HEAT EXCHANGER SEBAGAI ALAT PENGERING IKAN DENGAN MEMANFAATKAN PANAS GAS BUANG MESIN DIESEL
HEAT EXCHANGERS AS EQUIPMENT DRYER WITH HEAT UTILIZING DIESEL ENGINE EXHAUST Muardi,Duma Hasan,Wahyu H. Piarah Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin, Universitas Hasanuddin
Alamat Korespondensi: Muardi Central Workshop Universitas Hasanuddin Jl.Perintis Kemerdekaan km. 10 Makassar, 90245
[email protected] 0811444368
ABSTRAK Penukar kalor adalah suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh prestasi mesin Diesel terhadap efektifitas heat exchanger aliran silang dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel dan efisiensi pengeringan ikan.Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Heat Exchanger didesain sebagai alat pengering dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel. Pembuatan dan pengujian heat exchanger sebagai alat uji dilaksanakan di Worskhop center Universitas Hasanuddin kota Makassar Propinsi Sulawesi Selatan.Hasil penelitian selama 90 menit dengan variasi putaran mesin diperoleh : Pada putaran mesin 1600 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,09 % dan efisiensi pengeringan 11,41 %, pada putaran mesin 1800 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,12 % dan efisiensi pengeringan 3,87 %, pada putaran mesin 2000 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,61 % dan efisiensi pengeringan 2,394 %, pada putaran mesin 2200 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,96 % dan efisiensi pengeringan 2,579 %, pada putaran mesin 2400 rpm dengan efektifitas heat exchanger 71,29 % dan efisiensi pengeringan 2,427 %. Kata kunci : Putaran mesin, Heat Exchangert, Ikan, Alat Pengering ABSTRACT Heat exchanger is a device that generates heat transfer from one fluid to another fluid . This study aimed to determine the effect of Diesel engine performance to the effectiveness of cross-flow heat exchanger utilizing Diesel engine exhaust gas heat and the efficiency of drying fish . This study used an experimental method . Heat Exchanger is designed as a dryer by utilizing Diesel engine exhaust heat . Manufacture and testing of heat exchanger as a tool implemented in test centers Worskhop Hasanuddin University Makassar South Sulawesi Province . The results for 90 minutes with the engine speed variation is obtained : At 1600 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness of 70.09 % and 11.41 % drying efficiency , the engine speed to 1800 rpm, heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.12 % 3 , 87 % , at 2000 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.61 % 2,394 % , at 2200 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.96 % 2.579 % , at 2400 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness drying efficiency of 71.29 % and 2.427 % . Keywords : Round machines , Heat Exchangert , Fish , Equipment Dryer
PENDAHULUAN Berdasarkan Hukum Thermodinamika bahwa Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi energy dapat diubah kedalam bentuk energi yang lain misalnya energi kimia yang ada di dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dan energi panas itu diubah menjadi energi mekanis pada mesin kalor. Pemanfaatan energi bahan bakar pada mesin selalu diupayakan agar berdaya guna tinggi, sebab energi yang dapat digunakan oleh mesin Diesel sebagai penggerak hanya sepertiga dari hasil pembakaran bahan bakar didalam silinder. Selebihnya energi bahan bakar tersebut terbuang melalui dinding silinder, gas buang, minyak pelumas dan air pendingin. Gas buang yang keluar melalui saluran gas buang mempunyai temperatur yang cukup tinggi, energi tersebut cukup potensial digunakan