Temperature Control System ini tidak dikerjakan dari awal tetapi lebih diarahkan

untuk perbaikan terhadap rancangan yang lama. Selanjutnya perancangan ini akan dinamakan sebagai Temperature Control System tipe II yang merupakan perbaikan dari rancangan Temperature Control System tipe I.

1.2 PERUMUSAN MASALAH

Perumusan masalah dari penelitian ini adalah bagaimana merancang konstruksi (case, inlet, throttle pada exhaust, dan fin) Temperature Control

System tipe II pada aliran fluida viscous di dalam pipa supaya dapat bekerja lebih

efisien serta diperoleh sistem yang lebih reliabel, dengan mengacu pada kondisi lini produksi kecap di PT. Lombok Gandaria.

(9)

commit to user

I-3

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan yang ingin dicapai oleh penelitian ini, yaitu menghasilkan rancangan Temperature Control System tipe II dalam bentuk prototipe yang dapat bekerja lebih efisien serta mempunyai sistem yang lebih reliabel.

1.4 MANFAAT PENELITIAN

Manfaat yang diperoleh dari hasil penelitian ini, sebagai berikut:

1.

Memberi informasi ilmiah berupa hasil pengujian dan analisis untuk pengembangan Temperature Control System.

2.

Hasil dari penelitian ini dapat digunakan sebagai salah satu bahan pertimbangan untuk PT. Lombok Gandaria dalam menjaga tingkat kestabilan temperatur kecap.

1.5 BATASAN MASALAH

Dalam penelitian ini diperlukan pengembangan konsep untuk memperoleh hasil rancangan yang memiliki kinerja lebih tinggi dan tidak mengabaikan konsep dasarnya. Batasan masalah pada penelitian ini, sebagai berikut:

1. Penelitian ini merupakan perancangan produk dalam skala laboratorium yang dilengkapi dengan pengujian. Sedangkan kasus PT. Lombok Gandaria hanya dijadikan referensi untuk mendapatkan informasi yang berguna untuk menghasilkan spesifikasi rancangan, bukan sebagai tempat pengujian.

2. Penelitian ini dibatasi dari sisi fungsionalitas (functionality) dan kemampurawatan (maintainability) untuk mendapatkan sistem yang lebih reliabel.

3. Kondisi aliran kecap optimal pada temperatur 33°C -34°C.

4. Perancangan Temperature Control System mengacu pada pipa fluida viscous yang digunakan untuk mengalirkan kecap menuju filler machine (mesin pengisi) di PT. Lombok Gandaria, yaitu merupakan pipa besi galvanis dengan diameter luar 60 mm, panjang 1600 mm dan tebal 2,5 mm.

5. Penelitian ini menggunakan larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) sebagai pengganti kecap yang memiliki beberapa karakteristik, khususnya viskositasnya mendekati kecap.

(10)

commit to user

I-4

1.6 ASUMSI PENELITIAN

Asumsi penelitian yang digunakan dalam penelitian ini, sebagai berikut: 1. Temperatur kecap pada saat memasuki Temperature Control System bersifat

tetap dan merata dan tidak mempengaruhi hasil pengujian ruangan.

2. Kondisi aliran kecap lancar dan tidak berpotensi menimbulkan gelembung pada kecap saat dikemas.

3. Sampel distribusi temperatur yang diambil mewakili penyebaran temperatur kecap di sepanjang aliran pipa.

1.7 SISTEMATIKA PENULISAN

Sistematika penulisan dibuat agar dapat memudahkan pembahasan penyelesaian masalah dalam penelitian ini. Penjelasan mengenai sistematika penulisan, yaitu:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini menguraikan berbagai hal mengenai latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menguraikan teori-teori yang akan dipakai untuk mendukung penelitian, sehingga perhitungan dan analisis dilakukan secara teoritis. Tinjauan pustaka diambil dari berbagai sumber yang berkaitan langsung dengan permasalahan yang dibahas dalam penelitian.

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi identitas penelitian, kerangka pikir, dan metodologi penelitian berupa tahapan yang dilalui dalam penyelesaian masalah secara umum yang berupa gambaran terstruktur dalam bentuk

flowchart sesuai dengan permasalahan yang ada mulai dari studi

pendahuluan, pengumpulan data sampai dengan pengolahan data dan analisis.

(11)

commit to user

I-5

BAB IV : PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

Bab ini berisi identifikasi dan deskripsi permasalahan, kebutuhan perbaikan rancangan, spesifikasi rancangan, bill of material, estimasi biaya, realisasi perbaikan desain, pengujian hasil rancangan, dan penyempurnaan hasil rancangan.

BAB V : ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL

Bab ini memuat uraian analisis hasil penelitian yang terdiri dari análisis hasil rancangan dan analisis hasil pengujian serta intepretasi dari hasil pengolahan data yang telah dilakukan.

BAB VI : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini menguraikan target pencapaian dari tujuan penelitian dan kesimpulan yang diperoleh dari pembahasan masalah. Bab ini juga menguraikan saran dan masukan bagi kelanjutan penelitian.

(12)

commit to user

II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menguraikan tentang teori-teori dan kajian pustaka untuk mendukung penelitian, sehingga pelaksanaan penelitian, pengolahan data dan analisis permasalahan dapat dilakukan secara teoritis. Berikut diuraikan mengenai teori yang berkaitan dengan penelitian.

2.1 HEAT EXCHANGER

Heat exchanger (alat penukar panas) merupakan perangkat yang memberi

efek pertukaran energi antara dua atau lebih fluida pada temperatur yang berbeda (Kuppan, 2000). Dalam heat exchanger, fluida dipisahkan oleh permukaan perpindahan panas, dan idealnya mereka tidak bergabung. Heat exchanger terdiri dari elemen-elemen seperti inti atau matriks yang berisi permukaan heat

exchanger dan distribusi cairan elemen-elemen seperti headers atau tangki, pipa

saluran masuk dan keluar, nozzle, dan lain sebagainya. Secara umum, heat

exchanger diklasifikasikan menurut konstruksi, proses pertukaran panas, derajat

kekompakan permukaan, susunan katup, pengaturan aliran, fase dari proses fluida, dan mekanisme pertukaran panas (Kuppan, 2000).

2.1.1 Heat Exchanger Shell and Tube

Heat exchanger shell and tube merupakan salah satu tipe penukar panas

menurut konstruksi yang paling banyak digunakan (Kuppan, 2000). Hampir tidak ada batasan operasi temperatur dan tekanan pada heat exchanger jenis ini. Gambar 2.1 menunjukkan bentuk spesifik dari shell and tube dengan beberapa tabung satu fase shell and tube dan baffles.

