LANDASAN TEORI
2.1. SISTEM PENGERINGAN KAYU BUATAN
Sistem pengeringan kayu buatan berbeda dengan sistem pengeringan kayu secara alami. Sistem ini mencoba meniru sistem pengeringan alami tetapi tanpa bergantung pada kondisi cuaca. Pengkondisian iklim ini dilakukan dalam suatu ruang yang pengendaliannya diproses lewat sebuah mesin kendali oven (kiln controler) yang diletakkan dalam ruangan terpisah dari ruang pengering. Sumber panas matahari digantikan oleh elemen pemanas (heating elements) yang berfungsi sebagai pemasok energi termal panas ke dalam ruang pengering, sehingga udara dalam ruangan akan menjadi panas.
Elemen pemanas ini terbuat dari tembaga yang mempunyai sirip-sirip atau cincin untuk mentransmisikan energi panas dari media air panas ke udara dalam ruang pengering. Sirkulasi gerakan dalam ruang pengering dikendalikan oleh panel kontrol kipas yang berfungsi untuk mengatur putaran
dengan merata ke selumh bagian mangan. Untuk lebih mengarahkan sirkulasi udara dalam ruang pengering supaya terbentuk suatu tekanan gerak udara yang kuat, merata dan tidak menyebar maka diperlukan plafon antara (sub celling). Dengan plafon ini, maka gerakan udara dapat diarahkan untuk membentuk kurva tekanan pada tumpukan kayu sehingga udara yang bergerak dapat ditekan masuk di antara celah-celah tumpukan kayu. Udara panas yang sudah jenuh dengan uap air dari hasil evaporasi kayu akan di buang melalui cerobong buang (dampfer) dan pada saat yang bersamaan di masukkan udara bersih ke dalam ruangan kembali.
Pengendalian proses penyesuaian kayu terhadap lingkungan di sekitarnya merupakan dasar sistem kerja alat pengering kayu. Pengaturan lingkungan sekitar kayu merupakan juga pengaturan cuaca atau iklim, sehingga alat pengering kayu juga disebut sebagai alat pengatur atau pengontrol iklim.
Elemen pemanas Udara panas ft Air yang terevaporasi
memanaskan udara 1= ) disirkulasi ke arah c = ) dari kayu dan menjadi
dalam ruang oven tumpukan kayu uap air
Udara bersih dari luar Uap air terserap oleli
udara panas sampai kelembabannya
nienjadi jenuli
Udara jenuh daii berkelembaban tinggj dibuang ke luar ruang
oven
Gambar 2.1
Skema prinsip kerja pengeringan kayu buatan
Eo o 2<5
o<D
(/i 3
O)c
(0> »
ow
c
(Q
■D(/><0
c<0
Q .
'«3
O)c
3
c(0 o>
c(D
T3 Q .(0
O)c
>s
O)c 0)C7) c
<D Q .
BEw w
£ = 2
d 9- c c .E fo
E ra I
o a JO
uj k a.
2 EQ . CO CO Q
JD(03 I J§
! -
| l IcS
0)c
(0Q .
(0c
O )c
■o0)
Q . CO O )c
0)
(0 3
■9 *h -
l l I i e
| ? l
■i « c<0 ^ CO -3 CC -O
CD CO o>
' ■ N
\ * '.r, ©
v " / "■. —
^ - I
©
Gambar 2.2
Sistem pengeringan kayu secara lengkap
jx:3
•s0)
<0 »-
w o
c
D )
§
O )
” - cvi CO
CO c
COQ. c
^ CO
o)« o
§ o "D
H CD -E
Sio
3
to
2.2. BAGIAN-BAGIAN UTAMA PENGERINGAN KAYU BUATAN
Pengeringan kayu dengan cara buatan paling banyak digunakan dalam industri kayu, karena pengeringan kayu inilah yang dinilai paling mudah dan paling rendah biaya pengoperasiannya.
Komponen atau bagian-bagian utama dari pengeringan kayu buatan adalah sebagai berikut;
1) Ruang Pengering (Kiln Room) 2) Ruang Kontrol (Control Room)
3) Perlengkapan Pengeringan (Kiln Equipment) 4) Tungku Pemanas
2.2.1. Ruang Pengering (Kiln Room)
Kontruksi dari ruang pengering tersebut menggunakan batu bata dengan kerangka dan atap dari beton. Kontruksi tersebut tidak hams menggunakan batu bata tahan api, yang penting kontruksinya dapat berfungsi untuk meredam dan menekan kebocoran energi panas agar tidak keluar. Balok beton diletakkan di luar agar permukaan dinding bagian dalamnya rata, sehingga kelancaran sirkulasi di dalam ruangan tidak terganggu oleh tonjolan-tonjolan balok beton. Bagian dalam ruang pengering biasanya diberi dicat hitam dengan menggunakan cat tahan panas yang berfungsi sebagai pelindung plaster semen dari tempertur dan kelembaban tinggi agar tidak mudah retak atau pecah.
