Tugas Akhir. Analisa Perpindahan Kalor Pada Proses Spray Dryer

(1)

Tugas Akhir

Analisa Perpindahan Kalor Pada Proses Spray Dryer

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat – syarat Guna menyelesaikan pendidikan program Strata Satu ( S1 )

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri

Disusun Oleh :

Ali Sabiet Suparman

01303-021

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS MERCU BUANA

JAKARTA

(2)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dalam setip analisa ilmiah atau rekayasa (engineering) sangat penting untuk merincikan secara jelas apa pun yang sedang ditinjau. Istilah sistem akan digunakan dalam analisa ini untuk merincikan subjek subjek pembahasan atau analisa.

Energi panas atau kalor banyak sekali dipakai oleh rumah tangga maupun perindustrian salah satunya yaitu mesin Spray Dryer. Kalor atau panas adalah perpindahan energi sebagai kerja ( atau perpindahan energi bentuk panas ).

Pengeringan adalah proses pengurangan kandungan air atau menguapkan air dalam suatu bahan sehingga mencapai kadar air yang kita inginkan, dalam proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air.

(3)

1.2. Tujuan Penulisan

Tujuan yang ingin dicapai disini adalah mempelajari dan memahami sistem kerja mesin Spray Dryer juga menganalisa perpindahan kalor pada mesin Spray Dryer.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis hanya membahas sebatas ruang lingkup ” menentukan perpindahan kalor pada mesin Spray Dryer pada suhu 500 °C ”

1.4. Metode Penulisan

Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis menggunakan beberapa metode dalam pengumpulan data antara lain :

a. Metode observasi, yaitu metode yang dilakukan dengan cara terjun langsung kelapangan guna memperoleh data – data yang dibutuhkan.

b. Study literature, yaitu degan membaca dan mempelajari buku – buku referensi mengenai teori atau hal – hal yang berhubungan dengan tugas akhir yang disusun.

(4)

1.5. Jadwal Pelaksanaan

N

O

AKTIVITAS

WAKTU PELAKSANAAN

MEI JUNI JULI AGUSTUS

I II III IV I II III IV I II III IV I II III IV

1. Pengambilan data

2. Bimbingan

3. Perpustakaan

(5)

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisa mencakup keseluruhan isi penulisan yang diuraikanoleh masing – masing bab. Sistematika penulisan dibuat sebagai berikut :

LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL BAB I PENDAHULUAN

Dalam bab ini membahas tentang latar belakang permasalahan, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, jadwal palaksanaan, dan sistematika penulisan.

BAB II LANDASAN TEORI

Dalam bab ini membahas tentang perpindahan kalor,laju perpindahan, serta menjelaskan bagian – bagian mesin Spray Dryer baik bagian utama maupun peralatan bantunya serta fungsi kerja mesin tersebut dan materi – materi yang berkaitan dengan mesin Spray Dryer.

BAB III PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

Dalam bab ini akan dilakukan perhitungan untuk menentukan perpindahan panas dari udara kering keproduk atau bahan.

(6)

BAB IV ANALISA PERPINDAHAN KALOR

Dalam bab ini terdiri dari hasil perhitungan dan analisa terhadap hasil perhitungan.

BAB V PENUTUP

Dalam bab ini berisikan tentang kesimpulan – kesimpulan dan saran – saran dari hasil perhitungan dan analisa perhitungan.

(7)

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Proses Pengeringan

Pengeringan adalah proses pengurangan kandungan air atau menguapkan air dalam suatu bahan atau material sehingga mencapai kadar air yang kita inginkan. Dalam proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan atau material yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa udara panas. Cara ini digunakan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan atau material, sehingga tekanan uap air pada bahan atau material lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara.

Proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu bertujuan agar dapat memperlambat lajukerusakan bahan akibat aktifitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah, selain itu juga bertujuan untuk mempermudah melakukan proses

(8)

berikutnya. Adapun beberapa parameter – parameter yang mempengaruhi waktu pengeringan adalah :

a. Temperatur Udara Kering

Kualitas bahan atau material sangat dipengaruhi oleh pengaturan temperatur udara, hal ini disebabkan karena semakin tinggi suhu udara didalam ruang pengering maka semakin banyak jumlah cairan yang diuapkan yang terkandung pada bahan atau material tersebut yang dikeringkan. Temperatur udara yang tinggi juga dapat

mengakibatkan bahan atau material menjadi rusak. b. Kecepatan Udara Kering

Sistem pengering produksi sangat dipengaruhi oleh sirkulasi udara, dimna fungsi dari udara pada sistem pengering adalah :

 Sebagai media perantara perpindahan panas

 Pembawa uap air keluar dari permukaan bahan atau material

Pada prakteknya kecepatan sirkulasi udara sangat menunjang pada proses pengeringan. Semakin tinggi kecepatan udara pengering maka proses pengeringan akan berlangsung cepat. Hal ini disebabkan oleh cepatnya massa uap air yang dipindahkan dari bahan atau material yang dikeringkan ke udara sekitar.

c. Kelembaban Relatif Udara Pengering

Kelembaban udara pengering adalah perbandingan tekanan persial uap air diudara dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur campuran. Untuk mempertahan kecepatan penguapan air tetap tinggi, udara pengering yang digunakan harus memiliki

(9)

d. Dimensi Produk

Dimensi produk akan mempengaruhi proses pengeringan, karena pada saat permukaan produk mulai kering akan terjadi proses difusi menuju permukaan produk. Waktu yang diperlukan molekul air mencapai permukaan tergantung pada dimensi produk. Semakin tebal produk maka proses pengeringan akan berlangsung lama.

e. Kadar Air Produk

Kadar air produk adalah kandungan air yang terdapat didalam produk. Semakin tinggi kadar air pada produk semakin lama proses pengeringan berlangsung.