sebagai sumber energi panas untuk memanaskan udara dengan menggunakan Heat Exchanger, sehingga udara panas yang keluar dari Heat Exchanger dapat diaplikaskan sebagai pengering antara lain : ikan, daging, buahbuahan serta dapat diaplikasikan sebagai pemanas ruangan. Pemanfaatan energi arang batok kelapa untuk pengeringan kakao pada alat pengering type rak dari hasil penelitian bahwa untuk mengeringkan kakao yang telah difermentasi dengan kadar air 54% mencapai kadar air 7% dibutuhkan waktu pengeringan selama 7 jam, energy yang dihasilkan arang batok kelapa rata-rata 26,73 kJ/jam (Nurhabibi, 2011). Pemanfaatan langsung sumber energi panas bumi untuk pengering kakao dari hasil penelitian untuk mengeringkan 100 kg kakao dibutuhkan waktu selama 24 jam (Hasan, 2011). Penelitian lain yang pernah dilakukan adalah rancang bangun alat pengering ubi kayu type rak dengan memanfaatkan energy surya, dari hasil penelitian
bahwa efisiensi alat 61,47 %
untuk
menurunkan kadar air ubi kayu dari 38% menjadi ± 14% (Thamrin, 2011) Ekadewi A. Handoyo, dkk., (2012) desain dan pengujian system pengering ikan bertenaga surya dari hasil penelitian untuk menurunkan kadar air ikan dari 60% menjadi 38% dibutuhkan waktu 6 jam. Alat pengering banyak digunakan para nelayan tradisional untuk mengeringkan hasil tangkapannya. Alternatif ini dilakukan karena biasanya mereka melaut selama beberapa minggu bahkan berbulan-bulan. Pada prinsipnya alat pengering surya dapat dimanfaatkan pada kapal-kapal nelayan untuk mengawetkan hasil tangkapannya. Solusi lain yang akan diupayakan adalah pengering ikan dengan memanfaatkan energi panas gas buang mesin yang digunakan sebagai penggerak kapal nelayan.
Sesuai dengan permasalahan yang di rumuskan maka tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah mengetahui pegaruh prestasi mesin Diesel terhadap efektivitas heat
exchanger aliran silang (Cross Flow) dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel dan efisiensi pengeringan.
METODE PENELITIAN Lokasi dan Rancangan Penelitian Penelitian dilaksanakan di Central Workshop Universitas Hasanuddin Makassar. Penelitian ini dirancang dengan metode eksperimental. Metode Pengumpulan data Metode pengumpulan data yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan cara sebagai berikut :Pembuatan heat exchanger,
Pengambilan
data
pada pengujian
heat
exchanger, Studi kepustakaan. Analisis Data Data yang yang diperoleh kemudian dicatat berdasarkan waktu yang telah ditentukan dan dianalisis dengan menggunakan rumus yang berlaku untuk masing-masing data. HASIL Analisa Perhitungan Seksi Gas Buang (fluida panas) diluar pipa Koefisien perpindahan panas pada gas buang (hi) merupakan perpindahan panas secara konveksi paksa yang dapat dihitung dengan menggunakan temperatur film gas buang ( Tg). Dimana temperatur film gas buang dapat diperoleh dari rata-rata temperatur borongan gas buang dengan temperatur dinding pipa pada destilator. Temperatur borongan gas buang : + 2 (148,8 + 95,92) = = 122,36 ℃ 2 =
Komposisi gas buang diasumsikan adalah karbon dioksida (CO2), maka sifat-sifat fisik dapat dievaluasi pada temperatu Tf = 122,36oC sebagai berikut : ρ = 1,3604 kg/m3
µ
= 19,12 x 10-6 kg/m.s
Cp = 0,9381 kJ/ kg 0C
Pr = 0,7396
k = 0,0242 W/ m 0C
v
= 14,09 x 10-6 m2/.s
Laju aliran massa gas buang ̇ = .
. .
Prs = 0,742
.
̇ = 1,3604 x 10,7 2 0,041 0,615
̇ = 0,734
kg s
Bilangan Reynolds = =
(
−
.
.
)
Dimana : Sp = Sn = 4,1 cm = 0,041 m =
0,041 10,7 0,041 − 0,0272
= 31,7898 / =
1,3604 x 31,7898 x. 0,0272 19,12 x 10 − 6
= 61510,644
Bilangan Nuselt Bilangan Nuselt untuk konveksi paksa aliransilang melintasi rangkunan tabung / pipa menggunakan persamaan berikut : =
ℎ .
