31
TUGAS AKHIR
BAB III PERHITUNGAN DAN PERANCANGAN PADA ALAT PENGERING
3.1 Daftar periksa Dalam perancangan biasanya banyak mengalami kendala – kendala atau kesulitan dalam menggambarkan spesifikasi dari suatu persncsngsn. Untuk memudahkan dalam penyusunan spesifikasi perlu digunakan daftar periksa. Daftar ini berfungsi sebagai pembantu untuk membantu mendefinisikan persyaratan – persyaratan fungsi atau sifat yang harus dimiliki oleh alat yang dirancang. Data – data dikumpulkan dan kemudian diperiksa dengan bantuan daftar periksa, yang menggambarkan objektif – objektif yang spesifikasi yang penting dengan melihatreferensi mengenai judul, geometri, energi, material, ergonomi, keselamatan, perawatan, lingkungan, biaya,dan jadwal yang ada pada daftar periksa. Pada table 3.1 dapat dilihat daftar yang merupakan pedoman pembuatan spesifikasi.
UNIVERSITAS MERCU BUANA
32
TUGAS AKHIR
Tabel 3.1. Dafrtar Periksa Ciri Umum
Contoh
Geometri
Panjang, Lebar, Tinggi, Berat, Volume, Jumlah, Susunan, Sambungan, dan perluasan
Energi
Daya,
Tekanan,
Temperatur,
Pemanasan,
Pendinginan,
Perubahan, Penyerapan Material
Sifat – Sifat dan Kimia, input dan output bahan yang diperoses, Arus, Transportasi bahan
Keselamatan
Perlindungan, Keselamatan kerja, Keselamatan lingkungan dan Perusahaan
Ergonomi
Perlindungan, Keselamatan kerja, Keselamatan lingkungan dan Perusahaan
Produksi
Hubungan manusia dengan mesin, Pelayanan, Kemudi, Jenis pelayanan, Perancangan, Bentuk
Perakitan
Ketentuan
pada
perakitan
khusus,
Cara
pemasangan
penggabungan pemasangan, Tempat merakit Kontrol
Pengukuran dan pengujian, Standarisasi
kualitas Lingkungan
Bebas polusi serta bebas dari pencemaran udara dan air
Perawatan
Periode perawatan, penyetelan, Serta Kebersihan dalam merawat
Biaya
Biaya maksimum yang diinginkan, Biaya perkakas, Biaya investasi
Jadwal
Waktu pengembangan, Waktu Pembuatan, Waktu penyerahan
UNIVERSITAS MERCU BUANA
33
TUGAS AKHIR
3.2. Daftar kehendak ( spesifikasi ) Spesifikasi adalah daftar persyaratan kemampuan ( performa ) dan sifat – sifat yang harus dimiliki oleh alat yang akan di rancang. Dalam mempersiapkan daftar spesifikasi ini tindakan yang dilakukan untuk menyatakan mana hal yang termasuk Permintaan dan Keinginan. Permintaan adalah kebutuhan – kebutuhan yang harus dipenuhi dalam keadaan apapun juga, dengan kata lain kebutuhan tanpa solusinnya tidak dapat diterima. Keinginan adalah kebutuhan – kebutuhan yang dapat dipertimbangkan apabila memungkinkan. Disarankan untuk mengelompokkan keinginan menurut utama, menengah atau kurang penting, Pada table 3.2 ini diperlihatkan daftar kehendak dari pengering sistem absosrsi dengan empat tungku. Tabel 3.2 Daftar Spesifik DEMAND OR WHISES
DAFTAR
SPESIFIKASI
PENGERING
SISTEM ABSORBSI
GEOMETRI D
Dimensi model berbentuk : Panjang ( p ) Lebar ( l ) Tinggi ( t )
UNIVERSITAS MERCU BUANA
34
TUGAS AKHIR
DEMAND OR WHISES
DAFTAR
SPESIFIKASI
PENGERING
SISTEM ABSORBSI
MATERIAL W
•
Komponen
pelengka
mudah
dig
anti,
ringan, ringkas, dan mantap, serta tidak memerlukan perawatan khusus. D/W
•
Komponen kontruksi mdah di peroleh ERGONOMI
D/W
•
Dalam
pengoperasiannya
tidak
menimbulkan suara berisik. D
•
Pengoperasian dapat dilakukan oleh setiap orang.