2.2. Klasifikasi Proses Pengeringan

Proses pengeringan yang biasa kita jumpai dan banyak digunakan secara umum, dapat kita klasifikasikan menjadi dua jenis yaitu pengeringan alami dan pengeringan buatan.

2.2.1. Pengeringan Alami

Pengeringan alami adalah pengeringan yang dilakukan ditempat terbuka dengan cara menghamparkan produk diatas suatu alas, kemudian disinari cahaya matahari dan dibantu oleh udara sekitarnya. Pada proses pengeringan jenis ini terdapat beberapa pengurangan diantaranya :

a. Proses pengeringan sangat dipengaruhi oleh keadaan cuaca.

b. Memerlukan tempat yang luas dan tenaga manusia yang cukup banyak. c. Produk yang dikeringkan mudah tercemar.

(10)

Proses pengeringan alami juga memiliki kelebihan – kelebihan diantaranya : a. Biaya yang dikeluarkan untuk proses ini relatif lebih kecil.

b. Kapasitas pengeringn sangat tidak terbatas. c. Proses lebih mudah.

2.2.2. Pengeringan Buatan

Pengeringan buatan dilakukan dengan cara mengalirkan atau mensirkulasikan udara panas yang berasal dari sumber panas kedalam ruangan pengering yang berfungsi untuk menguapkan kadar air dari produk.

Pada proses pengeringan buatan ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya : a. Proses pengeringan tidak dipengaruhi oleh keadaan cuaca sehingga proses

pengeringan menjadi lebih cepat.

b. Tidak memerlukan tenaga kerja yang banyak.

Prosers pengeringan buatan ini juga memiliki kekurangan, diantaranya : a. Kapasitas pengeringan terbatas.

b. Memerlukan investasi yang cukup besar. Beberapa jenis pengeringan buatan :

a. Parallel Flow Tray

Parallel flow trayatau yang disebut dengancompartement dryerterdiri dari suatu ruangan yang didalamnya tersusun rak – rak tempat meletakkan produk yang akan dikeringkan. Alat ini biasanya dilengkapi dengan kipas yang berfungsi untuk

(11)

diletakkan diatas rak – rak yang dapat diambil dan dipasang kembali, udara pengeringan dialirkan secara sejajar dengan permukaan rak.

b. Trough Circulation Tray

Trough circulation trayhampir sama dengan parallel flow trayyang

membedakan hanya letak arah aliran udaranya. Pada alat jenis ini aliran udara pengering dialirkan secara paksa untuk menembus permukaan dan produk yang dikeringkan. Rak berupa lubang – lubang atau saringan sehingga udara pengering bisa dipakai untuk menembus produk.

c. Vacum Shelf Dryer

Vacum shelf dryeradalah jenis pengeringan yang bekerja dibawah tekanan satu atmosfer. Alat pengering jenis ini biasanya digunakan apabila diinginkan pengeringan secara cepat tetapi temperatur pengeringan dipertahankan rendah.

2.3. Grafik Psycrometric

Secara umum yang dikatakan udara adalah campuran antara udara kering dan uap air. Campuran ini sering disebut udara lembab. Suatu kajian tentang sifat – sifat

termodinamika campuran antara udara kering dengan uap air disebut psikometrik. Sifat – sifat termodinamika yang penting adalah :

a. Temperatur Udara

Didalam udara lembab biasanya dibedakan oleh dua temperatur yaitu temperatur bola basah dan temperatur bola kering. Temperatur bola kering adalah temperatur udara yang ditunjukkan pada saat pengukuran temperaturnya tekanan uap parsial belum

(12)

mencapai tekanan januh, untuk menentukan suhu bola kering biasanya digunakan termometer dengan sensor kering dan terbuka.

Sedangkan temperatur bola basah adalah temperatur udara pada keadaan tekanan uap airnya sama dengan tekanan jenuh, suhu bola basah ditentukan dengan menggunakan termometer bola basa yang sensornya dibalut dengan kain basah.

b. Tekanan

Karena udara lembab merupakan campuran antara udara kering dan uap air maka tekanan totalnya merupakan jumlah tekanan parsial udara kering dan uap air. Secara umum tekanan parsial uap air jenuh lebih kecil dibandingkan tekanan parsial udara kering.

