TUGAS AKHIR
ANALISA SIRKULASI TEMPERATUR PANAS OVEN HOT PLATE GUNA MENGETAHUI KETIDAKSEMPURNAAN KEMATANGAN ELEMENT ASSY AIR FILTER
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Jenjang Pendidikan Strata Satu (S-1) Pada Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri
OLEH: DARWISMAN SIBORO 0130311-018
PROGRAN STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISA SIRKULASI TEMPERATUR PANAS OVEN HOT PLATE GUNA MENGETAHUI KETIDAKSEMPURNAAN KEMATANGAN ELEMENT ASSY AIR FILTER
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Dalam Meraih Gelar Sarjana Teknik ( S- 1 ) Pada Fakultas Teknologi Industri Program Studi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana
Disetujui dan diterima oleh :
Pembimbing Tugas Akhir
Dr. Ir. Mardani Ali Sera M.Eng
Ketua Jurusan Program Studi Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
Ir. Rulli Nutranta M.Eng
Nanang Ruhyat ST. MT
ii
ABSTRAK
Element assy merupakan bagian terpenting dari sebuah filter, karena pada element assy inilah fungsi sebuah filter kita dapatkan. Suatu mesin dapat berumur panjang apabila filter dan bagian terpenting filter dapat melakukan aktivitasnya dengan sempurna. Kesempurnaan kerja element assy sangat dipengaruhi oleh proses perlakuan yang terjadi padanya. Salah satu perlakuan yang sangat berpengaruh besar dan dominan pada kesempurnaan element assy adalah proses pengovenan. Oleh karena itu penulisan ini berisi penelitian mengenai Sirkulasi Temperatur Panas yang terjadi di Ruang Pemanasan Oven Hot Plate guna Mengetahui Kesempurnaan Kematangan Element Assy tersebut. Dengan melakukan analisa pada beberapa unit yang dianggap penting pada oven tersebut, sehingga didapatkan hasil diantaranya. Untuk besar temperatur yang diharapkan di dalam ruang oven 220°C maka: 1. Besar laju energi perpindahan kalor heater (q) adalah 33,0833 kW 2. Tebal isolasi glaswool body oven adalah 88,26 mm 3. Lama pengovenan adalah 16,814982 menit.
v
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................................................................................
i
HAL. PENGESAHAN DOSEN ......................................................................
ii
HAL. PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ...............................................
iii
HAL. PERSEMBAHAN..................................................................................
iv
ABSTRAK .......................................................................................................
v
KATA PENGANTAR .....................................................................................
vi
DAFTAR ISI....................................................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
xi
DAFTAR TABEL............................................................................................
xiii
DAFTAR NOTASI ..........................................................................................
xiv
BAB I PENDAHULUAN I.1.
Latar Belakang Masalah ....................................................................
1
I.2.
Tujuan Penelitian ...............................................................................
2
I.3.
Batasan Masalah ................................................................................
2
I.4.
Metode Pengumpulan Data................................................................
3
I.5.
Sistematika Penulisan ........................................................................
3
BAB II DASAR TEORI II.1. Filter...................................................................................................
5
II.1.1. Defenisi Filter.......................................................................
5
II..1.2. Pengujian yang dilakukan terhadap filter.............................
9
viii
II.2. Perpindahan Kalor secara Konduksi..................................................
11
II.2.1. Konduksi Keadaan Stedi .......................................................
15
II.2.2. Konduksi Keadaan Tak Stedi ................................................
18
II.2.3. Konduktivitas Thermal..........................................................
19
II.3. Sistem Sumber Kalor .........................................................................
19
II.3.1. Dinding datar sebagai sumber kalor.......................................
19
II.4. Perpindahan Kalor secara konveksi...................................................
22
II.5. Oven Hot Plate Element Assy Air Filter ...........................................
27
II.5.1. Sirkulasi panas Pada mesin Oven Hot Plate..........................
28
II.5.2. Element penyusun mesin oven hot plate ...............................
28
II.5.3. Ruang Pemanasan Element Assy ..........................................
32
BAB III PROSEDUR PENELITIAN III.1. Diagram Alir Proses Penelitian..........................................................
33
III.2. Bahan dan Peralatan Penelitian..........................................................
35
III.3. Instrument Ukur.................................................................................
37
BAB IV ANALISA dan PERHITUNGAN IV.1. Sirkulasi Panas dari Heater ke Ruang Pemanasan Element Assy .....
40
IV.2. Analisa perpindahan panas Terhadap Body Oven.............................
