III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Termodinamika untuk melakukan percobaan dan pengambilan data. Selain itu Laboratorium Teknologi Mekanik dan bengkel mekanik untuk melakukan beberapa fabrikasi yang tidak dapat dilakukan pada laboratorium Terpadu Teknik Mesin Universitas Lampung. Sedangkan jadwal kegiatan penelitian tersusun pada tabel 3.1 berikut.
Tabel 3.1 Jadwal kegiatan penelitian Juli
Agustus
September
Oktober
November
Kegiatan 1 1
Studi Literatur
2
Perancangan & Simulasi
3
Pembelian alat dan bahan
4
Pembuatan Heat Exchanger
5
Eksperimen
6
Pembuatan laporan akhir
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
`
1
2
3
4
1
2
3
4
29
3.2.
Tahapan Pelaksanaan
Adapun tahapan pelaksanaan yang dilakukan dalam tugas akhir ini dapat dilihat dibawah ini: 1. Studi literatur Studi literatur dilakukan untuk memahami teori dasar yang berkaitan dengan pelaksanaan tugas akhir khususnya dalam perancangan dan pembuatan heat exchanger.
Penulis melakukan studi litertur tentang perhitungan dan
perancangan untuk menentukan dimensi heat exchanger tipe compact selain itu juga melakukan studi literatur mengenai metode dan karakteristik dalam pengeringan buah kopi. Adapun literatur tersebut diperoleh dari sumber buku, referensi serta browsing. 2. Perancangan Data Perancangan data dilakukan untuk memenuhi proses perhitungan desain dimensi heat exchanger tipe compact.
Data perancangan awal meliputi
temperatur air geothermal, temperatur udara, temperatur ideal pengeringan biji kopi, laju aliran air geothermal, dan data lain yang diperoleh dari literatur yang telah dipelajari. Sehingga akan memenuhi dalam perancangan dimensi dari heat exchanger yang dibutuhkan. 3. Perhitungan dimensi heat exchanger Perhitungan ini dilakukan untuk memperoleh dimensi heat exchanger yang dibutuhkan untuk menghasilkan udara panas yang sesuai dengan udara yang dibutuhkan untuk mengeringkan biji kopi. Adapun dalam perhitungan yaitu menentukan berapa panjang tube, jumlah tube, ukuran plat (fin), dan juga jumlah pelat yang dibutuhkan dalam heat exchanger.
30
4. Detail drawing Menggambar menggunakan
secara
detail
software
hasil
Autodesk
dari
perancangan
Invetor
2013
heat
exchanger
Profesional.
Untuk
mempermudah dalam pemahaman rancangan yang telah dibuat.
Lalu
dilanjutkan dengan proses simulasi aliran fluida pemanas menggunakan software Autodesk Simulation CFD 2014, untuk memperoleh mekanisme aliran yang paling efektif. 5. Pembuatan dan fabrikasi heat exchanger Setelah diperoleh hasil rancangan yang paling efektif dari heat exchanger maka dapat dilakukan pembuatan dan fabrikasi sesuai dengan rancangan yang telah diperoleh sebelumnya. 6. Pengujian heat exchanger Pengujian heat exchanger dilakukan untuk mengetahui performa dari heat exchanger yang telah dibuat. Pengujian meliputi mengukur temperatur udara keluaran dari heat exchanger apakah sudah sesuai dengan temperatur yang dibutuhkan untuk mengeringkan buah kopi. 7. Pembahasan dan kesimpulan Membahas hasil dari performa heat exchanger yang telah dibuat serta memberikan kesimpulan terhadap perencanaan awal heat exchanger dan hasil dari performa heat exchanger yang telah selesai dibuat.
31
3.3 Alur Penelitian
Secara garis besar alur pelaksanaan penelitian ini dijelaskan pada flowchart di bawah :
Start
Perancangan heat exchanger : 1. Dimensi dari komponen penyusun heat exchanger. 2. Perancangan simulasi aliran fluida.
Belum
Apakah rancangan sudah benar?
Sudah Fabrikasi : 1. Fin heat exchanger 2. Tube heat exchanger 3. Head heat exchanger
Belum
Apakah Fabrikasi sudah selesai?
Sudah
A
Gambar 3.1 Flowchart penelitian
Studi literature vvbdfffgnbgS 1. Jurnal udi 2. Text book
32
A
Kalibrasi perlengkapan heat exchanger meliputi laju aliran udara masuk heat exchanger dengan memvariasikan tegangan arus kipas (fan) pada regulator 0-250V
Pencatatan data 1. Debit/laju aliran air 2. Laju aliran udara masuk heat exchanger
Belum
Apakah data mencukupi ?
