PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR SISTEM PENDINGIN SEKAT MEKANIS

PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR SISTEM PENDINGIN

SEKAT MEKANIS

Wibowo Paryatmo 1], Arief Hairdiansyah 2] 1]

Dosen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Pancasila 2]

Alumni Teknik Mesin-FTUP

ABSTRAK

Tugas akhir ini adalah perancangan alat penukar kalor dari sistem pendingin sekat mekanis yang merupakan komponen dari mesin pencampur (mixer) yang menjadi satu bagian dalam tanki yang dikhususkan untuk bidang industri farmasi maupun kosmetik.

Sistem pendingin ini berfungsi sebagai pendingin sekat mekanis pada mesin pencampur yang saling bergesekan antara metal/logam, yang diakibatkan dari putaran motor yang sangat tinggi. Dan terjadilah panas yang diakibatkan gesekan metal/logam tersebut.

Dengan beban panas yang dihasilkan oleh gesekan yang terjadi pada sekat mekanis maka diperoleh alat penukar kalor dengan panjang pipa 2.6 m dan dipilih jenis alat penukar kalor dengan tube/coil dan fluida dingin sebagai media pendingin yang berasal dari mesin chiller untuk mendinginkan fluida panas.

I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Saat ini Industri-industri dengan berbagai macam bidang pun ikut berkembang dengan seiring majunya zaman. Tidak terkecuali dengan industri pada bidang kosmetik/farmasi. Kebutuhan akan peningkatan produksi yang tinggi tentunya harus di imbangi dengan alat yang bisa mengimbangi pada era saat ini. Tanki berukuran besar banyak dipergunakan dalam proses pembuatan suatu produk yang berupa cairan, didalam proses pembuatan suatu produk didalam tanki ada sebuah mesin pencampur untuk mencampur semua bahan-bahan baku, alat putaran yang berfungsi sebagai pencampur bernama agitator yang terdapat dibagian atas dari tanki tersebut. Dengan adanya pencampur tersebut dimaksudkan untuk mencampur bahan-bahan tersebut. Agitator sebagai pencampur bagian atas sedangkan ada pencampur lainnya dibagian bawah tanki tepatnya yang berfungsi seperti halnya Agitator bernama Pencampur (homogenizer). Putaran pencampur harus 2 sampai 3 kali lebih daripada agitator, hal tersebut dikarenakan fungsi lain daripada Pencampur sebagai pangaduk. Pencampur terdiri dari beberapa komponen yaitu sekat mekanis, housing, motor (sebagai alat penggerak dengan putaran), dll. Dengan putaran yang sangat tinggi maka alat pencampur tersebut dengan mudahnya menghasilkan panas terutama pada bagian sekat mekanis.

Penelitian ini adalah alat untuk memodifikasi dan merancang sebuah alat

pendingin pada sekat mekanis didalam sebuah pencampur, selain dari harga sekat mekanis yang sangat mahal, kegunaan pendingin ini untuk merawat atau menjaga ketahanan daripada pencampur itu sendiri agar tidak mudah panas dan rusak.

1.2. Perumusan masalah

Permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah mengenai perancangan sistem dari pendinginan untuk sekat mekanis dengan spesifikasi peralatan dan material yang tepat dan aman. Perancang hanya mempunyai lingkup cara mendesain alat penukar kalor saja (yang terjadi pada luar pipa serta panjang pipa tersebut).

II. LANDASAN TEORI

2.1. Teori Dasar APK

Alat penukar kalor merupakan suatu alat yang biasa kita jumpai dalam kehidupan kita sehari-hari, dimana terdapat banyak ragam bentuk dan kegunaannya. Alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

1. Berdasarkan proses perpindahan panasnya

2. Berdasarkan tingkat kekompakan 3. Banyak jenis fluida yang dipakai 4. Aliran fluida

5. Mekanisme perpindahan panas

Berdasarkan klasifikasi diatas dapat kita simpulkan bahwa dalam bab ini akan mempelajari alat penukar kalor dengan tube/coil yang berasal dari chiller water sebagai media pendingin dengan air

panas sebagai media yang didinginkan Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

setelah terjadi pemanasan sebelumnya akibat kerja yang dihasilkan oleh sekat mekanis.

Fluida yang saling bertukar energi tersebut dapat merupakan dua fluida yang berbeda fase dapat pula merupakan satu macam fluida. Pertukaran energi dalam bentuk panas disebut perpindahan panas dengan ciri fluida yang terlibat tidak berkontak secara langsung. Pada alat penukar kalor yang mengalir tidak dengan satu jenis perpindahan panas saja melainkan dengan beberapa cara dengan bersamaan. Tiga modus perpindahan panas, yaitu:

1. Perpindahan panas secara konduksi

2. Perpindahan panas secara radiasi 3. Perpindahan panas secara

konveksi

Didalam kenyataannya, umumnya ketiga modus perpindahan panas tersebut terjadi secara bersamaan.