=
,
Dimana : = 0,278 = 0,62
= 1,5 = 1,5
= 0,278 (61510,644)
,
(0,7396)
,
0,7396 0,742
,
= 233,0 Koefisien perpindahan panas ℎ =
233,0 0,02985 = 207,521 0,0272
℃
Seksi udara (fluida dingin) di dalam pipa Koefisien
perpindahan
panas
didalam
pipa
dimana
terjadi
konveksi
paksasehingga,untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada pipa,maka sifat-sifat fluida dievaluasi berdasarkan :
) + 2 (43,82 + 90,2) = = 67 ℃ 2 Dari table diperoleh : =
(
µ =2,02932 x 10 -5kg/m.s
ρ = 1,03382 kg/m3
k = 0,029273 W/ m 0C
Cp = 1,008341 kJ/kg OC
Pr= 0,6992 Bilangan Reynolds = =
.
.
1,03382 .1,8 .0,0254 2,02932 x 10 − 5
= 2329,172
Dimana kecepatan udara : 1,8 m/s
Bilangan Nuselt Bilangan Nuselt untuk konveksi paksa aliran didalam tabung / pipa menggunakan persamaan berikut : =
ℎ.
= 0,023
,
Dimana : = 0,3 = =
ℎ. ℎ.
= 0,023 2329,172 , 0,6992
,
= 10,206
Koefisien perpindahan panas ℎ = ℎ =
. 10,206 .0,029273 0,0254
ℎ = 11,763 / ℃ Koefisien perpindahan panas menyeluruh ( U ) Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( U ) dihitunga dengan persamaan :
1
=
+
.
.
+ 1
=
, ,
,
+
,
,
,
+
,
= 11,0887 W/m2 0C
a. Selisi temperatur logaritma rata-rata ( LMTD) Selisi temperatur logaritma rata-rata dihitung dengan menggunakan persamaan : ∆
=
∆
− ∆ ∆ ∆
∆
=
∆
−
,
=
−
,
= (148,8 − 90,2) = 58,6 ℃
, ,
= (95,9 − 43,8) = 52,1 ℃
LMTD ∆
,
=
∆ −∆ 58,6 − 52,1 = (∆ ⁄∆ ) (58,6⁄52,1)
Sehingga diperoleh : ∆
== 55,278 ℃
Luas perpindahan panas total Luas permukaan perpindahan panas total sekali lintas dapat diperoleh dari perkalian luas permukaan bagian luar ( π.do.L) dikali dengan jumlah pipa (n). =
= 0,0272 0,615 16 = 0,84178 Perpindahan panas total pada heat exchanger Perpindahan panas total pada heat exchanger merupakan kalor maksimum yang dapat dimanfaatkan memanaskan udaradihitung dengan persamaan : Qtotal
= Atot x U x LMTD = 0,84178 x 11,0887 x 55,278 = 516 W = 0,516 kW
Efektifitas heat exchanger ∈ = 1 −
(−
( ( )
)
,
− 1)
,
Dimana : = ̇
= 0.0151 1,008341 = 0,015
/
Dimana laju aliran massa udara : ̇ = .
.
4
.