D
•
Kedudukan peralatan cukup stabil dan kokoh.
W
•
Hemat ruang.
W
•
Bobot keseluruhan tidak terlalu berat KESELAMATAN
D
•
Tidak berbahaya bagi manusia
W
•
Bagian alat pengontrol berada di tempat yang paling aman
D
•
Cukup
aman
bagi
orang
yang
mengoperasikannya
UNIVERSITAS MERCU BUANA
35
TUGAS AKHIR
DEMAND OR WHISES
DAFTAR
SPESIFIKASI
PENGERING
SISTEM ABSORBSI
BIAYA •
D
Biaya produksi sangat rendah PERAKITAN
W
•
Jumlah komponen sedikit dan sederhana.
D
•
Mudah dibongkar
W
•
Instalasi sederhana
W
•
Tidak memerlukan tempat yang khusus untuk merakit PRODUKSI
D
•
Bisa dikerjakan di bengkel yang kecil OPERASI
D
•
Tidak mengotori tenpat kerja
W
•
Tidak berisik
D
•
Tidak
memerlukan
tenaga
ahli
untuk
mengoperasikannya D
3.3.
•
Dapat dioperasikan sekurangnya satu orang
Metode rancangan dari VDI Gambaran rancangan dilakukan untuk menentukan inti permasalahan yang esensial
dalam
sebuah
tugas
perancangan
dengan
jalan
UNIVERSITAS MERCU BUANA
36
TUGAS AKHIR
menganalisaspesifik ( Daftar kehendak ) dan tugas yang harus di jalankan serta kendala yang harus dihadapi. Dengan kata lain, gambar rancangan menentukan hal yang bersifat umum dan mengabaikan hal yang bersifat khusus. Hasil gambaran rancangan ini adalah suatu definisi dari tugas utang perancangan. Langkah - langkah gambaran rancangan dan hasilnya adalah sebagai berikut di bawah ini :
3.3.1 Gambaran rancangan 1 dan 2 Gambaran rancangan 1 dan 2 adalah mengabaikan keinginan pribadi kehendak yang tidak berarti langsung pada fungsi kendala – kendala yang penting.
3.3.2 Gambaran rancangan 3 Gambar rancangan 3 mentransformasikan dan kuantitatif menjadi data kualitatif yang penting. Hasil yang didapat yaitu : •
Sebuah alat pengering dengan system absorsi yang menggunakan empat tungku yang sangat sederhana.
•
Pengoperasiannya mudah
•
Ukurannya sesuai dengan yang dibutuhkan
UNIVERSITAS MERCU BUANA
37
TUGAS AKHIR
3.3.3 Gambaran rancangan 4 Merupakan langkah lanjut dengan memformalisasikan gambaran rancanga 3 menjadi bentuk yang lebh umum. Hasil yang didapat yaitu : •
Suatu mesin pengering yang sederhana dan mudah pengoperasiannya serta memiliki ukuran yang sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.
3.3.4 Gambaran rancangan 5 Merupakan
langkah
menetralisasikan
seluruh
masalah
dengan
memformulasikan tugas menjadi bebas solusi. Hasil yang didapat yaitu : •
Rancangan alat pengering system absorsi memenuhi standar ukuran yang dibutuhkan industri.
3.4 Struktur fungsi Struktur fungsi didefinisikan sebagai hubungan secara umu antara input dan output suatu system teknik yang akan menjalankan suatu tugas tertentu, sedangkan fungsi keseluruhan adalah kegunaan dari suatu alat tersebut. Fungsi keseluruhan ini kemudian diuraikan menjadi beberapa subfungsi yang mempunyai tingkat kesulitan lebih rendah. Sehingga subfungsi merupakan tugas yang harus dijalankan oleh komponen – komponen yang
UNIVERSITAS MERCU BUANA
38
TUGAS AKHIR
menyusun alat terebut. Rangkaian dan beberapa subfungsi untuk menjalanka suatu tugas keseluruhan disebut sebagai struktur fungsi. Tujuan menetapkan struktur fungsi adalah untuk memperoleh suatu definisi yang jelas dari subsitem yang ada atau terhadap subsistem yang baru dikembangkan sesuai keduannya dapat diuraikan secara terpisah.