Review dari thermodinamika : hukum

thermodinamika yang utama adalah hukum thermodinamika I dan II. Hukum pertama adalah (conservation of energy) menyatakan bahwa energi itu tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, namun dapat diubah bentuknya dari bentuk energi tertentu menjadi bentuk energi lainnya. Seperti diketahui bentuk-bentuk energi dapat disebutkan antara lain energi mekanis, energi elektris, energi kalor, energi kinetik, energi potensial, energi tekanan dan masih banyak lagi. Sebagai kelengkapan dari kedua hukum tersebut telah ditambahkan dua hukum thermodinamika, yaitu hukum thermodinamika III (attainability of absolut zero temperature) dan hukum yang mendahului

hukum I, II, dan III, yang disebut hukum nomor nol (zero law) yang merupakan aksioma (postulate). Hukum nomor nol ini merupakan postulate yaitu hukum yang tidak dapat

dibuktikan namun diakui kebenarannya. Hukum nomor nol ini yang dijadikan landasan untuk pengembangan lebih lanjut hukum-hukum dan rumus-rumus thermodinamika. Seperti diketahui, teori dasar perpindahan panas dan massa berbasis pada hukum-hukum thermodinamika tersebut. [ref 1 hal 6]

2.2. Perpindahan Panas Secara Konduksi

Adalah perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah didalam suatu medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang berbeda tetapi bersinggung secara langsung. Pada konduksi perpindahan panas terjadi akibat kontak langsung antara molekul-molekul dalam medium atau zat tersebut tanpa ada

perpindahan molekul yang cukup besar. Konduksi ini adalah salah satunya mekanisme perpindahan panas yang dapat terjadi atau mengalir dalam zat dari fluida yang tidak dipengaruhi benda padat. [ref 1 hal 27]

dx

dT

A

hk

=

konduksi

q

Dimana :

hk = konduktivitas termal bahan [W/m.K].

A = luas penampang aliran panas konduksi [m2].

dT

dx

= Gradien suhu pada

penampang tersebut, yaitu laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran [K/m].

Konduksi adalah proses perpindahan panas jika panas mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, dengan media penghantar panas tetap.

Gambar 2-1 Diagram temperatur vs posisi

2.3. Perpindahan kalor konduksi pada bidang datar

Bentuk geometri yang pertama yang akan dibahas adalah bentuk bidang datar. Bila perpindahan panasnya berlangsung secara satu dimensi, berarti berbentuk plat infinit. Bila TA = seragam, berarti dT/dy=0 ;

TB juga seragam, berarti dT/dz = 0 ; Ly >>

Lx, dan Lz >>Lx ; persamaan dasar

temperatur yang berlaku adalah :

B

0

.

2 2

=

dx

T

d

Dengan memasukan syarat batas : @ x = 0 ; T = TB

@ x = xA ; T = TA

Dengan integrasi persamaan diatas diperoleh jawab umum :

T + C1x + C2 = 0

Kemudian, dengan memasukkan syarat batas, diperoleh nilai dari dua konstanta yang tidak diketahui sebagai berikut :

C1 = (TB-TB A)/xA Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

C2 = -TB B

Dengan subtitusi dua konstanta C1 dan C2 ke

jawab umum, diperoleh persamaan dasar temperatur untuk konduksi sederhana dengan bentuk geometri bidang datar :

0

x

x

_A

−

=

−

+

B A B

T

T

T

T

Atau dapat dituliskan persamaan temperatur :

x

x

_A A B B

T

T

T

T

=

−

−

Dari persamaan diatas, distribusi temperatur pada bidang datar adalah linier atau berbanding lurus dengan x, sehingga perhitungan temperatur disembarang titik pada bidang datar dapat diperoleh dengan cara interpolasi antara temperatur panas TP dengan

temperatur dingin Td (selain menggunakan

persamaan diatas).

Jumlah kalor dipindahkan, dapat dihitung dari persamaan [2.1] apabila telah diperoleh besarnya T sebagai fungsi dari x (yaitu persamaan diatas) dengan demikian maka diperoleh : ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = − = A x . . B A k T T A hk dx dT A hk q

Untuk perhitungan silinder multi layer perlu dihitung tahanan termal (Rth) dari persamaan diatas : A h R K th / xA =

Besarnya laju perpindahan kalor untuk konduksi sederhana yang multi layer menjadi :

th K R q T ∑ Δ =

Besarnya heat flux yaitu laju perpindahan kalor per satuan luas :

A

q"=qK

2.4. Perpindahan kalor konduksi pada bidang silinder

Bentuk geometri silinder yang akan dianlisis adalah seperti gambar 2.2 Panjang silinder L jari-jari dalam ri jari-jari luar r0 dan perpindahan kalornya, q, searah radial. Temperatur dinding dalam Ti temperatur

dinding luar T0 koefisien konduksi material

silinder hk dan tidak ada pencetus panas atau qp = 0.

