RANCANG BANGUN HEAT EXCHANGER TUBE FIN SATU PASS, SHELL TIGA PASS UNTUK MESIN PENGERING EMPON-EMPON
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Oleh: SAKA SAPUTRA NIM : D 200 12 0019
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2017
i
EALAMAN PERSETUJUAN RANCANG BANGAN HEAT EXCHANGER TUBE FIN SATU SEELL TIGA
P,4,sS
P.,{S,X
UNTUK MESIN PENGERING EMPON-EMPON
PUBLIKASIILMIAH
Oleh:
SAKASAPUTRA D 200 12 0019
Telah diperiksa dan disetujui untuk diuji oleh:
Dosen Pembimbing
Sartono Putro. Ir,. MT,
,t
HALAMAN PENGESAHAN RANCANG BANGIIN HEAT EXCHANGER TUBE FIN SATU
P,4S,S,
SHELL TIGA P,4SS TINTUK MESIN PENGERING E1\{PON-EMPON Oleh:
SAKA SAPUTRA D 200 12 0019
Telah dipertahankan di depan I)ewan Penguji Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Pada hari Kamis, 13 April 2017 Dan dinyatakan telah memenuhi syarat Dewan Penguji:
1.
Sartono Putro, Ir,, MT.
(Ketua Dewan Penguji) Subroto,
Ir. MT.
(Anggota I Dewan Penguji) Sunardi Wiyono, Ir., MT. (Anggota
II
Dewan Penguji)
PERNYATAAN
Dengan
ini
saya menyatakan bahwa publikasi ilmiah
ini tidak
terdapat
karya yang pemah diajukan untuk memperoleh gelar kesa{anaan disuatu perguuan tinggi dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pemah dihrlis atau diterbitkan orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Apabila kelak terbukti ada ketidakbenaran dalam pemyataan saya diatas maka akan saya pertanggung jawabkan sepenuhnya.
Surakarta, 15 April 2017 Penulis
$s, SAKA SAPUTRA D 200 12 0019
t
RANCANG BANGUN HEAT EXCHANGER TUBE NON FIN SATU PASS, SHELL TIGA PASS UNTUK MESIN PENGERING EMPON-EMPON Abstrak Heat Exchanger atau penukar kalor adalah alat yang berfungsi menukar kalor antara dua fluida yang berbeda temperatur tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi debit pada Heat Exchanger tube fin satu pass shell tiga pass untuk pengeringan kunir. Dengan variasi debit 0,026, 0,028, dan 0,030 m3/s. Cara kerja dari heat exchanger ini adalah : pertama, fluida dingin berupa udara dari blower mengalir masuk ke dalam Heat Exchanger. Kedua, fluida dingin akan menerima kalor dari fluida panas yang mengalir dalam shell yang sebelumnya dipanaskan oleh kompor didalam heat exhanger, dan setelah itu fluida dingin tersebut keluar dari heat exchanger dan masuk ke dalam mesin pengering empon-empon. Hasil kalor yang optimal didapatkan pada variasi debit fluida dingin 0,030 m3/s. Jadi disimpulkan bahwa semakin besar debit fluida dingin maka perubahan temperatur dan kalor debit fluida dingin semakin besar. Kata kunci : Alat Penukar Kalor,Debit , Kalor, fluida Abtract Head exchanger is a tool for exchange the head between two different fluids temperature witthout mixing it. The aim of this research is to know the influence of debit variety in one heat exchanger tube fine pass three pass for turmeric drying by 0,026; 0,028; and 0,030 m3/s debit variety.The steps of heat exchanger are : firstl, cold fluid that form as air from the blower flo int the heat exchanger. secondly, the cold fuids will get heat from the hot fluids, that flow in shell has been heated before by the stove in heat exchanger, and then the cold fluids out of the heat exchanger and entry the herbs and spices drying machine.Optimum heat result gotten in 0,030 m3/s cold fluds debit variety. The conclusion is greater cold fluids debit rate, the temperature exchange and cold fluids debit ht will be greater also. Keywords : Heat Exchanger, Debit, Heat, Fluid 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Di industri Indonesia terdapat banyak UKM. Salah satunya UKM yang bergerak di bidang obat-obatan yang berbahan empon-empon. Seiring dengan perkembangan teknologi, saat ini banyak obat tradisional yang dibuat menjadi serbuk kering agar menjadi lebih praktis dan awet.