Kontuksi dinding dari luar ke dalam:
Keterangan: d1
1. Plaster dl = 15 mm 2. Batu bata d2 = 240 mm 3. Udara d3 = 50 mm 4. Batu bata d4 = 120 mm 5. Plaster d5 = 15 mm
d2 d3d4 d5
r r
Kontruksi pintu dari luar ke dalam:
Keterangan:
1. Alumunium dl = 1,3 mm 2. Serat kaca d2 98 mm 3. Alumunium d3 = 1,3 mm
d1 62 d3
---
*
Kontruksi atap Keterangan:
1. Beton dl= 140 mm
d1
f--- 1 O
o o o“ o
° O C
■=o
^ O
° ° c O
O c O c
O o
OcO C
Gambar 2.3
Bahan dari kontruksi ruang oven
2.2.2. Ruang Kontrol (Control Room)
Ruangan tersebut terpisah dari ruang pengering dan diberi sistem penyejuk udara (air conditioning) untuk menjaga agar alat-alat kontrol mikroprosesor dapat bekerja dengan baik.
Peralatan elektronik yang ada di ruang kontrol tersebut adalah alat kontrol oven (kiln controler) dan panel kontrol kipas (fans control panel).
1) Alat kontrol oven (kiln controler)
Alat ini digunakan untuk memantau kadar air kayu pada beberapa titik contoh kayu (wood sensor point) dalam tumpukan kayu yang akan dikeringkan, selain itu juga untuk memantau kelembaban relatif dan temperatur dalam ruang pengering sehingga kayu dapat mencapai kadar air yang diinginkan dengan aman tanpa mengalami kerusakan.
2) Panel kontrol kipas (fans control panel)
Panel ini berisi kontraktor-kontraktor dan relay yang dihubungkan dari kipas-kipas yang berada dalam ruang pengering ke panel kipas dalam ruang kontrol. Alat ini digunakan untuk mengendalikan putaran kipas-kipas agar udara panas dalam ruang pengering dapat disalurkan secara merata ke seluruh bagian ruangan. Alat ini juga dapat mengatur putaran kipas-kipas secara bolak-balik menurut waktu yang telah ditetapkan.
2.2.3.Perlengkapan Pengeringan (Kiln Equipment)
Bagian-bagian atau komponen yang termasuk dalam kategori perlengkapan dari ruang pengeringan adalah;
1) Elemen pemanas (heating coil)
Elemen pemanas berfungsi sebagai pemasok energi termal panas ke dalam ruang pengering agar udara dalam ruangan tersebut menjadi panas. Elemen ini terbuat dari tembaga yang mempunyai sirip-sirip atau cincin untuk mentransmisikan energi panas dari media air panas ke udara dalam ruang pengering.
Gambar 2.4 Elemen pemanas
2) Kipas sirkulasi (fans impeller)
Kipas merupakan alat penggerak utama sirkulasi udara dalam ruang pengering agar udara panas dapat mengalir secara merata ke seluruh
ruangan. Udara yang bergerak dapat ditekan masuk diantara celah- celah tumpukan kayu.
Gambar 2.5 Kipas sirkulasi
3) Plafon antara (sub celling)
Plafon antara digunakan untuk mengarahkan sirkulasi udara dalam ruang pengering sehingga dapat terbentuk suatu tekanan gerak udara yang kuat, merata dan tidak menyebar. Gerakkan udara ini, diarahkan membentuk kurva tekanan (turbulent flow) pada tumpukan kayu. Tekanan udara atau kecepatan gerak udara yang paling ekonomis berkisar antara 2 - 3 m/detik. Gelagar penggantung plafon sebaiknya dipasang pada bagian bawah, sehingga dapat melindungi pelapis plafon dari benturan forklift.
Pada bagian atas plafon licin agar sirkulasi udara tidak terhambat.
Lrambar 2.6
Kurva tekanan dan sub celling
4) Cerobong buang (dampfer)
Cerobong ini digunakan untuk membuang udara lembab dari dalam ruang pengering dan menghisap udara luar masuk ke dalam mangang tersebut. Letak dampfer tidak selalu berada di bagian atap ruang pengering bisa juga diletakkan pada dinding bagian atas. Bila katup ini tidak berfungsi dengan baik, maka kelembaban di dalam ruangan tidak dapat di keluarkan sehingga proses pengeringan kayu akan menjadi lebih lama.
udara lembab keluar
Gambar 2.7
Prinsip karja cerobong buang
5) Kabel silikon dan paku sensor
Paku sensor (elektrode) yang dipakukan pada tumpukan kayu dalam ruang oven dihubungkan dengan kabel silikon (silicon cable) yang ditarik keluar dari ruang pengering menuju ke alat ukur dalam ruang kontrol. Alat tersebut berfungsi untuk mengukur kadar kandungan air dalam kayu.
6) Sensor kelembaban udara
Sensor ini berupa kertas sensor yang dijepit oleh dua besi penjepit dan dihubungkan pada kabel silikon menuju panel kontrol elektronik dalam ruang kontrol. Sensor tersebut berfiingsi untuk mengukur kelembaban udara dalam ruang pengering berdasarkan hitungan hambatan (wirestand) aliran listrik yang mengalir pada kertas sensor tersebut. Sensor ini sebaiknya dilindungi dengan pelat agar tidak terkena udara lembab langsung dari aliran udara yang disirkulasikan karena akan menyebabkan hasil pengukuran tidak tepat.