Gambar 2-2 Penampang Bidang Silinder

Pada kasus silinder dengan perpindahan kalor searah radial akan lebih mudah diselesaikan dengan menggunakan sistem koordinat dimana:

(

2₊ 2 ; ₌arctan (y/x) ;dan z₌z

)

= x y

θ

r Sehingga : 2 2 2 2 2 2 2 2 _{/ 1/ / 1/ / /} z T T r r T r r T T=∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ +∂ ∂ Δ θ Menjadi : 0 / / 1 / 2 2 _{∂ + ∂ ∂ =} ∂ T r r T r Dengan sedikit manipulasi matematik dan dua kali integrasi persamaan diatas diperoleh jawaban umum :

2 1lnr C

C

T = + Dengan memasukkan syarat batas :

1 1

;

@

r

=

r

T

=

T

2 2

;

@

r

=

r

T

=

T

Diperoleh persamaan distribusi temperatur untuk silinder :

(

) (

1 1 2 1 2 1

ln

/

/

ln

r

r

r

r

T

T

T

T

=

+

−

)

Atau :

(

) (

[

2 1

)

1 2 2 1

]

1 2 ln ln ln / ln 1 r T r T r T T r r T = − + −

Dengan demikian, besar heat flux q”(q”=q/A), atau laju perpindahan kalor persatuan luas permukaan :

(

)

(

)

(

(

2 1

)

)

1 2 1 2 1 2 " / ln / ln / r r r T T h r r r T T h dr dT hk q =− =− K − = K −

Bidang luas dinding silinder

L

r

2

π

=

A

,laju perpindahan kalor

persatuan panjang silinder atau q’,(q’=q/L) :

(

)

₍

(

₎

)

1 2 2 1

/

ln

2

2

"

/

'

r

r

T

T

h

r

q

L

q

q

=

=

π

=

π

K

−

Sedangkan besar laju perpindahan kalor q:

(

)

(

2 1

)

2 1

/

ln

2

"

2

r

r

T

T

L

h

q

L

r

q

=

π

=

π

_K

−

Dan besarnya tahanan termal untuk perpindahan kalor konduksi pada silinder adalah :

(

)

K th

h

L

r

r

R

2

/

ln

_{2 1}

π

=

2.5. Perpindahan Panas secara Konveksi

Adalah proses transport energi dengan kerja gabungan antara konduksi, gerakan fluida yang bersifat mencampur partikel-partikel fluida dan penyimpanan energi didalam fluida. Perpindahan panas ini sering dikaitkan dengan mekanisme perpindahan antara permukaan padat dengan aliran fluida (cairan atau gas). Laju perpindahan panas konveksi dari sebuah permukaan pada ke fluida yang berada Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

disekelilingnya dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut: [ref 1 hal 11]

)

(

₁

−

_∞

=

h

A

T

T

q

c c Dimana : c

q

= Laju perpindahan panas konveksi [Btu/h atau Watt].

1

T

= Temperatur partikel tetap yang tidak bergerak

(permukaan benda padat) [K]. ∞

T

= Temperatur partikel bergerak (fluida) yang tidak terpengaruh oleh kehadiran partikel tetap [K].

c

h

= Koefisien perpindahan panas media konveksi [Btu/h.ft².0F atau/m².K].

A

= Luas permukaan kalor kontak [m2].

Secara umum konveksi dibedakan menjadi dua bagian yakni konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas terjadi bila gerakan fluida yang terjadi adalah akibat beda massa jenis yang timbul akibat perbedaan gradien temperatur pada fluida, sedangkan konveksi paksa terjadi jika gerakan fluida mendapat paksaan dari luar.

2.6. Laju Aliran Panas (q)

Laju aliran panas dapat diketahui atau dihitung dengan cara mengetahui keseimbangan panas, yaitu panas yang diberikan media panas sama dengan panas yang diterima oleh media pendingin. [ref 1 hal 178]

2 1

q

q

=

Dimana :

)

.

.

(

0 h

m

C

T

q

=

P

Δ

)

.

.

(

m

0

C

T

q

c

=

P

Δ

Subskrip = Media pendingin (cold), Subskrip = Media panas (hot).

1

q

2

q

0

m

= Laju aliran massa

[ ]

kg/s

P

C

= Panas jenis fluida

[

kJ/kg.K

]

Didefiniskan : = Laju aliran panas, antara dua fluida kerja, ada yang mempunyai nilai yang lebih besar, diberi notasi , yang kecil diberi notasi dari persamaan diatas dapat ditulis :

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

m

C

P

q

.