Apabila tekanan parsial uap air mencapai harga sama dengan tekanan uap air pada temperatur yang sama, keadaan ini disebut dengan keadaan jenuh. Tekanan uap airnya juga disebut tekanan jenuh.

c. Kelembaban

Ada dua kelembaban yang sering dikenal yaitu kelembaban spesifik dan kelembaban relatif. Kelembaban spesifik (γ) adalah kandungan air dalam udara. Biasanya dinyatakan dalam bentuk massa uap air yang terkandung dalam setiap satuan massa udara kering, dan ditulis dengan persamaan sebagai berikut :

(13)

Ma Mw   ………( 2.1 ) Dimana : γ = Kelembaban spesifik ( % ) Mw= Massa uap air ( mmHg )

Ma= Massa uadara kering ( mmHg )

Kelembaban relatif didefinisikan sebagai perbandingan antara tekanan parsial uap air dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur yang sama, dan ditulis dalam

persamaan sebagai berikut :

' f f   ...( 2.2 Arismunandar ) φ = Kelembaban relatif ( % )

ƒ = Tekanan persial uap air pada udara t ( mmHg )

ƒ'

= Tekanan uap air jenuh pada udara t'( mmHg )

hubungan antara tekanan persial uap air dan temperatur suhu bola basa dapat dilihat dari persamaan berikut ini :

755 , ) ( 5 , 0 ' ' tekananatmosfir mmHg t t f f    ...( 2.3 Arismunandar ) Dimana :

t = Temperatur bola kering ( °C ) t' = Temperatur bola basah ( °C )

ƒ = Tekanan persial uap air pada udara t ( mmHg )

ƒ'

= Tekanan uap air jenuh pada udara t'( mmHg )

(14)

d. Entalpi

Entalpi penting untuk dicantumkan dalam diagram psikometri mengingat banyak manfaatnya dalam perhitungan energi pada proses termodinamika udara seperti

pendinginan, pemanasan, kelembaban dan lain – lainnya.

Entalpi adalah energi kalor yang memiliki suatu zat pada suatu temperatur tertentu. Maka entelpi dari udara lembab dengan perbandingan kelembaban x, pada temperatur t °C, didefinisikan sebagai sejumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 Kg udara kering dan x Kg air ( dalam pasa cair ) dari 0 °C mencapai t °C dan menguapkannya menjadi uap air ( pasa gas ). Hal tersebut diatas dapat ditulis dalam persamaan :

h= 0.240 t + ( 597,3 + 0,441 t ) H ( kcal / Kg )...( 2.4 ) dimana :

h = Entalpi ( Kcal/Kg )

H = Perbandingan kelembaban dari uadara lembab ( Kg/Kg’ ) 0,240 = Kalor spesifik dari udara kering ( Kcal/Kg °C ) 0,441 = Kalor spesifik rata – rata dari uap air ( Kcal/Kg °C ) 597,3 = Kalor laten dari air pada 0 °C ( Kcal/Kg )

(15)

2.4. Prinsip Dasar Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah – daerah tersebut. Selain itu perpindahan panas terdiri dari beberapa proses, yaitu proses dalam keadaan stedi dan tak stedi. Proses stedi adalah bila laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan watu, yaitu bila laju itu konstan, maka suhu dititik mana pun tidak berubah. Dengan kondisi stedi, kecepatan pluck masuk panas pada titik mana pun harus tetap sama dengan kecepatan pluck keluar, dan tidak terdapat atau terjadi perubahan energi dalam. Contohnya adalah aliran panas dari hasil – hasil pembakaran air didalam pipa – pipa ketel, pendinginan bola lampu listrik oleh udara sekitar, atau perpindahan panas dari fluida yang panas kefluida yang dingin didalam penukar panas.

Sedangkan yang dimaksud dengan proses tak stedi adalh bila suhu diberbagai titk dari sistem tersebut berubah dengan waktu. Karena suhu menunjukkan perubahan energi dalam, kita berkesimpulan bahwa penyimpanan energi bagian yang tidak terpisahkan dari aliran proses tak stedi. Contohnya adalah waktu pemanasan pada tanur, ketel dan turbin.

Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda seperti : konduksi ( yang dikenal dengan istilah hantaran ), radiasi dan konveksi.

Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah didalam suatu medium ( padat, cair, gas ) tau antara medium – medium yang beerlainan yang bersinggungan secara langsung. Didalam aliran perpindahan panas secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul yang cukup besar. Menurut teori kinetik, suhu elemen zat sebandingdengan energi kinetik

(16)

rata – rata molekul yang membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatan dan posisi relatif molekul – molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat moleku – molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat tersebut.

Persamaan dasar untuk konduksi dalam keadaan stedi dapat dituliskan sebagai berikut : x T kA q_k     ...( 2.5 Frank Kreith ) Dimana :

qk = Perpindahan panas konduksi ( W )

k = Konduktivitas termal bahan ( W/m.C° )

A = Luas penampang yang dilalui aliran panas ( m2)

x T 

 / = Gradien suhu pada penampang tersebut Tabel 2.1 Besaran konduktivitas termal

Bahan Btu/h ft K w/m K

Gas pada tekanan atmosfir Bahan isolasi

Cairan bukan logam Zat padat bukan logam Logam cair Paduan Lpgam murni 0,004 – 0,10 0,02 – 0,12 0,05 – 0,40 0,02 – 1,5 5,0 – 45 8,0 – 70 30 – 240 0,0069 – 0,17 0,034 – 0,21 0,086 – 0,69 0,034 – 2,6 8,6 – 76 12 – 120 52 – 410