Gambar 2.8
Letak paku sensor dan sensor kelembaban
7) Alat penyemprot air (water sray)
Alat ini berupa pipa dengan putting-putting (nozzle) yang dapat memancarkan air ke dalam ruang pengering untuk melembabkan udara di dalamnya. Pembasahan permukaan kayu ini dilakukan untuk memancing kandungan air dalam kayu yang belum keluar agar perlahan-lahan dapat terevaporasi sehingga perbedaan tegangan dalam kayu yang timbul pada saat pengeringan alami dapat dihilangkan.
8) Jaringan pipa (piping plant)
Pipa-pipa ini berfungsi untuk mengalirkan media pemanas yang berupa air dari tungku pemanas menuju ke elemen pemanas yang berada dalam ruang pengering dan kembali lagi ke tungku pemanas yang merupakan sirkulasi. Aliran media air panas ini disirkulasikan dengan menggunakan pompa tahan panas secara terus-menerus sampai proses pengeringan tersebut selesai.
2.2.4. Tungku Pemanas
Tungku pemanas berfungsi untuk memanaskan media yang akan dialirkan ke elemen pemanas dalam ruang pengering sehingga transmisi energi dapat berlangsung dari elemen pemanas ke udara dalam ruang pengering. Media yang akan di pakai untuk mentransmisikan energi panas tersebut berupa air yang dipanaskan.
2.3. PROSES PENGERINGAN KAYU
Sistem pengeringan kayu baik alami maupun buatan merupakan suatu proses, yaitu proses evaporasi kandungan air dalam kayu dengan waktu tertentu sesuai dengan kondisi udara sekitamya. Waktu pengeringan tidak dapat dipersingkat dengan hanya menaikkan temperatur ruangan. Pemaksaan ini tidak akan membawa hasil yang memuaskan, melainkan akan menimbulkan cacat kayu (retak dan pecah) bahkan dapat teijadi kayu tidak dapat dipakai sama sekali.
Proses pengeringan kayu sangat dipengaruhi oleh berbagai macam faktor antara lain adalah sebagai berikut:
1. Faktor kayu:
Meliputi jenis kayu dan struktur pori-pori kayu, ketebalan kayu, kadar air kayu awal (initial moisture content), dan kadar air akhir (final moisture content).
2. Faktor penyusunan kayu (stacking);
Sehubungan dengan ukuran tebal ganjal dan cara penyusunannya dalam oven. Faktor tersebut juga dipengaruhi oleh kecepatan sirkulasi udara dalam ruangan.
3. Faktor ruang oven;
Meliputi serkulasi udara dalam ruangan, panas energi yang dipasok dan pengaturan kelembaban relatif dalam ruangan untuk mengabsorbsi uap air dari dalam kayu.
Faktor-faktor tersebut mempengaruhi kayu dalam menyesuaikan kondisi bagian dalam kayu dengan udara yang ada di sekitarnya, sesuai dengan sifat alami kayu yang higroskopis. Kondisi di sekitar kayu yang terlalu jauh berbeda dengan kondisi dalam kayu karena pelepasan kandungan air yang tidak merata dalam kayu akan menimbulkan ketegangan dalam kayu (drying stress). Bila tegangan ini tidak dapat diatasi dengan cara kembang-susut sel kayu, maka struktur sel kayu akan terkoyak ( pecah atau retak).
Dasar pengendalian proses pengeringan kayu adalah pengaturan kelembaban relatif dan temperatur udara di sekitar kayu dengan mengatur energi thermal yang dipasok melalui elemen pemanas dan disirkulasi oleh kipas-kipas impeller. Iklim buatan ini akan mengkondisikan kayu untuk menyesuikan kadar airnya dalam waktu yang lebih pendek dari pada kondisi udara alami.
Proses pengeringan kayu secara umum ada beberapa tahapan, yaitu sebagai berikut;
1) Tahap pemanasan awal (Preheating)
Pada tahap pemanasan awal, kayu dibasahi lebih dahulu dengan jalan menyemprotkan air ke dalam ruang pengering dan temperatur diatur pada suhu antara 35°C - SO^’C. Air akan menguap dan membentuk kabut uap air yang pekat, sehingga udara akan menjadi berkelembaban tinggi.
Permukaan kayu akan menjadi basah, sehingga tegangan dalam kayu akan mengendur. Proses ini dapat menghilangkan perbedaan tegangan dalam kayu yang timbul pada saat pengeringan alami.
Tujuan proses pengeringan awal adalah;
□ Menyamakan kadar air awal kayu agar dapat diproses dalam tahapan proses yang sama.
□ Menghilangkan tegangan-tegangan dalam kayu selama kayu ditimbun atau dikeringkan secara alami (air dryer).
2) Tahap pengeringan sampai titik jenuh serat
Pada tahap ini kayu mulai dikeringkan dari kadar air antara 50% - 70%
sampai titik jenuh serat yang berkisar antara 21% - 30%. Temperatur maksimal yang digunakan hendaknya berkisar antara 40°C - 55"C.
Penggunaan temperatur tinggi harus dihindarkan, sedangkan kipas-kipas udara untuk mensirkulasikan udara dalam ruang pengering harus dimanfaatkan.
Tujuan proses ini adalah :
□ Mengeluarkan kandungan air bebas dari dalam kayu sehingga kayu mencapai titik jenuh serat.