Gambar 2.1 Shell and tube dengan beberapa tabung

(13)

commit to user

II-2

2.1.2 Pemilihan Kriteria Heat Exchanger

Pemilihan heat exchanger adalah proses seorang desainer memilih heat

exchanger jenis tertentu untuk diaplikasikan pada berbagai heat exchanger yang

ada (Kuppan, 2000). Pemilihan kriteria pada heat exchanger bermacam-macam, namun kriteria utama heat exchanger adalah jenis fluida yang akan ditangani, tekanan operasi dan temperatur, fungsi panas, dan biaya. Fluida yang terlibat dalam perpindahan panas dapat dikarakteristikkan dari temperatur, tekanan, fase, sifat fisik, toksisitas, korosivitas, dan kecenderungan fouling. Ketika memilih heat

exchanger maka beberapa hal yang dipertimbangkan (Kuppan, 2000), terdiri dari:

bahan konstruksi, arus tarif, skema aliran, kinerja parameter-efektivitas termal dan penurunan tekanan, kecenderungan fouling, jenis dan fase cairan, perawatan, inspeksi, pembersihan, ekstensi dan kemungkinan perbaikan, ekonomi secara keseluruhan, teknik pembuatan, dan permintaan pengawasan.

2.2 THERMODINAMIKA

Istilah thermodinamika berasal dari bahasa Yunani yaitu therme (kalor) dan

dynamis (gaya), artinya kemampuan benda panas untuk menghasilkan kerja

(Moran dan Shapiro, 2006). Thermodinamika menggunakan konsep sistem dan volume kendali. Sistem digunakan apabila terdapat bahan dalam jumlah yang tetap. Volume kendali adalah ruang dimana massa dapat mengalir. Sedangkan segala yang berada diluar sistem dikategorikan sebagai bagian dari lingkungan sistem (Moran, dan Shapiro, 2006).

Menurut Moran dan Shapiro (2006) jenis sistem thermodinamika dasar ada 2 yaitu sistem tertutup (closed system) dan volume atur (control volume). Pada sistem tertutup terdapat materi dalam jumlah yang tetap. Sistem tertutup digunakan pada materi dalam jumlah tertentu saja. Sedangkan volume atur adalah ruang dimana massa dapat mengalir (Moran dan Shapiro, 2006).

Thermodinamika merupakan fisik cabang ilmu pengetahuan yang berhubungan dengan hukum yang mengatur aliran energi dari satu bentuk ke bentuk lain (Haddad dkk., 2005). Hukum pertama thermodinamika menjelaskan kesetaraan antara panas dan kerja serta menyatakan bahwa di antara semua sistem transformasi, sistem energi adalah kekal. Oleh karena itu, energi tidak dapat

(14)

commit to user

II-3

diciptakan dari ketiadaan dan tidak dapat dimusnahkan, melainkan hanya bisa dipindahkan dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Hukum kedua thermodinamika menyatakan bahwa sistem energi adalah kekal (Haddad dkk., 2005).

2.3 PERPINDAHAN PANAS

Perpindahan panas adalah energi yang terjadi karena perbedaan temperatur antara benda atau material (Incropera dan Dewitt, 1996). Sedangkan kalor merupakan energi yang berpindah. Kalor berpindah dari satu benda ke benda yang lain sebagai hasil dari perbedaan temperatur. Jika dua benda pada kondisi temperatur yang berbeda disatukan maka kalor berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Hal ini menyebabkan temperatur pada benda yang dingin meningkat sedangkan temperatur pada benda yang panas menurun (Incropera dan Dewitt, 1996). Menurut Arisworo dkk (2004), kalor dapat dirumuskan dalam bentuk persamaan:

Q= m . c. ∆T………...……..…... (2.1)

dengan keterangan rumus, sebagai berikut:

Q = kalor [J] m = massa zat [kg] c = kalor jenis [J/kg0C]

∆T = kenaikan suhu [0 C]

Sedangkan untuk mengetahui jumlah perpindahan kalor yang digunakan pada suatu benda yang mempunyai temperatur berbeda menggunakan rumus:

Q= Q1 + Q2 + Q3 ………..……….… (2.2) Kemampuan untuk menyerap kalor ditentukan oleh sifat dari zat yang disebut kalor jenis. Pengertian dari kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu setiap 1 kilogram zat sebesar 10 celcius. Setiap zat mempunyai nilai kalor jenis yang berbeda. Semakin besar kalor jenis suatu zat, maka kemampuan untuk mengubah suhu zat tersebut semakin sulit (Arisworo dkk., 2004).

(15)

commit to user

II-4 Kalor jenis dirumuskan sebagai berikut:

T m Q c D = . ………...………...……..…… (2.3)

Satuan dari kalor jenis adalah kalori/gram0C atau dalam sistem SI adalah joule/kilogram0C. Dalam pembagiannya, perpindahan kalor dibagi menjadi tiga mekanisme perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi (Incropera dan Dewitt, 1996).

Gambar 2.2 Konduksi, konveksi, dan radiasi dari jenis perpindahan panas

Sumber: Incropera dan Dewitt, 1996

Gambar 2.2 menjelaskan bahwa ketika sebuah gradient temperatur berada dalam medium stasioner pada sebuah zat padat atau fluida maka digunakan syarat konduksi untuk perpindahan panas yang terjadi melewati media. Syarat konveksi digunakan untuk perpindahan panas yang terjadi antara sebuah permukaan dan fluida yang bergerak ketika mereka berada pada temperatur yang berbeda. Jenis ketiga dari perpindahan panas dinamakan radiasi panas dimana semua permukaan panas dari temperatur yang terbatas memancarkan energi pada bentuk gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu, ketiadaan dari sebuah medium pada sebuah aliran perpindahan panas menyebabkan radiasi antara dua permukaan pada temperatur yang berbeda (Incropera dan Dewitt, 1996).

2.3.1 Konduksi

Konduksi merupakan zat gas sebuah gradient pada temperatur yang pada

(16)

commit to user

II-5

Gambar 2.3 menunjukkan zat gas yang menempati ruang antara dua permukaan yang dipertahankan pada temperatur berbeda.

Gambar 2.3 Perpindahan panas konduksi akibat aktivitas molekul

2.3.2 Konveksi

Jenis konveksi perpindahan panas terdiri dari dua mekanisme. Dalam perpindahan energi ke pergerakan acak molekul atau difusi, energi juga ditransfer oleh bagian besar atau makroskopik, dan pergerakan dari fluida (Incropera dan Dewitt, 1996). Perpindahan panas konveksi terjadi antara fluida yang bergerak dan batas permukaan ketika keduanya berada pada temperatur yang berbeda seperti gambar 2.4.

Gambar 2.4 Perpindahan panas konveksi fluida

2.3.3 Radiasi

Radiasi panas adalah energi yang dipancarkan oleh suatu zat yang berada pada temperatur yang terbatas (Incropera dan Dewitt, 1996). Meskipun radiasi

(17)

commit to user

II-6

terjadi dari permukaaan benda padat namun aliran radiasi juga dapat terjadi dari fluida dan zat gas. Perpindahan radiasi terjadi lebih efisien pada kondisi vakum total seperti dalam media tertentu. Gambar 2.5 menunjukkan energi kalor yang yang disebarkan secara radiasi serta radiasi antara permukaan dan lingkungan.