1
Pada salah satu prosesnya, sebelum dijadikan serbuk terdapat proses pengeringan yaitu dengan mengurangi kadar air dari empon-empon itu sendiri. Pengeringan
alamiah
memanfaatkan
sinar
matahari
untuk
mengeringkan empon-empon dan pada proses alami ini sangat bergantung dengan cuaca, sedangkan empon-empon pada saat cuaca mendung atau hujan pengeringannya jadi terkendala, maka empon-empon tidak bisa kering dan diproses ke tahap selanjutnya. Sehingga pada musim hujan menjadi suatu kendala dalam proses ini. Sedangkan pengeringan non alamiah dengan cara menggunakan menggunakan mesin, sehingga proses pengeringan lebih cepat dan tidak ada kendala cuaca. Mesin pengering yang digunakan untuk mengeringkan bahan basah tersebut adalah heat exchanger, dengan cara mengalirkan udara panas secara berkelanjutan. Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi menukar kalor antara dua fluida yang berbeda temperatur tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Proses tersebut terjadi dengan memanfaatkan proses perpindahan kalor dari dua fluida yang bersuhu berbeda. Dalam perkembangannya heat exchanger mengalami perubahan bentuk yang sesuai dengan fungsi kerjanya. Bentuk heat exchanger yang sering digunakan ialah shell and tube. Dengan berbagai pertimbangan bentuk ini dinilai memiliki banyak keuntungan baik dari segi fabrikasi, biaya, hingga unjuk kerja. 1.2. Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah : Mendapatkan desain dan kontruksi Heat Exchanger shell and tube fin untuk pengeringan empon-empon. Mengetahui pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap perubahan massa kunir. Mengetahui pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap temperatur fluida dingin (∆Tc).
2
Mengetahui pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap kalor yang diiterima fluida dingin (qc). Mengetahui pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap efisiensi heat exchanger 1.3. Batasan Masalah Adapun batasan dalam penelitian ini, yaitu : Mesin pengering Empon-empon,Variasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah debit fluida dingin 0.026, 0,028, 0,030 (m3/s),Bahan yang digunakan adalah kunir sebanyak 1 kg,Indikator penelitian adalah variasi debit fluida dingin terhadap hasil penelitian, Menggunakan blower sentrifugal, Jumlah tube 8 dan pada setiap tube terdapat 6 fin, Pengujian yang dilakukan dalam peneltian ini adalah satu kali pada setiap varisi debitnya.
2. METODE PENELITIAN 2.1. Alat dan Bahan
Gambar 1. Alat penelitian
Keterangan
3
1. Mesin pengering empon-empon
7. Thermocouple 3 (Thi)
2. Heat Exchanger
8. Kompor
3. Thermocouple 4 (Tho)
9. Thermocouple 2 (Tco)
4. Blower
10. Motor
5. Thermocouple 1 (Tci)
11. Gear Reducer
6. Thermoreader
Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah Udara, Kunyit dan gas LPG
= Aliran fluida dingin = Aliran fluida panas Gambar 2. Aliran fluida pada Heat exchanger
4
2.2. Diagram Alir Penelitian
Gambar 3. Diagram Alir Penelitian 2.3. Tahapan Penelitian Sebelum pengujian yaitu menyiapkan bahan-bahan seperti kunyit, gas LPG, serta memasang regulator pada tabung gas, merangkai thermocouple kemudian pasangkan ke heat exhanger dan menyiapkan stopkontak yang nantinya untuk menyalakan motor listrik. Memastikan atau mengecek instalasi semua sudah terpasang terpasang dengan benar dan bahan sudah siap selanjutnya mengatur tutupan pada blower sebagai variasi debit. Memasukkan 1 kg kunyit ke mesin pengering menyalakan kemudian nyalakan kompor untuk memanaskan heat exchanger selama 10 menit. Menyalakan blower, thermocouple, mesin pengering selama 30 menit. 5