Sudah
B
Pengolahan data menjadi grafik
Grafik 1. Laju aliran udara masuk terhadap waktu operasi dan temperatur yang dicapai 2. Laju aliran udara masuk terhadap temperatur maksimal yang dicapai 3. Laju aliran udara masuk terhadap efektifitas heat exchanger
Analisa grafik yang telah dibuat
Kesimpulan dari penelitian
Pengambilan data untuk satu kali pengoperasian heat exchanger untuk pengeringan kopi meliputi : 1. Temperatur air panas keluar dan masuk pada heat exchanger 2. Temperatur udara keluar dan masuk pada heat exchanger 3. Rentan waktu pengoperasian heat exchanger hingga mencapai temperatur udara keluaran yang stabil
Pencatatan data meliputi : 1. Temperatur air panas keluar dan masuk pada heat exchanger 2. Temperatur udara masuk dan keluar heat exchanger 3. Waktu pengoperasian heat exchanger hingga temperatur udara keluar stabil
Belum
Apakah data mencukupi ?
Sudah
B
Gambar 3.2 Flowchart penelitian (lanjutan)
End
33
3.4. Metode Perancangan Heat Exchanger
Dalam melakukan perancangan heat exchanger dibutuhkan beberapa metode dan tahapan-tahapan untuk memperoleh hasil dimensi rancangan yang sesuai sebelum dilakukannya fabrikasi berikut ini metode-metode perhitungan yang dilakukan :
3.4.1 Perencanaan Heat Exchanger tipe compact
Dalam tahapan perencanaan heat exchanger ini dibutuhkan data-data perancangan awal untuk mempermudah dalam perhitungan, seperti yang ditunjukkan pada table 3.2 Data perancangan berikut ini :
Tabel 3.2. Data Perancangan Fluida yang dipanaskan (udara) Temperature masuk 305 K Temperatur keluar
333 K
Laju udara
0,22662 kg/s
Fluida pemanas (Air geothermal) Temperature masuk
373 K
Debit Air
4 liter / menit
Laju aliran air
0,066467 kg/s
Dari data perancangan yang ditunjukkan pada tabel 3.2 maka dilakukan pencarian spesifikasi dari kedua fluida tersebut pada literature yang nantinya akan digunakan dalam perhitungan perancangan heat exchanger.
34
Tabel 3.3. Property yang digunakan Almunium alloy (Tabel A-1) Thermophysical Properties of Selected Metallic Solidsa Konduktifitas termal
177 W/mK
Air (Tabel A-6) @ T air : 373 K Thermophysical Properties of Gases at Atmospheric Pressure Cp 4,217 kJ/kg K -6
N s / m2
Pr
1,76
k
680 . 10 -3 W/m K
Udara (Tabel A-4) @ T rata-rata : 319 K Thermophysical Properties of Saturated Water Cp
1,0077 kJ/kg K
Pr
0,070434 1,93 . 10-5 N s / m2
k
0,027206 W/m K
Dari tabel 3.3 di atas debit pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida adalah sebesar 4 liter/menit diperoleh dari jenis pompa yang digunakan, dan berdasarkan literature dapat digunakan untuk menentukan laju aliran massa fluida yang mengalir pada tube heat exchanger adalah sebagai berikut :
m = 4 liter/menit . air = 0,06667 x 10-3 m3/s . 997 kg/m3 = 0,066467 kg/s
Selanjutnya dalam tabel 3.3 data perancangan telah diketahui temperatur masuk dan temperatur keluar dari udara, dan besar laju udara yang mengalir pada heat exchanger sebesar 0,22662 kg/s yang diperoleh berdasarkan jenis kipas yang digunakan, maka nilai-nilai tersebut dapat digunakan untuk menentukan transfer
35
energy ( qudara) pada udara yang mengacu pada tabel 3.3 serta literature adalah sebagai berikut :
qudara m f .C p , f .T f 0,22662kg / s. 1,0077kJ / kg.K (333 305) K 6,3954kW
Dengan didapatkan nilai qudara maka temperatur keluar dari pemanas (air geothermal) dapat dicari menggunakan persamaan yang mengasumsikan besar perpindahan panas yang diterima fluida yang diapanaskan (udara) akan sama dengan besar perpindahan panas yang di pindahkan fluida pemanas (air geothermal) qudara qair sebagai berikut : qudara
q air
6,3954 Kw = m air .C p ,air .Tair 6,3954 Kw = 0,06646 kg/s . 4,217 kJ/kg K . (373–Thout) K Thout
= 350,18 K
Setelah data-data tersebut telah diketahui maka langkah selanjutnya adalah mencari dimensi Heat Exchanger type compact yang sesuai untuk memanaskan udara luar dari temperatur 305 K sampai 333 K yang nantinya digunakan untuk memanaskan biji kopi, susunan tube dan jarak fin untuk heat exchanger ini menggunakan tabel pada buku “Compact Heat Exchanger” Kays and London dengan tipe “surface tipe 7.75 – 5 / 8T” yang telah ditunjukan pada tabel 3.4 Compact Heat Exchanger surface tipe 7.75 – 5 / 8T berikut ini :