3.4.1 Fungsi keseluruhan Fungsi ini diganbarkan dengan diagram blok yang menunjukan hubungan antara masuk dan keluar dimana masukan dan keluaran tersebut berupaaliran energi, material,dan sinyal.
qc
qe
Udara Kering
Udara Basah
Produk
Gmbar 3.4.1
Rak
Struktur fungsi keseluruhan
3.4. Prinsip solusi untuk subfungsi Setelah dibuat struktur fungsi keseluruhan dan beserta subfungsinya, maka selanjutnya dicari prinsip-prinsip solusi untuk memenuhi subfungsi tersebut. Metode yang akan digunakan dalam mencari prinsip solusi adalah metode
UNIVERSITAS MERCU BUANA
39
TUGAS AKHIR
kombinasi, yaitu metode yang mengkombinasikan semua solusi yang ada dalam bentuk matriks. Prinsip solusi diusahakan sebanyak mungkin, akan tetapi prinsip – prinsip solusi tersebut dianalisa lagi, dmana prinsip solusi yang kurang bermanfaat dapat dihilangkan atau dianaikan dengan tujuan agar dalam tahap perancangan konsep selanjutnya tidak terlalu banyak konsep yang harus dievakuasi lagi.
Data Perancangan
3.5.
Produk yang dikeringkan
: Jahe
Kapasitas ruang pengering
0,6 kg
Temperatur diruang pengering
: 50 °C
Lama waktu pengeringan
: 5 Jam
Dimensi alat pengering
: 60cm x 40cm x 40cm
Dimensi ruang pengering
: 40cm x 30cm x 30cm
Dimensi rancangan alat pengering Alat pengering yang akan dibuat adalah alat pengering sistem absorbsi dengan media arsorbernya adalah batu zeloit, pengering ini menggunakan rak sebanyak tiga buah yang disusun bertingkat dengan ukuran rak 40 cm x 30 cm.
3.6. Temperatur penguapan •
Temperatur keadaan lingkungan Temperatur bola kering (t 1 ) = 29 °C
UNIVERSITAS MERCU BUANA
40
TUGAS AKHIR
Temperatur bola basa
(t 1 ′) = 27 °C
Kelembaban relatif
( ϕ ) = 80 %
Dengan menggunakan diagram psikrometrik (lihat dilampiran) maka diperoleh o Perbandingan kelembaban (Ha) = 0.0208 kg/kg′
•
o Tekanan persial uap air
(f 1 ) = 24
mmHg
o Entalpi
(ha) = 19,4
kcal/kg′ = 81 kJ/kg′
o Volume spesifik
(v a ) = 0.886
m 3 / kg
Temperatur ruang pengering Temperatur bola kering ( T2 ) = 50 °C Temperatur bola basa
( T2 ' ) = 45 °C
Kelembaban relatif
( ϕ ) = 70 %
Dengan menggunakan diagram psikrometrik (lihat dilampiran) maka diperoleh o Perbandingan kelembaban (Hb) = 0.0820 kJ/kg′ o Entalpi
(hb) = 52.5
kcal/kg′ = 220 kJ/kg′
3.7 Analisa Energi 3.7.1 Jumlah uap air yang dikeluarkan Untuk mengeringkan jahe perlu diturunkan kandungan airnya hingga 56%. Alat pengering yang direncanakan menampung 0,6 kg jahe basah yang diiris tipis - tipis. Apabila setelah dikeringkan kandungan airnya menjadi 6%, maka berat kandungan air setelah pengeringan adalah 0,03384 kg dan kandungan dagingnya tetap 0,036 kg, maka berat jahe setelah dikeringkan selama selang waktu tertentu adalah : Massa jahe basah = 0,6 kg