0

q

maks

q

q

_min α tan . 1 0 = = Δ P C m q T

Dimana

α

adalah sudut kemiringan garis temperatur atau slope. Fluida kerja dinilai

il,

q

yang kec slopenya juga kecil, dan garis temperaturnya landai. Sebaliknya bila nilai

nya besar,

q

tan

α

juga besar, garis temperaturnya curam. Untuk fluida cair, umnya garis temperaturnya landai, dan untuk fluida gas garis temperaturnya curam.

2.7. LMTD (Log Mean Temperature Differen um ce) etoda suatu en

LMTD adalah salah satu m analitis yang didasarkan pada

deka

p tan Integral dengan berbagai hipotesa. Pada sebuah APK yang sederhana dimana kedua fluida yang saling bertukar kalor mengalir dalam arah yang sama (Aliran Paralel). LMTD juga Termasuk dalam salah satu metoda untuk perhitungan APK yang biasa digunakan. LMTD istilah lainnya adalah untuk menghitung beda temperature Logaritmik rata-rata. [ref 1 hal 178]

Untuk aliran berlawanan arah :

(

) (

)

(

) (

[

1 2 / 2 1

)

]

ln Th −Tc Th − 2 1 T T Tm − Δ Tc Δ = Δ

Gambar awanan Arah

Untuk aliran searah : 2-3 Aliran Berl

(

) (

)

) (

)]

(

[

1 2 2 1 ln Th −T 1 2 2 1 Tc Th Tc Th Tm − − Tc Th c − − − = Δ

Gambar 2-4 Aliran Searah

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

(

) (

(

) (

[

beasar kecil

)

)

]

kecil besar

T

T

T

T

LMTD

Δ

Δ

Δ

−

Δ

=

/

ln

Atau :

(

) (

(

) (

[

1 2 2 1

)

)

]

ln T

1 2 2 1

/

T

t

t

t

T

t

T

LMTD

−

−

−

−

−

=

Dimana : 1

T

=Temperatur masuk fluida panas 2

T

=Temperatur keluar fluida panas 1

t

= Temperatur masuk fluida dingin 2

t

= Temperatur keluar fluida dingin

Dari gambar dibawah ini dapat dilihat profil suhu untuk persamaan diatas, untuk alat penukar kalor tipe pipa ganda aliran sejajar dan berlawanan arah.

(A) Aliran Sejajar (B) Aliran Berlawanan Arah

Gambar 2-5 Aliran Searah dan Berlawanan Arah

Jika APK yang di rancang termasuk aliran non paralel maka perlu menambahkan faktor koreksi pada persamaan diatas.

Dimana :

F = Faktor Koreksi yang nilainya dapat

diketahui dari grafik.

2.8. Faktor Koreksi

Faktor koreksi digunakan atau berlaku apabila untuk APK tersebut aliran tidak sejajar (misalkan aliran silang atau cross flow). [ref 1 hal 184] 1 2 2 1 t t T T Z − − = 2 1 1 2 T T t t P − − =

Dengan perbandingan hasil data diatas maka nilai F (faktor koreksi) akan didapat sebuah nilai dengan cara membaca grafik faktor koreksi dengan seksama.

Gambar 2-6 Contoh menentukan besarnya faktor koreksi F

2.9. CMTD (Corrected Mean Temperature Difference)

CMTD adalah nilai yang diperoleh setelah hasil pengkoreksian LMTD dan bila besarnya koreksi = F, maka diperoleh besaran CMTD : [ref 1 hal 182]

LMTD F

CMTD = x

Gambar 2-7 Aliran CMTD Bila nilai LMTD sukar untuk diperoleh maka untuk estimasi dapat menggunakan AMTD (arithmatic mean temperature difference) dimana :

2

T

besar

T

kceil

AMTD

=

Δ

+

Δ

Gambar 2-8 Aliran AMTD

2.10. Konsep dasar aliran

Untuk aliran fluida dalam pipa khususnya untuk air terdapat kondisi yang harus diperhatikan dan menjadi prinsip utama, kondisi fluida tersebut adalah fluida merupakan fluida inkompresibel, fluida Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

dalam keadaan steady dan seragam.

v

.

A

Q

=

Dimana : Q = Debit aliran (m³/s) A = Luas Penampang (m²) v = Kecepatan Fluida (m/s) Untuk aliran steady dalam pipa dengan diameter pipa konstan pada waktu yang sama berlaku persamaan kontinuitas :

v1 x A1 = v2 x A2

Gambar 2-9 Aliran steady dan seragam

2.11. Jenis Aliran

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda. Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam pipa.