36
Tabel 3.4 Compact Heat Exchanger Surface Tipe 7.75 – 5 / 8T No
Nama Area
1 2 3 4 5 6 7 8
Diameter luar tube Jarak sirip Flow passage hydraulic diameter Tebal Sirip Free flow area / frontal area Heat transfer area / total volume Fin Area / total Area Jarak Tube horizontal
9
Diameter dalam tube
Simbol Besaran Do Dh T Α Af/Ah SL Di
Satuan
0,676 7,75 0,0114 0,016 0,481 169 0,95 1,75
Inchi per inchi Ft Inchi
0,625
Besaran Satuan (SI) 17,1704 mm 0,00347 0,4064
m mm
ft2 / ft3
554,46
m2/m3
Inchi
0,04445
m
Inchi
15,875
mm
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.3 Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75 – 5 / 8T dibawah ini :
Gambar 3.3 Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75 – 5 / 8T
Beberapa besaran telah ditentukan pada tabel 3.3 Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75 – 5 / 8T, selanjutnya untuk luas permukaan depan dari heat exchanger di sesuaikan dengan dimensi ruang pengering yaitu dengan ukuran 0,3m x 0,3m sehingga luas permukaan sisi depan (Afr) sebesar 0,09 m2 .
37
Untuk mengetahui dimensi Heat Exchanger langkah pertama yang dilakukan adalah mengetahui koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) yang terjadi pada Heat Exchanger tersebut menggunakan persamaan sebagai berikut :
Langkah pertama yaitu mengetahui besar nilai Ah/Ac yaitu perbandingan luas permukaan fluida panas dengan luas permukaan fluida dingin menggunakan persamaan sebagai berikut :
Setelah diperoleh perbandingan luas permukaan fluida panas dengan luas permukaan fluida dingin maka dapat mencari besar resistansi konduksi untuk jenis material menggunakan persamaan berikut ini : (
)
(
1,625 . 10-7 m2 K/W
)
38
Untuk memperoleh bilangan Reynold pada jenis compact heat exchanger maka perlu menentukan besar kecepatan massa udara (G) terlabih dahulu dengan menggunakan persamaan berikut ini :
5,2358 kg/s m2
Setelah diperoleh besar dari kecepatan massa udara (G), maka besar bilangan Reynold dapat dicari menggunakan persamaan berikut ini :
Re
Re Re = 938,614
Dengan besar bilangan Reynold 938,614 maka dari grafik jenis HE tipe surface 7.75 – 5/8T diperoleh nilai faktor colburn j untuk perpindahan panas (JH = St . Pr 2/3
)
39
Gambar 3.4 Grafik Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75-5/8T
Diperoleh besar nilai faktor colburn j untuk perpindahan panas (JH) Selanjutnya mencari nilai koefisien konveksi fluida panas (
) dapat dihitung
menggunakan persamaan berikut ini :
Selanjutnya mencari nilai koefisien konveksi fluida dingin (hc) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :
40
Untuk itu perlu di ketahui besar bilangan Nuselt terlebih dahulu, dimana untuk besar bilangan Reynold 938,614 maka diperoleh
Tabel 3.5 Konstanta untuk pipa silinder pada aliran menyilang ReD C M 0.4 – 4
0.989
0.330
4 – 40
0.911
0.385
40 – 4000
0.683
0.466
4000 – 40000
0.193
0.618
40000 – 400000
0.027
0.805
Nu = C.Rem.Pr1/3 Nu = 0.683.Re0.466.Pr0.33 Nu = 14,796
Sehingga besar koefisien konveksi fluida dingin:
W/m2K
Untuk menghitung besar nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh dibutuhkan besar nilai efisiensi fin (µf) dengan meggunak persamaan (2.6)
µf
Tanh m.Lc m.Lc
41
dengan
Lc L (t / 2)
dan
m 2.hc / k.t
Dimana dari jenis surface heat exchanger 7.75-5/8T diperoleh lebar fin dari tube (L) = 0,875 inchi , tebal fin (t) = 0,016 inchi. Kemudian menghitung nilai lebar fin untuk jenis plat fin datar (Lc)
Lc = L + (t/2) Lc = 0,0875 +(0,016/2) Lc = 0,883 inchi
0,02242 m
Selanjutnya menghitung besar (m)
m 2.hc / k .t m
2.23,83W / m 2 K 177W / mK.4,064.10 4 m
m 25,74m 1
Maka efisiensi fin yang terjadi sebesar
µf
Tanh m.Lc m.Lc
Tanh 25,74m 1 . 0,02242m 25,74m 1 . 0,02242m µf 0,90 µf
42
Selanjutnya besar nilai efektifitas sirip (µ0,h) dapat diperoleh menggunakan persamaan berikut ini :
µ0,h = 1- Af/A (1- µf) µ0,h = 1- 0,95 ( 1- 0,90) µ0,h = 0,906
Setelah diperoleh semua besar nilai koefisien konveksi fluida panas dan koefisien konveksi fluida dingin maka dapat dihitung besar nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh menggunakan persamaan berikut ini :
Selanjutnya menghitung besar nilai efektifitas ( ) dari heat exchanger dengan menggunakan persamaan berikut ini :
