1
OPTIMASI DESAIN ALAT PENUKAR KALOR
( SHELL AND TUBE ) JENIS CANGKANG DAN PIPA UNTUK PENDINGINAN
LEMAK COKELAT DI PABRIK COKELAT TANGERANG
Indra Saputra*
Institut Teknologi Al Kamal, Fakultas Teknik, Jakarta* Abstract
Heat exchanger types of shells pipe is a device that generates heat transfer from one fluid to another fluid, as for the purpose of this research is to determine the effect of each - each factor and the level in the redesign and analyze aspects of the dimensions of the heat exchanger shell type Tube cooler coco butter on the production machine,using a full factorial experiment method then simulated with HTRI program.
Based on the analysis of data processing using the full factorial or theoretically obtained optimum condition is dimension heat exchanger is best where the U value (heat transfer complete) is greater than the value of A (surface area of heat) and also the number of Her tube fewest and smallest diameter of its shell. From 81st on the calculation of design dimensions of a heat exchanger for cooling the coco butter of the above there are two dimensions of a heat exchanger design the most optimum, the design condition no 3 and 9. Condition of heat exchanger design the most optimal is other than the least expensive manufacturing costs, maintenance costs are also low and most of the economic aspects of the number of tube more and more, the cost of manufacture will also be higher.
Keywords: heat exchanger, a full factorial experiment, shell and tube the main dimensions, and coco butter.
I PENDAHULUAN
Produk hasil olahan kakao memiliki sifat yang spesial dari pangan yang lainnya, bukanlah karena rasa dan nutrisinya yang baik, tetapi lebih karena sifatnya yang tidak dimiliki oleh pangan yang lain yaitu bersifat padat di suhu ruang, rapuh saat di patahkan dan meleleh sempurna pada suhu tubuh[12].
Salah satu cara untuk memperbaiki mutu cokelat adalah dengan tempering yaitu proses yang melibatkan serangkain tahapan pemanasan, pendinginan, dan pengadukan dengan kecepatan rendah[12].
Lemak cokelat ( cocoa butter ) yang keluar dari mesin filtering masih memiliki temperatur yang cukup tinggi, sehingga untuk dapat diproses pada mesin selanjutnya ( mesin tempering ) lemak cokelat harus mengalami pendinginan awal ( pre cooling ) atau pengkondisian temperatur untuk mendapatkan temperatur yang dapat diterima pada mesin tempering. Lemak cokelat (cocoa butter) yang keluar dari mesin filtering untuk mendapatkan kualitas cocoa butter yang baik dan bersih masih bertemperatur cukup tinggi yaitu 65 oC. Kemudian dikumpulkan didalam tangki penampungan ( silo ) dengan double jacket untuk pendinginan awal ( pre cooling ) atau pengkondisian temperatur sebelum masuk kedalam mesin tempering yang memiliki batasan temperatur masuk yang diterima yaitu 61 oC ke 450C , untuk pendinginan lanjutan. Dalam hal ini pengkondisian temperatur cocoa butter dalam tangki
penampung ( double jacket ) berjalan cukup lambat, oleh sebab itu untuk mengefisienkan waktu produksi maka dibutuhkan alat penukar kalor ( heat exchanger ) yang sesuai agar pengkondisian temperatur cocoa butter dari temperatur 65 oC ke 61 oC dapat berjalan lebih cepat. Dalam penelitian ini akan dilakukan optimasi desain pada alat penukar kalor untuk pendingin lemak cokelat pada mesin produksi, sehingga diperoleh hasil kondisi yang optimum, untuk mencari kondisi optimum tersebut dilakukan dengan menggunakan metode full factorial eksperimental dan validasi dengan HTRI
Penelitian ini mempunyai tujuan untuk menghitung dan mempelajari kondisi optimum alat penukar kalor pada mesin produksi, sehingga diperoleh kondisi optimum dari perpindahan panas yang terjadi. Didalam penelitian ini akan digunakan alat penukar kalor dengan tipe cangkang dan pipa ( shell and tube ). Sehingga faktor yang bergantung pada penelitian ini adalah : faktor pada dimensi alat penukar kalor tipe shell and tube seperti : ukuran tube, bentuk susunan tube, dan jumlah laluan tube, selain faktor tersebut digunakan juga faktor panjang pipa.