43
IV.3. Analisa Penyebaran Panas Sehingga Panas Diterima oleh Element Assy.....................................................................................
47
IV.4. Pembahasan berdasarkan perhitungan ...............................................
49
IV.5. Pembahasan Menurut element assy setelah melewati Proses Curring
52
ix
BAB V PENUTUP V.1. Kesimpulan ........................................................................................
55
V.2. Saran ..................................................................................................
56
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................................
57
LAMPIRAN....................................................................................................
58
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel untuk konstanta persamaan ...................................................
13
Tabel A-2 Nilai sifat-sifat logam ....................................................................
60
Tabel A-2 Nilai sifat-sifat logam (lanjutan) ....................................................
61
Tabel A-2 Nilai sifat-sifat logam (lanjutan) ....................................................
62
Tabel A-3 Nilai sifat-sifat bukan logam..........................................................
63
Tabel A-3 Nilai sifat-sifat bukan logam (lanjutan) .........................................
64
Tabel A-5 Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer .........................................
65
Tabel A-6 Hasil perhitungan ...........................................................................
66
Tabel A-6 Hasil perhitungan (lanjutan) ..........................................................
67
Tabel A-6 Hasil perhitungan (lanjutan) ..........................................................
68
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Bagan yang menunjukkan arah aliran kalor................................
13
Gambar 2.2. Volume unsur untuk analisa konduksi kalor satu dimensi..........
14
Gambar 2.3. Konduksi keadaan stedi pada lempengan ...................................
16
Gambar 2.4. Dinding rangkap disusun seri......................................................
17
Gambar 2.5. Bagan menggambarkan soal konduksi satu dimensi dengan pembangkitan kalor. ...................................................................
20
Gambar 2.6. Konveksi pada plat......................................................................
23
Gambar 2.7. Silinder dalam aliran silang.........................................................
24
Gambar 2.8. Spiral heater ................................................................................
29
Gambar 2.9. Flanged Immersion......................................................................
29
Gambar 2.10.Screw Immersion .......................................................................
30
Gambar 2.11. Over the side Immersion ...........................................................
30
Gambar 2.12.Radiant heater ............................................................................
30
Gambar 2.13.Element pemanas U form...........................................................
31
Gambar 2.14.Element pemanas U form dan w form .......................................
31
Gambar 2.15. Element pemanas Multi form....................................................
31
Gambar 2.16. Tekukan heater jenis tubular .....................................................
32
Gambar 4. 1. Sirkulasi panas dari heater ke Ruang Pemanasan .....................
41
xi
Gambar 4. 2. Potongan body oven .................................................................
43
Gambar 4. 2. Analogi listrik untuk dinding oven ..........................................
44
Gambar 4. 2. Element assy di dalam oven .....................................................
47
Gambar Lamp.1.1 Mesin Oven Hot Plate .......................................................
58
Gambar Lamp.1.2 Temperatur Kontrol Oven Hot Plate..................................
58
Gambar Lamp.1.3.Element Air Filter Assy .....................................................
58
Gambar Lamp. 1.4 Thermometer.....................................................................
58
Gambar Lamp. 1.5 Mesin Lem Misura............................................................
59
Gambar Lamp. 1.6 Lem Adhesive Plastisol ....................................................
59
Gambar Lamp. 1.7 Pengecekan Ketinggian Lem Adhesive Plastisol..............
59
Gambar Lamp. 1.8 Jig Ketinggian Element Air Filter Assy............................