Gambar 2.5 Perpindahan panas radiasi (a) pada permukaan, dan (b) radiasi antara permukaan dan lingkungan

2.3.4 Perpindahan Panas Pada Sirip

Istilah permukaan yang diperluas (extended surface) biasa digunakan untuk menggambarkan sebuah kasus khusus yang melibatkan perpindahan panas oleh konduksi dan perpindahan panas oleh konveksi (Incropera dan Dewitt, 1996). Kombinasi antara konduksi dan konveksi ditunjukkan pada gambar 2.6 yang menjelaskan bahwa dengan T1 > T2, gradient temperatur pada arah x meneruskan transfer panas oleh konduksi pada elemen panas.

Gambar 2.6 Kombinasi konduksi dan konveksi pada struktur elemen

(18)

commit to user

II-7

Meskipun situasi berbeda yang melibatkan pengaruh kombinasi konduksi, penerapan yang paling sering adalah sebuah permukaan yang diperluas. Permukaan yang diperluas digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas antara benda padat dan fluida. Seperti sebuah permukaan yang diperlukan dan disebut dengan sirip (Incropera dan Dewitt, 1996). Gambar 2.7 menunjukkan penggunaan sirip untuk meningkatkan perpindahan panas dari sebuah dinding datar.

Gambar 2.7 Penggunaan sirip untuk meningkatkan perpindahan kalor dari sebuah dinding datar (a) permukaan rata/kosong (b) permukaan bersirip

Gambar 2.7a menunjukkan bahwa jika Ts dibuat tetap maka laju perpindahan panas dapat ditingkatkan. Koefisien perpindahan kalor konveksi (h) dapat ditingkatkan dengan menaikkan kecepatan fluida, dan temperatur fluida (T∞) dikurangi. Untuk menaikkan h dilakukan dengan menggunakan fan atau

blower dengan menaikkan kecepatan gerakan fluida, tetapi memerlukan daya

untuk menggerakkannya. Gambar 2.7b menunjukkan bahwa laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan cara meningkatkan luas permukaan melintang apabila terjadi konveksi. Hal ini dilakukan dengan cara menambahkan sirip pada dinding lingkungan ke fluida. Konduktivitas termal bahan sirip mempunyai pengaruh yang kuat pada distribusi temperatur sepanjang sirip, sehingga mempengaruhi tingkat laju perpindahan panas yang akan dinaikkan. Idealnya,

(19)

commit to user

II-8

bahan sirip harus memiliki konduktivitas termal yang tinggi untuk meminimalisasi variasi temperatur dari dasar sirip ke ujung sirip. Macam-macam konfigurasi sirip ditunjukkan pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Konfigurasi sirip (a) sirip lurus penampang seragam (b) sirip lurus penampang tidak seragam (c) sirip annular (d) sirip pin

Kecepatan transfer panas dengan sebuah sirip dapat ditentukan dengan mengetahui distribusi temperatur di sepanjang sirip, yaitu dengan keseimbangan energi pada sebuah permukaan yang diperluas (ditunjukkan pada gambar 2.9) dan mengasumsikan kondisi satu dimensi dalam arah longitudinal (x) meskipun konduksi di dalam sirip sebenarnya dua dimensi (Incropera dan Dewitt, 1996).

Gambar 2.9 Keseimbangan energi pada sebuah permukaan yang diperluas

(20)

commit to user

II-9

2.3.5 Performansi Sirip

Efektifitas sirip merupakan perbandingan laju perpindahan kalor dengan adanya sirip dengan laju perpindahan kalor tanpa adanya sirip. Efektifitas sirip dilambangkan dengan e . Rumus untuk efektifitas sirip, yaitu: _f

b c f f O hA q b , = e ………..……… (2.4)

f

e = efektifitas sirip [%]

f

q = perpindahan panas pada sirip [W] h = koefisien konveksi [W/m2]

Ac = luas penampang yang bervariasi terhadap x [m2]

Ukuran lain untuk performansi sirip dinyatakan dengan efisiensi sirip (h ). _f Potensi penggerak maksimum untuk konveksi adalah perbedaan temperatur antara dasar (x = 0) dan fluida θb = Tb -T∞. Sehingga laju maksimum dimana sirip dapat melepaskan energi adalah laju yang terjadi jika seluruh permukaan sirip berada pada temperatur dasar sirip. Rumus dari efisiensi sirip adalah:

?b max f f f f hA q q q = = h ………..….. (2.5) f

A dirumuskan, sebagai berikut:

f A = 2 π (r22c – r21) ………..……...……….... (2.6) keterangan rumus: f h = efisiensi sirip [%] f

q = perpindahan panas pada sirip [W]

h = koefisien konfeksi [W/m2]

f

A = luas permukaan sirip [m2] = temperatur [oK]

r22c = jari-jari yang bervariasi terhadap x [m] r21 = jari-jari [m]

(21)

commit to user

II-10

Sedangkan langkah-langkah untuk mencari efisiensi sirip segi empat dengan konveksi pada bagian ujungnya, sebagai berikut:

1. Menentukan luas pipa yang tidak tertutup sirip pada sirip segi empat, yaitu:

Aw = 2 π r1 (H - Nt) ………...…………(2.7) keterangan rumus:

Aw = pipa yang tidak tertutup sirip [m2]

r1 = jari-jari [m]

H = panjang pipa bagian bersirip [m]

Nt = panjang penampang sirip yang menempel pada pipa [m] 2. Menentukan luas permukaan total pipa pada sirip segi empat, yaitu:

At = NAf + 2 π r1………..……..…………...………... (2.8) keterangan rumus:

At = luas permukaan total pipa [m2]

N = luas sirip kecil [m2]

Af = luas permukaan sirip [m2]

r1 = jari-jari [m]

3. Menentukan luas permukaan extended, yaitu:

Ap = Lc x t………..…..………..………... (2.9) keterangan rumus:

Ap = luas permukaan extended [m2]

Lc = panjang penampang yang bervariasi terhadap x [m] t = tebal sirip [m]

Sehingga, efisiensi sirip segi empat dengan konveksi pada bagian ujungnya dinyatakan dengan: 2 / 1 2 / 3 ) / ( _p f =Lc h kA h ………... (2.10)

f

h = efisiensi sirip [%]

h = koefisien konfeksi [W/m2]

Lc = panjang penampang yang bervariasi terhadap x [m] k = konduktivitas termal [W/m.K]

(22)

commit to user

II-11

Efisiensi fin annular dengan profil segiempat dapat digambarkan secara grafis seperti ditunjukkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Efisiensi sirip lurus (profil segiempat, segitiga, dan parabolatik)

Sedangkan untuk efisiensi sirip annular dengan profil segiempat ditunjukan dengan gambar 2.11.