(17)

Persamaan perpindahan panas secara konduksi secara stedi untuk silinder berlubang : A = 2πr l ...( 2.6 Frank Kreith ) Dimana : A = Luas penampang ( m2) r = Jari – jari ( m ) l = Panjang silinder ( m )

maka laju aliran panas untuk silinder berlubang adalah :

dr dT l r k qk 2   ...( 2.7 Frank Kreith ) Dimana :  k

q Laju aliran panas untuk silinder berlubang ( Watt/m )



k Konduktifitas termal bahan ( W/mK )

Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah tanpa melalui zat perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah – daerah hampa. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi yang terbatas atau kuanta. Gerakan radiasi didalam ruangan mirip perambatan cahaya dan dapat diuraikan dengan teori gelombang. Bila gelombang radiasi menjumpai benda yang lain, maka energinya diserap didekat permukaan benda tersebut. Perpindahan panas secara radiasi semakin penting dengan meningkatkan suhu suatu benda.

(18)

Adapun persamaan perpindahan panas secara radiasi adalah sebagai berikut : 4 T A qr   ...( 2.8 Frank Kreith ) Dimana : fluida peratur dengan tem permukaan antara r temperatu Beda T ) m ( permukaan Luas A ) 10 5,67 ( Boltzman Konstanta ) W ( n dipancarka yang radiasi energi jumlah 2 8 -      r q

Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan partikel – partikel fluida yang terbatas. Energi berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energi dalam partikel – partikel fluida. Kemudian partikel – partikel fluida tersebut akan bergerak kedaerah yang bersuhu yang lebih rendah dan

memindahkan sebagian energinya kepada pertikel – partikel lainnya.

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas dana konveksi paksa menurut cara pergerakan alirannya. Maka bila gerakan mencampur berlangsung semata – mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhhu tersebut dengan konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa.

(19)

Dimana : fluida suhu dengan permukaan suhu antara suhu beda T ) m ( panas n perpindaha Luas A ) C W/m ( konveksi panas n perpindaha Koefisien h ) W ( konveksi panas n Perpindaha 2 2 c        c q

Tabel 2.2 Besaran koefisien perpindahan panas konveksi

Btu/h ft2F W/m2K

Udara, konveksi bebas 1,0 – 5,0

Uap panas lanjut atau udara konveksi paksa 5,0 – 50 30 – 300

Minyak, konveksi paksa 10 – 300 60 – 1800

Air, konveksi paksa 50 – 2000 300 – 6000

Air, mendidih 500 – 10000 3000 – 60000

Uap, mengembun 1000 – 20000 6000 – 120000

2.5. Faktor Gesekan dan Penurunan Tekanan

Aliran turbulen penting sekali dalam aplikasi bidang rekayasa karena termasuk dalam sebagian besar aliran fluida dan masalah – masalah perpindahan kalor yang mencakup segi – segi praktis.

(20)

Penurunan tekanan Δpsepanjang tabung L dapat ditentukan menurut hubungan berikut : 2 2 V D L f p   ...( 2.10. Raldi Artono) denganƒadalah faktor gesekan. Untuk aliran laminar dalam silinder hargaƒ= 64 / Re. sedangkan untuk aliran turbulen hargaƒditentukan oleh rumus berikut :





2 64 , 1 Re log 82 , 1    f ...( 2.11. Raldi Artono ) Dimana : Δp= Penurunan tekanan ( kN/m2) ƒ = Faktor gesekan L = Panjang Silinder ( m ) D = Diameter ( m ) Ρ = Kerapatan udara ( kg/m3) V = Kecepatan fluida ( m/s ) 2.6. Analisa Energi

a. Pengaruh suhu udara pada proses pengeringan

Laju penguapan air bahan dalam pengeringan sangat ditentukan oleh kenaikan suhu. Bila suhu pengeringan dinaikkan maka panas yang dibutuhkan untuk penguapan air bahan menjadi berkurang.

(21)

Pada proses pengeringan diperlukan adanya penghanyar panas udara dalam pengeringan secara mekanis pengerak panas ini dapat dibantu dengan mneggunakan pipa – pipa penghantar panas. Pada proses pengeringan, udara berfungsi untuk :

a. Mengambil uap disekitar penguapan.

b. Sebagai penghantar panas kedalam bahan yang dikeringkan. c. Sebagai zat pembakar.

d. Sebagai tempat membuang uap yang telah diambil dari tempat pengeringan. Pada proses pengeringan harus diperhatikan suhu udara pengering. Semakin besar perbedaan antara suhu media pemanas dengan bahan yang dikeringkan, semakin besar pula kecepatan perpindahan panas kedalam bahan sehingga penguapan air dari bahan akan lebih banyak dan cepat. Karena air yang dikeluarkan dari bahan dalam bentuk uap air tersebut harus segera dipindahkan dan dijauhkan dari bahan. Jika tidak, uap air tersebut akan menjenuhkan atmosfir pada permukaan bahan sehinggga memperlambat penguapan air selanjutnya.

