EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE BERSIRIP HELICAL SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL

Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional Jakarta, 14 November 2013

EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE BERSIRIP HELICAL SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL Zainuddin, Jufrizal, Eswanto Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Institut Teknologi Medan Jl. Gedung Arca No. 52 Medan, Telp. 061-7363771 Fax. 061-7347954 e-mail: [email protected] Abstrak Pemanfaatan limbah panas (heat recovery) dari mesin-mesin penggerak khususnya gas buang pada mesin-mesin Diesel harus terus dilanjutkan. Hal ini disebabkan karena ketersedian gas buang yang menyebabkan polusi sangat banyak. Selain dari itu harga bahan bakar minyak (BBM) juga membuat kita harus berhemat sehingga sistem heat recovery merupakan salah satu solusi yang harus diaplikasikan. Salah satu teknik yang bisa dilakukan dengan menggunakan alat penukar kalor. Dalam penelitian ini alat penukar kalor yang digunakan jenis double pipe bersirp yang kemampuannya diperlihatkan dari efektivitas yang dihasilkan. Efektivitas dari alat penukar kalor double pipe diketahui dengan mengamati temperatur dan tekanan dari fluida yang digunakan. Dalam penelitian ini dibuat beberapa variasi putaran mesin Diesel yaitu 2500 rpm, 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm. Sedangkan debit air juga divariasikan dari 10 l/m, 15 l/m,20 l/m, 25 l/m dan 30 l/m. Dari hasil penelitian dapat diperoleh kesimpulan bahwa efektivitas alat penukar kalor jenis double pipe tertinggi terdapat pada pada putaran mesin Diesel 2500 rpm dan debit air 30 l/m yaitu sebesar 68,22 % dengan NTU 1,323 dan Cmin/Cmax sebesar 0,32 sedangkan putaran paling tinggi 3500 rpm menghasilkan efektivitas 37,09 % dengan NTU 0,626 dan Cmin/Cmax sebesar 1,20. Kata Kunci : double pipe, mesin diesel ,APK, efektifitas, gas buang.

Pendahuluan Kenaikan harga minyak dunia yang berdampak pada kenaikan subsidi yang harus dikeluarkan pemerintah membuat pemerintah terpaksa menaikkan harga bahan bakar minyak (BBM) sejak 22 Juni 2013. Dimana harga premium dari Rp 4.500 menjadi Rp 6.500 per liter serta harga solar dari Rp 4.500 menjadi Rp 5.500 per liter (Republika Online, 2013). Kenaikan BBM ini menyebabkan makin mahalnya biaya operasi yang harus dikeluarkan oleh industri yang berskala kecil maupun besar di Indonesia. Salah satu cara untuk bisa melakukan penghematan adalah dengan teknik pemanfaatan kembali limbah panas (heat recovery) dari mesin-mesin penggerak khususnya gas buang pada mesin-mesin diesel yang banyak digunakan di dunia usaha. Mesin diesel banyak dipergunakan pada hotel sebagai penggerak generator listrik maupun pada industri yang mempergunakan kompresor. Pemanfaatan gas buang dari mesin Diesel biasanya digunakan sebagai media pemanas untuk memanaskan media lain sehingga terjadi pertukaran panas secara konduksi dan konveksi. Media yang digunakan disini adalah fluida yang berbentuk cair atau gas. Sedangkan alat yang digunakan untuk melakukan proses ini disebut Heat Exchanger (HE) atau dalam bahasa Indonesia disebut alat penukar kalor (APK). Di industri APK merupakan peralatan vital terutama pada industri yang memerlukan pemanfaatan panas atau pertukaran panas. Alat penukar kalor jenis helical hampir sama prinsip pembuatannya dengan alat penukar kalor jenis spiral disini hanya plat atau sirip yang dipasang dililitkan pada suatu pipa atau tube hingga menyerupai bentuk pegas dan dipasangkan kedalam annulus seperti pada gambar 1. Aliran fluida berada pada celah lilitan helical yang berada pada luar tube dan didalam annulus.

