TUGAS AKHIR
ANALISA KEBUTUHAN UAP PADA MESIN AUTOCLAVE HOSE RADIATOR DI PT IRC INOAC INDONESIA Ditulis dan diajukan sebagai salah satu syarat Kelulusan untuk mencapai gelar Sarjana Strata-1 ( S1 )
Disusun Oleh: MUH ROKHIM 4130411-038
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA
LEMBAR PENGESAHAN
Jakarta,
Februari 2007
Mengetahui
Ir. Rully Nutranta, M. Eng Ketua Jurusan Teknik Mesin
Dr. Mardani Ali Sera Pembimbing Tugas Akhir
ii
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini : Nama
: Muh Rokhim
NIM
: 4130411 – 038
Jurusan
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknologi Industri
Judul Tugas Akhir : Analisa Kebutuhan Uap pada Mesin Autoclave Hose Radiator di PT IRC INOAC INDONESIA Dengan ini menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir ini ini adalah hasil karya saya sendiri, bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain. Kecuali pada bagian yang telah disebutkan sumber dan referensinya.
Jakarta,
Februari 2007
Penulis
Muh Rokhim
iii
ABSTRAK
Proses pembuatan hose radiator melalui tahapan Extruder, Braiding, Covering, Oven, Cutting dan Finishing. Material produk yang diproses adalah rubber dengan ρ = 1506 kg/m3. Pada tugas akhir ini akan dibahas masalah analisa kebutuhan uap panas pada proses oven. Proses ini dilakukan dalam mesin Autoclave yang termasuk dalam kategori mesin oven basah. Hasil analisa didapat dari perhitungan beban kalor produk, beban kalor mandrel, beban kalor truck,beban kalor mesin sehingga didapat kebutuhan uap panas atau steam total dalam satu kali masak sebesar 15,82 kg/s atau 56952 kg/h.
iv
MOTTO
” Segala Sesuatu yang menimpa kita adalah sebuah pengalaman yang berharga. Maka mari kita belajar dari pengalaman tersebut menuju kebaikan di dunia dan di Akhirat nanti ”.
v
PERSEMBAHAN
Tugas Akhir ini saya persembahkan kepada :
Allah SWT, yang telah memberikan nikmat sehat dan iman sehingga Tugas akhir ini bisa terselesaikan.
Kedua Orang tua tercinta yang selalu memberikan doa dan semangat.
Bapak dan Ibu Dosen jurusan teknik Mesin Universitas Mercu Buana.
Reny Handayani yang telah memberi semangat dan dorongan untuk terus berkarya.
Almamater tercinta.
Para sahabat dan orang – orang tercinta yang telah mengisi hidupku
Para pembaca dan semua pihak yang berkepentingan dengan Karya ini.
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan ke hadirat Allah SWT, atas segala rahmat dan hidayah-Nya sehingga Tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini diberi judul ” Analisa Kebutuhan uap pada mesin Autoclave hose radiator di PT IRC Inoac Indonesia ”. Nantinya dimaksudkan untuk menghasilkan suatu output yang bisa dimanfaatkan oleh semua pihak yang terkait dan sebagai bahan acuan untuk analisa yang lain. Pada kesempatan ini saya ingin mengucapkan terima kasih dan penghargaan atas segala bantuannya kepada :
Bapak Dr. Ir. H. Suharyadi, MS selaku Rektor Universitas Mercu Buana
Bapak Ir. Rully Nutranta, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Bapak Dr. Mardani Ali Sera selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir ini
Semua Bapa Dan Ibu Dosen Jurusan teknik Mesin Universitas Mercu Buana
Semua Staff dan Karyawan Universitas Mercu Buana
PT IRC INOAC Indonesia yang telah memberikan segala kemudahan bagi terselesainya Tugas Akhir ini.
Orang Tua tercinta dan semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Tugas akhir ini.
vii
Saya menyadari bahwa penulisan Tugas akhir ini masih banyak kekurangan dan kesalahan, oleh karenanya kami mengharapkan saran dan kritik
demi
perbaikan di masa yang akan datang. Besar harapan saya semoga Tugas Akhir ini bisa bermanfaat bagi kita semua dan atas segala bantuan saya ucapkan bayak terima kasih.
Jakarta,
Februari 2007
Penulis
viii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ..................................................................................................... i Halaman Pengesahan ......................................................................................... ii Halaman Pernyataan.......................................................................................... iii Halaman Abstrak............................................................................................... iv Halaman Motto................................................................................................... v Halaman Persembahan....................................................................................... vi Kata Pengantar.................................................................................................
vii
Daftar Isi..........................................................................................................
ix
Daftar Gambar................................................................................................... xii Daftar Simbol................................................................................................... xiii Daftar Lampiran............................................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1 1.1 Latar Belakang Masalah...................................................................... 1 1.2 Alasan Pemilihan Judul...................................................................... 2 1.3 Penjelasan Judul................................................................................
3
1.4 Tujuan dan manfaat Penulisan............................................................. 4
ix
1.5 Rumusan dan batasan masalah............................................................. 4 1.6 Metodologi Penulisan........................................................................... 5 1.7 Sistematika Penulisan........................................................................... 6 BAB II LANDASAN TEORI ......................................................................... 8 2.1 Perpindahan Panas............................................................................... 9 2.1.1 Perpindahan kalor Induksi.......................................................... 10 2.1.2 Perpindahan Kalor konveksi...................................................... 11 2.2 Kuantitas kalor..................................................................................... 15 2.3 Kuantitas Steam................................................................................... 16 2.4 Valve.................................................................................................... 17 2.4.1 Ball valve/Gate Valve................................................................. 17 2.4.2 Steam Trap.................................................................................. 17 2.4.3 Check Valve............................................................................... 18 2.4.4 Control valve............................................................................. 19 2.4.5 Strainer...................................................................................... 19 2.4.6 Pressure Gauge.......................................................................... 20 BAB III MESIN OVEN BASAH ( AUTOCLAVE )..................................... 21 3.1 Gambaran Umum............................................................................... 21 3.2 Proses Kerja Mesin............................................................................. 22 3.3 Bagian – bagian Autoclave dan fungsinya......................................... 23 3.3.1 Instalasi Perpipaan..................................................................... 23 3.3.1.1 Proses Vent.................................................................... 25 3.3.1.2 Proses Steam In.............................................................. 25
x
3.3.1.3 Proses Seal In................................................................ 26 3.3.1.4 Proses Drain................................................................... 27 3.3.1.5 Proses Seal out............................................................... 28 3.3.2 Retort......................................................................................... 28 3.3.3 Truck Up-Down........................................................................ 30 3.3.4 Lorry Mandrel A dan B............................................................ 30 3.4 Macam – macam Pattern ................................................................... 31 3.4.1 Pattern 1.................................................................................... 31 3.4.2 Pattern 2..................................................................................