̇
43
Dimana besar nilai nilai perpindahan panas aktual
̇
̇
̇ ̇
kg/s . 1,0077 kJ/kg K (333-305) K
̇
Sedangkan besar nilai perpindahan panas maksimum (qmax) :
̇ kg/s . 1,0077 kJ/kg K (373-305) K
Maka nilai efektifitas heat exchanger sebesar :
Setelah diperoleh besar nilai efektifitas dari heat exchanger maka nilai NTU dapat di ketahui menggunakan grafik berikut ini :
44
Gambar 3.5 Grafik crossflow, single pass, unmix fluid
Dimana nilai dari Cmin/Cmax
̇ ̇
Dengan besar nilai Cmin/Cmax dan nilai efektifitas ( ) di atas maka pada pada gambar grafik 3.11 diperoleh nilai NTU
NTU = 0,85
Selanjutnya setelah diketahui besar NTU dan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) maka luas permukaan perpindahan panas dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :
45
Sehingga volume dari heat exchanger yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :
Dengan besar volume dari heat exchanger adalah 0,0259 m3 maka panjang heat exchanger yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :
Selanjutnya banyak baris tube (NL) yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :
46
Dari persamaan-persamaan yang digunakan maka diperolehlah data perancangan dimensi heat exchanger dengan panjang dalam perhitungan yaitu sebesar 22,25cm namun dalam realisasinya panjang heat exchanger dibuat menjadi 30cm karena untuk meminimalisir terjadinya rugi-rugi. Sehingga dimensi heat exchanger yang akan dibuat sebagai berikut spesifikasi fin atau sirip penyusun compact heat exchanger memiliki: panjang fin = 300 mm; lebar fin = 300 mm; tebal fin = 0,4 mm; jumlah fin yang dibutuhkan = 88 fin; penyusunan jarak antar fin = 3 mm.
Sedangkan spesifikasi untuk tube sebagai berikut: panjang tube = 300 mm; jumlah tube yang dibutuhkan = 52 tube; dia.tube = 0,158 mm, kemudian tahap selanjutnya adalah visualisasi detail drawing dari heat exchanger. Bentuk dan dimensi dari heat exchanger ditunjukan pada gambar dibawah ini
47
Gambar 3.6 Heat exchanger tampak depan dan dimensi fin
48
Gambar 3.7 Dimensi dan bentuk heat exchanger
49
Gambar 3.8 Heat exchanger tampak samping
50
3.5. Proses Simulasi Aliran Air Panas
Proses perancangan compact heat exchanger telah selesai dirancang, sehingga diperoleh dimensi dan detail drawing dari heat exchanger yang akan dibuat. Selanjutnya adalah melakukan proses simulasi aliran, dimana untuk compact heat exchanger tersusun dari beberapa tube yang cukup banyak nantinya tube-tube tersebut akan dialiri oleh fluida pemanas berupa air, untuk memudahkan dalam memastikan air tersebut akan mengisi mengalir pada semua tube maka dapat dilakukan simulasi menggunkan software Autodesk Simulation CFD 2014 sehingga akan memperoleh mekanisme rancangan heat exchanger yang optimal.
Dalam proses simulasi parameter yang di input adalah sebagai berikut dimensi serta bentuk dari heat exchanger yang ditentukan dari hasil perancangan, kemudian menentukan bidang arah aliran fluida air masuk dan keluar, jenis fluida yang mengalir yaitu air, jenis material yang digunakan juga harus ditentukan yaitu alumunium, selanjutnya kecepatan aliran air 0,08 m/s, dan tekanan 1atm juga di input. Untuk setiap proses simulasi komponen yang divariasikan pada komponen head heat exchanger pada peletakan bagian pipa input dan pipa output dan juga pengaruh pemberian baffle, terdapat tiga variasi bentuk head heat exchanger, dan hasil proses simulasinya sebagai berikut :
3.5.1. Pipa Input dan Output Terletak di Tengah Head Untuk variasi yang pertama yaitu meletakkan saluran masuk dan saluran keluar air panas terletak pada bagian tengah dari head heat exchanger. Hasil simulasi aliran untuk kondisi ini terlihat dalam gambar 3.9 dibawah ini
51
b
a
Gambar 3.9 Simulasi untuk pipa input dan output di bagian tengah
Dalam gambar 3.9 merupakan gambar hasil simulai aliran air untuk jenis variasi pipa input dan output terletak di tengah head heat exchanger, gambar a merupakan bentuk dari heat exchanger dengan pipa input dan output dibagian tengah sedangkan gambar b merupakan hasil simulasi aliran air panas ditunjukkan bahwa air panas mengalir secara vertikal di karenakan penempatan heat exchanger di ruang pengering juga vertikal.