Gambar 2-10 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa

2.12. Viskositas

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dibedakan menjadi 2 jenis, yaitu viskositas kinematik

[

ν

(

m

2

/

s

)

]

dan dinamik

[

μ

(

kg.m.s

)

atau

(

N

.

s/m

2

)

]

. Viskositas kinematik maupun viskositas dinamik dipengaruhi oleh temperature, tekanan, kohesi dan laju perpindahan panas momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperature pada zat cair yang menyebabkan berturunnya viskositas dari zat cair tersebut. [ref 6 hal 120]

2.13. Persamaan-Persamaan Untuk

Aliran

Untuk aliran fluida adapun beberapa persaman-persaman yang digunakan yaitu : [ref 7 hal 83]

1. Persamaan kontinuitas

Persamaan kontinuitas digunakan untuk menyeimbangkan kapasitas aliran dan volume untuk sebuah jaringan distribusi. Dengan asumsi fluida merupakan fluida inkompresibel

dengan massa jenis (ρ)

konstan.Hubungannya dinyatakan sebagai berikut :

V

m

=

ρ

Dimana :

ρ

= Massa jenis (kg/m³) = Massa (kg)

m

= Volume (m³)

V

2. Persamaan energi

Persamaan energi menunjukkan keseimbangan energi yaitu energi masuk sama dengan energi keluar dan dinyatakan dalam persamaan

Emasuk = Ekeluar

3. Persamaan Bernoulli

Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan pada hukum Newton II. Persamaan ini diturunkan dengan anggapan bahwa: a) Zat cair adalah ideal, jadi tidak

mempunyai kekentalan (kehilangan energi akibat gesekan adalah nol). b) Zat cair adalah homogen dan tidak

termampatkan (rapat massa zat cair adalah konstan).

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

c) Aliran adalah kontiniu dan sepanjang garis arus.

d) Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang.

e) Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.

Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida.

Gambar 2-11 Ilustrasi persamaan Bernoulli

III. METODE PENGUMPULAN DATA 3.1 Tahap Perancangan

Tahap awal perancangan ini adalah pengumpulan data dan informasi semua syarat yang berhubungan langsung dengan perancangan serta diharapkan dapat terpenuhi pada solusi akhir. data dan informasi yang diperoleh dapat dikembangkan menjadi suatu dasar perancangan, karena dari data dan informasI tersebut akan menjadi acuan dalam menyusun spesifikasi dari alat ini serta diperoleh segala permasalahan yang terdapat pada proses perancangan dengan dapat solusi yang sangat optimal.

3.2 Thermosypon

Thermosypon adalah suatu alat pendingin untuk mendinginkan cairan yang digunakan pada Sekat Mekanis yang berada pada bagian alat pencampur. Thermosypon berfungsi sebagai pendingin, dan yang mendinginkan adalah Air mineral biasa yang berasal dari air keran ataupun mesin Chiller. keuntungan menggunakan thermosypon dalam mendinginkan sekat mekanis adalah :

1. Sekat mekanis tidak mudah panas sehingga kegunaannya pun bisa lebih lama.

2. Mempermudah perawatan pada sekat mekanis.

3. Sekat mekanis tidak cepat rusak, dikarenakan selain untuk menjaga keutuhan atau perawatan, harga sekat mekanis sangat mahal.

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

Gbr. 3-1 Thermosypon

3.3 Bagian-Bagian Thermosypon 1. Pressure Gauge

Adalah alat untuk mengukur tekanan khususnya yang ada mengukur tekanan didalam thermosypon.

Gbr. 3-2 Pressure Gauge

2. Pressure Switch

Alat ukur yang berfungsi untuk mengukur tekanan sebagai indikator pemutus aliran (mematikan semua proses) apabila tekanan yang berada didalam thermosypon melebihi yang telah ditentukan (overload).

Gbr. 3-3 Pressure Switch

3. Level Switch

rfungsi sebagai Adalah alat yang be

pengukur level air yang masuk kedalam thermosypon.

Gbr. 3-4 Level Switch

4. Sight Glass

enyatu dengan Adalah alat yang m

dinding thermosypon sebagai alat untuk melihat ke bagian dalam thermosypon.

Gbr. 3-5 Sight Glass

5. Coil

ang berbentuk spiral ini

Coil/Tube y

adalah sebagai alat pendingin didalam thermosypon. Fluida yang mengalir didalam tube/coil ini berasal dari Mesin Chiller.

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

Gbr. 3-6 Tube/Coil

3.4 Prinsip kerja Thermosypon

Kandungan pendingin yang terdapat pada sekat mekanis adalah air dengan suhu panas akibat dari perputaran mesin pencampur.

Gbr. 3-7 Siklus Thermosypon

Cara kerja dari alat itu sendiri adalah dengan masuknya cairan panas dari sekat mekanis yang diakibatkan oleh putaran dan menyebabkan terjadinya panas, kemudian cairan fluida panas tersebut masuk kedalam thermosypon, didalam alat tersebut terdapat sebuah coil/tube dan berfungsi sebagai media pendigin yang bersumber dari mesin chiller setelah didinginkan oleh coil (pipa kecil yang

berada didalam alat tersebut) kemudian air yang sudah menjadi dingin dikeluarkan dari thermosypon dan dikembalikan kedalam sekat mekanis dengan keadaan lebih dingin dibandingkan ketika masuk kedalam thermosypon. CW in dan CW out adalah media pendingin yang berasal dari mesin chiller. CW in untuk masuknya cairan (air) ke

dalam coil pendingin dan CW out keluarnya air setelah bersirkulasi didalam thermosypon.