59
xii
DAFTAR NOTASI
m2
A
= Luas penampang
C
= konstanta Hilbert
c
= kalor spesifik bahan
kJ/kg°C
cp
= panas jenis
J/kg°C
d
= diameter
m
h
= konstanta koefisien perpindahan panas
W/m2°C
hx
= konstanta konduktivitas termal luar
W/m°C
k
= kontanta konduktivitas termal
W/m°C
kf
= konstanta konduktivitas termal film
W/m°C
ko
= konduktivitas termal luar
W/m°C
kx
= konstanta konduktivitas termal luar
W/m°C
l
= panjang
m
Nu
= angka Nusselt
NuL
= angka Nusselt rata-rata berdasarkan panjang plat
Nux
= angka Nusselt local
Pr
= Angka Prandtl
q
= laju energi perpindahan panas
Watt
q
= laju energi yang dibangkitkan per satuan volume
Watt/m3
R
= tahanan thermal
°Cm2/W
Re
= angka Reynold
xiv
Red
= angka Reynold di dalam tabung
Red.f
= angka Reynold di dalam tabung yang dievaluasi pada suhu film
T
= temperatur
°C
T
= suhu fluida
°C
T1 dan T2
= suhu muka dinding
°C
Tw
= suhu benda
°C
t
= waktu yang dibutuhkan
detik
Uω
= kecepatan aliran bebas fluida
m/dtk
V
= volume
m3
vf
= kecepatan gesek pada film
m/dtk
β
= koefisien temperatur konduktivitas
l/°C
ρ
= kerapatan (densitas)
kg/m3
∆x
= tebal dinding
m
∆T
= delta suhu
°C
∂T ∂x
= gradient suhu searah perpindahan panas
°C/m
xv
BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Masalah Element assy merupakan salah satu komponen utama dalam pembuatan filter. Komponen ini mempunyai peranan dalam fungsi filter, yaitu digunakan untuk menyaring kotoran dari oli, bahan bakar dan udara. Element assy air filter merupakan perakitan komponen yang terdiri dari element paper media, inner liner, outer liner, cover A, cover B. Cover dengan element paper direkatkan dengan lem yang lebih dikenal dengan sebutan lem adhesive plastisol, dengan ketebalan lem 3 ÷ 4 mm diukur dari permukaan end plate dan berat lem dalam cover ± 80 gram yang dipanaskan dengan suhu 200ºC ÷ 220ºC pada mesin oven hot plate. Oven hot plate merupakan mesin yang diciptakan untuk menghasilkan panas yang kemudian digunakan memanasi element assy air filter dalam proses perakitan dari beberapa elemen. Element assy air filter membutuhkan panas sebesar 200ºC ÷ 220ºC dalam proses curring. Tujuan proses curring yaitu memanaskan lem yang merekat antara cover dan element paper supaya kekuatan lem menjadi lebih tinggi dan untuk memanaskan paper supaya daya saring element paper terhadap kotoran lebih kuat. Sirkulasi panas menjadi pokok permasalahan dalam kualitas mesin ini. Element assy air filter selalu membutuhkan panas yang stabil. Panas juga harus tersebar merata dalam ruang pemanasan element assy air filter karena ukurannya yang relatif besar dan rumit.
1
Dengan panas yang stabil dan merata maka element assy air filter akan mendapat panas secara menyeluruh baik pada paper maupun lem. Mesin ini mempunyai peranan sangat penting dalam proses produksi pembuatan filter, yaitu dalam hal meningkatkan kualitas dan kuantitas produk khususnya air filter assy.
I.2. Tujuan Penelitian. 1.
Penelitian ini bermaksud untuk mengetahui berapa besar pengaruh panas yang dihasilkan oleh oven hot plate terhadap kualitas element assy setelah proses curring.
2.
Untuk mengetahui pengaruh sirkulasi panas dari heater ke element assy terhadap produk setelah proses curring.
3.
Untuk mengetahui panas yang hilang dalam proses sirkulasi panas.
4.
Untuk mengetahui proses sirkulasi panas yang dihasilkan oven hot plate.
I.3. Batasan Masalah Bagaimana sistem sirkulasi panas yang terjadi pada oven hot plate element air filter assy sehingga dapat memanasi element assy dengan waktu yang telah ditentukan. Penulisan tugas akhir ini adalah mengenai perpindahan kalor secara konduksi pada keadaan stedi maupun tidak stedi, perpindahan kalor secara konveksi paksa secara eksternal melewati silinder dan plat datar, serta tentang heater.
2
I.4. Metoda Pengumpulan Data Untuk dapat membuat tugas akhir yang baik dan yang dapat dipertanggungjawabkan diperlukan data yang real dan valid. Untuk itu penulis dalam mengumpulkan data-data yang diperlukan, menempuh metode-metode pengumpulan sebagai berikut:
1. Metode observasi Merupakan cara pengumpulan data yang dilakukan dengan cara melakukan pengamatan langsung terhadap obyek yang akan dibahas. 2. Library Research (Studi Pustaka) Merupakan cara pengumpulan data yang dilakukan dengan mengambil referensi dari berbagai literatur yang berhubungan dengan topik bahasan.
I.5. Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan Tugas Akhir ini ditulis dengan urutan sebagai berikut: BAB I
Pendahuluan Berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metode pengumpulan data, dan sistematika penulisan.
BAB II
Dasar Teori Berisi tentang perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor secara konveksi serta tentang mesin oven hot plate.
3
BAB III
Prosedur Penelitian Berisi tentang diagram alir penelitian, bahan dan peralatan yang dipergunakan dalam penelitian, serta instrument-instument ukur yang dipakai dalam penelitian.