Dalam hasil simulasi ditunjukkan bahwa air mengalir memenuhi pipa-pipa alumunium terkonsentrasi hanya di bagian tengah saja sedangkan untuk pipa yang terletak di pinggir tidak terisi air panas. Hal ini dapat mengurangi kemampuan dari heat exchanger dalam menukarkan panas dari air panas ke udara sehingga untuk kondisi head dengan pipa input dan output dibagian tengah terjadi proses aliran air panas yang kurang baik.
52
3.5.2. Pipa Input dan Output Terletak di Atas dan Bawah Head
Untuk variasi yang kedua yaitu meletakkan saluran masuk dan saluran keluar air panas terletak pada bagian atas dan bawah dari head heat exchanger. Dari jenis variasi sebelumnya terlihat bahwa air panas mengalir kurang baik karena masih terdapat beberapa pipa alumunium yang belum terisi sepenuhnya oleh air panas sehingga untuk variasi kedua saluran input air panas diubah dibagian atas dengan tujuan agar air panas dapat mengalir denga sendirinya menuju pipa output dibagian bawah. Hasil simulasi aliran untuk kondisi ini terlihat dalam gambar 3.10 di bawah ini
a
b
Gambar 3.10 Simulasi untuk pipa input dan output di bagian atas dan bawah
Dalam gambar 3.10 merupakan gambar hasil simulai aliran air untuk jenis variasi pipa input dan output terletak di bagian atas dan bawah dari head heat exchanger. Gambar a merupakan bentuk dari heat exchanger dengan pipa input dan output
53
dibagian atas dan bawah sedangkan gambar b merupakan hasil simulasi aliran air panas. Heat exchanger ditempatkan secara vertikal pada ruang pengering seperti yang digambarkan pada gambar 3.10. Dalam simulasi aliran air panas masuk melalui bagian atas dari head heat exchanger kemudian air tersebut mengalir sedikit berputar untuk memenuhi bidang head dan mengalir memenuhi pipa-pipa alumunium.
Dari hasil simulasi ditunjukkan bahwa aliran air panas cukup baik jika dibandingkan dengan kondisi simulasi pertama, karena pipa-pipa alumunium yang terisi air panas terlihat cukup banyak namun pada salah satu bagian terdapat pipapipa yang tidak terisi air panas seperti yang ditunjukkan pada lingkaran hitam pada gambar 3.10 b dalam bagian tersebut masih terjadi kekosongan aliran air sehingga kemampuan heat exchanger untuk menukar panas akan kembali belum maksimal.
3.5.3. Penambahan Baffle Pada Head Heat Exchanger
Untuk variasi yang ketiga yaitu dengan menambahkan baffle atau sekat pada bagian head heat exchanger. Tujuan dari ditambahkannya baffle disini adalah sebagai penyekat untuk mengarahkan fluida air panas agar mengalir memenuhi semua pipa alumunium, karena dari kedua jenis variasi sebelumnya terlihat bahwa air panas mengalir kurang sempurna masih terdapat beberapa pipa alumunium yang belum terisi sepenuhnya. Hasil simulasi aliran untuk kondisi ini terlihat dalam gambar 3.11 di bawah ini
54
b
a
Gambar 3.11 Simulasi untuk jenis head menggunakan baffle
Pada gambar 3.11 di atas merupakan hasil simulasi dari kondisi head heat exchanger yang ditambahkan baffle atau sekat sebagai pengarah aliran air panas agar memenuhi pipa-pipa alumunium. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa hasilnya cukup baik seperti yang terlihat pada gambar 3.11 a. Gambar tersebut merupakan hasil simulasi untuk tampak dari depan terlihat bawa arah aliran air tidak hanya terjadi satu kali melainkan aliran air akan terbagi manjadi empat kali dikarenakan terdapat penyekat pada head heat exchanger sehingga air sepenuhnya akan memenuhi semua pipa-pipa yang terdapat pada heat exchanger seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.11 b dimana semua pipa alumunium terisi secara penuh dengan air panas yang mengalir, dengan demikian kinerja dari heat exchanger akan maksimal.