□ Menghindarkan keluamya zat ekstraktif yang dapat mengubah wama kayu (discolouration).
3) Tahap pengeringan sampai kadar air akhir
Tahap pengeringan di bawah titik jenuh serat sangat riskan karena pada tahap ini, kayu mulai melepaskan kandungan air terikatnya. Bila kandungan air terikat dalam dinding sel mulai terevaporasi, kayu pun akan bergerak menyusut. Proses evaporasi harus dikendalikan agar tetap
merata pada keseluruhan permukaan kayu sehingga tidak terjadi perbedaan ketegangan dalam kayu. Kadar air dari titik jenuh serat yang berkisar antara 21% - 30% harus dapat diturunkan lagi sampai kadar air akhir antara 10% -12%, sesuai dengan kebutuhan.
Tujuan proses ini adalah ;
□ Mengeluarkan kandungan air terikat dalam dinding sel kayu sehingga kayu dapat dikeringkan sesuai dengan kebutuhan.
□ Menghindarkan cacat-cacat akibat perubahan bentuk atau pecah.
4) Tahap pengkondisian (Conditioning)
Pada akhir proses, kadar air permukaan kayu mencapai 8% - 9%, tetapi pada bagian inti kayu masih 10%. Perbedaan 2% atau 1% dapat disamakan dengan cara pembasahan (water spray) sehingga permukaan kayu juga mempunyai kadar air 10%. Pembasahan pada permukaan kayu bertujuan untuk menghilangkan tegangan-tegangan dalam kayu akibat kurang meratanya kadar air dalam terhadap permukaan kayu, sehingga tegangan dalam kayu akan terbebaskan.
5) Tahap pendinginan (Cooling Down)
Tahap ini adalah tahap penurunan temperatur secara perlahan-lahan dan penjagaan ketetapan sirkulasi udara dalam ruang pengering. Kayu yang panas dapat pecah atau retak bila perubahan udara di sekelilingnya terlalu mendadak. Setelah proses pendinginan, sebaiknya kayu didiamkan lebih kurang satu minggu sebelum proses produksi berikutnya.
2.4. PERHITUNGAN BEBAN KALOR
Perhitungan beban kalor berguna dalam menentukan alat penukar panas yang akan dipergunakan untuk mengkondisikan ruang pengering, sehingga dapat tercapai kondisi yang diinginkan.
2.4.1.Psikrometri
Psikrometri merupakan kajian tentang sifat-sifat campuran udara dengan uap air yang mempunyai arti penting dalam proses pengeringan karena udara yang ada di atmosfer tidak kering betul tetapi merupakan campuran antara udara dengan uap air.
1) Udara Kering
Udara kering tidak pemah didapat, karena udara kering selalu mengandung beberapa uap air. Pada temperatur tertentu tekanan jenuh (P^) dari sifat termodinamika uap sesuai dengan tekanan
partial uap {P^) dalam campuran uap air dan udara kering.
Hukum Daltons mengenai tekanan partial.
P = P a + P .= > P .= P -P . Dimana;
P = tekanan barometik campuran {KPa) P^ = tekanan partial udara ktr ing {KPa) P^ = tekanan partial uap air {KPa)
2) Temperatur Bola Kering (Dry Bulb Temperature)
Temperatur bola kering (7^^) adalah temperatur udara yang ditunjukkan oleh temperatur biasa dengan sensor kering dan terbuka. Temperatur bola kering ditunjukkan sebagai absis pada diagram psikrometri.
3) Temperatur Bola Basah (Wet Bulb Temperature)
Temperatur bola basah adalah temperatur yang ditunjukkan oleh termometer dengan sensor basah yang terbalut kain dan permukaan luar kain dialiri udara. Temperatur bola basah ditunjukkan sebagai garis miring pada diagram psikrometri.
4) Volume Jenis
Massa jenis ( v ) adalah perbandingan antara volume dengan massa.
^, ^ Rq T _ K - T p- p. .
5) Absolut Humidity (Humidity Ratio)
Absolut humidity (w) adalah massa kg uap air yang dikandung dalam suatu campuran udara-uap air tiap kg udara kering.
Asumsikan uap air dan udara kering sebagai gas ideal.
P. ■ K Massa uap air : - V V
Massa udara kering ; = P - V .a a
K = K dan T„ = T^, = T,DB
BM^ \%kg!Kmol kg-K
_ R,, _ m A J l k g - K J BM^ 2%,964kglKmol kg -K
w = = 0,622 = 0,622 —^
P . - V J K - L P. P -P .
6) Relative Humidity
Relatif humidity (/?//) adalah perbandingan antara tekanan uap air dalam udara dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur dry bulb yang sama.
RH = ^ ^ P ^ R H P P
2.4.2. Hukum Termodinamika I
Hukum Termidinamika I yang juga dikenal sebagai prinsip-prinsip dari penyimpanan energi, memberikan dasar untuk mempelajari hubungan antara berbagai bentuk dari energi dan transformasi energi,
Bunyi dari Hukum Termodinamika I adalah bahwa energi tidak dapat dibuat ataupun dimusnakan, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari suatu energi ke energi lain.