32
BAB IV ANALISA KEBUTUHAN STEAM................................................ 33 4.1 Perhitungan Beban kalor Autoclave ( oven )..................................... 33 4.2 Perhitungan Beban kalor Produk....................................................... 38 4.3 Perhitungan Beban Kalor Mandrel..................................................... 39 4.4 Perhitungan beban kalor Truck......................................................... 40 4.5 Perhitungan kebutuhan Steam Total.................................................... 42 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN........................................................... 44 5.1 Kesimpulan......................................................................................... 44 5.1.1 Spesifikasi Autoclave................................................................ 44 5.1.2 Spesifikasi Lorry masak............................................................ 45 5.1.3 Spesifikasi Produk..................................................................... 45 5.1.4 Proses Kerja Instalasi perpipaan................................................ 45 5.1.5 Besar Kebutuhan Steam............................................................. 46 5.2 Saran – saran........................................................................................ 46
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan Panas Konduksi......................................................... 9 Gambar 2.2 Perpindahan panas gabungan Konduksi dan Konveksi................. 13 Gambar 2.3 Steam trap...................................................................................... 18 Gambar 2.4 Check Valve................................................................................... 18 Gambar 2.5 Control Valve................................................................................. 19 Gambar 2.6 Strainer........................................................................................... 20 Gambar 3.1 Mesin Autoclave........................................................................... 21 Gambar 3.2 Set Valve....................................................................................... 24 Gambar 3.3 Proses Vent................................................................................... 25 Gambar 3.4 Proses Steam In............................................................................. 26 Gambar 3.5 Proses Seal In................................................................................ 27 Gambar 3.6 Proses drain................................................................................... 27 Gambar 3.7 Proses Seal Out............................................................................. 28 Gambar 3.8 Retort............................................................................................ 29 Gambar 3.9 Pattern 1........................................................................................ 31 Gambar 3.10 Pattern 2....................................................................................... 32 Gambar 4.1 Perpindahan panas pada dinding................................................... 34
xii
DAFTAR SIMBOL
A
= Luas penampang perpindahan panas ( m2 )
Cp
= Panas spesifik pada tekanan konstan ( J/kg.K )
Δh = Penurunan enthalpi spesifik ( J / kg )
hc
= Koefisien konveksi ( W/m2K )
hfg = Nilai enthalpi spesifik ( J / kg ) k
= Konduktivitas thermal material (W / m.K )
m&
= Laju aliran massa ( kg/s )
q
= Beban kalor yang diserap ( J/s )
t
= Waktu yang diperlukan ( s )
ΔT = Penurunan temperatur ( K ) tf
= temperatur fluida ( K )
ts
= Temperatur Permukaan ( K )
T1
= Temperatur permukaan 1 ( K )
T2
= Temperatur permukaan 2 ( K )
X12 = Tebal material ( m )
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Proses Perpindahan panas secara Konveksi
Lampiran 2
Tabel nilai koefisien Konveksi
Lampiran 3
Tabel thermal konduktivitas material
Lampiran 4
Tabel Sifat material pada suhu tertentu
Lampiran 5
Tabel sifat material pada suhu tertentu
Lampiran 6
tabel Thermal kondutivity ,density, Heat capacity dari metal
Lampiran 7
Grafik thermal Konduktivitas Glasswool
Lampiran 8
Tabel sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer
Lampiran 9
Tabel Specific heat of materials
Lampiran 10 Tabel Specific heat of materials Lampiran 11 Tabel Specific heat of materials Lampiran 12 Tabel steam Lampiran 13 Rumus kuantitas steam Lampiran 14 Interpolasi Lampiran 15 Konstanta persamaan untuk permukaan isothermal
xiv
DAFTAR PUSTAKA
1. Holmann, J.P. Perpindahan Kalor, Edisi ke-6. Erlangga.Jakarta. 1988 2. Incropera Frank.P, Dewitt, David.P. Third Edition. Fundamental of heat and
mass transfer. John Wiley & Sons publishing. New York 3. Geankopolis, Christie J. Second Edition. Transport process and Unit
Operation. Allyn and Bacon, Inc. Amerika. 1983 4. Bueche. J Frederick, Edisi ke-8. Fisika. Erlangga. Jakarta. 1996 5. Frank, Keith. Edisi Ke-3. Prinsip-prinsip Perpindahan panas. Erlangga. Jakarta. 1986 6. Http: www.efunda.com. Steam engineering principals and heat trasnfer.2006
xv
xvi
xvii
xviii
xix
xx
xxi
xxii
xxiii
xxiv
xxv
xxvi
xxvii
xxviii
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Seiring dengan semakin cepatnya perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan di berbagai bidang, manusia akan selalu terdorong untuk melakukan pengembangan – pengembangan baru untuk selalu terdepan dalam teknologi demi tercukupi kebutuhan – kebutuhan hidupnya. Demikian juga
dalam bidang
industri, kebutuhan akan teknologi baru cenderung sangat diperlukan demi tercapainya produktivitas kerja yang tinggi. Dalam contoh kasus perusahaan yang bergerak dalam bidang industri spare parts auotomotive terutama produk – produk dari karet, kecenderungan pemakaian teknologi baru hampir pasti sangat diperlukan di sini. Contoh teknologi yang dipakai adalah mesin oven untuk radiator hose. Tentunya kita tahu semua radiator hose merupakan spare parts inti dari mesin – mesin automotive yang
mana
kualitas produk tersebut benar – benar harus terjamin. Dalam Penggunaan mesin oven ini tentunya telah mengalami berbagai perubahan – perubahan baik dari prinsip kerjanya maupun komponen – komponen pendukungnya. Tapi ada satu hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan mesin ini yaitu mengenai suplai steam. Steam merupakan Bahan bakar utama
2
mesin ini dimana digunakan untuk memasak radiator hose tersebut. Dalam perkembangannya mesin oven di bagi dalam dua macam yaitu: 1. Mesin Oven Basah Dimana prinsip kerjanya, steam disemprotkan langsung kedalam oven tempat produk radiator hose dimasak. 2. Mesin Oven Kering Dimana prinsip kerjanya, Steam dialirkan melalui pipa – pipa dari dalam oven dan dialirkan secara terus menerus sampai waktu yang ditentukan untuk memasak produk radiator hose jadi tidak ada kontak langsung steam dengan produknya. Namun dalam perkembangannnya mesin oven basah lebih sering dipakai karena lebih efektif. Tentunya satu hal yang harus diperhatikan adalah steam. Nantinya penulis akan menganalisa kebutuhan steam dalam satu kali masak dan dibandingkan dengan kebtuhan steam dalam satu hari, seminggu, dan sebulan. Diharapkan dengan analisa ini akan didapatkan kesimpulan pemakaian steam untuk satu oven dan sebagai perbandingan dengan oven – oven yang lain. Tentunya diharapkan dapat diketahui kapasitas boiler yang akan dipakai oleh mesin – mesin oven tersebut.