̇ = 1,03382 . 1,8 . 0,0254 . 16 4 ̇ = 0,0151 = ̇
/
= 0,734 0,9381 = 0,6886
/
Jadi Cmin = Cc = 0,015 kW/0C = =
=
0,015 = 0,0221 0,6886 =
11,0887 0,8336 = 0,6138 0,015 x 1000
Dari nilai c dan NTU dapat ditentukan efektifitas heat exchanger dimana : ∈ = 1 −
(−0,6138 0,0221 (0,6138) 0,0221 (0,6138) ,
,
− 1)
∈ = 70,61 % Perhitungan ProsesPengeringan Dalam perhitungan ini digunakan data pada hasil pengujian dengan putaran mesin 2000 rpmdimana untuk satu kali pengujian 6 sampel yaitu : Pengeringan ini untuk mengurangi kadar air ikan bandeng dari 76% menjadi 20%, sehingga banyaknya air yang harus dikurangi dalam 0,8018kg ikan bandeng basah adalah 76% - 20% = 56%, sedangkan banyak air yang terkandung dalam 0,8018 kg ikan bandeng basah adalah 56% x 0,8018 kg = 0,449 kg.Maka banyaknya air yang harus dikurangidalam 0,8018 kg ikan adalah56% x 0,449 kg = 0,25 kg. Penurunan kadar air produk selama proses pengeringan. Prosentase kadar air basis basah adalah :
=
0,449 100 % 0,9447
= 47,53 % Prosentase kadar air basis keringadalah : =
0,449 (0,449 + 0,9447)
100 %
= 32,22 % Jumlah air yang menguap adalah sebagai berikut : = 801,8 − 765,1 = 0,0367 Energi yang digunakan untuk menguapkan air dihitung dengan menggunakan persamaan : = 0,0367 2337,96 = 85,8 Sehingga untuk pengujian selama 90 menit maka : =
85,8 = 0,0159 90 60
Energi udara dihitung dengan menggunakan persamaan : = 0,0151 1,00834 ( 90,2 − 46,6) = 0,664 Efisiensi pengeringan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : =
0,0159 100 % 0,664
= 2,4 % Untuk perhitngan pada putaran mesin 1600 rpm , 1800 rpm, 2000 rpm dan 2200 rpm dapat dilihat pada tabel hasil perhitungan (lampiran).
PEMBAHASAN Konsumsi bahan bakar dan kalor bahan bakar naik seiring dengan bertambahnya putaran mesinyaitu pada putaran 1600 rpm konsumsi bahan bakar 0,58 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 6,7457 kJ/s, pada putaran 1800 rpm konsumsi bahan bakar 0,6960 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 8,0949 kJ/s, pada putaran 2000 rpm konsumsi bahan bakar 0,8120 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 9,4440 kJ/s, pada putaran 2200 rpm konsumsi bahan bakar 0,9280 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 10,7932 kJ/s dan pada putaran
maksimum 2400 rpmkonsumsi bahan bakar 1,102 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 12,8169 kJ/s. Laju aliran massa gas buang dan efektifita heat exchanger
naik seiring dengan
bertambahnya putaran mesin yaitu pada putaran 1600 rpm laju aliran massa gas buang 0,6064 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 70,09% , pada putaran 1800 rpm laju aliran massa gas buang 0,6828 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 70,12%, pada putaran 2000 rpm laju aliran massa gas buang 0,7341 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 70,61%, pada putaran 2200 rpm laju aliran massa gas buang
0,8370 kg/s sedangkan
efektifitas heat exchanger 70,96%, dan pada putaran maksimum 2400 laju aliran massa gas buang 0,9149 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 71,29%. Hasil perhitungan efisiensi pengeringan nampak pula bahwa efisiensi pengeringan cenderung menurun seiring dengan naiknya putaran mesin dimana pada putaran mesin 1600 rpm efisiensi pengeringan 11,471%, pada putaran mesin 1800 rpm efisiensi pengeringan 3,87%, pada putaran mesin 2000 rpm efisiensi pengeringan 2,394%, pada putaran mesin 2200 rpm efisiensi pengeringan 2,579% dan pada putaran mesin 2400 rpm efisiensi pengeringan 2,42%. Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap, pertama panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida ini. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Jika gerakan fluida berlangsung sematamata sebagai akibat dariperbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu maka prosesnya disebut konveksi bebas. Dan jika gerakan fluida itu disebabkan oleh suatu alat dari luar seprti pompa atau kipas maka prosesnya disebut konveksi paksa (Anonim, 2000; Kays, dkk.,1993,Kreith, F., 1991) Kalor penguapan mengalami penurunan dari putaran mesin 1600 rpm kalor penguapan 0,044 kJ/s, putaran mesin 1800 rpm kalor penguapan 0,019 kJ/s, putaran mesin 2000 rpm kalor penguapan 0,016 kJ/s sedangkan pada putaran mesin 2200 kalor penguapan naik menjadi 0,023 kJ/sdan putaran mesin 2200 kalor penguapan naik menjadi 0,028 kJ/s.Hasil perhitungan serta grafik 7 nampak bahwa kadar air basis kering menurun seiring dengan bertambahnya putaran mesin yaitu pada putaran 1600 rpm kadar air basis kering 35,9%, pada putaran 1800 rpm kadar air basis kering 33,39%, pada putaran 2000 rpm kadar air basis
kering 32,22%, pada putaran 2200 rpm kadar air basis kering 31,20%, dan pada putaran maksimum 2400 kadar air basis kering 29,68%
DAFTAR PUSTAKA Anonim. (2011). EDUCATION. Pengeringan http://kuliahitukeren.blogspot.com/2011/12/pengeringan-ikan.html. Nopember 2011.