TM-39 | 255


Gambar 1. Alat Penukar Kalor Jenis Helical Analisa Perpindahan Panas pada APK jenis Double Pipe Besarnya kalor yang diserap fluida dingin adalah: qc = mc x Cpair (Tc,o ± Tc,i) dimana: = Kalor yang diserap fluida dingin (kW) qc

(1)

.

mc Cpair Tc,o Tc,i

= Laju aliran massa air (kg/s) = Panas jenis air (kJ/kg 0 C) = Temperatur air keluar tube (0 C) = Temperatur air masuk tube (0 C)

Besar kalor yang dilepaskan fluida panas adalah: qh = mh Cpgas . (Thi ± Tho ) dimana: qh = Kalor yang dilepas fluida panas (kW)

(2)

.

mc Cpgas Th,i Th,o

= Laju aliran massa gas (kg/s) = Panas jenis air (kJ/kg 0 C) = Temperatur air keluar anulus (0 C) = Temperatur air masuk anulus (0 C)

Perpindahan Panas Dengan Menggunakan Metode LMTD Kalor yang berpindah secara perpindahan panas William. S yaitu: q = U1 . AO .F . LMTD dimana: q = Kalor yang dipindahkan secara perpindahan panas (kW) Uo = Koefisien perpindan panas menyeluruh (kW/m2 0 C) F = Faktor koreksi LMTD = Long mean temperature difrence (0 C) Th ,i Tc ,o Th ,o Tc ,i LMTD T Tc ,o In h ,i Th ,i Tc ,o

Luas Perpindahan Panas keseluruhan (Ao ) menurut Saunders. E. Yaitu: Ao ʌ[Go x L +(Asirip ) dimana: Ao = Luas keseluruhan permukaan perpindahan kalor (m2 ) = Diameter luar tube (m) do L = Panjang tube Asirip = Luas permukaan sirip Mencari luas permukaan sirip (Asirip ) menurut Saunders. E. Yaitu: Asirip = 2 x (Lsirip x W)

(3)

(4)

(5)

(6) TM-39 | 256


dimana: Asirip = Luas permukaan sirip Lsirip = Pangjang sirip W = Lebar sirip Untuk mencari panjang sirip (Lsirip ) menurut Saunders. E. Yaitu: Lsirip ʌ[Go x n1 + ( n2 x s ) dimana: Lsirip = Panjang sirip do = Diaeter luar tube = Jumlah lilitan sirip n1 n2 = Jumlah jarak antara lilitan s = Jarak antara lilitan

(7)

Untuk mencari koefisien perpindahan menyeluruh (U1 ) dapat dihitung dengan persamaan: 1 1 d t ,o §¨ d t ,o ·¸ 1 §¨ d t ,o ·¸ In (8) U 1 D c 2O w ¨© d t ,i ¸¹ D h ¨© d t ,i ¸¹ dimana: Įc = Koefisien perpindahan panas didalam annulus (W/m2 .o C) dt,o = Diameter luar tube (m) dti = Diameter dalam tube (m) Ȝw = Konduktivitas bahan yang digunakan (W/m.o C) Įh = Koefisien perpindahan panas didalam tube (W/m2 .o C) Menentukan Efektivitas Alat Penukar Kalor 0HQHQWXNDQ HIHNWLYLWDV DODW SHQXNDU NDORU İ PHQXUXW :LOOLDP \DLWX q H q max s

(9)

dimana: q = Kalor yang berpindah secara perpindahan panas (kW) qmax = Kalor maxsimum yang berpindah secara perpindahan panas (kW) Kapasitas panas maxsimum (qmax ) menurut William yaitu: qmaxs = Cmin x (Th,I ± Tc,i) dimana: C = Cc.mc kapasitas panas untuk fluida air (kW/o C) = Ch,mh kapasitas panas untuk gas buang (kW/o C) Jika Cc < Ch, maka Cmin = Cc Jika Cc > Ch, maka Cmin = Ch Menentukan Nilai NTU ( number of transfer unit ) Nilai number of transfer unit (NTU) dapat dihitung dengan persamaan: 1 § H 1 · NTU = ln ¨ ¸ C 1 © CH 1 ¹

(10)

(11)

Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan mesin diesel yang telah di instalasi dengan alat penukar kalor double pipe dengan sirip helical sebagaimana terlihat pada gambar 1. Mesin