1.2. Alasan Pemilihan Judul Sebagai produk utama dari PT IRC INOAC INDONESIA, produksi radiator hose sangat mendapat prioritas utama dalam ketersediaannya karena memakai sistem kanban dalam proses produksinya. Sehingga kesiapan mesin maupun
3
material pendukung sangat diperhatikan, sebagai contoh pada mesin oven dimana harus selalu siap operasi. Melihat hal itu bahwa sumber utama dari mesin oven ini adalah steam maka besar kebutuhan steam harus selalu terpantau. Saat kebutuhan steam dari oven terpantau, maka akan dapat diketahui kapasitas dari boiler yang harus dipakai karena steam dihasilkan oleh boiler. Meninjau dan menimbang hal – hal diatas maka penulis akan mencoba menganalisa besar kebutuhan steam dari mesin tersebut sehinggga bisa dijadikan acuan untuk menghitung kebutuhan steam oven yang lain yang memiliki beda – beda kapasitas produksi.
1.3. Penjelasan Judul Dalam hal ini akan dijelaskan mengenai judul penulisan skripsi ini yaitu: •
Analisa
: Mengecek, menghitung, dan memastikan dengan berbagai data dan fakta.
•
Kebutuhan uap
: Jumlah atau besar dari steam ( uap panas )
•
Mesin Autoclave
: Alat / Mesin yang digunakan manusia memanaskan, memanggang sesuatu
•
IRC INOAC INDONESIA : Perusahaan yang bergerak dalam industri spare parts automotive
4
Jadi judul skripsi di atas berarti “ menghitung jumlah dari kebutuhan uap panas yang dibutuhkan oleh mesin pemanggang yang berada di perusahaan PT IRC INOAC INDONESIA”.
1.4. Tujuan dan Manfaat Penulisan
Tujuan dari penulisan ini selain umtuk memenuhi persyaratan kurikulum sarjana strata satu ( S1 ), adalah untuk menganalisa kebutuihan steam dari mesin oven tersebut dan nantinya bisa sebagai data penentuan kapasitas boiler yang akan dipakai. Manfaat dari penulisan ini selain sebagai upaya mengaplikasikan ilmu yang telah didapat di bangku perkuliahan juga diharapkan dapat dijadikan bahan referensi dalam perancangan sebuah mesin oven dan referensi juga buat para akademisi dalam mempelajari mesin oven. Dan dalam hal ini Mesin Oven ini termasuk dalam kategori Autoclave.
1.5 Rumusan dan Batasan Masalah
Dalam penulisan tugas akhir ini dirumuskan pada analisa kebutuhan steam dengan dibatasi pada beberapa hal yaitu: 1. Waktu satu kali masak adalah 35 menit 2. Ukuran oven
: Diameter dalam 1500 mm, panjang 4000 mm, tebal dinding 15 mm Material SS 400, insulation Glasswool tebal 50 mm.
5
3. Sumber tenaga
: Steam
Tekanan steam
: 5 bar sampai 6 bar
Suhu steam
: (159 – 165)0 C.
Produk yang dimasak : Radiator hose dari karet ( rubber )
ρ
= 1506 kg / m3
k
= 0.14 W. m-1.K-1
Σ produk yang dimasak = 110 kg
4. Adapun mengenai Heat loss karena Instalasi perpipaan pada Mesin Oven ( Autoclave ) tidak diperhitungkan atau kita anggap 0 ( Nol ).
1.6. Metodologi Penulisan
Dalam
penulisan
tugas
akhir
ini,
penulis
melakukan
study
comprehensive terhadap data – data aktual yang ada, melakukan perhitungan perhitungan teknis yang ada, kemudian menganalisanya dengan merujuk pada teori dan standarisasi yang ada untuk kemudian didapat kesimpulan yang benar. Secara garis besarnya, langkah – langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut: •
Pengumpulan data
•
Analisa data
6
•
Mempelajari cara operasi dari mesin oven autoclave
•
Studi literatur
•
Melakukan perhitungan beban kalor yang terjadi dan kebutuhan steam
•
Penarikan kesimpulan
1.7. Sistematika Penulisan
Penulisan tugas akhir ini dibagi dalam lima bab yang masing – masing dibagi dalam beberapa sub bab, dengan sistematika pembahasan sebagai berikut: •
BAB I PENDAHULUAN Meliputi latar belakang permasalahan, tujuan dan manfaat penulisan, rumusan dan batasan permasalahan, serta sistematika pembahasan.