Gambar 2.11 Efisiensi sirip lurus annular dengan profil segiempat

(23)

commit to user

II-12

4. Mencari perpindahan panas menggunakan rumus, sebagai berikut:

qt = hAt [1 – t f A NA (1- η)] θb………... (2.11)

qt = perpindahan panas keseluruhan [W] h = koefisien konfeksi [W/m2]

At = luas permukaan total pipa [m2]

N = luas sirip kecil [m2]

Af = luas permukaan sirip [m2]

f

h = efisiensi sirip [%] = temperatur [oK]

5. Perpindahan panas pada permukaan tanpa sirip, dinyatakan dengan rumus:

qw = h( 2 π r1 H ) θb………... (2.12) dengan keterangan rumus, sebagai berikut:

qw = perpindahan panas pada permukaan tanpa sirip [W] h = koefisien konfeksi [W/m2]

r1 = jari-jari [m]

H = panjang pipa bagian bersirip [m]

= temperatur [oK]

Sehingga perpindahan panas, dinyatakan dengan rumus:

Δq = qt - qw………... (2.13) dengan keterangan rumus, sebagai berikut:

Δq = perpindahan panas total

qt = perpindahan panas keseluruhan [W]

qw = perpindahan panas pada permukaan tanpa sirip [W]

2.4 MEKANIKA FLUIDA

Mekanika fluida adalah ilmu yang menggunakan hukum dasar mekanika dan thermodinamika untuk menggambarkan gerakan-gerakan fluida (Durst, 2008). Mekanika fluida mempelajari perilaku dari zat-zat cair dan gas dalam keadaan diam ataupun bergerak (Munson dkk., 2006). Apabila terdapat kompresibilitas yang cukup besar, prinsip-prinsip thermodinamika

(24)

commit to user

II-13

dipertimbangkan. Tekanan uap menjadi penting bila terdapat tekanan, dan tarikan permukaan yang mempengaruhi kondisi statik dan kondisi aliran dalam lubang-lubang kecil (Giles, 1984).

2.4.1 Fluida

Fluida adalah semua bahan yang cenderung berubah bentuknya walaupun mengalami gaya luar yang sangat kecil (Soenoko dan Gunadiarta, 2009). Bila berada dalam keseimbangan, fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser. Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk. Fluida dapat digolongkan ke dalam zat cair atau zat gas. Perbedaan utama antara zat cair dan zat gas (Giles, 1984), yaitu: 1. Zat cair praktis tidak kompresibel, sedangkan zat gas kompresibel dan

seringkali harus diperlakukan demikian.

2. Zat cair mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaan bebas sedangkan zat gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya.

2.4.2 Kerapatan (Density) Fluida

Kerapatan sebuah fluida didefinisikan sebagai massa fluida per satuan volume. Kerapatan sebuah fluida dilambangkan dengan huruf Yunani ρ (rho) dan digunakan untuk mengkarakteristikkan massa sebuah sistem fluida (Munson dkk., 2006). Nilai kerapatan dapat bervariasi cukup besar diantara fluida yang berbeda namun untuk zat-zat cair, variasi tekanan dan temperatur umumnya hanya memberikan pengaruh kecil terhadap nilai ρ (Munson dkk., 2006). Rapat suatu zat adalah massa dari volume suatu zat tersebut (Giles, 1984). Kerapatan dapat dirumuskan, sebagai berikut:

ρ =

v m

…..……... (2.14)

ρ = kerapatan [gram/cm3 ]

m = massa [gram] v = volume [cm3]

(25)

commit to user

II-14

Bila kerapatan suatu benda lebih besar dari kerapatan air maka benda tersebut tenggelam dalam air. Tetapi, bila kerapatannya lebih kecil maka benda tersebut mengapung (Tipler, 1998).

2.4.3 Kekentalan (Viskositas) Fluida

Kekentalan (viskositas) suatu fluida adalah sifat yang menentukan besar daya tahannya terhadap gaya geser (Giles, 1984). Kekentalan diakibatkan oleh pengaruh antara molekul-molekul fluida. Kekentalan cairan berkurang dengan bertambahnya temperatur tapi tidak dipengaruhi oleh perubahan tekanan. Giles (1984), kekentalan kinematik berubah-ubah bersama tekanan secara berlawanan karena rapat gas berubah bersama perubahan tekanan (temperatur tetap).

Nilai viskositas tergantung dari fluida tertentu, dan setiap fluida pula viskositasnya tergantung pada temperatur. Fluida yang tegangan gesernya berhubungan secara linier terhadap laju regangan geser sering disebut sebagai laju deformasi angular dan digolongkan sebagai fluida Newtonian (dari Hukum I Newton). Namun, kebanyakan fluida baik zat cair maupun zat gas adalah fluida Newtonian (Munson dkk., 2003).

Fluida yang mengencer akibat geseran, viskositas nyatanya berkurang dengan meningkatnya laju geseran, sehingga fluida tersebut semakin kuat mengalami geseran (viskositasnya berkurang). Sedangkan fluida yang mengental akibat geseran, viskositas nyatanya meningkat dengan peningkatan laju geseran sehingga fluida semakin kuat mengalami geseran yang menyebabkan fluida tersebut semakin kental (Munson dkk., 2003).

Viskositas bervariasi dari fluida yang satu ke fluida yang lain dan viskositas bervariasi menurut temperatur untuk suatu jenis fluida tertentu. Viskositas dari zat cair berkurang dengan kenaikan temperatur. Sementara untuk zat gas, peningkatan temperatur menyebabkan peningkatan viskositas. Perbedaan dalam pengaruh temperatur terhadap viskositas pada zat cair dan zat gas diakibatkan dari perbedaan struktur molekulnya (Munson dkk., 2003). Molekul-molekul zat cair jaraknya berdekatan dengan gaya kohesi yang kuat antara molekul dan hambatan yang berhubungan dengan gaya antar molekul. Dengan meningkatnya temperatur, gaya kohesi berkurang dan mengakibatkan berkurangnya hambatan terhadap

(26)

commit to user

II-15

gerakan. Viskositas adalah indeks dari hambatan maka viskositas berkurang dengan menaikkan temperatur (Munson dkk., 2003).

2.4.4 Tekanan Dalam Fluida

Tekanan adalah suatu karakteristik yang sangat penting dari medan fluida (Munson dkk., 2006). Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama ke semua arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Dalam bidang datar yang sama kekuatan tekanan dalam suatu cairan sama. Tekanan dinyatakan dengan gaya dibagi dengan luas (Giles, 1984) seperti persamaan 2.15.

p (N/m2 atau Pa) = dA dP

……….……...………..…... (2.15)

2.4.5 Aliran Fluida Dalam Pipa

Aliran dari suatu fluida nyata lebih rumit dari aliran suatu fluida ideal. Gaya geser antara partikel fluida dengan dinding batasnya dan antara partikel fluida itu sendiri dihasilkan dari kekentalan fluida nyata. Ada dua jenis aliran mantap dari fluida nyata aliran itu (Giles, 1984), sebagai berikut:

1. Aliran laminer,

Dalam aliran laminer partikel fluidanya bergerak di sepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan atau laminae. Besarnya kecepatan dari laminae yang berdekatan tidak sama. Aliran laminer diatur oleh hukum yang menghubungkan tegangan geser ke laju perubahan bentuk sudut, yaitu hasil kali kekentalan fluida dan gradient kecepatan atau τ = µ dv/dy. Kekentalan fluida dominan yang berguna untuk mencegah setiap kecenderungan menuju kondisi-kondisi turbulen.