TM-39 | 257


Diesel digunakan sebagai penghasil gas buang dengan merk Isuzu Gemini 4FB1 Diesel, kapasitas 1471cc, 4 silinder, daya 54 kW (72,386 hp).dan putaran mesin maksimum 3600 rpm dan Alat penukar kalor yang dipergunakan melalui perhitungan sehingga diperoleh dimensi yang akan dibuat seperti terlihat pada tabel 1 dan instalasi alat penelitian seperti pada gambar 2. Tabel 1. Lay out, geometri dan dimensi alat APK Parameter alat Dimensi Diameter luar tube 0.05 m Tebal tube 1,2 mm Diameter dalam anulus 0,125 Jumlah laluan (pass tube) 1 pass Panjang tube 1m Lebar sirip 0,0375 m Panjang sirip 6,23 Jarak antara lilitan 0.3 m Jumlah sirip 33 Bahan APK Stainless steel AISI/ASTM 202 Peralatan Adapun peralatan yang dipakai pada penelitian ini sebagai berikut: 1. Mesin Diesel Isuzu Panther 2. Thermokopel type K 3. Tachometer digital 4. Pressure Gage 5. Flow meter 6. thermometer digital 7. Pompa Sentrifugal

Gambar 2. Setup peralatan penelitian dan pendukung yang lainnya Pengamatan Pengamatan yang dilaksanakan dengan memvariasikan debit air 10 l/m, 15 l/m, 20 l/m, 25 l/m dan 30 l/m , laju aliran massa gas buang dan putaran mesin 2500 rpm, 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm. TM-39 | 258


Hasil Penelitian dan Pembahasan Hasil penelitian yang diperoleh dari alat penukar kalor double pipe bersirip dapat dilihat pada tabel 2 s/d 6. Tabel 2. Hasil Penelitian dan perhitungan th,i 92.7 o C pada putaran 2500 rpm

Tabel 3. Hasil Penelitian dan perhitungan th,i 95.3 o C pada putaran 2750 rpm




TM-39 | 259


Hubungan Temperatur air keluar dengan laju aliran massa air Dari gambar 3 grafik profil temperatur dengan laju aliran massa air dipengaruhi oleh putaran mesin. Pada puran 2500 rpm temperatur maksimum yang dapat dicapai 44,5o C dan temperatur tertinggi terjadi pada putaran 3500 rpm dengan temperatur maksimum yang dapat dicapai 60,4o C.

Temperatur air panas (oC)

65 60 55 50 45 40 35 30 0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

ma (kg/s) 2 5 0 0 rp m

2 7 5 0 rp m

3 0 0 0 rp m

3 2 5 0 rp m

3 5 0 0 rp m

Gambar 3. Grafik hubungan laju massa aliran air dengan temperatur Temperatur gas buang yang dihasilkan pada putaran 2500 rpm adalah 92.7o C sedangkan temperatur gas yang tertinggi pada putaran 3500 rpm adalah 100,2o C. Jadi untuk menda patkan temperatur air yang diingini diperlukan temperatur gas buang dari motor diesel yang lebih tinggi. Hubungan Perbandingan Panas dengan Laju aliran massa air Pada gambar 4 terlihat perbandingan perpindahan panas nyata dengan perpindahan panas maksimum yang terbesar 6,822 pada putaran 2500 rpm, sedangkan pada putaran 3500 rpm hanya dapat menghasilkan 3,709. 8 7

Q/Qmax

6 5 4 3 2 1 0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

ma (kg/s) 2 5 0 0 rp m

2 7 5 0 rp m

3 0 0 0 rp m

3 2 5 0 rp m

3 5 0 0 rp m

Gambar 4. Grafik hubungan perbandingan panas dengan laju massa aliran air Perbandingan panas nyata dengan panas maksimum menghasilkan angka tertinggi 6,822 putaran 2500 rpm menandakan pada putaran tersebut cukup baik menyerap panas dari panas maksimum yang dihasilkan alat penukar kalor.

TM-39 | 260


Hubungan Efektivitas dengan NTU Efektivitas meningkat sejalan naiknya nilai NTU, efektivitas tertinggi terjadi pada putaran 2500 rpm sebesar 68,22% dengan nilai NTU sebesar 8,17 sedangkan untuk putaran tertinggi pada putaran 3500 rpm hanya menghasilkan efektivitas 37,09% dengan nilai NTU sebesar 0,626. 80

Efektivitas (%)