•
BAB II LANDASAN TEORI Membahas secara singkat mengenai bagian – bagian dan cara kerja dari oven autoclave ini secara umum dan ilustrasi mengenai bagian – bagian secara keseluruhan. Dalam bab ini di bahas pula mengenai teori – teori dasar yang digunakan dalam perhitungan kebutuhan steam pada oven.
•
BAB III SISTEM KERJA MESIN OVEN Dalam bab ini dibahas mengenai bagian – bagian dari mesin oven dan bagaimana sistem kerjanya. Dibab ini akan dibahas juga mengenai patern yang ada pada mesin.
7
•
BAB IV ANALISA KEBUTUHAN STEAM PADA OVEN Dalam bab ini akan dibahas mengenai hasil perhitungan kebutuhan kalor yang terjadi dengan kebutuhan steam dalam satu kali masak.
•
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Membahas tentang kesimpulan dan saran – saran yang berhubungan dengan materi penulisan.
8
BAB II LANDASAN TEORI
Sebelum memasuki bab analisa, di sini akan terlebih dahulu kami paparkan beberapa teori – teori dasar yang berhubungan dengan analisa mesin oven ini. Teori – teori ini dimaksudkan agar pembaca dapat lebih memahami tentang analisa kebutuhan steam pada mesin oven. Adapun teori yang akan dipaparkan diambil dari beberapa mata kuliah yang mendasarinya. Mata kuliah tersebut antara lain:
Perpindahan Panas
Perpindahan panas atau kalor adalah perpindahan energi yang disebabkan karena adanya perbedaan temperatur. Konduksi, Konveksi, dan Radiasi merupakan mekanisme perpindahan panas .Ketiga perpindahan panas tersebut kadang – kadang berlangsung bersamaan, tetapi sering kita mengabaikan salah satu dalam perbandinagn dengan yang lain, sebagai contoh: •
Perpindahan kalor dalam padatan adalah konduksi saja
•
Konduksi diabaikan di dalam gas dan sering diabaikan juga dalam fluida cair.
9
•
Radiasi yang disebabkan oleh gelombang elektromagnetik sering tidak dihitung dibawah temperatur 5000 C.
2.1.1 Perpindahan Kalor Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui bahan padat atau fluida yang stasioner. Persamaan laju perpindahan kalor konduksi secara umum dinyatakan dalam bentuk persamaan berikut: q = -kA
dT ................................................................................1) dX
Tanda negative (-) disebabkan karena perpindahan kalor berlawanan dengan besar gradien temperatur. Konduksi mantap ( steady ), melalui satu lapisan dinding dasar ( satu dimensi ).
T
T1
X1
X2
X
Gb 2.1 Perpindahan panas konduksi
1) Frank P.I & P Dewitt, Third Edition, Fundamentals of heat and Mass Transfer , New York, Hal.45
10
q =-kA
T 2 − T1 T1 − T 2 = kA X 2 − X1 X 12
Keterangan : A
= Luas perpindahan kalor ( m2 )
T2 = Temperatur permukaan 1 ( K ) T1 = Temperatur permukaan 1 ( K ) X12 = Tebal material ( X2 – X1 ) ( m ) k
= Daya hantar ( konduktivitas ) thermal ( W/mK )
Persamaan di atas dapat ditulis seperti pada persamaan arus listrik :
I=
V A(T 1 − T 2) , sehingga q = R X 12 / k
Dari persamaan listrik ini X12 / k disebut dengan tahanan thermal dinding ( R ), sehingga persamaan bisa ditulis :
q=
2
A(T 1 − T 2) ......................................................2 ) R
) Bueche. J Frederick, Edisi kedelapan, Fisika, Erlangga, Jakarta, 1996, Hal 156
11
2.1.2 Perpindahan Kalor Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi antara permukaan benda padat dengan fluida yang bergerak di mana diantara keduanya terdapat perbedaan
temperatur. Persamaan laju perpindahan kalor secara konveksi yang telah dianjurkan oleh Newton adalah sebagai berikut :
q = hc . A . ( tf – ts ) dengan catatan tf 〉 ts .....................3 )
Dimana : hc : Koefisien Konveksi ( W / m2 K ) tf : Temperatur fluida ( K ) ts : Temperatur permukaan ( K ) A : Luas permukaan ( m2 )
Untuk nilai ho udara pada konveksi bebas ( Free Convection ) dapat dicari dari persamaan rumus pada free convection yang akan dijelaskan pada Bab IV. Hal ini berdasarkan pada literatur yang didapat yaitu buku perpindahan kalor J.P Hofman terbitan Erlangga.