2. Aliran turbulen,

Dalam aliran turbulen partikel bergerak secara serampangan ke semua arah. Tegangan geser untuk aliran turbulen dapat dinyatakan:

dy dv ) (m h

t = + ... (2.16)

h merupakan sebuah faktor yang tergantung pada kerapatan fluida dan gerakan fluida. Faktor pertama (µ) menyatakan efek-efek dari gerakan kekentalan dan faktor kedua (h ) menyatakan efek-efek dari gerakan turbulen.

(27)

commit to user

II-16

2.5 KAJIAN PUSTAKA

Kajian pustaka terdiri dari penelitian yang telah dilakukan oleh peneliti terdahulu dan state of the art penelitian yang mendukung adanya penelitian ini.

2.5.1 Penelitian Terdahulu

Beberapa penelitian yang mendasari perancangan konstruksi Temperature

Control System pada aliran fluida viscous di dalam pipa telah dilakukan oleh para

peneliti terdahulu. Permatasari (2010) meneliti tentang perancangan Temperature

Control System pada internal flow fluida viscous (Studi Kasus pada Perusahaan

Kecap dan Saus PT. Lombok Gandaria) yang memiliki masalah pada lintasan produksi ketika mengalirkan kecap kental dari tangki ke filler machine (mesin pengisi). Permasalahan menjadi lebih kompleks ketika temperatur melebihi titik optimal yang menyebabkan timbulnya gelembung pada permukaan kecap. Temperatur optimal tersebut pada kondisi 33°C-34°C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rancangan Temperatur Control System dengan konsep perpindahan panas secara konveksi pada sistem heat exchanger terpilih sebagai alternatif rancangan terbaik. Temperatur Control System dipasang di pipa aliran pada jarak 1,2 m sebelum filler machine (mesin pengisi). Perangkat ini terdiri dari pemanas, fan, fins, dan rangkaian sistem kontrol yang digunakan untuk mencapai stabilitas temperatur fluida viscous yang optimal. Keterkaitan antara penelitian Permatasari (2010) dengan penelitian ini adalah sebagai acuan untuk merancang prototipe Temperatur Control System tipe II.

Priscilla (2010) melakukan penelitian mengenai penentuan setting level optimal parameter Temperature Control System (Studi Kasus pada Perusahaan Kecap dan Saus PT. Lombok Gandaria) untuk menjaga kondisi aliran fluida dalam temperatur yang stabil dan optimal. Teknik yang digunakan adalah teknik

full factorial experiment yang digunakan untuk mendapatkan lokasi pemasangan

sensor LM35 dan konsumsi energi yang optimal dari Temperatur Control System. Hasil eksperimen yang dilakukan terhadap lokasi pemasangan sensor LM35 didapatkan setting level optimal pemasangan sensor pada jarak 3,7 cm yang mampu menghasilkan kestabilan temperatur output pada range 33,5 ± 0,5°C dengan tingkat keberhasilan 94,44%. Sedangkan optimasi konsumsi energi

(28)

commit to user

II-17

dicapai melalui pengaktifan seluruh pemanas dan pengaturan putaran kipas pada kecepatan tinggi. Mempertimbangkan besarnya rata-rata selisih temperatur output dan target yang dicapai dan hasil eksperimen konfirmasi konsumsi energi, maka

setting level optimal yang dihasilkan dapat dijadikan rekomendasi untuk instalasi Temperatur Control System. Keterkaitan antara penelitian Priscilla (2010) dengan

penelitian ini adalah sebagai acuan dalam pemasangan sensor LM35.

Fuadi dan Harismah (2004) melakukan penelitian tentang pengaruh pemasangan sirip terhadap jumlah panas yang dipindahkan pada alat penukar panas anulus. Studi kasus pada penelitian ini adalah pada industri kimia. Penelitian ini memodifikasi alat penukar panas jenis annulus dengan cara memasang sirip pada permukaan pipa. Penelitian ini dapat meningkatkan transfer panas sehingga mengurangi biaya pemakaian alat penukar panas serta dapat menekan biaya operasi dan perawatan. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa penambahan sirip yang dipasang pada pipa dapat meningkatkan kemampuan transfer panas sekitar 11,5% setiap satu sirip. Keterkaitan antara penelitian Fuadi dan Harismah (2004) dengan penelitian ini adalah memberikan referensi bahwa penambahan sirip yang dipasang pada pipa dapat meningkatkan kemampuan transfer panas.

Sunu (2008) melakukan penelitian tentang analisis perbandingan pemasangan sirip pada pipa bergetar terhadap perpindahan panas. Penelitian ini bertujuan mengetahui perbandingan pemasangan sirip pada pipa bergetar terhadap perpindahan panas dan pipa tanpa sirip dan tanpa bergetar. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sirip yang terpasang meningkatkan jumlah luasan panas pada permukaan pipa. Penelitian ini memberikan referensi bahwa kecepatan aliran fluida berpengaruh terhadap perpindahan panas dan pemasangan sirip pada penukar kalor heat exchanger dapat mengefisienkan pemakaian energi.

(29)

commit to user

II-18

2.5.2 State Of The Art (SOTA)

Pada dasarnya, target yang ingin dicapai oleh PT. Lombok Gandaria adalah produk kecap yang diproduksi tanpa cacat dan produktivitas tinggi. Faktor yang perlu diperhatikan untuk mencapai target tersebut adalah kondisi filler machine (mesin pengisi), kualitas bahan baku, proses penyimpanan, proses pengaliran kecap dari pipa ke filler, temperatur optimum dan kondisi botol. Namun, target yang ingin dicapai oleh PT. Lombok Gandaria ini pada kenyataannya belum berhasil.

Kondisi produksi pada PT. Lombok Gandaria menggambarkan ketika temperatur keluaran kecap berada dibawah 33°C maka hasil produksi kecap cenderung menurun dan tidak memenuhi target. Kendala dalam sistem aliran fluida viscous di dalam pipa ini berdampak akhir pada penurunan tingkat produktivitas kecap filler (Permatasari, 2010). Oleh sebab itu, Permatasari (2010) merancang suatu alat yang berfungsi untuk menjaga kestabilan Temperatur

Control System yang diharapkan dapat menjaga kestabilan temperatur kecap

sehingga aliran dalam kecap lancar dengan tetap menjaga kualitas produk kecap. Akan tetapi, desain konstruksi Temperatur Control System yang ada saat ini belum optimum, sehingga dirancang tipe II untuk konstruksi Temperatur

Control System. Keterkaitan antara penelitian tipe I dan tipe II akan dijelasakan

secara detail dengan menggunakan SOTA pada gambar 2.13. Sedangkan target yang ingin dicapai PT. Lombok Gandaria ditunjukkan pada gambar 2.12.