3.5 Spesifikasi Alat Thermosypon

Nama Alat : Thermosypon Volume Vessel : 8 Ltr

Tekanan Maksimal : 4,8 Bar Temperatur Maksimal : 94 ˚C Material Bahan : SS 316L

Sealant Fluid (Fluida yang didinginkan) :

Air (Mixer/Homogenizer)

Cooling Fluid (Fluida pendingin) : Air (Mesin Chiller)

A. Sekat Mekanis

Sekat Mekanis adalah alat yang berfungsi untuk mencegah terjadinya kebocoran fluida yang mengalir padanya. sekat mekanis juga bisa disebut alat pengeblok cairan/gas pada suatu Rotating Equipment. Sekat mekanis pada dasarnya

adalah golongan seal. Seal adalah suatu part/bagian dalam sebuah konstruksi alat/mesin yang berfungsi sebagai penghalang/pengeblok keluar masuknya fluida, baik itu fluida proses maupun pelumas. Dan fungsi dari sekat mekanis yaitu untuk mencegah kebocoran fluida yang mengalir padanya. Sekat mekanis juga berfungsi sebagai pengganti dari

Gland Packing yang berfungsi sama untuk

mencegah kebocoran dan bila terjadi kerusakan pada Gland Packing kita menggantinya dengan yang baru, berbeda dengan halnya dengan sekat mekanis kita bisa merekondisi kembali sekat mekanis tersebut dengan hanya misalnya mengganti facenya saja, atau melapping ulang seal facenya saja.

Gbr. 3-8 Sekat Mekanis

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

IV. PERANCANGAN KONSEP

4.1 Perancangan Dasar Alat Penukar Kalor Yang Diinginkan

Dasar perhitungan perancangan ini adalah data yang berisikan spesifikasi alat penukar kalor ini yang bertujuan untuk menemukan ukuran-ukuran atau besaran-besaran perhitungan yang berguna merancang sistem alat penukar kalor. Berikut ini data yang dijadikan dasar perhitungan :

1. Data media fluida panas

a.

T

₁ = 45ºC = 318K b. = = = H

Q

min

/

L

23

.

0

min

/

m

0

1

x

.

3

.

2

−4 3

s

/

m

10

x

83

.

3

−6 3 c.

ρ

_air =

990.2

kg/m

3 d.

C

_Pair =

4

.

18

kJ/kg

K

e.

m

h = • H air

x

Q

ρ

=

s

/

m

10

x

3,83

x

m

/

kg

2

.

990

3 −6 3 =

3

.

79

x

10

−3

kg/s

2. Data media fluida dingin

a.

T

₃ = 8˚C = 281 K b.

T

₄ = 17˚C = 290 K c. = - = 290 K - 281 K = 9 K

T

Δ

T

2

T

1 d.

C

_Pair =

4

.

19

kJ

/

kg

K

e.

ρ

_air =

999

.

8

kg/m

3 f. = = = C

Q

0

.

42

L

/

min

min

/

m

10

x

2

.

4

−4 3

/s

m

10

x

7

−6 3 g.

m

C = • C

x Q

air

ρ

= =

s

/

m

10

x

7

x

kg/m

8

.

999

3 −6 3

kg/s

10

x

99

.

6

−3

3. Diameter luar tube/coil adalah 12 mm 4. Diameter dalam tube/coil adalah 10 mm 5. Diameter shell adalah 190 mm

6. Tinggi Shell adalah 412 mm

Gambar IV-1 Siklus Perancangan

4.2 Perhitungan Kalor Sistem

Tujuan perhitungan kalor sistem ini adalah untuk mengetahui besarnya perpindahan kalor yang terjadi dari fluida panas ke fluida dingin. Dengan perhitungan awal berdasarkan data dari fluida dingin dengan maksud mengetahui berapa kalor yang dapat diserap oleh media dingin.

c

q

=

m

c

x x • air

CP

Δ

T

= x x 9 K

kg/s

10

x

99

.

6

−3

₄

_.

₂

_kJ/kg

_K

=

0

.

263

kJ/s

4.3 Distribusi Temperatur

Perhitungan distribusi temperatur ini bertujuan untuk mengetahui sebaran temperatur yang terjadi pada alat penukar kalor ini. h

q

=

m

H x x • air

CP

Δ

T

T

Δ

= air H C

CP

m

q

.