Mencatat temperatur pada thermocouple setiap 10 menit sekali dalam waktu 30 menit. Mematikan blower, kompor dan mesin pengering empon-empon secar bersamaan, kemudian mengambil kunyit. Menimbang kunyit dengan timbangan digital, dan menimbang tabung gas LPG denga timbangan analog, kemudian hitung selisih massa kunir dan tabung sebelum dan sesudah pengujian. Dinginkan Alat hingga suhu normal. Lakukan pengujian seperti diatas dengan variasi debit yang berbeda. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Hasil Penelitian Tabel 1 Hasil penelitian Qc
Pengujian 1 2 3
3
m /s 0,026 0,028 0,030
Tci
Tco
Thi
0
0
0
( C) 25,1 24,2 23,7
( C) 95,6 98,6 101,8
Tho
( C) 1064,7 1057,7 1052,2
0
( C) 64,5 72,6 76,8
Pengujian
ṁlpg x 10-4
Mi kunyit
Me kunyit
∆m kunyit
1 2 3
(Kg/s) 1,25 1,25 1,25
(g) 1000 1000 1000
(g) 836 817 807
(g) 164 183 193
∆Tc 0
( C) 70,5 74,4 78,1
Tabel 2 Hasil perhitungan Pengujian 1 2 3 Pengujian 1 2 3
ṁh x 10-3
qc
m3/s 1989,729 2249,856 2519,194 Cmin/Cmax 0,7 0,8 0,8
Cc
Ch
qmax
(0C) (0C) (0C) (0C) (0C) 1,68 28,224 1,990 2068,80 0,96 1,93 30,231 2,283 2359,69 0,95 2,18 32,250 2,582 2655,81 0,95 NTU U Rec Nuc 2 (W/m K) 3,2 289,454 99029,742 198,771 3,3 332,202 106051,061 209,968 3,3 375,670 112670,389 220,389
6
∆Th (0C) 1000,2 985,1 975,4
Pengujian 1 2 3
hc (w/m2K) 252,981 267,232 280,495
qlpg (W) 6269 6269 6269
(%) 31,74 35,88 40,18
3.2. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap Perubahan
Perubahan Temperatur ∆Tc (°C)
Temperatur Fluida Dingin
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
74,4
78,1
0,028
0,03
70,5
0,026
Debit fluida dingin (m3/s)
Gambar 4. Pengaruh variasi debit fluida dingi terhadap perubahan temperatur fluida dingin (∆Tc) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap perubahan temperatur dingin, hasil perubahan temperatur pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil perubahan temperatur fluida dingin 70,5 °C, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan hasil perubahan temperatur fluida dingin adalah 74,4 °C, Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s dengan hasil perubahan temperatur fluida dingin sebesar 78,1 °C. Dari diagram di atas didapatkan perubahan temperatur fluida dingin terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan perubahan temperautur fluida dingin sebesar 78,1 °C. 7
3.3. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap Kalor yang Diterima
Kalor yang diterima qc (W)
Fluida Dingin
2700
2519,194
2500 2249,856
2300 2100
1989,729
1900 1700 1500 0,026
0,028
0,03
Debit fluida dingin (m3/s)
Gambar 5. Pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap kalor yang diterima fluida dingin (qc) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap kalor yang diterima fluida dingin, hasil kalor yang diterima fluida dingin
pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil kalor yang
diterima fluida dingin 1989,729 W, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan hasil kalor yang diterima fluida dingin adalah 2249,856 W, Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s dengan hasil kalor yang diterima fluida dingin sebesar 2519,194 W. Dari diagram diatas didapatkan kalor yang diterima fluida dingin terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan kalor yang diterima fluida dingin sebesar 2519,194 W.