UNIVERSITAS MERCU BUANA
41
TUGAS AKHIR
Massa jahe kering = 0,03384 kg + 0,036 kg, = 0,06984 kg Untuk menghitung jumlah air yang harus di uapkan dapat dihitung dengan persamaan (2.8) sebagai berikut : M = m a − mb = 0,6 kg – 0,06984 kg = 0.53016 kg
3.7.2 Laju Perpindahan Air Dengan mengetahui jumlah air yang harus diuapkan maka dengan menggunakan persamaan (2.9) laju perpindahan air dapat dapat dihitung sebagai berikut : W =
M t
dalam perhitungan ini diketahui M = 0.53016 kg t = 5 jam = 18000 s maka : W =
0.53016 = 2,95 x10 −5 kg / s 18000
3.7.3 Laju aliran udara kering Dengan diagram psikrometrik didapat nilai v s = 0.886
(m 3 /kg)
H b = 0.082
(kg/kg′)
H a = 0.0208 (kg/kg′)
UNIVERSITAS MERCU BUANA
42
TUGAS AKHIR
dengan menggunakan persamaan (2.10) maka laju aliran udara kering adalah : V =
=
W × vs (H b − H a )
2,95 × 10 −5 kg / s × 0.886m 3 / kg ' (0.0820 − 0.0208)kg / kg
= 0.0004271m 3 /s
3.7.4 Kebutuhan panas udara kering Dengan didapatnya nilai, V = 0.0004271m 3 /s ha = 19.4 kcal/kg x 4.1869 = 81.23 kJ/kg hb = 52.5 kcal/kg x 4.1869 = 219.39 kJ/kg dengan persamaan (2.11) maka kebutuhan kalor udara pengering adalah : Q=
V × (hb − ha ) vs
0.0004271m 3 / s = × (219.39 − 81.23)kJ / kg 0.886m 3 / kg = 0.0666 kJ/s
3.7.5 Konsumsi briket batu bara Nilai kalori briket batu bara per kilogramnya adalah sebesar : 5722 kcal/kg x 4.1869 = 23957.4 kJ/kg maka konsumsi briket =
Q x 18000 s Kaloria.Briket
UNIVERSITAS MERCU BUANA
43
TUGAS AKHIR
=
0.0666kJ / s x 18000 s 23957.4kJ / kg
= 0.050038818 kg briket batu bara Jadi untuk mengeringkan jahe 0,6 kg selama 5 jam memerlukan briket sebanyak 0.050038818 kg briket batu bara.
3.8 Panas Pengeringan Pada pengeringan jahe pasokan energi yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur jahe dapat dihitung dengan persamaan (2.12) sebagai berikut : Qt = M × C h × (Tb − Ta ) dimana : M = 0,6 kg
C jahe = 3.1844 (kJ/kg°C) Tb = 50 (°C) Ta = 29 (°C) •
sehingga dapat dihitung kalor untuk mengeringkan jahe yaitu sebesar : Qt = 0,6 kg x 3.1844 kJ/kg°C (50-29)°C = 40.1kJ Kalor untuk memanaskan air dapat dihitung dengan persamaan (2.13)
sebagai berikut : Qw = M ×
Ka × (Tb − Ta ) 100
dimana : M = 0.6 (kg)
UNIVERSITAS MERCU BUANA
44
TUGAS AKHIR
K a = 70 % Tb = 50 (°C) Ta = 29 (°C) •
sehingga dapat dihitung kalor untuk mengeringkan jahe yaitu sebesar : Qw = 0.6kg ×
70 (50 − 29)°C 100
= 8.82 kJ dan panas yang digunakan untuk menguapkan air dapat dihitung menggunakan persamaan (2.14) sebagai berikut : Ql = ma × hl dimana, ma = 0.036 kg dan dengan menggunakan tabel sifat H 2 0 jenuh pada temperatur 50 °C air memiliki panas laten sebesar 2346.2 kJ/kg •
sehingga panas yang dibutuhkan untuk menguapkan 0.036 kg air yang dikandung jahe adalah : Ql = 0.036 kg x 2346.2 kJ/kg = 84.46 kJ
Sehingga
panas pengeringan yang dibutuhkan untuk memanaskan dan
menguapkan air pada jahe dapat dihitung menggunakan persamaan (2.15) sebagai berikut : Qd = Qt + Qw + Ql dimana, Qt = 40.1 kJ
UNIVERSITAS MERCU BUANA
45
TUGAS AKHIR
Qw = 8.82 kJ Ql = 84.46 kJ maka, Qd = 40.1 kJ x 8.82 kJ x 84.46 kJ Qd = 29871.98 kJ
3.9 Panas yang Dilepas Udara Pengering Sedangkan untuk mencari panas yang dilepas oleh udara pengering dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.16) sebagai berikut : q = ρ × Cp × v × (Tb − Ta ) dengan menggunakan tabel sifat-sifat fisik gas (lampiran), pada suhu pengeringan 55°C diperoleh data sebagai berikut :
ρ = 0.0646 lbm/ft 3 x 16.01846 = 1.0348 kg/m 3 Cp = 0.24058 Btu/(lbm.F) x 4.1869 = 1.00728 kJ/kg.°C
V = 0.0043 m 3 /s x 18000 s = 77.4 m 3 Tb = 50 °C Ta = 29 °C Maka didapat kalor yang dilepas udara pengering adalah : q = 1.0348 kg/m 3 x 1.00728 kJ/kg.°C x 77.4 m 3 (50 – 29) °C q = 1694.20 kJ
UNIVERSITAS MERCU BUANA
46
TUGAS AKHIR
3.10 Laju Perpindahan Panas Dari Tungku ke Ruang Pengering Panas yang dilepaskan dari ruang tungku keruang pengering melalui pipapipa tembaga dapat dihitung, dan bila kita mengetahui : Diameter Tembaga (D)
= 0.8 mm
Panjang pipa tembaga (L)
= 15 m
Temperatur tungku ( T∞ )
= 225 °C
Temperatur ruang pengering ( T1 )
= 50 °C
Maka temperatur rata-rata yang terjadi adalah : T r = (225 °C + 50 °C) / 2 = 137.5 °C Dengan mengetahui temperatur rata-rata maka sifat udara pada suhu ratarata (137.5°C) adalah : Viskositas kinetik (v) = 0.028 m 2 / s Konduktifitas termal udara ( K a ) = 0.0332 W/m.K Panas jenis udara (Cp) = 1.0174 kJ/kg°C Kerapatan udara ( ρ ) = 0.8489 kg/m 3 Viskositas udara ( µ ) = 2.3958 (kg/m.det) Pr = 0.71 •
Sehingga luas penampang pipa adalah : A=
A=
π 4
π 4
d2
(0.08 2 m)
= 0.5024 m 2
UNIVERSITAS MERCU BUANA
47
TUGAS AKHIR
•
Kecepatan udara adalah ; v=
=
V A
0.0043m 3 / s 0.5024m 2
= 8.55 x 10 −3 m/s •
Bilangan Reynolds adalah : Re =
=
v× ρ × D
µ 0.000855m / s × 0.8489kg / m 3 × 0.08m 2.3958 × 10 −5 kg / m. det
= 242.36 •
Bilangan Nusselt adalah :
N u = 0,027 × Re
0.8
× Pr 0.33
= 0.027 × 242.36 0.8 × 0.710.33 = 1.942 •
Maka koefisien perpindahan panas ha =
=
Ka × Nu D 0.0332W / m.°C × 1.942 0.08m
= 0.806 W / m 2 °C •
Maka laju perpindahan kalor dari tungku ke ruang pengering melalui satu pipa panjang 50 cm adalah : q1 = ha × A × (T∞ − T1 )
UNIVERSITAS MERCU BUANA
48
TUGAS AKHIR
=0.806 W/m 2 °C . ( π x0.08x0.5).(225-50) = 17.71 W •
Bila di antara ruang tungku dan ruang pengering diberi pipa tembaga sebanyak 8 buah sepanjang 50 cm maka perpindahan kalornya adalah : L = 24 x 0.50 = 12 m q = ha × A × (T∞ − T1 ) = 0.806 W/m 2 °C . ( π x0.08x12 ).(225-50) = 425.18 W