Berdasarkan ketiga simulasi jenis variasi head pada heat exchanger terdapat beberapa perbedaan pada proses aliran air yang terjadi dan proses aliran air yang
55
baik yaitu memenuhi semua pipa alumunium yeng terdapat pada heat exchanger terjadi pada variasi ketiga yaitu dengan penambahan baffle atau penyekat sehingga dalam proses fabrikasi menggunakan jenis head yang ketiga yaitu dengan penambahan baffle.
3.6. Alat dan Bahan
Alat pendukung yang digunakan dalam proses pembuatan heat exchanger adalah sebagai berikut :
a. Digital Thermometer Digital thermometer ini digunakan untuk mengukur suhu input dan output dari fluida pemanas (air panas) dan fluida yang dipanaskan (udara). Alat ini dipilih karena paling fleksibel dan memiliki tingkat keakuratan tinggi.
Gambar 3.12 Thermocouple
56
b. Pipa Alumunium Pipa alumunium ini digunakan sebagai media penampang pada heat exchanger dalam pemanasan udara yang nantinya akan digunakan untuk mengeringkan buah kopi, pada pipa aluminium tersebut akan mengalir media pemanas berupa air panas. Pemilihinan material alumunium karena selain memiliki titik melting yang tinggi aluminium juga mudah untuk didapat dan harganya relatif lebih murah.
Gambar 3.13 Pipa aluminium
c. Pelat Alumunium Tipe heat exchanger yang akan dibuat adalah heat exchanger tipe compact. Untuk tipe heat exchanger ini merupakan heat exchanger yang tersusun dari sirip-sirip untuk memperluas bidang kontak panas dari media pemanas yang ada di dalam pipa aluminium. Pemilihan pelat dengan material alumunium karena pelat yang dibutuhkan dalam perancangan memiliki ketebalan yang tipis yaitu 0.4 mm dan nantinya akan dilubangi sebagai jalan dari pipa-pipa pemanas, sehingga memerlukan material yang mudah untuk di bentuk.
57
Gambar 3.14 Plat Alumunium
d. Kipas Angin (fan) Kipas angin atau fan digunakan sebagai penggerak atau penyuplai udara pada heat exchanger. Udara tersebut yang nantinya akan dipanaskan lalu akan menuju ruang pengering sebagai media untuk mengeringkan buah kopi, jenis kipas yang digunakan seperti yang dijunjukan pada gambar 3.15.
Gambar 3.15. Kipas (Fan)
58
e. Pompa Air Untuk mengalirkan air pada heat exchanger dibutuhkan pompa sebagai pengalir paksa air.
Pada penelitian ini pompa yang digunakan adalah pompa sanyo
berdaya listrik 125 watt, daya hisap dan daya dorong masing-masing 9 m, dengan kapasitas maksimum 32 liter/menit.
Pada penelitian ini pompa digunakan untuk mengalirkan air menuju boiler selanjutnya aliran air keluaran boiler ini nantinya akan langsung masuk kedalam heat exchanger . Pompa ini terhubung dengan regulator untuk memvariasikan tegangan pompa agar debit dan laju pompa dapat diatur sesui dengan perancangan.
Untuk lebih jelas bentuk dari pompa yang digunakan pada
penelitian ini, dapat dilihat pada gambar 3.16 berikut.
Gambar 3.16 Pompa
59
3.7. Fabrikasi Compact Heat Exchanger
Dalam fabrikasi compact heat exchanger terbagi dalam beberapa tahapan proses manufaktur antara lain :
1. Cutting (Pemotongan material dengan gerinda potong) 2. Drilling (Pengeboran lubang-lubang fin dan lubang baut) 3. Welding (Penyambungan komponen plat dengan las alumunium) 4. Rivet Join (Penyambungan tube dengan penutup head) 5. Grinding (Penghalusan permukaan komponen) 6. Painting (Pengecatan komponen untuk menghindari korosi)
Tahap pertama yaitu pembuatan komponen head pada heat exchanger. Pembuatan menggunakan proses cutting atau proses pemotongan dalam proses ini dilakukan pemotongan terhadap plat alumunium dengan tebal 2 mm menggunakan alat potong gerinda, dengan bentuk dan ukuran seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.17. pemilihan material dengan tebal 2 mm bertujuan agar dalam proses pengelasan nanti material tidak terbakar atau berlubang.
Selanjutnya hasil potongan tersebut untuk masing-masing sisinya dilakukan penekukkan sehingga akan membentuk sebuah kotak seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.17. Setelah itu untuk keempat sudutnya dilakukan penyambungan dengan proses pengelasan alumunium hingga tidak terjadi kebocoran saat diisi dengan air.