8
3.4. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap
Koefisien
Koefisien perpindahan kalor total U (W/m²K)
Perpindahan Kalor Total
375,670
400 332,202
350 300
289,454
250 200 150 100 50 0 0,026
0,028
0,03
Debit fluida dingin (m3/s)
Gambar 6. Pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap koefisien perpindahan kalor total (U) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap koefisien perpindahan kalor total, hasil koefisien perpindahan kalor total pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil koefisien perpindahan kalor total 289,454 W/m2K, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan hasil koefisien perpindahan kalor total adalah 332,202 W/m2K, Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s dengan hasil koefisien perpindahan kalor total sebesar 375,670 W/m2K. Dari diagram di atas didapatkan koefisien perpindahan kalor total terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan koefisien perpindahan kalor total sebesar 375,670 W/m2K.
9
3.5. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap
Koefisien
Koefisien perpindahan kalor fluida dingin hc (W/m²K)
Perpindahan Kalor Fluida Dingin
285 280 275 270 265 260 255 250 245 240 235
280,495 267,232
252,981
0,026
0,028
Debit fluida dingin
Gambar
7.
Pengaruh
variasi
debit
0,03
(m3/s)
fluida
dingin
terhadap
Perpindahan kalor fluida dingin (hc) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap koefisien perpindahan kalor fluida dingin, hasil koefisien perpindahan kalor total pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil koefisien perpindahan kalor fluida dingin 252,981 W/m2K, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan hasil koefisien perpindahan kalor fluida dingin adalah 267,232 W/m2K Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s didapat koefisien perpindahan kalor fluida dingin sebesar 280,495 W/m2K. Dari diagram di atas didapatkan koefisien perpindahan kalor total terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan koefisien perpindahan kalor fluida dingin sebesar 280,495 W/m2K.
10
3.6. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap
Efisiensi Heat
efisiensi (%)
Exchanger
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
40,18 31,74
35,88
0,026
0,028
0,03
Debit fluida dingin (m3/s)
Gambar 8. Pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap efisiensi ( ) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap efisiensi Heat Exchanger, hasil efisiensi Heat Exchanger pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil efisiensi Heat Exchanger 31,74 %, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan hasil efisiensi Heat Exchanger adalah 35,88 % , Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s dengan hasil efisiensi Heat Exchanger sebesar 40,18 %. Dari diagram di atas didapatkan efisiensi Heat Exchanger terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan efisiensi Heat Exchanger sebesar 40,18 %.
11
3.7. Pengaruh Variasi Debit Fluida Dingin Terhadap Perubahan Massa
Perubahan massa kunir ∆mkunir (g)
Kunyit
200 195 190 185 180 175 170 165 160 155 150 145
193 183
164
0,026
0,028
Debit fluida dingin
0,03
(m3/s)
Gambar 9. Pengaruh variasi debit fluida dingin terhadap perubahan massa kunyit (∆mkunyit) Pada gambar di atas menunjukan pengaruh debit fluida dingin terhadap perubahan massa kunyit, hasil perubahan massa kunyit pada debit fluida dingin 0,026 m3/s dengan hasil perubahan massa kunyit 164 g, sedangkan pada debit fluida dingin 0,028 m3/s didapatkan perubahan massa kunyit adalah 183 g, Dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s dengan hasil perubahan massa kunyit sebesar 193 g. Dari diagram di atas didapatkan perubahan massa kunyit terbesar pada debit 0,030 m3/s dengan perubahan massa kunyit sebesar 193 g.