BAB IV
Analisa perpindahan panas dan pembahasan Berisi tentang sirkulasi panas dari heater ke ruang pemanasan element air filter assy, analisa perpindahan panas terhadap body oven pada ruang pemanasan element assy, analisa penyebaran panas sehingga panas diterima
oleh element assy. Dalam bab ini juga berisi tentang
pembahasan menurut perhitungan dan percobaan menurut element assy setelah mengalami proses curring.
BAB V
Kesimpulan Berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran akan penelitian selanjutnya untuk perbaikan yang berkesinambungan.
4
BAB II DASAR TEORI
II. 1. Filter II. 1.1. Defenisi Filter Filter adalah alat yang digunakan untuk memisahkan kotoran baik dari udara maupun dari cairan. Oleh karena itu syarat utama dari sebuah filter adalah filter tersebut harus bersih. Dalam dunia permesinan, filter digunakan untuk memisahkan kotoran dari oli, bahan bakar dan udara. Fungsi filter bila dilihat dari penggolongan dan macamnya adalah sebagai berikut: 1. Menyaring kotoran pada oli mesin (akibat dari gesekan dan panas yang disebabkan oleh gerakan). 2. Menyaring debu yang diisap oleh mesin. 3. Menyaring kotoran yang ada di bahan bakar.
Pada dasarnya prinsip kerja filter adalah untuk menyaring kotoran yang masuk beserta fluida (oil filter) ataupun udara (air filter), sehingga fluida atupun udara yang akan keluar dari filter tersebut akan menjadi bersih karena sudah melalui penyaringan.
5
Dikarenakan pentingnya fungsi filter maka diperlukan perawatan yang teratur dan berkala dan menggantinya bila sudah atau lewat waktu pakai dengan tujuan untuk menjaga mesin tetap awet dan mencegah kerusakan pada komponen otomotif lainnya. Jangka waktu pakai filter bervariasi tergantung jenis dan penggunaan. Pengoptimalan
atau
peningkatan daya mesin tersebut dapat dilakukan
dengan cara mendapatkan campuran ( bahan bakar dan udara ) yang sesuai dengan kebutuhan mesin. Selain diperlukan udara yang banyak maka salah satu syarat mutlak dari udara tersebut adalah harus bersih dari contaminant. Bentuk dari contaminant ada beberapa macam diantaranya adalah : 1. Acid dan bahan kimia lainnya. 2. Biological , microbes ( dalam fluida high water base ). 3. Corrosive dari metal. 4. Particle ( debu, kotoran, pasir, rust, fiber, paint chip ). 5. Sealant. 6. Sillicon additive yang berlebihan. 7. Sludge , Oxidation dan produk yang menimbulkan corrosive.
Oleh karena itu udara yang banyak dan bersih tersebut dapat diperoleh mesin dengan cara penggunaan saringan udara (air filter). Sangat berbahaya jika mesin tidak dilengkapi dengan air filter atau saringan udara, karena jika udara kotor ( udara yang bercampur dengan contaminant ) dan bercampur bahan bakar masuk menuju ruang bakar maka nyala mesin tidak sempurna. Selain itu hal yang paling parah adalah ruang bakar akan tergores sehingga menyebabkan terjadinya kebocoran kompresi
6
sehingga tenaga mesin akan berkurang. Solusi dari dinding silinder yang tergores adalah turun mesin ( Overhoul ).Tidak cukup dengan memasangi air filter tetapi penggantian sesuai dengan batas waktu juga harus diperhatikan. Hal yang diakibatkan dari air filter yang tidak diganti adalah konsumsi mesin terhadap bahan bakar akan boros. Air Filter yang tidak diganti akan mampat atau air filter tidak dapat berfungsi secara sempurna ( tidak dapat menyalurkan udara ke mesin ). Pengaruh lainnya adalah polusi udara. Karena dampak polusi udara sangat buruk baik bagi kesehatan manusia itu sendiri ataupun bagi lingkungan. Sudah sepantasnyalah jika pengguna mesin menggunakan air filter dan menggantinya sesuai dengan ketentuan. Dengan demikian udara yang bersih bagi mesin akan mengurangi polusi udara baik bagi manusia dan lingkungan dan tenaga mesinpun dapat optimal serta waktu pakai yang relatif lebih lama. Jika fluida kerja yang akan kita saring adalah oli. Fluida pertama kali masuk ke filter melalui lubang inlet dengan tekanan 4-5 kgf/cm2. setelah melalui inlet gate dan anti drain back valve, oli akan disaring ketika akan memasuki filtration area yang kemudian akan dikeluarkan melalui