(30)

II-19

(31)

commit to user

II-20

State of the art (SOTA) merupakan pencapaian paling tinggi dari sebuah

proses pengembangan. State of the art pada penelitian ini menjelaskan keterkaitan penelitian antara Temperatur Control System tipe I dengan Temperatur Control

System tipe II.

Gambar 2.13 menunjukkan state of the art penelitian Temperatur Control

System, sehingga dapat dilihat keterkaitan antara hubungan penelitian yang sedang

diteliti saat ini, yaitu pada Temperatur Control System tipe II dengan penelitian yang sudah diteliti sebelumnya, yaitu pada Temperatur Control System tipe I. Pada tipe I, penelitian dilakukan oleh Permatasari dan Priscilla (2010). Penelitian ini membahas desain konstruksi, uji performansi dan desain kontrol dari

Temperatur Control System. Bagian-bagian tersebut saling berkaitan satu sama

lain.

Penelitian Temperatur Control System tipe II merupakan lanjutan dari penelitian Temperatur Control System tipe I. Seperti halnya dengan penelitian

Temperatur Control System tipe I, pada penelitian Temperatur Control System

tipe II ini juga membahas tentang desain konstruksi, uji performansi dan desain kontrol. Namun pada penelitian tipe II dibahas pula mengenai simulasi dan desain optimasi yang bertujuan untuk memperoleh rekomendasi perbaikan alat

Temperatur Control System tipe III pada penelitian selanjutnya.

Fokus dari skripsi mengenai perancangan konstruksi temperature control

system pada aliran fluida viscous di dalam pipa adalah pada desain konstruksi dan

uji performansi untuk mengukur seberapa besar peningkatan kinerja alat berupa pengujian kinerja sistem keseluruhan maupun pengujian sistem secara parsial. Hal ini bertujuan supaya Temperature Control System dapat bekerja lebih efisien serta diperoleh sistem yang lebih reliabel, khususnya jika perbaikan diarahkan pada aspek fungsionalitas (functionality) dan kemampurawatannya (maintainability).

(32)

II-21

Sedangkan untuk state of the art penelitian temperature control system internal flow fluida viscous ditunjukkan pada gambar 2.13.

(33)

commit to user

III-1

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini membahas identitas penelitian, kerangka pikir yang mendasari adanya penelitian ini, dan metode yang digunakan dalam penelitian beserta penjelasan setiap tahapannya.

3.1 IDENTITAS PENELITIAN

Penelitian yang akan dibahas pada skripsi ini adalah perancangan konstruksi Temperature Control System pada aliran fluida viscous di dalam pipa. Penelitian ini tidak dikerjakan dari awal tetapi lebih diarahkan untuk perbaikan terhadap rancangan penelitian dari Permatasari (2010) yang berjudul perancangan

Temperature Control System pada internal flow fluida viscous. Oleh sebab itu,

penelitian ini disebut juga dengan penelitian Temperature Control System tipe II. Penelitian ini merupakan perancangan produk dalam skala laboratorium yang dilengkapi dengan pengujian.

Fokus dari penelitian Temperature Control System tipe II adalah pada desain konstruksi dan uji performansi. Desain konstruksi membahas perbaikan terhadap rancangan Temperature Control System tipe I yang masih dapat disempurnakan, sedangkan uji performansi membahas pengujian kinerja sistem keseluruhan maupun pengujian sistem secara parsial. Hasil dari penelitian adalah

Temperature Control System tipe II diharapkan dapat bekerja lebih efisien serta

diperoleh sistem yang lebih reliabel, khususnya dari sisi fungsionalitas (functionality) dan kemampurawatannya (maintainability).

3.2 KERANGKA PIKIR

Kerangka pikir yang mendasari penelitian Temperature Control System tipe II karena beberapa faktor yang terkait dengan kondisi rancangan Temperature

Control System tipe I, seperti case (pembungkus), inlet (saluran masuk udara), throttle pada exhaust (katup saluran buang), isolasi panas, pipa untuk mengalirkan

fluida viscous, dan fin (sirip). Gambar 3.1 adalah model kerangka pikir yang mendasari adanya penelitian ini.

(34)

III-2

Gambar 3.1 Kerangka pikir penelitian

(35)

commit to user

III-3

Gambar 3.1 disimpulkan bahwa target yang dicapai pada penelitian

Temperature Control System tipe II adalah Temperature Control System yang

reliabel, khususnya jika perbaikan diarahkan pada aspek fungsionalitas (functionality) dan kemampurawatannya (maintainability) sehingga Temperature

Control System dapat berfungsi dengan baik dalam kondisi dan jangka waktu

tertentu.

3.3 METODE PENELITIAN

Metode penelitian pada perancangan konstruksi Temperature Control

System pada aliran fluida viscous di dalam pipa, sebagai berikut:

(36)

commit to user

III-4

Gambar 3.2 Diagram alir metode penelitian (lanjutan)

Metode penelitian pada gambar 3.2 diuraikan dalam beberapa tahap dan tiap tahapnya dijelaskan melalui langkah-langkah yang dilakukan. Uraian lebih lengkap tiap tahapnya akan dijelaskan berikut ini.

(37)

commit to user

III-5

3.3.1 TAHAP STUDI AWAL

Tahap studi awal merupakan tahap identifikasi masalah paling awal yang digunakan dalam penelitian ini karena tahap ini sangat diperlukan untuk mengetahui perlunya sebuah penelitian pada Temperature Control System tipe II. Tahap studi awal dilakukan di Laboratorium Perencanaan dan Perancangan Produk Teknik Industri UNS.

Tahap studi awal ini dimulai dengan observasi lapangan dan tinjauan pustaka. Observasi lapangan dilakukan untuk mendapatkan data-data, informasi, dan gambaran lebih lanjut mengenai kondisi rancangan awal Temperature Control

System tipe I. Observasi lapangan dilakukan dengan cara melihat secara langsung

(observasi langsung) kondisi alat Temperature Control System tipe I. Sedangkan tinjauan pustaka dilakukan untuk memperkuat teori-teori yang berhubungan dengan Temperature Control System tipe II yang didapat dari beberapa buku ataupun jurnal penelitian yang terkait dengan heat exchanger, thermodinamika, perpindahan panas pada sirip, dan mekanika fluida. Alat dan bahan yang digunakan dalam tahap studi awal ini, sebagai berikut:

1. Prototipe Temperature Control System tipe I a. Case (pembungkus)

b. Inlet (saluran masuk udara)

c. Exhaust (saluran pembuangan udara panas) d. Isolasi panas

e. Pipa untuk mengalirkan fluida viscous (kecap) f. Fin (sirip)

g. Klem

h. Elemen pemanas 2. Drei

Langkah-langkah dalam tahap studi awal ini, sebagai berikut:

1. Mengurai komponen yang terdapat pada prototipe Temperature Control

System tipe I.