3
) Frank PI Dewitt, Third Edition, Fundamentals of Heat and mass transfer, New york, Hal . 313& P
12
Table typical value of the convection heat transfer coefficient.............................4 )
h ( W / m2 K )
Process
Free Convection Gases
2
– 25
Liquid
50
- 1000
Gases
25
-
250
Liquid
50
-
20000
Forced convection
Convection with phase change Boiling or condensation
Sedangkan
2500 -
100000
untuk h1 akan mengikuti keadaan steady state pada
perpindahan panas yang terjadi, di mana batas – batasnya adalah di dalam konveksi paksa ( forced convection : 25 – 250 W / m2 K )
4) Frank PI & P Dewitt, Third Edition, Fundamentals of Heat and mass Transfer , New york, Hal. 9
13
Ti
To A
C
B
hi
ho T1 x1
T4 x2
x3
x4
G.b. 2.2 Perpindahan panas gabungan konduksi dan konveksi
Ri
RA
RB
RC
I
X 12 kA. A
X 23 kB. A
X 34 kC. A
hi. A
Maka besarnya laju perpindahan kalor :
T1 - To q=
= 1 X 12 X 23 X 34 1 + + + + hi. A kA. A kB. A kC. A ho. A
ΔT Rtot
Ro
1 ho. A
14
Karena analisa perpindahan panas yang terjadi diasumsikan steady state maka :
qi = qa = qb = qc = qo = q ............................................................5)
Sehingga :
qi = q = hi.A ( Tdalam – T1 ) → Tdalam – T1 =
1 q . h1 A
qA= q =
kst X 12 q . A(T 1 − T 2) → T 1 − T 2 = . X 12 kst A
qB = q =
kGw X 23 q . A(T 2 − T 3) → T 2 − T 3 = . X 23 kgw A
qC= q =
kPt X 34 q . A(T 3 − T 4) → T 3 − T 4 = . X 34 kPt A
qo = q = ho. A(T 4 − Tluar ) → T 4 − Tluar =
1 q . ho A
Dari kelima persamaan di atas akan didapat hasil persamaan sebagai berikut :
Tdalam − Tluar =
q ⎡ 1 X 12 X 23 X 34 1 ⎤ ..........................6) . + + + + A ⎢⎣ hi kSt kGw kPt ho ⎥⎦
5
) Ir. M.J. Djokosetyardjo, edisi II, ketel uap, Jakarta, P.T Pradnya Paramita, hal. 31
6
) Ibid
15
Dimana : qi
= Panas yang dirambatkan pada dinding lapisan bagian dalam
qA
= Panas yang dirambatkan pada lapisan SS 400
qB
= Panas yang dirambatkan pada lapisan glasswool
qC
= Panas yang dirambatkan pada lapisan plat SS 400
qo
= Panas yang dirambakan pada lapisan bagian luar
T
= Temperatur ( K )
A
= Luas penampang ( m2 )
X
= Tebal lapisan ( m )
h
= Koefisien konveksi ( W / m2K )
k
= Koefisien konduksi ( W / m2K )
Untuk q dinyatakan dalam J
s
atau Watt
Kuantitas Kalor
Jika suatu benda dikenakan suatu proses pemanasan , maka benda tersebut akan menyerap panas tersebut. Besarnya kalor yang diserap dicari dengan dengan rummus :
q
= m . Δh
Δh = cp . ΔT
16
q
= m . cp . ΔT ...................................................................7)
q
= Beban kalor yang diserap
m
= Laju aliran massa ⎛⎜ kg ⎞⎟ ⎝ s⎠
dimana :
(J s ) ( Watt )
Δ h = Penurunan entalpi spesifik ⎛⎜ J ⎞⎟ ⎝ kg ⎠
Δ T = Penurunan temperatur (K ) Cp
⎞⎟ = Panas spesifik pada tekanan konstan ⎛⎜ J ⎝ kg.K ⎠
2.3. Kuantitas Steam
Untuk menghitung besar dari kebutuhan steam dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
q = ms .h fg ................................................................................8) dimana :
( s)
q
= Besar kalor yang diserap J
ms
= Massa steam ⎛⎜ kg ⎞⎟ ⎝ s⎠
7
) Bueche. J Frederick, Edisi Kedelapan, Fisika, Erlangga, Jakarta, 1996, Hal 149
8
) Lampiran, www.efunda.com
17
hfg
= Nilai enthalpy spesifik ⎛⎜ J ⎞⎟ ⎝ kg ⎠
2.4 Valve
Dalam setiap instalasi perpipaan, valve digunakan untuk mengatur jalannya fluida yang mengalir. Ada beberapa jenis valve antara lain :
2.4.1 Ball valve / Gate valve Ball valve biasa digunakan untuk mengatur masuk dan keluar dari fluida yang mengalir pada pipa. Jenis ini dijalankan dengan memutar secara manual handle yang ada pada valve.
2.4.2 Steam trap Valve ini dipakai untuk memisahkan steam dari steam yang terkondensasi, udara yang bercampur dengan steam, material gas yang tidak bisa terkondensasi seperti CO2.
18
2.4.3 Check valve
Valve ini digunakan untuk mengatur laju fluida sesuai arah yang diinginkan sehingga tidak terjadi laju fluida balik.
19
2.4.4 Control valve
Control valve digunakan untuk mengatur besar tekanan fluida yang masuk atau keluar.
2.4.5 Strainer
Valve ini digunakan untuk memisahkan fuida yang mengalir dari kotoran – kotoran yang terbawa.
20
2.4.6 Pressure gauge
Pressure gauge digunakan untuk mengetahui besar tekanan fluida yang mengalir dalam pipa.
21
BAB III MESIN OVEN BASAH ( AUTOCLAVE )
3.1. Gambaran umum
01
02
03
04 05
Keterangan : 1. Oven ( Retort / Autoclave ) 2. Truck up - down
22
3. Truck mandrel A 4. Truck mandrel B 5. Instalasi perpipaan
3.2. Proses Kerja Mesin
Secara garis besar proses memasak dengan mesin oven ini dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Pintu oven yang digerakkan dengan sistem hidrolik dibuka. 2. Truck UP – DOWN dinaikkan. 3. Truck mandrel A yang sudah memuat produk dimasukkan ke dalam oven. 4. Truck UP – DOWN diturunkan selanjutnya pintu oven Ditutup. 5. Proses memasak ( ± 25 menit ) 6. Proses
masak selesai pintu oven dibuka selanjutnya TRUCK UP –
DOWN dinaikkan. 7. Truck mandrel A dikeluarkan. 8. Truck mandrel B dimasukkan ke dalam Oven dan seterusnya. 9. Selama proses memasak operator melakukan bongkar pasang produk yang sudah masak dan yang akan di masak.