outletnya dalam bentuk fluida bersih. Anti drain back valve dalam hal ini berfungsi untuk mencegah keluarnya fluida atau oli yang sudah masuk ke dalam filter. Hal ini berguna apabila mesin dalam keadaan berhenti sehingga fluida atau oli tidak turun semua. Sedangkan rubber seal dalam hal ini berfungsi untuk mencegah kebocoran. Komponen dari filter yang memegang peranan penting adalah bagian filtration area, dimana pada filtration area terdapat kertas penyaring yang ditahan oleh inner liner dan outer liner. Apabila komponen penyaring lain mengalami kejenuhan atau sudah penuh dengan kotoran dan kemampuan penyaringnya berkurang maka fluida
7
atau oli tidak bisa melalui filtration area ini. Kemudian fluida atau oli akan mencari jalan keluar lain karena adanya tekanan yang tinggi. Akhirnya fluida atau oli bergerak keatas dan akan menekan spring ke bawah dengan adanya tekanan yang dimilikinya dan akan keluar melalui outlet. Dengan adanya peristiwa ini maka fluida atau oli yang keluar hasilnya tidak bersih karena tidak melalui bagian penyaring yaitu filtration area.
Filter diklasifikasikan menjadi 3 golongan, yaitu: A. Filter berdasarkan fluida kerjanya Klasifikasi filter jenis ini didasarkan pada fluida kerja yang disaring yang kemudian dibagi dalam 3 kelompok,yaitu: a) Oil filter Fluida kerja yang disaring filter ini adalah minyak pelumas mesin. b) Fuel filter Fluida kerja yang disaring filter jenis ini adalah bahan baker mesin bermotor. c) Air filter Fluida kerja yang disaring oleh filter jenis ini adalah udara dan gas. B.
Filter berdasarkan bentuknya Klasifikasi filter jenis ini didasarkan pada bentuk filter yang mempengaruhi fungsinya dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu:
a) Spin on filter Filter jenis ini bentuknya simetris,hanya dibuat untuk sekali pakai karena pada model ini semua komponennya diassembling jadi satu dan tidak dapat diganti bila ada salah satu komponennya yang rusak.
8
b) Center Bolt Filter Dinamakan center bolt filter karena ditengah filter terdapat bolt berlubang untuk aliran fluida. Pada filter jenis ini, bila ada komponen yang rusak maka bisa diganti. C.
Filter berdasarkan media penyaringan Klasifikasi filter jenis ini didasarkan pada media penyaringan yang dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu:
a)
Depth type
Pada jenis ini, media penyaringnya berupa helaian-helaian benang yang dipadatkan. b)
Surface type
Pada jenis ini, media penyaringnya berupa kertas elemen yang berbentuk lipatan lipatan.
II. 1.2. Pengujian yang dilakukan terhadap Filter. Untuk mengetahui kekuatan lem maka diberikan perlakuan pada element assy, sehingga secara visual dapat diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Kertas sobek pada saat pengujian. Dengan hasil seperti ini maka lem merekat kuat pada cover maupun element paper 2. Kertas tidak sobek pada saat pengujian Dengan hasil seperti itu maka lem tidak merekat kuat pada keduanya atau hanya pada element paper atau cover saja
9
Melihat dari kegunaan serta manfaat panas yang dihasilkan oleh oven hot plate tersebut kami bermaksud meneliti pengaruh sirkulasi panas terhadap hasil pemanasan element assy air filter. Menurut saya sirkulasi panas ini menjadi permasalahan pokok untuk menghasilkan element assy air filter yang berkualitas. Untuk mengetahui kekuatan element assy air filter di dalam filter maka dilakukan beberapa pengujian dalam mengambil contoh filter siap pakai. Berikut ini merupakan pengujian filter untuk mengetahui kekuatan element assy air filter:
1.Bubble test Bubble test ini dilakukan mengetahui kekuatan element assy baik pada perekat maupun pada paper itu sendiri. Proses pengujiannya dilakukan dengan cara mengalirkan udara dengan tekanan 4 kgf/cm2
ke element assy yang
terpasang pada fixed jig. Sebuah filter dinyatakan lolos pada bubble test apabila persentase bubble test rate ( PBR ) yang tercapai ≥ 50 %. Hal tersebut bisa dihitung dengan rumus 1 : Pressure Bubble Ratio (%) =
Pa × 100 0 0 Pb
Dengan : Pa
= tekanan udara (kPa) ketika gelembung udara keluar pertama kali.