Ikan. Diakses
Anonim. (2000). PENGOLAHAN PANGAN. Ikan Asin Cara Penggaraman Basah. http://www.warintek.ristek.go.id/pangan kesehatan/pangan/piwp/ikan_asin_kering.pdf. Diakses Maret 2000. Ekadewi A. Handoyo, dkk. (2012). Disain dan PengujianSistem Pengering Ikan Bertenaga Surya. http://fportfolio.petra.ac.id/user files/91-021/Pengering%20Ikan.pdf. Diakses pada tanggal 15 Maret 2012. Hasan, Achmad. (2010). Penelitian Pemanfaatan Langsung Sumber Energi Panas Bumi Untuk Pengeringan Kakao (Cokelat). (www.google.com, diakses pada tanggal 15 Maret 2011) Heywood J.B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill. New York Holman.J.P. (1997).Perpindahan Kalor. Erlangga. Jakarta Kakac, S. and Liu.H. (1998). Heat Exchangers Selection, Rating, and Thermal Design.CRC Press. Boca Raton Boston London New York Washington,D.C. Kays, W.M. and Crawford. M.E. (1993). Convective Heat and Mass Transfer. McGrawHill,Inc., New York Kreith, F. (1991). Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas. Erlangga. Jakarta Nurhabibi,Ihsan. (2010) Pemanfaatan Energi Batok Kelapa Untuk Pengeringan Kakao (Theobroma Cacao L) pada Alat Pengering Tipe Rak (Tray Dryer). http://repository.unand.ac.id/5740/1/Tesis.pdf., Diakses pada tanggal 15 Maret 2011. Ozisik, M.N. (1980). Heat Conduction. John Wiley & Sons, New York Pinem, Muhammad Daud. (2004). Rancang Bangun Alat Pengering Ikan Teri Kapasitas 12 kg/jam http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/15829/1/simdes2004-%20(10).pdf. Diakses Desember 2004. Thamrin, Ismail. (2010). Rancang Bangun Alat pengering Ubi Kayu Tipe Rak dengan Memanfaatkan Energi Surya. http://eprints.unsri.ac.id/109/1/Pages_from_PROSIDING_AVOER_2011-6.pdf. Diakses pada tanggal 15 Maret 2011.
Yani, Endri and Abdurrachim, Abdurrachim and Pratoto, Adjar (2009).. Analisis Efisiensi Pengeringan Ikan Nila Pada Pengering Surya Aktif Tidak Langsung. http://repository.unand.ac.id/1141/1/_26-33_endri_yani.pdf. Diakses pada bulan April 2009.
LAMPIRAN Tabel 1. Hasil Pengujian dengan Putaran Mesin 2000 Rpm dimana untuk Satu Kali Pengujian 6 Sampel No
Berat Sampel
Sampel
Jumlah
(gram)
1
2
3
4
5
6
7
1
Awal
140,1
128,5
146,3
134,4
137,6
114,9
801,8
2
Akhir
134,9
119,8
140,5
127,1
132,7
110,1
765,1