Hukum Termodinamika I untuk suatu sistem tertutup atau suatu massa yang tetap, dapat diuraikan sebagai berikut;
0 - P F = M Dimana:
Q - perpindahan panas total dalam sistem. (=
fV = ker ja total dalam sistem. (=
AE - perubahan energi total dalam sistem. {E^ ~E^) Energi total dari suatu sistem dapat diuraikan sebagai berikut;
AE = AU + AEp + AEk Sehingga dapat ditulis:
Q - W = AU + AEp + AEk Dimana:
AU - m { u ^ -u ^
1 /- 2 - 2 \ isEp = - m- V j - V i
2 V
/SEk = m g {Z^ - Z ,)
2.4.3. Laju pengeringan
Bila sebuah material yang permukaannya basah dikeringkan melalui arus udara yang panas, maka dapat didefmisikan seperti pada Gb. 2.9 yang merupakan alur dari rata-rata pengeringan.
/ = fr«e moisture content, { w - w ,)
Gambar 2.9 Kurva pengeringan
1) Periode rata-rata konstan (Tahap titik jenuh serat) Pada tahap ini, = konstan
Waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan dari Wo ke Wc adalah:
Dimana:
= waktu pengeringan titik jenuh serat (5)
- initial moisture content
w = critical moisture content
kg uap air
^kg udara kexing ^
^ kg uap air kg udara kexing ^
= lajii pengeringan kg yUl - s ,
A = luas permiikaan (w?^)
2) Periode rata-rata penurunan (Tahap kadar air akhir)
Waktu yang dibutuhkan untuk mengeringkan dari Wc ke w adalah:
•In H’ -
Dimana:
tf = waktu pengeringan kadar air akhir (5)
w = kadar air akhir kg uap air
^kg udara kering
= equilibrium moisture content kg uap air kg udara kexing
3) Waktu untuk pengeringan total
r
Dimana;
Waktu total pengeringan adalah:
M ' - 1
/ , = ---1--- — • In
m - l - A n i A
/
L , =
m- A
A _ A + in A
L f
2.4.4. Kerugian beban kalor
1) Kerugian kalor melalui dinding, atap dan pintu Besarnya kalor dapat dihitung sebagai berikut
q ^ U - A - ^ T Dimana;
U - koefisien perpindahan panas W m^ - K A = luas {m)
AT = beda suhu udara luar dan dalam (k )
2) Kerugian kalor melalui udara ventilasi dan infiltrasi (a) Besarnya kalor sensibel
q^=l,23-J>- AT Dimana:
= besarnya kalor sensibel i^a tt)
^ lA
\ s )
V = kapasitas udara
AT - beda suhu udara luar dan dalam
(”c)
(b) Besarnya kalor laten
= 3010-F-Aw Dimana:
q, = besarnya kalor laten {Wati)
Aw = beda spesifik humidity udara luar dan dalam M J
2.5. PERPINDAHAN PANAS
Perpindahan panas adalah perpindahan energi sebagai hasil dari perbedaan temperatur, sehingga panas akan mengalir dari temperatur tinggi menuju ke temperatur yang lebih rendah. Energi panas dapat di pindahkan dari suatu tempat ke tempat lain melalui tiga macam proses, yaitu;
2.5.1. Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energik ke partikel yang kurang energik pada benda akibat dari interaksi antara partikel-partikel. Perpindahan panas konduksi teijadi pada benda padat akibat adanya perbedaan temperatur antara kedua permukaan benda.
Untuk konduksi yang steady state (tidak merupakan fungsi waktu), maka persamaan fourier dapat didefmisikan:
g = - k dT dx Dimana
q = laju perpindahan panas konduksi
k - konduktivitas panas bahan
dT
^ W ^ m -K
dx = gradien tempemtur terhadap jarak
Gambar 2.10
Perpindahan panas konduksi satu dimensi
Jika distribusi temperatur sepanjang L adalah linier, maka laju perpindahan panas dapat ditulis sebagai berikut.
, t ; - 7 ; , 7; - 7; q = - k —---- = k —----
L L
Tanda minis (-) pada persamaan di atas menunjukkan bahwa panas berpindah searah dengan penurunan temperatur.
1) Binding datar
Untuk perpindahan panas konduksi satu dimensi pada dinding datar yang steady state dengan tidak ada pembangkit panas di dalam dinding dan konduktivitas panas yang konstan, serta pembahan temperatur linier searah x, maka persamaannya dapat ditulis:
k - A L Dimana
L -teb a l dinding {m)
x^L 1
9x
Too. I T ,,l T., 2 T„, 2
> o>AAA^5— n/VW----
1 L 1
h i A k A h -iA
Gambar2.11
Perpindahan panas melaiui dinding datar
Apabila dindingnya berlapis-lapis (komposit), maka harus dicari dahulu dengan bantuan analogi rangkaian listrik.
Persamaan tahanan termal ini adalah;
La Lj) Lir K , -
k^- A kg-A k ^ - A
Sehingga laju perpindahan panasnya dapat ditulis:
(r,., - r j
‘'^ ~ L --- --- --- - A kg • A k,^ ■ A j
r „ , i T ,,i T2 n T., ^OO.i
Gambar 2.12
Perpindahan panas melalui dinding komposit
2) Silinder
Laju energi konduksi melalui permukaan silinder padat yang berlubang dapat ditulis:
q r = - k - A - d T dr q ^ - - k - { 2 n : r L )
dr Apabila batas-batasnya di masukkan:
T(r,)=T„ ; 7-(.,)= r„,
Maka persamaan di atas dapat diubah menjadi:
2 n - k - L \ T „ - T j
\a(rjr,)
Gambar 2.13
Perpindahan panas melalui silinder berlubang
Untuk pemecahan silinder berlapis-lapis (komposit), maka hams dicari dahulu dengan bantuan analogi rangkaian listrik.