Berdasarkan latar belakang diatas, maka dapat diperoleh permasalahan bahwa heat exchanger shell and tube yang dimiliki PT. X Kurang Optimal. Pada proses ini digunakan untuk menurunkan temperatur cocoa butter dari suhu 650C ke 610C atau lebih. Hal ini sehubungan dengan masih tingginya suhu dari cokelat pada alat
2 penukar kalor tersebut sehingga
mengakibatkan kerugian besar bagi perusahaan.
Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, maka pertanyaan utama yang ingin di cari jawabanya pada akhir penelitian adalah :
Seberapa besar pengaruh dari laju aliran dan efektivitas alat penukar kalor yang akan dioptimasi; Bagaimana kondisi desain
yang optimal, yaitu yang sesuai dengan analisis perhitungan yang akan di validasi dengan menggunakan program HTRI.
Secara rinci penelitian ini bertujuan untuk :
Mengetahui seberapa besar pengaruh faktor ukuran tube, bentuk susunan pipa, panjang pipa, dan jumlah pipa pada nilai koefisisen perpindahan panas ( U ), luas permukaan perpindahan panas ( A ), Diameter Shell ( Ds ) dan Jumlah satuan perpindahan panas ( NTU ).
Mengidentifikasi
bagaimana kondisi design yang optimal, yaitu yang sesuai dengan analisis perhitungan yang akan divalidasi dengan menggunakan program HTRI.
Parameter dan Variabel bebas dalam penelitian ini adalah :
1. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah faktor dimensi alat penukar kalor seperti : ukuran tube, bentuk susunan tube, panjang pipa, dan jumlah pipa;
2. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah pitch ratio 1,5 CTP 0,93 ( nilai konstanta perhitungan jumlah pipa ) .
II METODE PENELITIAN
Gambar 1 Digram alir penelitan Metode yang dipilih dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Dengan mengkombinasi empatvariabel dan tiga level menggunakan metode Experimen, maka jumlah eksperimen yang diperlukan adalah 81 hitungan, kemudian hasil eksperimen dicari kombinasi yang optimal.
2.1 Teknik Pengumpulan Data
Pengumpulan data di lakukan dengan mengukur parameter-parameter yang ada pada alat penukar kalor untuk pendingin lemak cokelat.
Temperatur masuk air Temperatur keluar air Temperatur masuk lemak
cokelat
Temperatur keluar lemak cokelat
2.2 Teknik Pengolahan Data
Data yang di peroleh secara kuantitatif diolah dengan menggunakan persamaan-persamaan berdasarkan pustaka yang digunakan. Selanjutnya dilakukan perancangan dan optimasi desain alat penukar kalor.
Selanjutnya dilakukan perhitungan ulang dengan program HTRI.
pendingin lemak cokelat dengan spesifikasi teknis yang didapat tersaji dalam tabel
3 Sebagai bahan penelitian adalah sebuah alat
penukar kalor pada mesin
Tabel 1. bahan Penelitian TIPE
SHELL AND TUBE, ONE PASSES TUBE, COUNTER
FLOW DIAMETER
SHELL 15 1/4 inch 0,387
JUMLAH TUBE 55 buah BAHAN TUBE Stainless stell
Lengt h tube 3,5 DIAMETER TUBE 1 1/4 Inch O,0317 5 TEMPERATUR E COKELAT MASUK 65 oC TEMPERATUR E COKELAT KELUAR 61 oC TEMPERATUR E AIR MASUK 2 oC TEMPERATUR E AIR KELUAR oC 40 LAJU ALIRAN MASSA FLUIDA 1,3 Kg/s
Untuk spesifikasi desain tertentu, besarnya nilai koeffisien global perpindahan panas ( U ) dan NTU ( number of thermal unit ) di alat penukar kalor bergantung secara bersamaan dari beberapa faktor/ variabel, diantaranya :
a) Diameter tube ( do )
b) Susunan tube / lay out ( CL ) c) Panjang pipa ( L )
d) Jumlah pipa ( NT )
Optimasi design dimaksud mempelajari kombinasi tertentu dari faktor-faktor tersebut yang akan menghasilkan satu kondisi design yang paling optimal, yaitu yang memberikan dimensi utama yang paling ekonomis.