60
Setelah terbentuk kotak maka dilakukan proses pengeboran dengan ukuran ϕ 5/8 inch pada kedua sisinya yaitu sisi atas dan sisi bawah yang bertujuan untuk penempatan pipa input air dan pipa output air. Untuk masing-masing sisinya dilakukan pengeboran dengan ukuran ϕ 8 mm sebanyak 20 lubang sebagai tempat masukuknya baut untuk penyambungan dengan sisi yang lain.
Pemilihan
sebanyak 20 lubang baut karena pada sisi ini kemungkinan terjadi kebocoran sangat tinggi sehingga membutuhkan lebih banyak baut agar dalam proses penyambungan akan lebih rapat.
Selanjutnya dilakukan proses pemasangan baffle seperti dalam perancangan awal yang ditunjukkan pada gambar 3.17. Fungsi dari baffle disini adalah sebagai penyekat untuk mengarahkan fluida air panas agar mengalir memenuhi semua pipa alumunium, baffle terbuat dari potongan plat alumunium dengan ketebalan yang sama yaitu 2 mm dengan ukuran panjang 300 mm dan lebar 50 mm.
a
b
c Keterangan gambar a. Proses pembuatan skema head pada HE b. Proses pembentukan kotak untuk head HE c. Proses pemasangan baffle pada head HE
Gambar 3.17 Proses pembuatan head pada heat exchanger
61
Tahapan kedua yaitu pembuatan komponen fin, komponen fin ini terbuat dari material berupa alumunium lembaran dengan tebal sesuai perancangan yaitu 0,4 mm. Proses pertama yaitu melakukan proses cutting atau pemotongan lembaran alumunium menjadi ukuran 300 mm x 300 mm. Heat exchanger yang dirancang membutuhkan sebanyak 88 lembar fin, kemudian semua fin tersebut ditumpuk menjadi satu dan dilakukan proses pengeboran secara bersamaan dengan pola seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.18 dengan menggunakan mata bor ukuran ϕ 5/8 inch sehingga menghasilkan lubang yang sesuai dengan diameter pipa yang akan digunakan. Pipa yang digunakan terbuat dari bahan alumunium dengan ukuran ϕ 5/8 inch, pipa alumunium tersebut dilakukan proses pemotongan dengan ukuran panjang 300 mm sebanyak 52 pipa.
a
b Keterangan gambar a. Proses pemotongan tube b. Proses pengeboran fin
Gambar 3.18. Proses pembuatan fin dan tube
Setelah semua komponen telah selesai dibuat maka proses selanjutnya yaitu proses assembly atau proses penggabungan. Langkah pertama yaitu dengan memasang semua pipa alumunium kedalam lubang-lubang fin yang masih tertumpuk menjadi satu tadi sehingga proses pemasangan menjadi lebih mudah.
62
Pada bagian ujung pipa dipasangkan fin alumunium yang memiliki tebal 2 mm, fin pada bagian tengah memilki jarak 3 mm disusun menggunkan alat bantu berupa besi yang berbentuk plat strip dengan ketebalan 3 mm juga sehingga jarak antar fin 3 mm dapat terpenuhi.
Langkah selanjutnya yaitu proses penyambungan dengan metode rivet join dikarenakan pipa alumunium memiliki ketebalan hanya 1mm makan sulit untuk dilakukan proses pengelasan pada bagian head. Sehingga dilakukan proses rivet join antara pipa dengan plat penutup head pada heat exchanger agar air panas yang mengalir didalam heat exchanger tidak mengalami kebocoran.
Setelah
semua pipa telah terhubung maka dilakukan proses pemasangan head dari heat exchanger dengan terlebih dahulu melapisi bagian luar dari sisi yang akan menempel menggunkan red silicone yang memiliki ketahanan panas mencapai 343 0C lalu dilakukan proses pembautan dengan tujuan agar kedua komponen melekat dengan rapat.
Proses penyambungan komponen menggunakan baut
dikarenakan jika saat terjadi kerusakan pada heat exchanger maka heat exchanger dapat dilepas dengan mudah.
a c
b
Keterangan gambar a. Proses pemasangan fin dengan tube. b. Proses pengambungan tube dengan plat head c. Proses pengecatan dan pemasangan tutup HE
Gambar 3.19 Proses pembuatan tahap akhir pada heat exchanger
63
Proses yang terakhir yaitu pemasangan tutup pada kedua sisi heat exchanger dan proses pengecatan, perlu diberikan penutup sisi karena bertujuan agar udara yang mengalir pada heat exchanger dapat terarah tidak menyebar.