Persamaan tahanan thermal ini adalah;
n ^ \n{rjr^) ^ \ri(rjr,)
1- n- k^ - L^ 2- K ■ kg-Lg
Sehingga laju perpindahan panasnya dapat ditulis:
(?;, - r,..)
llnCr^/r,) ln(r3/rj ln(r,/r3)_
j__ ln(r,/r,) __ l_
h j2 r r ^ L 2 r k j , L 2 x k g L 2 r k c L h^Zxr^L
Gambar 2.14
Perpindahan panas melalui silinder berlubang komposit
2.5.2. Perpindahan panas konveksi
Proses konveksi merupakan perpindahan energi panas yang terjadi antara suatu permukaan dan fluida yang mengalir di atas permukaan itu, karena disebabkan perbedaan temperatur antara keduanya.
Persamaan flux lokal dapat ditulis sebagai berikut;
9 = i ’ { r . - T j Dimana
q - laju perpindahan panas konveksi (fVati)
h = koefisien konveksi
- temperatur permukaan plat {k) - temperatur fluida {k )
V , T ^
— 1>
L
A ..T .<fx
1
L
Gambar 2.15
Lokal dan total efek perpindahan panas konveksi
Sedangkan laju perpindahan panas total dapat ditulis:
q = h - A , - ( T . - T , )
Dimana
- luas permukaan {m)
Langkah utama untuk memecahkan masalah-masalah konveksi adalah dengan menentukan jenis aliran fluida, apakah aliran itu laminer atau turbulen. Penentuan jenis aliran itu dapat dilakukan dengan menentukan bidang batas dari aliran (batas kritis aliaran), dengan jalan menggunakan persamaan Reynold.
Streamline
Turbulent region
Buffer layer Laminar sublayer
Gambar 2.16
Bidang batas kecepatan kritis di atas plat datar
Persamaan Reynold dapat ditulis:
Re = M Dimana
p - m a ssa je n is flu id a
= kecepaXsLXi f lu id a y a n g m en galir
X = ja r a k a lira n {m )
m
/ / = visk o sita s a b so lu t
Batas kritis dari bilangan Reynold ini yang merupakan batas transisi antara aliran laminer dan turbulen, dimana besamya batas kritis ini bervariasi dari 10^ s/d 3x10^ tergantung dari kekasaran permukaan dan tingkat turbulensi dari aliran bebas.
2.5.3. Perpindahan panas pada permukaan yang diperluas
Perpindahan panas pada permukaan yang diperluas adalah untuk memperbesar laju perpindahan panas antara benda padat dengan fluida yang berada disekelilingnya. Permukaan yang diperluas itu disebut
sirip.
5
T ,.h
Gambar 2.17
Alat penukar panas pipa sirip
1) Laju perpindahan panas pada sirip
Besamya laju perpindahan panas pada sirip dapat ditulis sebagai berikut:
Dimana:
N = banyaknya sirip Tjf = efisiensi sirip
~ laju perpindahan panas maksimum sirip (Watt)
Laju perpindahan panas maksimum pada sirip yang berbentuk ring;
q ^ = h - A f - 0 t
Dimana:
r
IV^
h = koefisien konveksi
Aj- = luas permukaan total sirip (w^)
= perbedaan temperatur {k)
Luas permukaan total sirip dapat ditulis:
A f = 2 - 7 i \ r l - r ^ ) Dimana:
r^c = jciri - sirip yang dikoreksi (/«) /; = jari - jari pipa bagian luar {m)
2) Laju perpindahan panas pada permukaan yang tidak bersirip Besarnya laju perpindahan panas dapat ditulis:
^0 ~ Ai'^b Dimana;
- luas permukaan total yang tidak bersirip Besarnya luas permukaan total tersebut adalah:
A ^ = { H - N - t \ 2 - K - r , Dimana:
H = panjang pipa sirip (m) t = tebal sirip {m)
2.6. ALAT PENUKAR PANAS
Alat penukar panas adalah alat untuk proses pertukaran panas antara dua fluida yang berada pada perbedaan temperatur dan dipisahkan oleh dinding.
Alat yang digunakan untuk implementasi pertukaran ini disebut Heat Exchanger.
Untuk dapat merencanakan kemampuan dari alat penukar panas yang baik, maka hams dapat ditentukan hubungan antara laju perpindahan panas yang meliputi: temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas total dan luas permukaan perpindahan panas total.