Proses pengeringan yang menggunakan suhu tinggi dalam watu singkat lebih kecil kemungkinannya merusakbahn dari pada proses pengeringan dengan suhu rendah dalam waktu yang lama. Jadi bahan yang dikeringkan oleh spray dryer akan lebih baik mutunya dari pada pengeringan dengan sinar matahari.

(22)

Banyaknya kadar air yang harus dihilangkan dari bahan dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut :

b a m m m  ...( 2.12 Murisalim ) Dimana : ) Kg ( n pengeringa sesudah air Kadar m ) Kg ( n pengeringa sebelum air Kadar m ) Kg ( n dikeluarka harus yang air kadar Banyaknya b a    m

Dengan diketahui kadar air yang dikeluarkan dari bahan maka laju perpindahan air dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

t m W  ...( 2.13 Murasalim ) Dimana : ) s ( n pengeringa Waktu t ) Kg ( bahan dari keluar yang air Kadar m ) (Kg/s air n perpindaha Laju    W

Kebutuhan aliran udara kering untuk membebaskan uap air dapat dihitung dengan menggunakan rumus : s a b V H H W V    ) ( ...( 2.14 Murisalim ) Dimana : ) Kg/Kg ( awal udara Kelembaban H ) Kg / m ( kering udara spesifik Volume V ) s / Kg ( air n perpindaha Laju W ) s / m ( kering udara aliran Laju ' a 3 s 3     V

(23)

Dengan menggunakan grafik psikometrik, kebutuhan udara pengeringan dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

) ( _b _a s h h V V Q   ...( 2.15 Hall, C.W ) Dimana :

Q = Kebutuhan udara pengering ( Kj/s )

Vs= Volume spesifik udara pengering ( m3/Kg )

V = Laju aliran udara pengering ( m3/s ) ha= Entalpi udara pada lingkungan ( Kj/Kg )

hb= Entalpi udara pada ruang oengering ( Kj/Kg )

b. Panas Pengeringan

Panas pengeringan adalah panas yang dibutuhkan atau panas yang digunakan untuk mengeringkan suatu produk. Pada prosesspray dryer, pasokan eneergi untuk :

1. Menaikkan temperatur produk

2. Menaikan temperatur air ke temperatur operasi pengeringan 3. Menguapkan air

(24)

Jumlah dari yang disebutkan pertama dan kedua dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : ) ( b a h t M C T T Q     ...( 2.16 ) Dimana : ) C ( lingkungan udara Temperatur T ) C ( n pengeringa udara Temperatur T ) C kJ/kg ( produk jenis Panas C ) kg ( produk Masssa ) kJ ( temperatur menaikkan untuk Panas 1 2 h         M Qt ) ( 100 b a a w T T k M Q   ...( 2.17 ) Dimana :  w

Q Panas untuk memenaskan produk ( kJ )

M= Massa produk ( kg )

Ka= Kadar air awal ( % )

T2= Temperatur udara pengeringan ( °C )

T1= Temperatur udara lingkungan ( °C )

l a l m h Q   ...( 2.18 ) Dimana :  l

Q Panas untuk menguapkan air ( kJ )

(25)

Dari persamaan ( 2.6 ), ( 2.7 ), ( 2.8 ) maka didapat jumlah panas pengeringan dan dirumuskan sebagai berikut :

l w t total Q Q Q Q    ...( 2.19 ) Dimana :  t

Q Panas untuk memanaskan produk ( kJ )



w

Q Panas untuk memanaskan air ( kJ )



l

Q Panas untuk menguapkan air ( kJ )

Sedangkan kalor yang dilepaskan oleh udara pengering dirumuskan sebagai berikut : ) (T2 T1 V C q p   ...( 2.20 ) Dimana :

q = Kalor yang dilepaskan udara pengering ( kJ )

ρ = Kerapatan udara pada temperatur pengeringan ( kg/m3)

Cp= Panas jenis pada temperatur pengeringan ( kJ/kg°C )

V = Laju udara pengering selama proses pengeringan ( m3/kg )

T2= Temperatur udara pengeringan ( °C )

(26)

c. Laju Perpindahan Panas Dari Heater ke Ruang Pengering

Pada alatspray dryerpanas yang dihasilkan dari burner sebagai penyuplai panas dialirkan keruang pengering dengan menggunakan blower. Dalam analisa penukar panas perlu mengetahui koefisien perpindahan panas, koefisien perpindahan panas konveksi bebashadapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

d N K ha u   ... ( 2.21 ) Dimana :

ha= Koefisien perpindahan panas ( W/m2°C )

Nu= Bilangan Nusselt

d =Diameter silinder ( m )

K = Konduktifitas termal ( W/m°C )

Bilangan Nussel dihitung dari bilangan Reynold, Resebagai berikut :

33 , 0 8 , 0 027 , 0 e t u R P N    ... ( 2.22 ) dan bilangan Reynold dirumuskan sebagai berikut :

  L v Re    ... ( 2.23 ) Dimana : 

 Viskositas udara ( kg/m.det ) v = Kecapatan udara ( m/det )

ρ = Kerapatan udara ( kg/m3) L = Panjang silinder ( m )