Tabel 2 Data Kombinasi variabel dan level penelitian Kode Variabel Bebas / Faktor Level 1 Level 2 Level 3 A Diameter tube (do,m) 0.025 4 0.0317 5 0.038 1 B Susunan tube/lay out (CL, o) 30 45 60 C Jumlah Pipa ( Nt ) 60 65 55 D Panjang pipa ( L, m ) 3 3,5 4,6
III HASIL PERHITUNGAN SECARA FULL FACTORIAL EKSPERIMEN
Dengan menggunakan perhitungan secara simultan, diperoleh besarnya nilai koefisien global perpindahan panas pada alat penukar kalor ( U ) dan nilai NTU seperti pada tabel
Berdasarkan tabel ekperimen full factorial bahwa perhitungan desain no 1 dilakukan pada kondisi desain sebagai berikut :
1. Diameter pipa adalah : 0.0254 m 2. Bentuk susunan pipa adalah : 30o
dengan CL 0.87 3. Jumlah pipa 60 buah 4. Panjang Pipa 3 m
Gambar 2 Pengaruh rata-rata respon masing-masing level terhadap luas permukaan
perpindahan panas
Gambar 3 Pengaruh rata-rata respon masing-masing level terhadap Diameter Shell
Gambar 4 Pengaruh rata-rata respon masing-masing level terhadap perpindahan
4 Dari hasil perhitungan diatas maka dapat
dijelaskan beberapa hal sebagai berikut : 1.Dimensi alat penukar kalor yang paling baik adalah dimana nilai U ( perpindahan panas menyeluruh ) lebih besar dari pada nilai A ( luas permukaan panas ) dan sekaligus yang jumlah tube nya paling sedikit dan diameter shell nya paling kecil. 2.Dari ke-81 hasil perhitungan desain dimensi alat penukat kalor untuk pendingin lemak cokelat tersebut diatas terdapat 2 desain dimensi alat penukar kalor yang paling optimum, yaitu kondisi desain no 3 dan 9 dengan diameter do 0,0254, jumlah tube 55, diameter shell 0,154 m, nilai laju perpindahan panas nya ( Q ) 34125 W, nilai perpindahan menyeluruhnya ( U ) adalah 71,499 W/m2.K , nilai luas permukaan panasnya ( A ) adalah 13,16 m2 , nilai NTU nya 1,048 dan nilai efectivitasnya (ᵋ) 0,603 atau 60 % kondisi desain alat penukar kalor tersebut yang paling optimal adalah selain biaya pembuatannya paling murah, biaya perawatan juga yang paling rendah dan dari aspek ekonomi dengan jumlah tube yang semakin banyak, maka biaya pembuatan juga akan semakin tinggi.
Gambar 5 penampang alat penukar kalor Pembahasan
Berdasarkan hasil perhitungan kondisi optimum dengan menggunakan perhitungan eksperimental full factorial dibandingkan dengan simulasi program HTRI memiliki hasil yang mendekati sama seperti menggunakan metode eksperimen full factorial atau dengan kata lain secara teoritis. Perbedaan hal ini terjadi dikarenakan masalah inputan dan proses numerik di dalam program persamaan analitik sederhana maupun dengan menggunakan program HTRI.