Pb
= tekanan udara ketika volume udara mencapai 3 liter / menit.
2.Differential pressure. Test ini bertujuan untuk mengetahui kekuatan element assy terhadap tekanan. Pengujian ini biasanya dilakukan pada filter yang tidak menggunakan by pass valve, bila digunakan pada yang menggunakan by pass valve, maka pada bagian 1
Sumber Filter Product Knowledge hal. 31
10
katupnya harus disumbat terlebih dahulu. Proses pengujian dilakukan dengan cara memberikan tekanan oli sebesar 58 kgf/cm2. Apabila terjadi penurunan tekanan sebelum tercapai tekanan yang dikehendaki, maka filter tersebut tidak lolos pada pengujian ini.
II. 2. Perpindahan Kalor Secara Konduksi Menurut rumus kedua thermodinamika maka panas dapat dipindahkan dari permukaan yang satu ke permukaan yang lain. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan temperatur dan panas yang akan mengalir dari tempat yang mempunyai temperatur tinggi ke tempat yang mempunyai temperatur yang lebih rendah. Menurut teori kinetik, suhu elemen suatu zat sebanding dengan energi unsur rata-rata molekul-molekul yang membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh dan posisi relatif molekul-molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepatcepat molekul-molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat. Bila molekul-molekul ini di suatu daerah memperoleh energi unsur rata-rata yang lebih besar daripada yang dimiliki oleh molekul-molekul di suatu daerah yang berdekatan, sebagaimana diwujudkan oleh adanya beda suhu maka molekul-molekul yang memiliki energi yang lebih besar itu akan memindahkan sebagian energinya kepada molekul-molekul di daerah yang bersuhu lebih rendah. Perpindahan energi tersebut dapat berlangsung dengan tumbukan elastik (elastic impact) atau dengan pembauran (diffusion) elektron-elektron yang bergerak secara lebih dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah (misalnya dalam logam). Apapun mekanismenya, yang pasti akibat dari konduksi panas yang dapat diamati ialah
11
penyamaan suhu. Tetapi, jika beda suhu dipertahankan dengan penambahan dan pembuangan panas di berbagai titik, maka akan berlangsung aliran panas yang terusmenerus dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Konduksi adalah satu-satunya mekanisme yang mana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya. Kita dapat mengatakan bahwa energi dapat berpindah secar konduksi atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradient suhu normal 2 : q ∂T ≈ A ∂x
Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau tetapan kesebandingan, maka 3 : q = − kA
∂T ∂x
(Watt)
Dimana : q
= laju energi perpindahan panas
( Watt )
k
= konduktivitas termal
( W/m °C)
A
= Luas penampang
( m2 )
∂T ∂x
= gradient suhu searah perpindahan panas (°C/m)
2 3
Sumber Perpindahan Kalor hal. 2 Sumber Perpindahan Kalor hal. 2
12
(2-1)
Gambar 2.1 Bagan yang menunjukkan arah aliran kalor 4 .
Persamaan tersebut di atas merupakan unsur Fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika berkebangsaan perancis, Joseph Fourier. Untuk sistem satu dimensi terdapat dua keadaan, yaitu: 1. Sistem pada keadaan stedi (steady state) atau keadaan tunak, yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu, maka masalahnya sederhana saja, dan kita hanya perlu melaksanakan integrasi atas persamaan dan mengalihkan (substitusi) nilai-nilai yang tepat untuk memecahkan soal itu. 2. Sistem keadaan tidak stedi (unsteady state), yaitu apabila suhu berubah menurut waktu. Energi yang dihantarkan di muka kiri + energi yang dibangkitkan dalam unsur itu = perubahan energi dalam (internal energy) + energi yang dihantarkan ke luar unsur itu melalui muka kanan. Kuantitas energi itu adalah sebagai berikut 5 :
4 5
Sumber Perpindahan Kalor hal. 2 Sumber Perpindahan Kalor hal. 3
13
Laju perpindahan panas di muka kiri = q x = − kA
∂T ∂x
Energi yang dibangkitkan di dalam unsur = q A dx Perubahan energi dalam = ρ .c. A
∂T dx ∂A
Energi yang keluar dari permukaan kanan = q x +dx = −kA
∂T ⎤ ∂x ⎥⎦ x+ dx
⎡ ∂T ∂ ⎛ ∂T ⎞ ⎤ = − A ⎢k + ⎜k ⎟dx ⎥ ⎣ ∂x ∂x ⎝ ∂x ⎠ ⎦ dimana : q
= energi yang dibangkitkan
(Watt/m3)
c
= kalor spesifik bahan
(kJ/kg °C)
ρ
= kerapatan (densitas)
(kg/m3)
Gambar 2.2 Volume unsur untuk analisa konduksi kalor satu dimensi 6 .