(27)

d. Laju Perpindahan Panas Dari Ruang Pengering

Koefisien perpundahan panas konveksi bebashcdapat dihitung dengan

persamaan sebagai berikut :

L N K h u c   ... ( 2.24 ) Dimana :

hc = Koefisien perpindahan panas ( W/m2°C )

Nu= Bilangan Nussel

L = Dimensi karakteristik ( m )

K =Konduktifitas termal ( W/m°C )

Bagi aliran dalam pipa atau saluran, hal terpenting dalam bilangan Nusselt ialah garis tengah hidroliknya (Dh), yang berdefinisi :

keliling aliran penampang Luas 4  h D ... ( 2.25 )

Untuk pipa, luas penampang alirannya adalah :

4

2

D

A ... ( 2.26 ) Bilagan Reynold yang berdasarkan garis tengah hidroliknya serta sifat – sifat suhu curahan fluida, dapat didefinisika sebagai berikut :

  H DH D v   Re ... ( 2.27 )

(28)

Dimana :

μ= Viskositas udara ( kg/m.det )

v =Kecepatan udara ( m/det )

ρ=Kerapatan udara ( kg/m3)

DH= Garis tengah hidrolik ( m )

Sementara untuk bilangan Nusselt sendiri, dipilih secara cepat rumus yang tepat guna memperoleh koefisien perpindahan panas konveksi bebas untuk aliran dalam saluran. 33 , 0 8 , 0 027 , 0 _e _r u R P N    ... ( 2.28 )

2.7. Perhitungan Kadar Air

Perhitungan kadar air dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berdasarkan berat kring dan berdasarkan berat basah. Pada umumnya yang dimaksud dengan kadar air adalah kadar air yang dihitung berdasarkan berat basah.

a. Perhitungan kadar air berdasarkan berat kering

Untuk menghitung kadar air berdasarkan berat kering, dugunakan rumus sebagau berikut : % 100   W w KA ...( 2.29 Sri Setijahartini ) Dimana :

KA= Kadar air berdasarkan berat kering ( % )

(29)

dan dapat diperoleh dengan cara mengurangi berat basah produk dengan berat kering produk setelah dikeringkan.

b. Perhitungan kadar air berdasarkan berat basah

Untuk menghitung kadar air berdasarkan berat basah, digunakan rumus sebagai berikut : % 100   M m KA ... ( 2.30 Sri Setijahartini ) Dimana :

KA= Kadar air berdasarkan berat basah ( % )

m= Jumlah air yang diuapkan ( kg )

M= Berat produk sebelum dikeringkan ( kg )

Nilaimdapat diperoleh dengan cara mengurangi berat produk sebelum dikeringkan dengan berat produk setelah dikeringkan.

c. Effisiensi termal

Effisiensi termal adalah perbandingan antara panas penguapan dengan panas yang dihasilkan dari sumber panas, dan ditulis dalam persamaan sebagai berikut :

% 100   q Q p  ... ( 2.31 Earle ) Dimana : ) kJ ( panas sumber dari Panas ) kJ ( air menguapkan dan memanaskan untuk digunakan yang panas Jumlah ) % ( n pengeringa Effisiensi    q Q p 

(30)

2.8. Beda Suhu Rata – Rata Log ( LMTD )

Fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah. Beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, beda suhu ini disebut beda suhu rata – rata log (log mean temperature difference = LMTD).



 











_            1 2 2 1 1 2 2 ln 1 C h C h C h C h T T T T T T T T LMTD ……….( 2.32. J.P Holman )

Dengan kata – kata, ialah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu tersebut.

Penurunan LMTD di atas menyangkur dua pengan daian : 1. Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu

2. Koefisien perpindahan kalor konveksi tetap

Andaian kedua ini biasanya sangat penting karena pengaruh pintu masuk, viskositas fluida, perubahan konduktivitas termal, dan sebagainya. Biasanya untuk memberikan koreksi atas pengaruh – pengaruh tersebut perlu digunakan metode numerik.

(31)

Spesifikasi Alat Pengering

Alat pengering yang digunakan berjenis spray dryer yaitu mesin pengering glazur atau bahan baku pembuatan keramik yang bekerja dengan sistem spray atau semprotan sehingga bahan yang sudah kering berbentuk butiran, mesin ini menggunakan burner sebagai penyuplai panas dengan memakai gas sebagai bahan bakarnya.

Mesin pengering ini membutuhkan suhu 500 °C untuk mengeringkan bahan atau produk dengan kapasitas produksi 200 kg/hari,kadar air dari bahan yang diturunkan sebesar 95 % sampai 97 % dari 100 liter bahan yang belum dikeringkan menghasilkan 40 kg bahan yang sudah dikeringkan

(32)

BAB III

PERHITUNGAN

3.1 Data Mesin Spray Dryer

Dari hasil pengamatan yang dilakukan pada mesin spray dryer yang berfungsi sebagai alat untuk mengeringkan glazur ( bahan setengah jadi untuk keramik ), didapat data sebagai berikut :

3.1.1 Spesifikasi mesin spray dryer

a. Kapasitas : 100 kg

b. Temperature di ruang pengering : 500 °C

c. Kecepatan udara : 64 m/s

(33)