IV KESIMPULAN
Berdasarkan analisa hasil pengolahan data dengan menggunakan metode eksperimen full factorial untuk menentukan desain dimensi utama alat yang optimum dari pendingin lemak cokelat dimesin
produksi diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
Dalam perhitungan dan hasil dari menganalisis seberapa besar pengaruh dari masing-masing faktor terutama adalah faktor dimensi utama alat dan faktor dari diameter pipa ( do ), layout pipa, jumlah pipa, dan panjang pipa pada alat penukar kalor tipe shell dan tube terhadap nilai besar diameter shell , nilai perpindahan panas menyeluruh, nilai NTU, nilai effectivitas perpindahan panas diperoleh hasil yang dapat mempengaruhi yang besar adalah :
Nilai besar diameter shell , nilai perpindahan panas menyeluruh, nilai NTU, nilai effectivitas perpindahan panas dipengaruhi yaitu : diameter tube 0.0381 m, layoutnya adalah jumlah pipa dan panjang pipa untuk semua memiliki pengaruh yang sama.
Kondisi optimum desain dimensi alat penukar kalor dari alat penukar kalor tipe shell dan tube dengan metode eksperimen full factorial adalah sebagai berikut:
Dimensi alat penukar kalor yang paling baik adalah dimana nilai U ( perpindahan panas menyeluruh ) lebih besar dari pada nilai A ( luas permukaan panas ) dan sekaligus yang jumlah tube nya paling sedikit dan diameter shell nya paling kecil. Dari ke-81 hasil perhitungan desain
dimensi alat penukat kalor untuk pendingin lemak cokelat tersebut diatas terdapat 2 desain dimensi alat penukar kalor yang paling optimum, yaitu kondisi desain no 3 dan 9 dengan diameter do 0,0254, jumlah tube 55, diameter shell 0,154 m, nilai laju perpindahan panas nya ( Q ) 34125 W, nilai perpindahan menyeluruhnya ( U ) adalah 71,499 W/m2.K , nilai luas permukaan panasnya ( A ) adalah 13,16 m2 , nilai NTU nya 1,048 dan nilai efectivitasnya ( ) 0,603 kondisi desain alat penukar kalor tersebut yang paling optimal adalah selain biaya pembuatannya paling murah, biaya perawatan juga yang paling rendah dan dari aspek ekonomi dengan jumlah tube yang semakin banyak, maka biaya pembuatan juga akan semakin tinggi.
5 Daftar Pustaka
1. Andre L.h.Costa, Eduardo M.Queiroz, “ Design Optimization
of shell and tube heat exchangers. (www.elsevier.com/locate/aptherm
eng ).
2. Darmansyah(1) dan Chandrasa Soekardi(2) 2012, Perancangan Dan Prediksi Performance Sebuah Alat Kondensor Instalasi Proses Pembuatan Es Balok, Jurnal INTEKNA, Tahun XII, No. 2, Nopember 2012 : 159 – 163. 3. Eti Indarti.1*), Normalina Arpi1),
dan Slamet Budijanto2) 2013, Kajian Pembuatan Cokelat batang Dengan Metode Tempering dan Tanpa Tempering, Jurnal Teknologi dan Industri Pertaniaan Indonesia Vol. ( 5 ) No.1, 2013. 4. Gaos, Y.S., dan Widiawati, C.D.,
2008, Reverse Engineering Oil Cooler PLTU Bukit Asam dengan menerapkan metode Kern mampu meningkatkan 34,43 % kapasitas pendinginan dengan biaya 49,47 % OEM PRICE. Vol I, No.1, juni 2008 ISSN 1979-617 X.
5. Holman, J.P. “ Perpindahan Kalor “. Erlangga, 1984.
6. Handayani,S.U, dkk, 2012, Kajian eksperimental kelayakan dan performa Alat penukar kalor tipe shell and tube single pass dengan metode bell-Delware, SNST-3, Universitas Wahid Hasyim, Semarang.
7. K. C. Leong And K. C. To, Y. C. Leong, “Shell and Tube Heat Exchanger Design Software for Educational Applications. Int. J. Engng Ed.Vol. 14, No. 3, p. 217 - 224, 1998. Printed in Great Britain. #1998 TEMPUS Publications.
8. Kreith, Frank, “ Prinsip – prinsip perpindahan panas “, Jakarta, 1985.
9. Sadik kakak, Hongtan Liu, “ Heat Exchangers Selection, Rating, and Thermal Design “, CRC Perss, 1998.
10. Standards of The Tubular Exchanger Manufacturers Association.