6
Sumber Perpindahan Kalor hal.3
14
Jika hubungan-hubungan laju energi di muka kiri, energi yang dibangkitkan di dalam unsur, perubahan energi dalam, energi yang keluar dari muka kanan digabungkan, maka kita mendapat 7 : − kA
⎡ ∂T ∂ ⎛ ∂T ⎞ ⎤ ∂T ∂T + qAdx = ρ .c. A dx − A⎢k + ⎜k ⎟dx ⎥ ∂x ∂x ⎣ ∂x ∂x ⎝ ∂x ⎠ ⎦
∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂T ⎜k ⎟ + q = ρ .c ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂x Persamaan di atas berlaku untuk konduksi kalor satu dimensi.
(2-2)
II. 2.1. Konduksi Keadaan Stedi
Di dalam bidang datar maka kita dapat menerapkan hukum Fourier. Jika persamaan itu diintegrasikan, maka akan di dapat 8 : q=−
kA (T2 − T1 ) Δx
(Watt)
(2-3)
dengan asumsi bahwa : k
= konstanta konduktivitas termal
(W/m°C)
∆x
= tebal dinding
(m)
T1 dan T2
= suhu muka dinding
(°C)
Jika konduktivitas termal berubah menurut hubungan linier dengan suhu seperti k = ko(1 + βT), maka persamaan aliran kalor menjadi 9 : q=−
(
)
k0 A ⎡ (T2 − T1 ) + β T2 2 − T12 ⎤⎥ ⎢ Δx ⎣ 2 ⎦
7
Sumber Perpindahan Kalor hal. 3 Sumber Perpindahan Kalor hal. 26 9 Sumber Perpindahan Kalor hal. 26 8
15
(2-4)
Jika tidak ada sumber kalor di dalam lempeng dan dalam keadaan stedi, maka: ∂ 2T =0 ∂x 2 T = C1x + C2 Dimana C1 dan C2 adalah konstanta yang dapat dinilai dari syarat-syarat batas dan temperatur permukaan x = 0 dan x = l
Gambar 2.3 Konduksi keadaan stedi pada lempengan 10 . Maka distribusi pada lempeng, adalah :
T − T2 x = T2 − T1 l
(2-5)
Aliran kalor pada lempeng dapat diperoleh dari hukum Fourier, yaitu 11
q = − kA
dt T −T T −T = − kA 2 1 = 2 1 l dx l kA
Dari persamaan (2-6) didapat 12 : aliran kalor =
beda potensial termal tahanan termal
10
Sumber Heat Transfer a Basic Approach hal. 43 Sumber Perpindahan Kalor hal. 27 12 Sumber Perpindahan Kalor hal. 27 11
16
(2-6)
Jika di dalam sistem konduksi keadaan stedi terdapat lebih dari satu macam bahan, seperti dalam dinding rangkap pada gambar 2.4, maka didapat persamaan sebagai berikut 13 :
q=
l1
T5 − T2 l + l2 + 3 k1 A k2 A k3 A
(2-7)
Gambar 2.4 Dinding rangkap disusun seri 14
Untuk menahan panas seperti pada industri bangunan digunakan bahan isolasi ( misalnya serat gelas atau glass wool ) dan ada kebiasaan menggunakan nilai R, yang didefenisikan sebagai berikut 15 :
R=
ΔT q A
(2-8)
Dimana : R
= Tahanan termal
∆T = delta suhu
(°Cm2/W) (°C )
13
Sumber Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas hal. 35 Sumber Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas hal. 35 15 Sumber Perpindahan Kalor hal. 28 14
17
Q
= Laju energi perpindahan panas( W )
A
= Luas penampang
( m2 )
II. 2.2. Konduksi Keadaan Tak Stedi Dalam proses pendinginan atau pemanasan yang bersifat transien atau fana yang berlangsung sebelum tercapainya keseimbangan, analisa diperlukan untuk memperhitungkan perubahan energi dalam (internal energy) benda menurut waktu. Demikian pula kondisi atau syarat-syarat batas (bondary conditions) meski disesuaikan agar cocok dengan siuasi fisik yang kentara dalam masalah perpindahan kalor keadaan tak stedi. Analisa perpindahan kalor keadaan tak stedi jelas mempunyai arti praktis yang nyata mengingat banyaknya proses pemanasan atau pendinginan yang harus dihitung dalam penerapan di industri. Untuk menaikkan suhu dari Ti menjadi T membutuhkan waktu sebesar dengan asumsi perpindahan panas tetap konstan dan suhu udara yanguntuk memanasi Tw tidak berubah dengan waktu maka menghasilkan persamaan 16 :