3.1.2 Spesifikasi pompa yang digunakan untuk menyemprotkan glazur a. Jenis pompa yang digunakan : Power Spray type SC-30

b. Tekanan : 40 kg/m2

c. Putaran : 800 rpm

d. Kapasitas : 0,47 kg/s

3.2 Luas saluran untuk mengalirkan udara panas

2 2 2 07 , 0 4 ) 3 , 0 ( 14 , 3 4 m m D A    

3.3 Debit Udara ( Qudara )

s m m s m m s m A V

Qudara saluranudara

/ 48 , 4 ) ( 07 , 0 ) / ( 64 4 ) 3 , 0 ( 14 , 3 ) / ( 64 2 2 2      

(34)

3.4 Laju Massa Aliran Udara

Dari referensi J.P Holman,1991 ”Perpindahan Kalor”, halaman 589 ( tabel sifat-sifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat :

Pada temperatur 450 °C atau 723 K didapat  = 0,4869 kg/m3



 



s kg m kg s m Q m / 18 , 2 / 4869 , 0 / 48 , 4 3 3       

3.5 Perpindahan kalor pada saluran udara panas

Pada temperatur 450 °C atau 723 K didapat nilaiCp= 1,0804 kJ/kg°C







kJ C C kg kJ s kg T Cp m 87 , 1059 450 / 0804 , 1 / 18 , 2 Q        

(35)

Temperatur udara yang masuk keruang pengering : 50 °C Maka temperatur film yang terjadi adalah :

K C C C Tr 548 atau 275 2 50 500      

Dengan menggunakan tabel properti udara pada temperatur 275 °C atau 548 K, maka didapat harga – harga sebagai berikut :

















68 , 0 . / 0392 , 1 / 0436 , 0 / 10 848 , 2 / 6423 , 0 5 3          r P C kg kJ Cp C m W k s m kg m kg  

3.7 Tingkat keadaan udara pada temperatur evaporasi

Dengan menggunakan tabel properti air pada keadaan jenuh pada temperatur 548 K, maka didapat :

kg kJ h_fg 1574,4 /

(36)

3.8 Diameter hidraulik





 

m m D D D Dh 075 , 0 4 3 , 0 4 4 / 2        3.9 Angka Reynolds

Untuk menghitung angka reynolds pada saluran dengan temperatur 773 K dari tabel properti udara maka didapat harga – harga sebagai berikut :



2









3



6 / 456 , 0 , / 11 , 0 , / 10 1 , 78 m s k W m C kg m v     

maka angka reynolds didapat :





 





67 , 61459 / 10 78 075 , 0 / 64 2 6        s m m s m D V R h e 

(37)

W C C m C m W T T A h qc c 84 , 168 50 500 07 , 0 / 36 , 5 2 2 1           

3.14 Laju aliran massa evaporasi

Laju aliran massa evaporasi adalah laju kandungan air yang diuapkan dari produk per detik, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

(39)









 







kg s



kg kJ W h T T A h m T T A h h m fg c e c fg e / 107 , 0 / 4 , 1574 84 , 168 2 1 2 1           

(40)

BAB IV

ANALISA PERHITUNGAN

Spray Dryermerupakan mesin pengering glazur atau bahan baku pembuatan keramik yang bekerja dengan sistem spray atau semprotan sehingga bahan yang sudah kering berbentuk butiran, mesin ini menggunakan burner sebagai penyuplai panas dengan memakai gas sebagai bahan bakarnya.

Mesin pengering ini membutuhkan suhu 500 °C untuk mengeringkan bahan atau produk dengan kapasitas produksi 200 kg/hari,kadar air dari bahan yang diturunkan sebesar 95 % sampai 97 % dari 100 liter bahan yang belum dikeringkan menghasilkan 40 kg bahan yang sudah dikeringkan.

(41)

(42)

4.1. Data MesinSpray Dryer

4.1.1. Data spesifikasi TeknisSpray Dryer

 Diameter pipa penyalur udara panas : 0,3 m

 Diameter ruang pengering : 2,5 m

 Diameter nozel : 0,002 m

 Kapasitas produksi : 100 liter

 Kecepatan udara : 64 m/s

 Temperatur pengeringan : 500 °C

4.1.2. Data Spesifikasi Pompa

 Model atau tipe :Power spray typeSC-30

 Tekanan : 20 kg/cm3

 Putaran : 800 rpm

 Kapasitas : 30 liter/menit

(43)

4.2. Kecepatan Fluida s m H g V 22 , 3 53 , 0 81 , 9 2 2        4.3. Debit Fluida s m V A Q 3 004 , 0 22 , 3 0012 , 0     

4.4. Menghitung gaya pada nozel

Dari hasil perhitungan telah didapat nilai debit glazur sebesar Q0,004 m3 s

maka : 4.4.1. Luas Penampang









4.7.1. Luas Penampang





2 2 2 07 , 0 4 3 , 0 14 , 3 4 m m D A    4.7.2. Debit Udara









s m m s m A V Q 3 2 48 , 4 07 , 0 64    



m s



kg m



Q m 1774 , 1 48 , 4 3 3     

(49)