Laju perpindahan panas total tersebut dapat ditulis:
q ^ U - A - A T , ^
Dimana;
f W ^
U = koefisien perpindahan panas total
A = luas permukaan perpindahan panas
= heda temperatur rata - rata log yang digunakan {K^
2.6.1. Alat penukar panas aliran paralel
Distribusi temperatur fluida panas dan dingin yang berhubungan dengan alat penukar panas aliran paralel dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Ca— 0 j ; - c > n - O T ^ + dT^ --- 0
\ ^ d A Heat transfer
Cc— > [ - O T c + d T ,
surface area --- 0
-Hdxh-
Distribusi temperatur untuk alat penukar panas aliran paralel
Adanya perbedaan temperatur yang bervariasi terhadap alat penukar panas, maka dalam perhitungan dapat digunakan persamaan beda temperatur rata-rata log (log mean temperature difference).
at; - at; _ at; - at; 1h(at; /at;) in(AT;/A7;) Untuk alat penukar panas aliran paralel
A?; = r , , - T ; , = T ; , - r , ,
2.6.2. Alat penukar panas aliran berlawanan
Distribusi temperatur fluida panas dan dingin yang berhubungan dengan alat penukar panas aliran berlawanan dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Cc<-
r. + dr, L*Zd
^ di i^
Heat transfer surface area
<---
Gambar 2.19
Distribusi temperatur alat penukar panas aliran berlawanan
Untuk alat penukar panas aliran berlawanan A7; = 7 ; , - r , , = 7;,,-7;,„
2.7. ALIRAN DIDALAM PIPA
Laju aliran fluida di dalam pipa adalah suatu keadaan dimana fluida selalu berhubungan dengan permukaan pipa. Dalam menganalisa aliran fluida di dalam pipa, maka terlebih dahulu harus menganalisa jenis aliran itu, apakah merupakan aliran laminar atau turbulen. Untuk menentukan jenis aliran fluida, dapat digunakan persamaan bilangan Reynold untuk aliran dalam pipa.
Bilangan Reynold dapat ditulis;
Re = p V - D
Dimana
p = massa jenis fluida di dalam pipa
V = kecepatan rata-rata fluida di dalam pipa
D = diameter pipa {m)
p = viskositas fluida ' N - s
. w'
JSetelah bilangan Reynold ditentukan, maka dapat ditentukan pula jenis alirannya, yaitu:
□ Untuk Re < 2300, merupakan aliran laminer
□ Untuk Re = 2300, merupakan aliran kritis
□ Untuk Re > 2300, merukan aliran turbulen Karena
m - p V - A dan A - —-n-D^
Maka persamaan bilangan Reynold dapat ditulis:
Re = A-m 71 D -p Dimana:
m = laju aliran massa fluida V s j
2.7.1. Aliran laminer
Untuk aliran laminer dalam pipa dengan heat flux yang konstan, dan kondisi aliran yang tetap, maka bilangan Nusselt juga konstan dan tidak tergantung pada bilangan Reynold dan bilangan Prandlt.
Persamaan bilangan Nusselt dapat ditulis:
Nu = ^ = 4,36 untuk q - konsXm
k ^
Dimana
Nu - bilangan Nusselt
( W h - koefisien konveksi fluida
k - koefisien konduksi fluida
( W
n i - K
( W ^ y m - K y
q = heat flux
Apabila temperatur permukaan fluida itu konstan dan aliran laminer, maka persamaan bilangan Nusselt berubah menjadi;
Nu - ^ ^ = 3,66 => untuk T - konstan k
Dimana:
= temperatur permukaan pipa (AT)
Dalam perhitungan dan penentuan properti dari persamaan di atas digunakan temperatur rata-rata.
2.7.2.Aliaran turbulen
Untuk aliran turbulen dalam pipa maka bilangan Nusselt dapat ditulis:
= 0,023 •Re“’*-Pr"
Dimana
Pr = bilangan p r a n d tl
n = 0,4 im tuk petn anasan {T ^ > T J ) n - 0,3 untuk pen din g in a n (T^ < T ^ )
Sedangkan persamaan untuk bilangan Prandtl:
Pr = ^ ^ ^
k
Dimana
C = panas jenis fluida
M - K .
Dalam perhitungan dan penentuan properti dari persamaan di atas digunakan tempertur rata-rata.
Z.7.3. Aliran melintang pada barisan pipa
Perpindahan panas dari atau ke sebuah susunan pipa di dalam aliran melintang adalah relevan pada berbagai pemakaian industri.
Susunan geometrik dapat ditunjukkan secara skematis pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.20
Skematis susunan pipa dalam aliran melintang
Untuk susunan pipa satu bans (Aligned) dalam arah kecepatan fluida yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Dimana konfigurasi dikarakteristikan oleh diameter {d), pitch melintang (-S'j.) dan pitch memanjang (5'^) yang diukur antara pusat pipa.
© — 6 ) -
Gambar 2.21
Susunan pipa secara aligned
Untuk aliran udara melintang susunan pipa yang terdiri dari {N^ > lO) baris dapat ditulis:
Untuk:
X ^ 10
2000 <R e^ „^ <40000 Pr = 0,7
Besarnya bilangan Reynold
ReD,max P ■ Fmax • D
Sedangkan
Untuk:
N , > 10 2000 < F P r> 0 ,7
2000 < Rcd . ^ < 40000
Jika {Nj^ < lO), maka dapat ditulis:
Bilangan Reynold maksimum untuk korelasi tersebut didasarkan pada kecepatan maksimum yang teijadi pada susunan pipa. Untuk susunan Aligned teijadi pada bidang transversal Ai, dapat ditulis;
S ^ - D
Dimana;
Sj. = jarak meVmiang {m) - jarak memanjang {m) D = diameter luar pipa (/«)
V - kecepaim udara s
2.7. PERHITUNGAN HEAD POMPA
Pompa didalam kerjanya akan mentransfer energi mekanis dari suatu sumber energi luar ke cairan yang mengalir melaluinya. Jadi pompa berfungsi untuk menaikkan energi cairan yang mengalir melaluinya sehingga cairan tersebut dapat mengalir dari permukaan rendah ke permukaan yang lebih tinggi maupun dari tempat yang bertekanan rendah ke tempat yang bertekanan lebih tinggi dan bersamaan dengan itu bisa juga untuk mengatasi tahanan hidrolis sepanjang pipa yang dipakai.