23
3.3. Bagian – bagian Autoclave dan Fungsinya
Sebagian besar bagian – bagian dari satu set mesin ini dibagi dalam 4 bagian, yaitu:
3.3.1. Instalasi Perpipaan
Bagian ini berfungsi untuk mengatur dan menyuplai steam dari main pipe atau dari sumber steam yaitu Boiler. Untuk mengetahui sistem kerja instalasi perpipaan yang ada di mesin oven basah ini dapat dilihat dalam gambar instalasi berikut :
24
25
Dalam instalasi di atas dibagi dalam 5 proses, yaitu : 3.3.1.1. Proses Vent
Proses ini berlangsung saat pertama kali yang fungsinya untuk membuang sisa Steam yang ada di oven ( retort / Autoclave ). Proses vent berlangsung selama ± 90 detik. Gambar berikut adalah instalasi pipa pada proses Vent, yaitu:
Steam out
From Oven
3.3.1.2. Proses Steam in
Proses ini adalah proses memasak loading ± 19 menit. Berikut instalasinya :
26
P1
P1
PS
Steam in
To Oven P1
Steam in
3.3.1.3.Proses Seal In
Proses ini berfungsi untuk memasukkan steam kedalam seal pintu yang berfungsi menekan seal pintu agar tidak terjadi kebocoran pada pintu. Berikut gambar instalasinya:
27
P1
Steam in
To Oven
3.3.1.4 Proses Drain
Proses drain adalah proses buang steam setelah proses masak selesai. Proses ini berlangsung ± 4.5 menit. Berikut gambar instalasinya:
Steam out
Steam out
From Oven
28
3.3.1.5 Proses Seal out
Proses seal out berfungsi membuang steam yang menekan seal pintu agar pintu bisa dibuka. Proses ini berlangsung berbarengan dengan proses drain. Berikut gambar instalasinya:
Steam out From Oven
3.3.2. Retort
Retort adalah bagian utama dari Mesin Oven ini. Didalam bagian ini produk dimasak. Adapun spesifikasinya adalah: - Panjang
: 4000 mm
- Diameter dalam : 1500 mm - Tebal dinding
: 15 mm
29
- Isolasi dinding : Glasswool - Tebal Isolasi dinding : 50 mm - Material Isolasi
: SS 400
- Material dinding
: SS 400
Berikut gambar dari retort :
30
3.3.3. Truck Up – Down
Bagian ini berfungsi sebagai track untuk membawa lorry mandrel yang berisi produk. Truck ini bergerak naik – turun yang digerakkan dengan sistem hidrolik. Adapun spesifikasinya adalah: Panjang
: 4500 mm
Lebar
: 1200 mm
Tinggi
: 200 mm
Material
: UNP 75, Plat 10mm
Silinder Hidrolik
: Φ 80 Stroke 300 mm ( 2 Pcs )
3.3.4. Lorry Mandrel A dan B
Lorry ini berfungsi untuk memuat produk yang akan di masak. Lorry ini di masukkan ke dalam retort melalui truck up – down secara bergantian. Adapun spesifikasinya adalah : Panjang
: 3500 mm
Lebar
: 1200 mm
Tinggi
: 800 mm
Material
: UNP 75, Preporate plat 10 mm, Siku Stainless SUS 304.
Roda
: Φ 120 mm ( 8 Pcs )
31
3.4.
Macam – macam Pattern yang ada pada Mesin Autoclave
Pada mesin Autoclave ini pada dasarnya terbagi dalam dua patern yang dibedakan untuk kegunaan masing – masing. Patten – pattern ini didapat dari Standard Operation Procedure ( SOP ) yang ditetapkan di PT. IRC Inoac Indonesia. Adapun patern-patern tersebut adalah: 3.4.1. Pattern 1
Pattern ini disebut juga pattern pemanasan, di mana sesuai namanya digunakan untuk memanaskan Autoclave sebelum dimulai proses produksi. Pada Pattern ini Autoclave bekerja tanpa loading ( material produk ) dan berlangsung selama 15 menit. Dalam patern ini retort dan truck dipanaskan dengan tujuan menjaga suhu retort dan truck pada suhu 1000C sampai 1100C saat akan mulai memasak produk. Berikut gambar grafik hubungan antara suhu dan waktu pada Pattern 1.
tekanan ( bar )
10 8 6 4 2 0 0
5
10
w aktu ( m enit )
15
32
3.4.2. Pattern 2
Pada pattern inilah proses masak produk dilaksanakan dimana proses ini berlangsung selama 35 menit. Perbedaan mendasar pattern 1 dari pattern 2 selain waktu juga suhu mulai masak dimana suhu mulai masak tidak dari 00 C tetapi dari suhu 1000C sehingga waktu masak jadi lebih efisien. Untuk melihat lebih jelas proses pada pattern 2 dapat dilihat pada grafik berikut:
Tekanan ( bar )
10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
Waktu ( menit )
30
35
40
33
BAB IV ANALISA KEBUTUHAN STEAM
Sesuai dengan batasan masalah di Bab Pendahuluan maka yang akan di analisa adalah kebutuhan steam Autoclave ( Oven ) dalam satu kali masak yang berlangsung selama 25 menit dengan tekanan 6 bar . Adapun hal – hal yang harus diperhitungkan dalam menganalisa kebutuhan steam tersebut adalah: 1. Perhitungan Beban Kalor Autoclave ( Oven ). 2. Perhitungan Beban Kalor Produk. 3. Perhitungan Beban Kalor Mandrel. 4. Perhitungan Beban Kalor Truck. 5. Perhitungan Kebutuhan Steam total Selanjutnya akan dibahas hal – hal tersebut di atas dengan menggunakan dasar – dasar teori yang ada, yaitu:
4.1. Perhitungan Beban Kalor Autoclave ( Oven )