70 60 50 40 30 20 10 0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

NTU 2500 rpm

2750 rpm

3000 rpm

3250 rpm

3500 rpm

Gambar 5. Grafik hubungan efektivitas dengan NTU Nilai NTU yang besar menghasilakan efektivitas paling tinggi, sejalan dengan naiknya putaran mesin diesel menghasilkan efektivitas menjadi lebih rendah rendah. Hubungan Efektivitas dengan perbandingan Cmin dengan Cmax Mengecilnya perbandingan kapasitas panas minimum dengan kapasitas panas maksimum (C=Cmin/Cmax) akan meningkatkan efektivitas alat penukar kalor double pipe bersirip seperti pada gambar 6. 80

Efektivitas (%)

70 60 50 40 30 20 10 0 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

C=Cmin/Cmax 2 5 0 0 rp m

2 7 5 0 rp m

3 2 5 0 rp m

3 5 0 0 rp m

3 0 0 0 rp m

Gambar 6. Grafik hubungan efektivitas dengan perbandingan kapasitas panas minimum dan maksimum dengan variasi putaran Pada gambar 6 efektivitas tertinggi 68,22% putaran mesin diesel 2500 rpm dan putaran mesin diesel nilai C adalah 0,32 bila dinaikan menjadi 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm semakin turun sejalan naiknya nilai perbandingan Cmin dengan Cmax (C). Pada putaran 3500 rpm nialai 1,20 pada kondisi debit air yang sama.

TM-39 | 261


Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dengan alat penukar kalor double pipe bersirip dapat disimpulkan: 1. Temperatur air panas pada putaran 2500 rpm maksimum 45,50 C dengan temperatur gas buang 92,7 o C, laju aliran massa air 0,1657 kg/s dan laju aliran massa gas buang 0,7287 kg/s. Sedangkan temperatur air panas pada putaran 3500 rpm maksimum 62,3o C dengan laju aliran massa air 0,4347 kg/s 2. Perbandingan laju perpindahan panas nyata dengan laju perpindahan panas maksimum tertinggi pada putaran 2500 rpm sebesar 4,141 dan naik sejalan dengan pertambahan laju aliran massa air . Sedangkan dengan naiknya putaran mesin diesel turun menjadi 3,709 pada debit air yang sama. 3. Efektivitas tertinggi 68,22% terjadi pada putaran 2500 rpm dengan NTU sebesar 1,323 dan temperatur gas buang mesin diesel 92,7 0 C sedangkan pada putaran 3500 rpm diperoleh efektivitas 37,09% dengan NTU sebesar 0,626.dan temperatur gas buang mesin diesel 100,2o C dengan debit air yang sama. 4. Efektivitas naik sejalan turunnya nilai perbandingan kapasitas panas minimum dengan kapasitas panas maksimum ( C=Cmin/Cmax ). Pada putaran 2500 rpm temperatur gas buang mesin diesel 92,7o C menghasilkan efektivitas 68,22% dan Cmin/Cmax sebesar 0,32, sedangkan pada putaran 3500 rpm temperatur gas buang mesi diesel 100,2 o C menghasilkan efektivitas 37,09% dan Cmin/Cmax sebesar 1,20. Daftar Pustaka 1. Hewitt, G, F, G, L, Shires and T, R Bolt. (2000). Process Heat Transfer, Begel Hause Inc. New York. 2. William S, Janna. (1986). Engineering Heat Transfer. PWS Publisher. Boston. 3. Sunders, E, A, D. (1997). Heat Exchanger Selection Design and Contruction, John Wiley and Sons Ltd, England. 4. Tirtoatmojo Raharjo. (1999). Pemanfaatan Energi Gas Buang Motor Diesel Stasioner Untuk Pemanas Air. Jurnal Jurusan Teknik Mesin. ISSN-1410-9867, Volume 1, April 1999. Universitas Kristen Petra. 5. Zainuddin. (2005). Studi Eksperimental Alat Penukar Kalor Shell and Tube dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air. Jurnal Saintek ITM. Terakreditasi, ISSN-0854-4468, Vol 22 Nomor 1, Edisi Januari ± Juni 2005. ITM 6. Zainuddin. (2011). Analisa Keefektifan Alat Penukar Kalor Double Pipe Bersirip Helical untuk pemanas udara dengan memanfaatkan gas buang mesin genset (Diesel) sebagai pengering gabah. Seminar Nasional Thermofluid 2011. ISBN:978979-97986-6-4. 04 Oktober 2011. UGM.

TM-39 | 262

EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE BERSIRIP HELICAL SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL

Recommend Documents