• =

K

kJ/kg

4.18

x

kg/s

10

x

79

.

3

kJ/s

263

.

0

3 −

T

Δ

=

16

.

60

K

Maka didapat : 2

T

=

318

K

−

16

.

60

K

=

301

.

4

K

2

T

=

301

.

4

K

=

28

.

4

0

C

Jadi

T

₂ adalah

28

.

4

0

C

Penurunan suhu yang terjadi adalah :

C

C

C

T

T

₁

−

₂

=

45

0

−

28

.

4

0

=

16

.

6

0

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

Gambar IV-2 Siklus distribusi temperatur

4.4 Perhitungan Termal alat penukar kalor

Dasar dari perhitungan termal alat penukar kalor ini adalah untuk mengetahui besarnya luas perpindahan panas yang terjadi. Sehingga dapat diketahui besarnya nilai LMTD, faktor koreksi, CMTD, dan AMTD.

1. LMTD (Long Mean Temperature Difference)

Tm

Δ

=

[

(

) (

)

]

3 2 4 1 3 2 4 1 ln T T T T T T T T − − − − − =

(

) (

)

[

]

C C C C C C C C 0 0 0 0 0 0 0 0 8 4 . 28 17 42 ln 8 4 , 28 17 45 − − − − − = C C C 0 0 0 31 . 0 20.4 -28 = 24.51K= 24.510C 2. Faktor Koreksi (F)

Z

= 3 4 2 1

T

T

T

T

−

−

=

C

C

C

C

0 0 0 0

8

17

4

.

28

42

−

−

=

1

.

84

0

C

P

= 2 1 3 4

T

T

T

T

−

−

=

C

C

C

C

0 0 0 0

4

.

28

42

8

17

−

−

=

0

.

54

0

C

Jadi didapat nilai untuk Faktor Koreksi atau

F

adalah

0

,

8

[Tabel 2.1]

3. CMTD (Currected Mean Temperature Difference)

CMTD

=

F

.

Δ

Tm

=

0

.

8

x

24.51

=

19

.

6

4. AMTD (Arithmatic Mean

Temperature Difference) AMTD = ( ) 2 ) (T1−T3 −T2−T4 =

(

)

2 8 4 . 28 ) 17 45 ( − − − =

3

.

8

4.5 Perhitungan Bilangan Tak

Berdimensi

Perhitungan bilangan tak berdimensi ini untuk mengetahui bilangan

grashof, bilangan prandtl, bilangan nuselt.

1. Bilangan Grashof L

Gr

=

(

)

2 3 2 . . η ρ β T T L g _s − ∞ =

(

)(

)

( )

(

3

)

2 3 2 3 3 2 s kg/m 10 x 0.71 0.245 8x .45 kg/m 994.1 1/K 10 x 0.349 9.81m/s − = 3355.9467

Maka diperoleh nilai C dan nilai n (dari tabel C dan n bilangan Grashof)

C = 0.53 n = ¼ 2. Bilangan Prandtl

Pr

=

hk

Cp

.

η

=

(

)

C kW/m 0.6221.10 s kg/m 10 x 0.71 . C 4.179kJ/kg 0 3 3 0 − = 4.7 3. Bilangan Nusselt

Nu

=

C

(

Gr

_f

.

Pr

_f

)

n = 4 / 1 6

_x

₄

_.

₇

₎

10

x

(3.4

53

.

0

= 5.94

4.6 Perhitungan Perpindahan Panas Konveksi

hc

=

Nu

L

hk .

=

.5.94

m

0.245

C

W/m

0.6221

0 =

15

.

08

W/m

2 0

C

Didapat Konduktifitas termal (

Rth

_in) thin

R

=

L

.

1

hc

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

= 0,245m . C 15.08W/m 1 0 2 =

0

.

27

0

C

m/W

= 9.85 x 10-4 K m/W 4.7 Perhitungan Perancangan 1. Suhu film

Temperatur fluida pada lapis batas termal mempunyai nilai yang bervariasi dari

T3 pada permukaan hingga T4 pada sisi

luar lapis batas. Karena sifat fluida juga bervariasi terhadap temperatur, maka untuk penentuan sifat-sifat fluida pada perhitungan didasarkan pada temperatur film Tf , yaitu

=

Tf

Δ

2 4 3 T T + = 2 17 80_C+ 0_C = 12.50C

Maka dari hasil suhu rata-rata bisa diperoleh dari tabel sifat fisik fluida dengan suhu 12,50C Diperoleh nilai untuk :

3

kg/m

999.5

=

ρ

C

W/m

0.5865

0

=

K

kg/s

10

x

1.22

-3

=

η

8.745

r =

P

Nilai diatas berdasarkan dari lampiran properties of saturated water 2. Bilangan Re

Untuk menghitung/mempermudah mencari bilangan reynold maka perlu terlebih dahulu menghitung dari data fluida pendingin berikut ini : a. Luas Penampang (A)

A

=

1/4

.