Untuk menghitung beban kalor yang dibutuhkan oleh Autoclave diperkirakan memerlukan waktu dari 0 – 30 menit. maka digunakan rumus gabungan konveksi dan konduksi, yaitu:
34
160 0C S S 4 0 0
hi
S S 4 0 0
Glass wool
35 0C ho
159,60C 0,015 m
0,05 m 0,003 m
G.b. 4.1 Perpindahan panas pada dinding
Ri
I hi. A
Rss
Rgw
Rpt
Ro
X 12 kA. A
X 23 kB. A
X 34 kC. A
1 ho. A
Maka besarnya laju perpindahan kalor :
q=
ΔT T i − To = 1 1 X 12 X 23 X 34 Rtot + + + + hi. A kss. A kgw. A kpt. A ho. A
35
Karena perpindahan panas yang terjadi diasumsikan steady state, maka : qhi = qss = qgw = qpt = qho = q Adapun data – data yang diperlukan antara lain: k glasswool
= 0,050 W
mK
= 0,0524 W = 45 W
k plat
mK
= 44,4 W
mK ⎡ 433,15 − 373,15 ⎤ W + ⎢ ⎥ x ( 43 – 45 ) mK 573 , 15 − 373 , 15 ⎣ ⎦
mK
= kplat = 44,4 W
kss400
⎡ 433,15 − 423,15 ⎤ W + ⎢ ⎥ x ( 0,062 – 0,050 ) mK 473 , 15 − 423 , 15 ⎣ ⎦
mK
Untuk dinding Autoclave adalah silinder horisontal : Asumsi steady state, Tebal SS 400
: 0,015 m
Tebal glasswool : 0,05 m Tebal plat
: 0,003 m
Luas permukaan dinding : ( 3,14 x 1,53 x 4 ) m2 + 2 ( 0,785 x 1,532 ) m2 : 19,2168 m2 + 3,675 m2 : 22,8918 m 2 Untuk mendapatkan nilai ho didapat dari: Tf =
160 + 35 = 97,5 0C = 370,65 K 2
Sifat udara pada 370,65 K adalah: .........................................................................8) 8
) Daftar Lampiran
36
β = 1 / 370,65 = 0,002698 K v = 22,88 x 10-6 m2/s k = 0,03152506 W / m 0C Pr = 0,694 GrPr =
g.β .(Tω − T∞). X 3 . Pr .......................................................................... 9) 2 v
=
9,81x0,002698 x(433,15 − 308,15)4,802 3 x 0,694 (22,88 x10 −6 ) 2
=
254,24177 5,234944 x10 −10
= 48,67 x 1010 Nu
1
2
= 0,6 +
= 0,6 +
(
0,387 x 48,67 x1010 ⎛ ⎛ 0,559 ⎞ 916 ⎞ ⎜1 + ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝ 0,694 ⎠ ⎟ ⎝ ⎠
8
)
27
1,883529 x1011 1,2067
Nu1/2 = 15,6 x 1010 Nu
= 2,4336 x 1022
Jadi, ho =
2,4336 x10 22 x0,03152506 4,802
= 1,598 x 1020 Wm2 / 0K karena kondisi steady state, maka: 9
) Holman, JP , Perpindahan kalor, hal.307
37
qhi = qss400 = qgw = qplat = q
sehingga q = qhi ΔT =h i . A.ΔT Rtot ΔT ⎡ 1 X X 34 X 12 1 ⎤ + + 23 + + ⎢ ⎥ ⎢⎣ hi . A k ss 400 . A k gw . A k plat . A h0 . A ⎥⎦ ΔT ⎡1 X X X 12 1⎤ 1 + 23 + 34 + ⎥. ⎢ + ⎢⎣ hi k ss 400 k gw k plat h0 ⎥⎦ A A.ΔT ⎡1 X X X 12 1⎤ + 23 + 34 + ⎥ ⎢ + ⎣⎢ hi k ss 400 k gw k plat h0 ⎥⎦
[
= hi . A.T
= hi . A.T
= hi . A.T
(433,15 − 308,15) 1 0,015 0,05 0,003 1 + + + + hi 44,4 0,0524 44,4 1,598.10 20
]
= (433,15 − 432,75).hi
125 1 + 0,000338 + 0,954198 + 0,0000676 + (6,258 x10 − 21 ) hi 125 1 + 0,9546036 hi ⎛1 125 = hi .0,4⎜⎜ ⎝ hi
= 0,4hi
⎞ ⎟⎟ + h i .0,4(0,9546036 ) ⎠
125 = 0,4 + 0,38184144(hi ) hi =
125 − 0,4 0,38184144
= 0,4hi
38
hi = 326,3134562 W
m2 K
Jadi, Koefisien konveksi pada dinding bagian dalam hi = 326,31 W
m2 K
maka
perpindahan panas pada oven yang berbentuk silinder horisontal adalah: q hi = hi . A.ΔT
[
q hi = 326 ,31 W
].22,8918[m ].[433,15 − 432,75]K 2
m2K
q hi = 2987,929303W Jadi, perpindahan panas pada oven sebesar 2,99 kW
4.2. Perhitungan Beban Kalor Produk
Dalam hal ini produk yang dimasak adalah Radiator hose di mana material mentahnya adalah karet ( rubber ). Untuk menghitung beban kalor produk diperkirakan dimulai dari 0 – 30 menit sehingga di gunakan rumus sebagai berikut : Q produk =
m produk .Cp.(T2 −T 1) t
Dimana : Massa produk = 110 kg ( Rubber ) Cp 10
= 2,01 kJ
) Daftar lampiran
kg.K
.................................................................10)
39
T2
= Temperatur akhir produk ( 160 0C )
T1
= Temperatur awal produk ( 35 0C )
t
= Waktu masak ( 30 menit )
Jadi, beban kalor untuk memasak produk karet tersebut adalah sebagai berikut :
Q=
=
110kgx 2,01 kJ
(433,15 − 308,15) K kg.K 1800 s
27637,5kJ 1800s
= 15,3542 kJ
s
Dengan demikian kebutuhan kalor untuk memanaskan produk tersebut adalah sebesar 15,35 kW.
4.3. Perhitungan Beban Kalor Mandrel
Untuk mandrel yang digunakan dalam proses masak produk terbuat dari bahan Aluminium, sehingga untuk menghitung beban kalor yang terjadi dihitung dengan rumus:
Qmandrel =
mmandrel .Cp.(T2 −T 1) t
dimana : mmandrel
= ρ xV xn
40
= 2707 kg/m3 x ( 3,14/4 x 0,052 m2 x 0,25m ) x 120 = 2707 kg/m3 x 0,000490625 m3 x 120 = 159,375 kg Cp
= 0,896 kJ
T1
= 100 0C ( 373,15 K )
T2
= 1600C ( 433,15 K )
t
= 30 menit ( 1800 s )
kg.K
.........................................................11)
Jadi, beban untuk pemanasan mandrel adalah:
Qmandrel =
=
159,375kgx0,896 kJ
x(433,15 K − 373,15 K ) kg.K 1800 s
8568kJ 1800s
= 4,76 kJ
s
Jadi , besar energi yang dibutuhkan untuk memanaskan mandrel adalah sebesar 4,76 kW.