2. Menganalisis komponen dan sistem kerja yang menyusun Temperature

(38)

commit to user

III-6

3.3.2 TAHAP PENGOLAHAN DATA

Tahap pengolahan data merupakan suatu tahapan untuk mendapatkan hasil rancangan Temperature Control System tipe II pada aliran fluida viscous di dalam pipa. Tahap pengolahan data dimulai dengan melakukan identifikasi permasalahan pada Temperature Control System untuk mengetahui masalah-masalah yang ada pada Temperature Control System. Tahap selanjutnya, penentuan konsep rancangan, detail desain, bill of material dan estimasi biaya yang kemudian digunakan untuk realisasi perbaikan desain.

A. Identifikasi dan Deskripsi Masalah

Identifikasi dan deskripsi masalah bertujuan untuk mengetahui masalah-masalah yang ada pada Temperature Control System tipe I. Identifikasi dan deskripsi masalah pada penelitian ini dilakukan dengan cara perhitungan waktu yang diperlukan untuk melakukan proses pre-heating dan melihat serta mengoperasikan Temperature Control System kemudian mengamati kelemahan-kelemahan yang ada pada Temperature Control System. Langkah-langkah yang dilakukan dalam tahap identifikasi dan deskripsi masalah ini, sebagai berikut: 1. Mengamati data waktu pre-heating yang digunakan untuk pengujian

Temperature Control System tipe I.

2. Melakukan perhitungan waktu teoritis yang seharusnya diperlukan untuk proses pre-heating menggunakan rumus persamaan 2.1 sehingga diperoleh rumus untuk menghitung waktu proses pre-heating, sebagai berikut:

tpre-heating =

60 Px Qtotal

……….… (3.1)

3. Menganalisis dan mendeskripsikan permasalahan yang ada pada Temperature

Control System tipe I. B. Konsep Rancangan

Konsep rancangan pada Temperature Control System tipe II digunakan dengan metode study literatur dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya dan dari beberapa buku yang berkaitan dengan penelitian ini.

(39)

commit to user

III-7

Pada tahap penentuan konsep rancangan ini dapat diketahui bahwa dalam merancang Temperature Control System tipe II diperlukan spesifikasi rancangan yang diharapkan dapat meningkatkan kinerja dan material-material yang diharapkan dapat meningkatkan perpindahan panas. Langkah-langkah dalam menentukan konsep rancangan, sebagai berikut:

1. Menguraikan kekurangan yang ada pada Temperature Control System tipe I. 2. Menguraikan kebutuhan perbaikan yang digunakan untuk merancang

konstruksi Temperature Control System tipe II.

3. Menentukan spesifikasi material sesuai dengan kebutuhan perbaikan rancangan Temperature Control System tipe II.

4. Menentukan dan membuat konsep rancangan untuk Temperature Control

System tipe II. C. Detail Desain

Apabila konsep rancangan untuk konstruksi Temperature Control System tipe II sudah ditetapkan maka diperlukan detail desain untuk mengetahui gambaran rancangan Temperature Control System tipe II. Detail desain ini berupa gambar rancangan konstruksi Temperature Control System tipe II yang sudah diberi dimensi. Data-data tersebut kemudian digunakan sebagai bahan acuan dalam pembuatan prototipe Temperature Control System tipe II.

Alat dan bahan yang digunakan dalam penentuan detail desain ini berupa

software solidwork. Sedangkan langkah-langkah dalam penentuan detail desain

ini, sebagai berikut:

1. Mencari referensi untuk menentukan dimensi konstruksi yang akan dibuat. 2. Menentukan dimensi untuk konstruksi Temperature Control System tipe II. 3. Membuat gambaran rancangan konstruksi Temperature Control System tipe II

menggunakan software solidwork.

D. Bill of Material

Bill of material digunakan untuk menentukan komponen-komponen

penyusun Temperature Control System tipe II. Bill of material ditentukan dengan menyusun komponen penyusun Temperature Control System tipe II berupa material-material yang digunakan. Dengan adanya bill of material maka diketahui

(40)

commit to user

III-8

komponen utama dan komponen pendukung dari Temperature Control System tipe II. Langkah-langkah dalam penentuan bill of material ini, sebagai berikut: 1. Mengurai material dan jumlah material yang akan digunakan untuk

merancang konstruksi Temperature Control System tipe II.

2. Mengelompokkan komponen-komponen penyusun Temperature Control

System tipe II berdasakan level sub-assembly (gambar 3.3) dengan keterangan,

sebagai berikut:

a. Level 0 = digunakan untuk pengisian produk yang akan dirancang.

b. Level 1 = digunakan untuk pengisian material yang menyusun produk yang akan dirancang.

c. Level 2 = digunakan untuk pengisian komponen dari suatu material yang menyusun produk.

Gambar 3.3 Bagan bill of material E. Estimasi Biaya

Estimasi biaya digunakan untuk mengetahui biaya yang dikeluarkan untuk memperbaiki prototipe Temperature Control System tipe II. Estimasi biaya ditentukan dari bill of material Temperature Control System tipe II. Dengan adanya bill of material maka dapat diketahui estimasi biaya yang diperlukan untuk perbaikan Temperature Control System tipe II. Langkah-langkah dalam penentuan estimasi biaya, sebagai berikut:

1. Melakukan survey harga terhadap komponen dari suatu material berdasarkan data bill of material yang digunakan untuk membuat konstruksi Temperature

(41)

commit to user

III-9

2. Membuat daftar tabel kebutuhan, jumlah satuan dan harga per unit.

3. Menjumlahkan harga per unit masing-masing kebutuhan yang akan digunakan untuk membuat Temperature Control System tipe II.

4. Setelah kebutuhan dijumlahkan maka total biaya rancangan untuk konstruksi

Temperature Control System tipe II dapat diketahui. F. Realisasi Perbaikan Desain

Perbaikan rancangan desain Temperature Control System tipe I direalisasikan dalam bentuk prototipe Temperature Control System tipe II pada aliran fluida viscous di dalam pipa. Prototipe dibuat sesuai dengan gambar detail desain yang ada pada Temperature Control System tipe II pada aliran fluida

viscous di dalam pipa.