π

.

D

2 =

1/4

x

3.14

x

0.012

m

2 =

1.3

.

10

-4

m

2 b. Kecepatan (v) =

v

A

Q

_C = _{4 2} 3 6

m

10

x

3

.

1

s

/

m

10

.

7

− =

0

.

061

m/s

c. Viskositas (

μ

)

μ

=

ρ

η

= ₃ 3

kg/m

5

.

999

s

kg/m

10

x

22

.

1

− =

1

.

22

x

10

−6

m

2

/

s

d. Reynold (Re) =

Re

μ

D

.

v

= s / m 10 x 22 . 1 m 0.012 x m/s 061 . 0 2 6 − = 600

Sehingga terjadi aliran laminar dalam pipa air dingin, dengan nilai Re sebesar 600 maka dalam pipa air dingin ini menjadi aliran laminar karena besar nilai laminarnya kurang dari 10000.

3. Bilangan Nusselt

Nu

= 0.023 . Re0.8 . Pr1/3 = 0.023 x 6000.8 x 8.7451/3 = 7.33

4. Koefisien konveksi hc fluida pendingin

hc

_out =

L

K.Nu

= m 245 . 0 ,33 7 x C W/m 5865 . 0 0 =

1

7.55

W

/

m

2 0

C

5. Koefisien tahanan termal (Rth)

R

_thout =

L

hc .

1

= m 0,245 . C W/m 17.55 1 0 2 =

0

.

23

0

C

m/W

= 8.39 x 10-4 K m/W 6. Koefisien tahanan termal konduksi

pada stainless steel 316L

Rth

_konduksi =

(

)

hk

L.

.

.

2

r2/r1

ln

π

=

(

)

C W/m 6 1 x m .245 0 x .14 3 x 2 m m/0.01 0.012 ln 0 =7.4 x 10-30Cm/W = 2.7 x 10-5 m/W K

7. Koefisien Perpindahan Panas Total (U)

U

= out konduksi in

Rth

Rth

Rth

+

+

1

= m/W K 10 x 39 . 8 m/W K 10 . 7 . 2 m/W K 10 x 9.85 1 4 -5 4 - ₊ − ₊ = 540.25 W/m K

8. Luas Penampang Perpindahan Panas

A

=

AMTD

U

q

_C

.

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP

= K 3.8 K x W/m 25 . 540 kJ/s 263 , 0 =

0

.

12

m

2 Maka,

L

=

r

A

.

.

2

π

=

m

012

.

0

x

14

.

3

x

2

m

12

.

0

2 =

2

.

6

m

Jadi didapat panjang untuk Coil/Tube adalah

2,6

m

4.8 Perhitungan Bentangan Coil / Tube (Lbentangan)

Apabila coil/tube dibentangkan maka untuk membuktikan hasil tersebut dengan hasil yang didapat pada perhitungan L maka :

K =

π

x

ID

_diagonal =

3

.

14

x

121

.

2

mm

=

380

.

568

mm

Lbentangan= K x Pitch (jarak antara pipa)

= 380.568 mm x 7 = 2663.976 mm = 2.6 m

V. KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan dan perencanaan yang telah dilakukan dalam perancangan ini maka :

1. Didapat untuk laju perpindahan panas [qc

= qh] 0.263 kJ/s

2. Didapat untuk laju aliran massa fluida panas [ ] adalah

•

m

3

.

79

x

10

−3

kg/s

3. Didapat untuk laju aliran massa fluida panas [ ] adalah

•

m

6

.

99

x

10

−3

kg/s

4. Debit fluida panas adalah

s

/

m

10

x

83

.

3

−6 3

5. Debit fluida panas adalah

7

x

10

−6

m

3

/s

6. Temperatur rata-rata atau (suhu film) 12.5

0

C [

Δ

Tf

]

7. Temperatur dalam pipa T2 = 44.99 0C

8. Panjang pipa (coil/tube) adalah 2.6 m

VI. DAFTAR PUSTAKA

1.

Wibowo Prayatmo “Perpindahan Kalor

dan Massa Teori Dasar dan Aplikasi”,

EC (Engineering Clinics) FTUP, Jakarta, 2011

2.

Holman J.P “Heat Transfer” 8th International Edition, McGraw-Hill Companies, Inc.

3.

Wilbert F.S dan Jerold W.J,Refigerasi dan Pengkondisian udara, Erlangga, Jakarta, 1982

4.

www.energyefficiencyasia.org

Accessed Januari 5 2012, 18.22. WIB

5.

www.engineeringtoolbox.com/heat-

exchanger-material-thermal-conductivities-d_1488.html Accessed July 10 2012, 15.30 WIB.

6.

Cengel.A.Yunus, Heat Transfer, Handbook PDF, 2010

Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP