SKRIPSI
PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW
Oleh : Ai Rukmini F14101071
2006 DEPATEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW
SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor
Oleh : Ai Rukmini F14101071
2006 DEPATEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW. Skripsi disusun oleh Ai Rukmini, F14101071 dibawah bimbingan Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA. 2006. RINGKASAN Pengeringan alami dilakukan dengan cara penjemuran sangat tergantung pada sinar matahari sebagai sumber energi utama. Pengering surya efek rumah kaca juga memanfaatkan energi matahari tetapi ketergantungan terhadap matahari dapat diatasi dengan menambahkan suatu pemanas tambahan untuk mengatasi masalah tersebut yaitu tungku bahan bakar yang bisa dioperasikan pada kondisi cuaca mendung atau pengeringan di malam hari. Pembakaran biomassa secara langsung sebagai pemanas tambahan menimbulkan kendala asap yang akan mempengaruhi kualitas produk yang dikeringkan untuk menangani masalah ini diperlukan alat penukar panas yang dapat menghasilkan udara panas yang bersih dari uap. Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang dan menguji penukar panas tipe berlawanan (counterflow) untuk digunakan pada pengering surya tipe efek rumah kaca. Pengeringan merupakan proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai batas akhir kadar air tertentu sehingga memperlambat laju kerusakan akibat aktifitas biologi dan kimia. Ada dua cara pengeringan yaitu pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pada pengering surya buatan dikenal dua tipe alat, yang pertama menggunakan kolektor surya untuk menghasilkan udara pengering sedangkan pada tipe kedua, kolektor dan ruang pengering diintegrasikan sehingga biaya konstruksinya relatif rendah. Tipe pengering ini dikenal pula dengan pengering surya tipe efek rumah kaca. Panas yang terjadi merupakan akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari terserap plat besi hitam dalam bangunan dan dipancarkan dalam bentuk gelombang panjang yang tak tembus penutup transparan. Tungku biomassa merupakan unit pemanas tambahan yang diperlukan apabila suhu ruang pengering minimum tidak tercapai dan atau untuk pengeringan malam hari Penukar panas adalah alat yang berfungsi untuk mempertukarkan panas dari satu fluida ke fluida lain. Penukar panas dibagi menjadi empat tipe yaitu : (1) penukar panas dengan salah satu fluidanya bersuhu konstan, (2) penukar panas arus berlawanan/counter flow, (3) penukar panas arus searah/parallel flow, (4) penukar panas arus bersilangan/cross flow. Pindah panas adalah laju perpindahan panas yang melalui batas suatu sistem akibat perbedaan suhu. Perpindahan panas pada penukar panas berlangsung secara konduksi yaitu perpindahan panas melalui kontak langsung antara molekul zat yang berbeda suhu, dapat terjadi pada gas, cairan maupun padatan dan konveksi yaitu perpindahan panas yang dihubungkan dengan pergerakan fluida. Pada penukar panas ini terjadi perpindahan panas konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi paksa terjadi karena adanya gaya tambahan dari luar terjadi dalam tabung aliran menyilang kumpulan pipa (tube bank). Konveksi alami yang terjadi yaitu konveksi alami dalam pipa penukar panas yang dipengaruhi oleh bilangan Grashof. Persamaan umum untuk proses pindah panas yang terjadi pada penukar panas tipe cangkang dan pipa secara sederhana dijelaskan berdasarkan hukum kekekalan energi, maka panas yang dipindahkan dari udara hasil pembakaran (Qh) sama dengan udara panas yang
diterima oleh udara pengering (Qc). Perpindahan panas untuk berbagai tipe penukar panas dapat ditentukan oleh luas permukaan perpindahan panas (A), koefisien panas keseluruhan (U), dan beda suhu rata-rata logaritmik rata-rata antara udara hasil pembakaran dan udara pengeringan dalam penukar panas (∆Tlog). Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam penukar panas terhadap laju pertukaran panas yang mungkin yang ditentukan oleh jumlah satuan perpindahan panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar panas (NTU / number of heat transfer units). Penelitian ini dilakukan di laboratorium lapang Leuwikopo, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Darmaga dari bulan Juli 2005 sampai bulan Nopember 2005. Bahan yang digunakan adalah serbuk gergaji dan tongkol jagung dengan peralatan utama adalah alat penukar panas tipe counterflow hasil perancangan, kipas centrifugal forward curve dan tungku pembakaran biomassa beserta peralatan anemometer, hybrid recorder, pen recorder, conjunction, termokopel CA, CC dan batang, adaptor, timbangan, dan manometer air pipa U. Pengukuran yang dilakukan dalam penelitian ini adalah suhu, kecepatan udara, konsumsi biomassa dan penurunan tekanan. Hasil yang diperoleh setelah pengujian selama 4 jam yaitu suhu tungku berkisar antara 171.6-179.20C dan suhu udara masuk pipa penukar panas berkisar antara 141.5-149.00C. Suhu udara keluar penukar panas berada pada kisaran suhu antara 61.9-69.60C. Suhu dinding pipa bagian bawah berkisar pada 111.6-124.30C, suhu dinding pipa bagian tengah berkisar pada 99.5-113.50C sedangkan suhu dinding pipa bagian atas berkisar 90.6-107.50C. Suhu aliran udara pada ruang penukar panas berkisar antara 62.8-74.40C. Beda suhu rata-rata logaritmik berdasarkan perhitungan berkisar antara 62.2-74.10C. Panas yang dipindahkan berkisar antara 506.43-791.67 kJ/jam. Efektifitas penukar panas metoda NTU berkisar antara 0.28-0.36 dengan rata-rata 0.32. Nilai efektifitas berdasarkan hasil pengukuran berkisar antara 0.22-0.3. Rata-rata konsumsi biomassa sebesar 0.94 kg/jam dengan energi ratarata yang dihasilkan sebesar 13808.5 kJ/jam. Panas yang dipindahkan ke penukar panas jauh lebih kecil dibandingkan panas yang diberikan tungku. Panas yang dipindahkan ke penukar panas rata-rata sebesar 625.56 kJ/jam. Kecepatan udara panas yang melewati cerobong berkisar antara 0.25-0.3 m/s sedangkan kecepatan udara di lingkungan berkisar antara 0.19-0.23 m/s. Pada lubang PDID lebar 2, 3, dan 4 cm, kecepatan udara yang terukur rata-rata secara berturut turut 0.34 m/s, 0.33 m/s, 0.32 m/s. Efisiensi kecepatan udara pada perlakuan lebar lubang PDID berkisar antara 0.57-0.69. Penurunan tekanan hail pengukuran berkisar antara 893.52-1069.06 Pa. Kehilangan daya kipas karena penurunan tekanan yaitu berkisar antara 4.47-5.35 Watt.
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor Oleh : Ai Rukmini F14101071 Dilahirkan pada tanggal 7 Juli 1983 di Majalengka Tanggal lulus : 15 Agustus 2006 Menyetujui, Bogor, September 2006
Prof. Dr.Kamaruddin Abdullah, MSA. Pembimbing Mengetahui,
Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. Ketua Departemen Teknik Pertanian
RIWAYAT HIDUP
Ai Rukmini lahir di Majalengka tanggal 7 juli 1983 yang merupakan anak ke empat dari empat bersaudara dari ayah bernama Suarta dan ibu bernama Nunung Nursiah. Pendidikan penulis dimulai dari tahun 1989 di SD Negeri Bayu Endah Majalengka. Tahun 1995 penulis melanjutkan pendidikan tingkat menengah pertama di SLTP Negeri I Majalengka kemudian tahun 1998 memasuki pendidikan tingkat menengah atas di SMU Negeri I Majalengka. Melalui jalur USMI penulis diterima sebagai mahasiswa Teknik Pertanian, Institut Pertanian Bogor pada tahun 2001. Selama menjadi mahasiswa penulis menjadi pengurus HIMATETA (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian ) bagian divisi HRD pada periode tahun 2002/2003. Pada tahun 2004 penulis melaksanakan praktek lapangan di PTPN VIII Perkebunan Gedeh Cianjur dengan mengambil judul “Mempelajari Aspek Energi Pada Proses Pengolahan Teh Hitam di PTPN VIII Perkebunan Gedeh Cianjur”. Penelitian penulis berjudul “Perancangan dan Uji Alat Penukar Panas (Heat Exchanger) Tipe Counterflow” yang dilakukan di Laboratoriom Lapang Leuwikopo Teknik Pertanian pada tahun 2005 dibawah bimbingan Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA. Dengan rahmat Allah, penulis dinyatakan lulus sebagai Sarjana Teknologi Pertanian pada tanggal 15 Agustus 2006.
KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum wr. wb. Segala puji kita panjatkan ke hadlirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat-Nya kepada kita semua sehingga penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Semoga shalawat serta salam tercurahkan kepada Rasulullah SAW, manusia terbaik sepanjang zaman. Penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Program Hibah Pasca Sarjana yang telah memberikan dukungan dana selama penelitian ini, 2. Mih dan Bapak atas doa restu dan pengorbanannya selama ini, 3. Mamah dan Bapak atas dukungan dan semangatnya, 4. A Indra dan ade kecilku atas doa, kasih sayang dan semangatnya, 5. Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan ilmu, bimbingan, tauladan dan pengarahan, penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya, 6. Ibu Dr. Ir. Dyah Wulandani, M. Si dan Bapak Totok Prasetyo, B. Eng, MT selaku dosen penguji yang bersedia meluangkan waktu untuk berkonsultasi dan berbagi ilmunya hingga penulisan skripsi ini selesai, 7. Pak Harto dan pak Kardjio atas bantuannya dalam memperlancar penelitian ini, 8. Indra Budi Nugraha dan M. Hanafi atas kerjasamanya, 9. Keluarga atas doa dan bantuannya selama ini. Penulis sadar akan banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, sehingga kritik dan saran membangun sangat diharapkan demi perbaikan tulisan ini ke depan. Wassalamu’alaikum wr.wb. Bogor, September 2006 Penulis
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .............................................................................. i DAFTAR ISI ............................................................................................. ii DAFTAR TABEL .................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ................................................................................ v DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ vi DAFTAR SIMBOL .................................................................................. vii I.
PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG ................................................................ 1 B. TUJUAN PENELITIAN ............................................................. 2
II.
TINJAUAN PUSTAKA A. PENGERINGAN EFEK RUMAH KACA ................................. 3 B. HASIL-HASIL PENELITIAN TENTANG PENGERINGAN DENGAN EFEK RUMAH KACA ............... 4 C. ENERGI PEMBAKARAN BIOMASSA .................................... 5
III. RANCANGAN PENUKAR PANAS A. PENUKAR PANAS .................................................................... 7 B. PERPINDAHAN PANAS ........................................................... 8 C. KONSEP PDID ........................................................................... 12 D. PENURUNAN TEKANAN ........................................................ 13 IV. BAHAN DAN METODE A. TEMPAT DAN WAKTU ........................................................... 14 B. BAHAN DAN ALAT ................................................................. 14 C. PENGUKURAN DAN PERCOBAAN ...................................... 15 V.
PEMBUATAN PENUKAR PANAS A. KRITERIA RANCANGAN ....................................................... 19 B. RANCANGAN FUNGSIONAL................................................. 19 C. RANCANGAN STRUKTURAL ................................................ 20
VI. HASIL DAN PEMBAHASAN A. PROFIL SUHU HASIL PENGUKURAN 1. PROFIL SUHU UDARA PEMANAS .................................. 22
ii
2. PROFIL SUHU PENUKAR PANAS ................................... 26 B. EFEKTIFITAS PENUKAR PANAS .......................................... 30 C. KECEPATAN UDARA .............................................................. 32 D. PENURUNAN TEKANAN ........................................................ 34 E. KONSUMSI BIOMASSA .......................................................... 35 VII. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN ........................................................................... 37 B. SARAN ....................................................................................... 38 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 39 LAMPIRAN .............................................................................................. 41
iii
DAFTAR TABEL Tabel 1.
Nilai kalor rata-rata untuk berbagai jenis bahan bakar .................. 6
Tabel 2.
Konduktivitas panas beberapa bahan ............................................. 9
Tabel 3.
Suhu rata-rata hasil pengukuran ..................................................... 26
Tabel 4.
Data suhu rata-rata pada dinding pipa penukar panas .................... 28
Tabel 5.
Data suhu rata-rata pada aliran udara di dalam penukar panas ...... 30
Tabel 6.
Beda suhu rata-rata logaritmik ....................................................... 31
Tabel 7.
Hasil perhitungan koefisien pindah panas...................................... 31
Tabel 8.
Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 15) metode NTU ................................................................................... 32
Tabel 9.
Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 12) hasil pengukuran ............................................................................ 32
Tabel 10. Kecepatan udara selama percobaan ............................................... 33 Tabel 11. Efisiensi kecepatan udara ............................................................... 33 Tabel 12. Penurunan tekanan dan kehilangan daya kipas hasil pengukuran . 35 Tabel 13. Konsumsi biomassa selama percobaan .......................................... 36
iv