2.8.1.Penurunan tekanan pada pipa iurus
Persamaan dasar untuk menghitung penurunan tekanan fluida yang mengalir melalui pipa lurus adalah;
D 2
Dimana;
AP = penurunan tekanan (Pa) f - faktor gesekan
L = panjang pipa (m) D = diameter pipa {m)
V =kecepatm fluida m
p - massa jenis fluda k g
y i n
VektoT gesekan / adalah suatu fungsi dari bilangan Reynold dan kekasaran relatif (Relative roughness) permukaan pipa (s/D ), dengan
£ adalah kekasaran absolut.
Persamaan bilangan Reynold adalah:
Harga f didapat dari grafik (moody diagram), sedangkan kekasaran absolut permukaan ditabelkan.
2.8.2. Penurunan tekanan pada sambungan
Salah satu pendekatan untuk menghitung penurunan tekanan yang teijadi pada sambungan, seperti: belokan, tee, pembesaran, pengecilan, katup, dan sebagainya pada sistem perpipaan, menyatakan penurunan tekanan dengan panjang ekuivalen (Le) pipa lurus yang dapat
menimbulkan penurunan tekanan yang sama. Kegunaan metode ini adalah, bahwa pada bagian sistem perpipaan yang berdiameter dan beraliran tetap, dapat dianggap sama seperti pipa lums yang memiliki panjang tertentu. Harga panjang ekuivalen dsambungan-sambungan dapat diiihat pada tabel.
Persamaan untuk menghitung penumnan tekanan fluida pada sambungan adalah:
AP = f - — — p D 2 Dimana:
Le = panjang ekivalen {m)
Selain menggunakan metode panjang ekivalen, dapat juga digunakan metode loss coefficient (koefisien kenigian) dari sambungan.
Persamaan yang digunakan adalah ;
AP = k-- 2 -g Dimana:
k = koefisien k&xugian
2.8.3. Tinggi angkat pompa yang diperlukan
Untuk mengalirkan air melalui sistem perpipaan, maka pompa hams dapat memberikan tinggi (energi) angkat yang diperlukan untuk mengatasi tahanan gesek, tahanan lokal dan tinggi angkat statik.
Jadi tinggi angkat total yang diperlukan adalah:
Dimana:
H, = kexugian gesek total {m H fi) - kexugian gesek pipa lurus {m H /)) hj - tahanan lokal dari pipa
= tahanan dari perlengkapan {mH^O)
= tinggi angkat statik {m H fi)
Besaraya kerugian gesek dan tahanan lokal dapat dihitung, sedangkan tahanan perlengkapan didapat dari katalog atau tabel.
Harga h, pada persamaan diatas dapat berbeda tergantung sistem perpipaan yang digunakan. Untuk sistem tertutup, tinggi angkat statik pada bagian isap dan bagian tekanan adalah seimbang, sehingga tinggi angkat statik pada sistem tertutup adalah nol.
2.8.4. Menentukan diameter pipa
Dalam menentukan diameter pipa yang perlu diperhatikan adalah:
hams dipertimbangkan kerugian gesek supaya minimal. Selain itu juga dipertimbangkan bahwa kecepatan aliran yang terlampau tinggi dapat menimbulkan bunyi getaran dan erosi.
Setelah diameter pipa ditentukan dan kapasitas air yang dialirkan diketahui, maka bilangan Reynold, kekerasan relatif permukaan pipa.
serta koefisien gesek dapat dicari, kemudian penumnan tekanan dalam pipa dapat dihitung.
2.8.5. Pemilihan pompa
Dalam memilih pompa yang perlu diperhatikan adalah pompa tersebut akan digunakan untuk sistem tertutup. Jadi karakteristik dari pompa yang akan dipilih hams dapat mengatasi head yang teijadi pada alat penukar panas, tungku pemanas serta instalasi peq)ipaan tersebut.
Selain itu kapasitas dari pompa disesuaikan dengan kebutuhan pemakaian. Untuk itu yang dipilih adalah pompa jenis centrifugal.
Pemilihan jenis pompa centrifugal ini karena mempunyai beberapa keuntungan yang tidak dipunyai oleh jenis pompa lain, yaitu :
□ Aliran lebih uniform dan tekanan konstan pada operasi steady.
□ Putarannya relatif tinggi sehingga bisa dikopel langsung dengan motor penggeraknya.
o Tidak mudah tersumbat oleh kotoran-kotoran.
□ Tidak terlalu sering dibutuhkan perbaikan, karena konstruksinya relatif sederhana.