3.11 Laju Perpindahan Panas Dari Ruang Pengering ke Ruang Arsorber Diketahui : Temperatur ruang pengering (T 1 ) = 50 °C Temperatur ruang arsorber (T 2 ) = 29 °C T2 = T0 Maka temperatur rata-rata yang terjadi adalah : T r = (50 °C + 29 °C) / 2 = 39.5 °C Dengan mengetahui temperatur rata-rata maka sifat udara pada suhu ratarata (39.5°C) adalah : Konduktifitas termal udara ( K a ) = 0.0278 W/m.K Panas jenis udara (Cp) = 1.005 kJ/kg°C Kerapatan udara ( ρ ) = 1.1053 kg/m 3
UNIVERSITAS MERCU BUANA
49
TUGAS AKHIR
Viskositas udara ( µ ) = 1.951 x 10 −5 (kg/m.det) Pr = 0.72 •
Sehingga luas penampang lubang aliran udara :
π
A=
A=
4
π 4
d2
(0.06 2 m)
= 0.002826 m 2 •
Kecepatan udara adalah ; v=
V l
Dimensi karekteristik (l) =
D 0.06 = = 0.015 4 4
Jadi, v=
0.0043m 3 / s 0.015m 2
= 0.287 m/s •
Bilangan Reynolds adalah : Re =
v× ρ × L
µ
0.287m / s × 1.1053kg / m 3 × 0.015m = 1.951 × 10 −5 kg / m. det = 243.8 •
Bilangan Nusselt adalah :
N u = 0,027 × Re
0.8
× Pr 0.33
UNIVERSITAS MERCU BUANA
50
TUGAS AKHIR
= 0.027 × 243.8 0.8 × 0.72 0.33 = 1.96 •
Maka koefisien perpindahan panas ha =
=
Ka × Nu l
0.0278W / m.°C × 1.96 0.015m
= 3.63 W / m 2 °C •
Maka laju perpindahan kalor dari ruang pengering ke ruang arsober adalah : q1 = ha × A × (T∞ − T1 ) =3.63 W/m 2 °C ( π × 0.06 × 0.002 ) .(50-29) = 0.0287 W
3.12 Efesiensi Pengeringan Besarnya efesiensi pengeringan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.14) sebagai berikut :
ηp =
=
Q × 100 q 9285.23kJ × 100% 10085.76kJ
= 92 %
UNIVERSITAS MERCU BUANA
51
TUGAS AKHIR
3.13 Perencanaan Biaya Dalam hal pembuatan alat pengering biaya adalah faktor utama yang harus dipertimbangkan selain bahan yang akan digunakan, untuk itu penulis membuat rincian biaya setelah melakukan survey dilapangan, berikut tabel rincian biaya,
Tabel 3.13 Rincian biaya perencanaan pembuatan alat NO
NAMA BAHAN
UKURAN
JMLH
HARGA
1
Baja Profil Kotak
20x20 mm
18 m
Rp240.000
2
Pelat Almunium
0,8 mm
240x120 cm
Rp180.000
3
Siku Almunium
10x10 mm
1 batang
Rp17.000
4
Siku Almunium
20x20 mm
1 batang
Rp20.000
5
Pipa Tembaga
Ø 8 mm
15 m
Rp180.000
6
Glasswool
20 pcs
Rp30.000
7
Engsel
2 pasang
Rp30.000
8
Seng
2m
Rp42.000
9
Ampelas
1
Rp2.500
10
Paku Rivet
3 mm
1 box
Rp40.000
11
Termometer
160 °C
2
Rp120.000
12
Termometer
400 °C
2
Rp170.00
13
Las pipa tambaga
14
Kawat Yamuk
1m
Rp20.000
15
Batu Zeolit
5 kg
Rp15.000
16
Lem Aibon
1
Rp50.000
17
Biaya tak terduga
18
Kipas
19
Potensio + Ngerakit
20
Plat Stenlistil
0,5 mm
240x120 cm
Rp150.000
21
Roda
3 x 3 cm
4 buah
Rp85.000
Total Biaya Ongkos Pembuatan Total Biaya Keseluruhan
0.2 mm
Rp300.000
12 V
1
Rp514000 Rp15.000 Rp35.000
Rp 1.810.000.Rp 1.810.000.-
UNIVERSITAS MERCU BUANA