3.8. Instalasi Peralatan
Setelah fabrikasi selesai dilanjutkan ke tahap instalasi peralatan. Dalam tahapan ini semua komponen pendukung pada alat pengering kopi energi panas bumi yang terdiri dari boiler,heat exchanger,ruang pengering, dan sistem kontrol temperatur semua dipasang menjadi satu kesatuan seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 3.20 Skematik instalasi alat pengering kopi
64
Adapun kegiatan yang dilakukan dalam proses instalasi alat heat exchanger antara lain : 1.
Perakitan dan penyambungan komponen penyusun alat pengering kopi energi panas bumi yaitu berupa menempatkan heat exchanger pada bagian bawah dari ruang pengering dimana dari bawah heat exchanger diletakkan fan sebagai penghasil udara yang nantinya akan dipanaskan, kemudian menghubungkan selang input menuju heat exchanger ke bagian output pada boiler yang nantinya akan mengalir air panas yang telah dipanaskan pada mesin boiler dan memasang selang output dari heat exchanger menuju penampungan air.
2.
Pada fan dihubungkan dengan voltage regulator untuk memvariasikan flowrate udara yang mengalir.
3.
Sensor termokopel diletakkan pada pipa input dan pipa output air panas dari heat exchanger dan juga diletakkan pada bagian udara masuk dan bagian udara keluaran dari heat exchanger untuk mengukur temperatur yang tercapai.
a
b
c Keterangan gambar a. Penematan sensor suhu udara keluar pada HE b. Penematan sensor suhu air masuk pada HE c. Peletakan HE di dalam ruang pengering
Gambar 3.21 Penempatan sensor suhu pada heat exchanger
65
3.9. Persiapan Awal
Dalam persiapan awal merupakan proses persiapan sistem awal pada alat bantu pompa dan kipas sebagai penggerak aliran air dan aliran udara untuk mengetahui berapa debit air dan kecepatan udara menggunakan instrumentasi pengukuran. Fenomena yang perlu diukur sebelum pengujian adalah debit air pada pompa, serta laju aliran udara dari fan.
3.9.1. Laju Aliran Air / Debit Air
Debit air yang mengalir pada pipa input dari heat exchanger diukur menggunakan sensor ukur flow meter dengan metode pengujiannya pompa dihidupkan dan air yang mengalir akan melewati alat ukur tersebut, selanjutnya alat ukur yang telah terhubung dengan komputer akan menunjukkan display debit air yang terukur. Besarnya tegangan pada pompa divariasikan menggunakan regulator guna mendapatkan debit air optimal sesuai perancangn awal. Hasil pengukuran disajikan pada Tabel 3.5 dibawah ini :
a c Keterangan gambar a. Sensor flow meter b. Voltage regulator c. Proses pengujian debit air
b
Gambar 3.22. Pengukuran debit aliran air
66
Tabel 3.6. Pengukuran Debit Air No. 1 2 3 4 5 6 7 8
Beda Potensial blower (V) 75 80 90 100 125 150 175 200
Debit (lt/min) 3 4 6 7 10 11 12 13
3.9.2. Laju Aliran Udara
Pengukuran laju aliran udara dari fan dilaksanakan sebelum pengujian dimulai, anemometer jenis AM-4200 Lutron digunakan untuk mengukur kecepatan udara tersebut. Mengacu buku petunjuk alat, satuan kecepatan pada anemometer dapat dapat ditentukan yaitu m/s. Selain itu range kecepatan aliran yang dapat diukur adalah 0,8-30 m/s, besarnya tegangan pada fan divariasikan menggunakan regulator guna mendapatkan laju aliran udara optimal sesuai perancangn awal. Berikut adalah hasil pengukuran kecepatan udara dari fan
a
c Keterangan gambar a. Annemometer b. Instalasi pengujian kecepatan udara keluarn HE c. Proses pegukuran kecepatan udara masuk dari fan
b
Gambar 3.23 Kalibrasi flowrate udara fan
67
Tabel 3.7 Pengukuran kecepatan udara pada fan No. 1 2 3 4 5
Beda Potensial blower (V) 100 125 150 175 200
Kecepatan aliran (m/s) 2,2 3,7 4,4 4,8
Laju aliran massa udara (kg/s) 0,226662 0,381205 0,453325 0,494536
Nb : Luas penampang HE yaitu 0,09 m2 dan massa jenis udara pada Patm T=32oC yaitu 1,144 kg/m3
Pada pengujian laju aliran udara diatas menggunakan alat ukur anemometer jenis AM-4200 Lutron, metode pengukurannya cukup sederhana hanya dengan meletakkan anemometer tersebut secara tegak lurus pada biadang fan yang mengembuskan udara maka pada LCD dari anemometer tersebut akan menunjukkan besar kecepatan udara yang terukur seperti ditunjukkan pada tabel 3.6. Kemudian setelah dikalikan dengan luas penampang heat exchanger dan massa jenis udara maka diperoleh laju aliran massa udara.