4.4. Perhitungan Beban Kalor Truck
Seperti telah dijelaskan dalam bab sebelumnya bahwa truck berfungsi untuk mengangkut produk yang akan dimasak. Dalam hal ini truck dipakai sebagai
11
) Daftar Lampiran
41
tempat dudukan mandrel dan produk. Untuk truck ini material yang akan digunakan adalah SS 400, sehingga untuk menghitung beban kalor akibat pamanasan pada truck digunakan rumus:
Qtruck =
mtruck .Cp.(T2 −T 1) t
dimana : mtruck
= 625 kg
Cp
= 0,473 kJ
T1
= 100 0C ( 373,15 K )
T2
= 160 0C ( 433,15 K )
t
= 30 menit ( 1800 s )
kg.K
...........................................................12)
Jadi, beban pemanasan untuk memanaskan truck adalah sebagai berikut :
Q=
Q=
625kgx0,473 kJ
17737,5kJ 1800s
Q = 9,854 kJ
12
s
) Daftar Lampiran
x(433,15 K − 373,15 K ) kg.K 1800 s
42
Dengan demikian beban pemanasan kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan truck tersebut adalah 9,854 kW.
4.5. Perhitungan Kebutuhan Steam Total
Untuk menghitung kebutuhan steam total diperlukan data – data dari kebutuhan kalor total yang dipakai untuk memasak produk. Dalam hal ini kebutuhan kalor total didapat dari penjumlahan kebutuhan kalor retort ( oven ), Kebutuhan kalor produk, Kebutuhan kalor mandrel , dan Kebutuhan kalor truck. Sehingga Kebutuhan kalor total dapat dirumuskan sebagai berikut:
Qtotal = Qretort + Q produk + Qmandrel + Qtruck Qtotal = 2,99kW + 15,35kW + 4,76kW + 9,854kW Qtotal = 32,954kW
Sehingga untuk mencari jumlah kebutuhan steam dalam satu kali masak didapat dengan rumus: Qtotal = m s .h fg Dimana: Qtotal = Jumlah kebutuhan kalor total = 32,954 kW
13
ms
= Jumlah Kebutuhan steam ( kg/h )
hfg
= Enthalpy spesifik dari steam = 2,083 kJ/kg .................................13)
) Daftar Lampiran
43
Sehingga: Qtotal = m s .h fg ms =
ms =
Qtotal h fg
32,954 kJ 2,083 kJ
s
kg
m s = 15,82 kg
s
m s = 56952 kg
h
Dari hasil di atas maka didapat kesimpulan bahwa besar kebutuhan steam untuk satu kali masak produk adalah 15,82 kg
s
atau 56952 kg
h
. Sehingga dari
data ini dapat digunakan untuk menghitung kebutuhan steam dalam 1 hari dengan catatan 1 hari terbagi dalam 3 shift dan 1 shift dapat memasak 7 kali, yaitu sebesar: m s = 15,82 x3 x7(kg ) s
m = 332,22 kg s s
44
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil Analisa yang telah dilakukan, didapat kesimpulan dan saran-saran sebagai berikut:
Kesimpulan
Kesimpulan yang bisa diambil dari penulisan tugas akhir ini adalah:
Spesifikasi Autoclave Jenis Autoclave
: Oven basah
Panjang
: 4000 ( mm )
Diameter dalam
: Φ 1500 ( mm )
Tebal dinding
: 15 ( mm )
Material dinding
: SS 400
Tebal isolasi
: 50 ( mm )
Material isolasi
: Glasswool
Patern yang ada
: 2 jenis
Sistem Control
: Automatic
Tekanan kerja
: 5 – 6 bar
45
Spesifikasi Lorry masak Panjang
: 3500 mm
Lebar
: 1200 mm
Tinggi
: 800 mm
Material
: UNP 75, Preporate plat 10 mm, Siku Stainless SUS 304.
Roda
: Φ 120 mm ( 8 Pcs )
Kapasitas Produk
: 110 kg
Spesifikasi Produk Material
: Rubber jenis EPDM
ρ
: 1506 kg / m3
k
: 0.14 W. m-1.K-1
Proses kerja dalam instalasi perpipaan Proses kerja instalasi perpipaan pada Autoclave ini terbagi dalam 56 proses yaitu : 1. Proses Vent 2. Proses Seal In 3. Proses Steam In 4. Proses Drain 5. Proses Seal Out
46
Besar Kebutuhan Steam Besar kebutuhan steam dalam satu kali masak produk adalah sebesar: m s = 15,82 kg
s
m s = 56952 kg
h
Besar Kebutuhan steam dalam 1 hari yang terbagi dalam 3 shift, 1 shift dapat memasak produk sebanyak 7 kali, maka : m s = 15,82 x3 x7(kg ) s
m = 332,22 kg s s
Saran – Saran
Adapun saran – saran yang bisa penulis ungkapkan dalam penulisan Tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1.
Adanya otomasisasi dalam proses kerja operator dalam hal menarik dan mendorong lorry ke dalam oven
2.
Adanya kontrol terhadap hasil data grafis proses masak.
3.
Adanya Autonomous Maintenance terhadap lorry tarik mandrel dan oven seperti : Kebersihan, pelumasan roda, visual kontrol.
4.
Penyederhanaan instalasi perpipaan karena terlalu memakan banyak tempat
5.
Mengurangi
material
pembuatan
mempercepat proses masak.
lorry
tarik
mandrel
untuk
47
6.
Adanya Pipa blowdown sendiri untuk satu mesin ini agar proses blowdown tidak banyak memakan waktu yang sekarang ± 5 menit.
7.
Pemasangan flow meter untuk pipa masuk instalasi oven sehingga debit steam masuk ke oven dapat diketahui.