12
4. PENUTUP 4.1. Keesimpulan Desain dan Kontruksi Heat Exchanger Tube fin satu pass, shell tiga pass menggunakan bahan plat besi dengan tebal 2 mm dengan ukuran panjang 1048 mm, tinggi 210 mm, lebar 206 mm dengan jumlah tube 8 dengan diameter 18 mm dengan tebal 2 mm dan panjang 800 mm, dengan fin berjumlah 48 dengan ukuran diameter dalam 22 mm, diameter luar 32 mm dan tebal 2 mm. Semakin besar debit fluida dingin maka perubahan temperatur fluida dingin semakin besar. Pada debit fluida dingin 0,026 m3/s, perubahan temperatur fluida dingin yang dihasilkan 70,5 oC, pada debit fluida dingin 0,028 m3/s, perubahan temperatur fluida dingin yang dihasilkan 74,4 oC, dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s, perubahan temperatur fluida dingin yang dihasilkan 78,1 oC. Semakin besar debit fluida dingin maka kalor yang diterima fluida dingin semakin besar. Pada debit fluida dingin 0,026 m3/s, kalor yang diterima fluida dingin sebesar 1989,729 W, pada debit fluida dingin 0,028 m3/s, kalor yang diterima fluida dingin sebesar 2249,856 W dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s, kalor yang diterima fluida dingin sebesar 2519,194 W. Semakin besar debit fluida dingin maka koefisien perpindahan kalor total semakin besar. Pada debit fluida dingin 0,026 m3/s, koefisien perpindahan kalor total sebesar 289,454 W/m2K, pada debit fluida dingin 0,028 m3/s, koefisien perpindahan kalor total sebesar 332,202 W/m2K, dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s, koefisien perpindahan kalor total sebesar 375,670 W/m2K. Semakin besar debit fluida dingin maka perubahan massa kunyit semakin besar. Pada debit fluida dingin 0,026 m3/s, perubahan massa kunyit sebesar 164 g, pada debit fluida dingin 0,028 m3/s, perubahan massa
13
kunyit sebesar 183 g, dan pada debit fluida dingin 0,030 m3/s, perubahan massa kunyit sebesar 193 g. 4.2. Saran Temperatur pembakaran harus dijaga supaya stabil, karena bila temperatur berubah maka kapasitas fluida panas yang dihasilkan juga akan berubah. Pada pengujian selanjutnya peneliti dapat meningkatkan effisiensi heat exchanger dengan cara memberi isolator pada dindingnya, agar kalor yang dihasilkan pada gas LPG tidak banyak terbuang ke ruangan. PERSANTUNAN Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkat dan rahmat-NYA sehingga penyusunan laporan penelitian ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir berjudul “Rancang Bangun Heat Exchanger Tube Fin Satu Pass, Shell Tiga Pass Untuk Mesin Pengering Empon-empon”, dapat terselesaikan atas dukungan dari beberapa pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis dengan segala ketulusan dan keikhlasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: Ir. Sri Sunarjono, MT., Ph.D., Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Tri Widodo Besar Riyadi, ST., MSc., Ph.D., Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta. Sartono Purto Ir., MT. Dosen pembimbing yang banyak memberikan ilmu, waktu, dorongan serta arahan dalam proses bimbingan sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Agus Hariyanto Ir., MT., Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan arahan, bimbingan serta motivasi selama masa kuliah. Semua pihak yang telah membantu semoga Allah SWT membalas kebaikan kita semua.
14
DAFTAR PUSATAKA Ahmad. Wafi B, (2012). “Rancang Bangun Heat Exchanger Shell and Tube Single Phase”. Skripsi. Fakultas Teknik Pertanian Universitas Diponegoro. Anggraini Handoyo Ekadewi, (2000) “Pengaruh Penggunaan Baffle pada Shell and Tube Heat Exchanger”, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Surabaya. Angraini Handoyo Ekadewi, (2000) “Pengaruh Tebal Isolasi Thermal Terhadap Efektivitas Plat Heat Exchanger”. Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra. Cengel, Y. A. (2003).”Heat Transfer”.Mc. Graw Hill New York Kanginan, Marthen. (2007). “Seribu Pena FISIKA”. Jakarta: Erlangga. Mukherjee Rajiv (1998).”Effectifity Exchanger”.Chem Eng Progress.
Design
Shell
and
Tube
Heat
Peter (2013). “Hairpin Heat Exchanger”. From www.lv-soft.com Wahyudi Didik, (2000).”Optimasi Heat Exchanger Tabung Konsentris”. Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Surabaya. Yopi Handoyo, Ahsan ( 2012). “Analisis Kinerja Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Pendingin Aliran Air pada PLTA Jatiluhur”. Skripsi. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam Bekasi. Zainiudin, (2008) “Studi Eksperimental Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell and Tube dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air”. Tesis. Universitas Sumatra Utara.
15