Alat dan bahan yang digunakan dalam realisasi perbaikan desain

Temperature Control System tipe II, yaitu:

1. Plat tembaga (50 cm x 100 cm) 2. Plat alumunium (120 cm x 100 cm) 3. Elemen pemanas

4. Multiguard

5. Engsel piano stainless 6. Thermal pasta

7. Lem Araldite standart 8. Lem Araldite rapid 9. Serat fiber

10. Gasket RTV Silicone Tipe 650 11. Kertas pack 12. Resin 13. Katalis 14. Lem isarplast 15. Sock 2,5 dim 16. Klem 17. Amplas 150 cw 18. Amplas 400 cw

(42)

commit to user

III-10 19. Kuas

20. Perekat

Langkah yang dilakukan dalam realisasi perbaikan desain, sebagai berikut:

1. Melakukan perbaikan terhadap case Temperature Control System tipe II berupa pengamplasan, penggantian isolasi panas, dan pemasangan engsel pada

case.

2. Meratakan pipa yang digunakan untuk mengalirkan fluida viscous (kecap). 3. Membuat desain throttle pada saluran pembuangan udara panas (exhaust) dan

memasang throttle pada case.

4. Membuat desain sirip dan memasang sirip pada pipa besi. 5. Memasang elemen pemanas pada inlet.

6. Memasang pipa besi yang sudah diberi sirip pada case.

7. Menutup case dan memberi gasket supaya case dapat menutup dengan rapat. 8. Memasang klem pada case luar.

G. Uji Performansi

Uji performansi dilakukan untuk mengetahui performansi dari Temperature

Control System tipe II. Uji performansi Temperature Control System tipe II ini

terdiri dari dua, yaitu pengujian kinerja sistem keseluruhan maupun pengujian sistem secara parsial. Uji performansi yang dimaksud dalam penelitian ini adalah membandingkan kinerja Temperature Control System apabila menggunakan sirip dan throttle ditutup dengan menggunakan sirip dan throttle dibuka, serta kinerja

Temperature Control System apabila tanpa menggunakan sirip dan throttle dibuka

dengan throttle ditutup. Pembacaan output temperatur pada saat pengujian dilakukan setiap 10 detik karena sebelum detik ke 10, temperatur yang dihasilkan belum mengalami perubahan.

Alat dan bahan yang digunakan dalam uji performansi Temperature

Control System tipe II, yaitu:

1. Prototipe Temperature Control System tipe II 2. Larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) 3. Ember penampung

(43)

commit to user

III-11 5. Pompa

Langkah-langkah dalam uji performansi ini adalah:

1. Menyiapkan larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) dan air.

2. Mencampur larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) dengan air menggunakan perbandingan 10,55 gram larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) dengan 1000 ml air untuk mendapatkan viskositas CMC sebesar 8,39 gr/cm s (viskositas kecap 8,555 gr/cm s) dan massa jenis CMC sebesar 1,08 gr/cm3 (massa jenis kecap 1,42 gr/cm3).

3. Memasukkan larutan yang sudah jadi ke dalam ember bak penampung sebelum dialirkan kedalam Temperature Control System tipe II pada kondisi menggunakan sirip dan throttle ditutup.

4. Menset-up controller pada Temperature Control System tipe II.

5. Melakukan proses pre-heating pada Temperature Control System tipe II. 6. Mengalirkan larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) kedalam ember

penampung input menggunakan pompa menuju Temperature Control System tipe II.

7. Mengukur larutan Carboxymethyl Cellulose (CMC) pada saat dimasukkan ke

dalam Temperature Control System tipe II dan pada saat keluar dari

Temperature Control System tipe II dengan menggunakan thermometer infrared.

8. Mencatat hasil pengujian hingga mendapatkan data yang dibutuhkan dengan

range waktu 10 detik.

9. Apabila data yang dibutuhkan sudah selesai didapatkan, maka melakukan pengujian untuk mendapatkan data Temperature Control System apabila menggunakan sirip dan throttle dibuka, Temperature Control System tanpa menggunakan sirip dan throttle dibuka serta Temperature Control System tanpa menggunakan sirip throttle ditutup.

3.3.3 ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL

Analisis data dilakukan dalam memperkuat hasil penelitian. Analisis yang dilakukan meliputi analisis hasil rancangan dan analisis hasil pengujiannya. Sedangkan interpretasi hasil merupakan gambaran hasil penelitian.

(44)

commit to user

III-12

3.3.4 KESIMPULAN DAN SARAN

Langkah terakhir adalah membuat kesimpulan dari hasil proses penelitian, dimana sangat diharapkan bahwa kesimpulan tersebut dapat menjawab semua tujuan dan manfaat yang ingin dicapai oleh peneliti. Selain itu akan diberikan saran-saran yang terkait dengan pengembangan rancangan Temperature Control

(45)

commit to user

IV-1

BAB IV

PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

Pada bab ini akan diuraikan mengenai pengumpulan dan pengolahan data yang digunakan dalam penelitian perancangan prototipe Temperature Control

System pada aliran fluida viscous di dalam pipa. Pengumpulan dan pengolahan

data ini meliputi identifikasi dan deskripsi permasalahan, kebutuhan perbaikan rancangan, spesifikasi rancangan, bill of material, estimasi biaya, realisasi perbaikan desain, pengujian hasil rancangan, dan penyempurnaan hasil rancangan. Berikut akan diuraikan tahapan pengumpulan dan pengolahan data.

4.1 IDENTIFIKASI DAN DESKRIPSI PERMASALAHAN

Perancangan konstruksi merupakan kegiatan awal dari suatu rangkaian kegiatan dalam proses pembuatan produk Temperature Control System pada aliran fluida viscous di dalam pipa. Dalam hal ini, fungsi perancangan memainkan peranan penting agar Temperature Control System yang dirancang diperoleh sistem yang lebih reliabel. Kegiatan perancangan dimulai dengan mengidentifikasi dan mendeskripsikan permasalahan yang ada pada Temperature

Control System kemudian dijabarkan dan disusun dengan spesifik.

Temperature Control System digunakan untuk mengatur temperatur aliran

kecap dalam pipa dengan udara panas yang dihembuskanguna menjaga kestabilan temperatur kecap sehingga aliran dalam pipa lancar dengan tetap menjaga kualitas produk kecap itu sendiri. Akan tetapi, desain konstruksi Temperature Control

System tipe I ini belum efisien karena dengan efisiensi sebesar 45% dan total daya

elemen pemanas 1600 watt masih memerlukan waktu 40 menit untuk proses

pre-heating, padahal kondisi aktual yang diperlukan untuk proses pre-heating di PT.

Lombok Gandaria hanya mencapai 10 - 20 menit. Seharusnya dengan total daya elemen pemanas 1600 watt dan efisiensi 45%, waktu yang diperlukan untuk melakukan proses pre-heating adalah 6 menit. Hal ini dapat ditunjukkan dengan perhitungan, sebagai berikut (persamaan 2.2):

Q total = Qudara dalam kecap + Qsirip + Qpipa yang digunakan untuk mengalirkan fliuda viscous (kecap) + Qudara dalam pipa + Qisolasi panas + Qklem