4.7.4. Perpindahan Kalor ( Q3)







kJ C C kg kJ s kg T C m p 5 , 132 25 0057 , 1 27 , 5 Q3         

4.8. Perpindahan Kalor Total

kJ 91 , 22999 5 , 132 26 , 21562 87 , 1059 Q Q Q Qtotal 1 2 3       

(50)



 













 











C C C C C C C C C C C T T T T T T T T LMTD C h C h C h C h                                        97 , 44 67 , 6 ln 85 35 50 400 500 ln 35 50 400 500 ln 1 2 2 1 1 2 2 1 4.10. Hasil Analisa

Dari hasil perhitungan dan pengamatan atau pengambilan data langsung pada mesinspray dryer, maka mesinspray dryeratau mesin untuk mengeringkan glazur atau bahan baku keramik dapat dianalisa sebagai berikut :

 Jumlah produk yang dikeringkan dalam waktu 120 menit adalah sebanyak 100 liter glazur cair, dengan kandungan air sebanyak 40 % dari 100 liter glazur cair, dan setelah dikeringkan dengan menggunakan mesinspray dryerini dapat menghasilkan 40 kg glazur kering.

 Dari hasil perhitungan didapat perpindahan kalor total sebesar 22999,91kJ

(51)

 Dengan menggunakan nozel dengan diameter( 0,002 m) untuk menambah tekanan pada pipa penyemprot glazur cair dengan kecepatan fluida berdasarkan hasil perhitungan sebesar 1426751,5 m/s maka dapat diperoleh besarnya butiran glazur kering adalah 0,2 mm.

 Hasil analisa perhitungan dapat dilihat pada tabel dibawah ini

TEMPERATUR (°C) PERPINDAHAN

KALOR (kJ)

LAJU MASSA ALIRAN

UDARA (kg/s)

375 132,5 5,27

450 1059,87 428,12

500 21562,26 2,18

TOTAL 22999,91 435,57

Gambar 5.1. Tabel Perpindahan Kalor

 Dari tabel diatas maka didapat diagram perpindahan kalor dibawah ini

0 100 200 300 400 500 600 132,5 1059,87 21562,26

(52)

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Setelah penulis melakukan perhitungan dan analisa mesinspray dryerdengan

burnersebagai penyuplai panas, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

 Pada saat pengambilan data mesinspray dryerini agak sedikit sulit, dikarenakan tidak tersedianya spesifikasi dari mesin tersebut

 Kecepatan aliran udara pada ruang pengering adalah 64 m/s sedangkan pada pipa penyalur glazur cair kecepatan fluida sebesar 1273,88 m/s

(53)

5.2. Saran

1. sebaiknya pembersihan atau pembuangan kerak pada dinding mesinspray dryer

rutin dilakukan, hal ini untuk menjaga agar pengeringan berlangsung dengan baik 2. Pada mesinspray dreyerini sebaiknya dipasangi pengukur suhu pada beberapa

titik agar mempermudah pada saat pengecekan kenaikan dan penurunan suhu pada titik – titik tertentu.

3. Pada ujung nozel harus sering dibersihkan agar tidak terjadi penyumbatan yang mengakibatkan lambatnya produksi.

(54)

DAFTAR PUSTAKA

1. Faisol AM, Tadjuddin BM Aris, A Kadir Aboe “Rumus-Rumus & Penyelesaian Soal Mekanika Fluida. Jakarta, 1991.

2. Frank M. White, “Fluid Mechanics” Fourth Edition.Boston. The McGraw-Hill Companies, 1976.

3. Holman J.P, ”PERPINDAHAN KALOR” Edisi keenam. Jakarta. Erlangga,1991. 4. Kreith, Frank. Prijono, Atko ” Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas ”Edisi Ketiga.

(55)

Sifat – sifat Udara pada Tekanan Atmosfer

Nilaiμ,k, cp,dan Pr tidak terlalu bergantung pada tekanandan dapt digunakan untuk rentang tekanan

yang cukup luas.

T, K ρ Kg/m3 cp kJ/kg.°C μ Kg/m.s 105 v m2/s 10-6 k W/m. °C α m2/s 104 Pr 100 3,6010 1,0266 0,6924 1,923 0,009246 0,02501 0,770 150 2,3675 1,0099 1,0283 4,343 0,013735 0,05745 0,753 200 1,7684 1,0061 1,3289 7,490 0,01809 0,10165 0,739 250 1,4128 1,0053 1,5990 11,31 0,02227 0,15675 0,722 300 1,1774 1,0057 1,8462 15,69 0,02624 0,22160 0,708 350 0,9980 1,0090 2,075 20,76 0,03003 0,2983 0,697 400 0,8826 1,0140 2,286 25,90 0,03365 0,3760 0,689 450 0,7833 1,0207 2,484 31,71 0,03707 0,4222 0,683 500 0,7084 1,0295 2,671 37,90 0,04038 0,5564 0,680 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100 1200 1300 1400

(56)

1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

(57)

MULAI

1. Menentukan masalah 2. Mengumpulkan referensi 3. Persiapan analisa

Mesin yang dianalisa adalah

Mesin Spray Dryer

Menghitung perpindahan kalor Menghitung debit udara Menghitung laju massa aliran 1. Analisa 2. Kesimpulan T = 500 °C 450 °C 375 °C SELESAI