t= Dimana : t
16
ρVc p hA
ln
Ti − T∞ T − T∞
= waktu yang dibutuhkan,
detik
ρ
= kerapatan (densitas),
kg/m3
V
= volume,
m3
cp
= panas jenis,
J/kg °C
h
= koefisien,
W/m2 °C
A
= luas permukaan,
m2
Sumber Perpindahan Kalor hal 45
18
(2-9)
II. 2.3. Konduktivitas Termal Persamaan (2-1) merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal. Perbedaan sifat bahan dengan bahan yang lain dalam perpindahan kalor dipengaruhi oleh konduktivitas termal yang dimiliki bahan tersebut. Mekanisme konduksi termal pada gas cukup sederhana. Energi kinetik molekul ditunjukkan oleh suhunya, jadi pada suhu tinggi perpindahan akan meningkat. Molekul-molekul ini selalu berada dalam keadaan rambang, saling bertumbukan satu sama lain dimana terjadi pertukaran energi dan momentum. Energi termal juga dapat dihantarkan oleh zat padat melalui getaran kisi atau angkutan melalui elektron bebas. Elektron itu membawa energi termal dan energi listrik dari suhu tinggi ke suhu rendah. Bahan yang mempunyai sifat penghantar listrik yang baik juga merupakan penghantar kalor yang baik.
II. 3. Sistem sumber kalor II. 3.1. Dinding datar dengan sumber kalor Perhatikan gambar di bawah, tebal dinding di arah x ialah 2L, sedang dimensi di kedua arah lain dianggap cukup besar sehingga aliran kalor dapat diandalkan satu dimensi. Kalor yang dibangkitkan persatuan volume adalah q, dan kita andaikan pula bahwa konduktivitas termal tidak berubah dengan suhu.
19
Gambar 2.5 Bagan menggambarkan soal konduksi satu dimensi dengan pembangkitan kalor 17 .
Dalam situasi praktis, keadaan ini dapat terjadi jika arus listrik dialirkan melalui bahan pengantar. Persamaan diferensial yang mengatur aliran kalor ialah 18 : d 2T q + =0 dx 2 k
(2-10)
Sebagai kondisi batas kita tentukan suhu kedua muka dinding, yaitu: T = Tw pada x = ± L
(2-11)
Penyelesaian persamaan di atas adalah: T =−
q 2 x + C1 x = C 2 2k
(2-12)
Oleh karena suhu pada masing-masing sisi dinding mesti sama, maka C1 mestilah nol. Suhu pada bidang tengah adalah To, sehingga dari persamaan diatas didapat 19 : T0 = C2 17
Sumber Perpindahan Kalor hal. 36 Sumber Perpindahan Kalor hal. 36 19 Sumber Perpindahan Kalor hal. 36 18
20
Jadi distribusi suhu T − T0 = −
q 2 x 2k
(2-13a)
Atau
T − T0 ⎛ x ⎞ =⎜ ⎟ Tw − T0 ⎝ L ⎠
2
(2-13b)
merupakan distribusi parabola. Rumus untuk suhu bidang tengah T0 bisa didapatkan dari neraca energi. Pada bidang tunak, jumlah kalor yang dibangkitkan mestilah sama dengan rugi kalor pada permukaan, jadi 20 :
⎛ dt ⎤ ⎞ . 2⎜⎜ − kA ⎥ ⎟⎟ = q A2 L dx ⎦ x = L ⎠ ⎝ dimana A adalah luas penampang plat. Gradien suhu pada dinding didapatkan dengan diferensial persamaan: dT ⎤ 2 ⎛ 2 x ⎞⎤ = (Tw − T0 )⎜ 2 ⎟⎥ = (Tw − T0 ) ⎥ L dx ⎦ x = L ⎝ L ⎠⎦ x = L − k (Tw − T0 )
lalu
2 . = qL L .
q L2 T0 = + Tw 2k
dan
(2-14)
Hasil yang sama bisa diperoleh melalui substitusi T = Tw pada x = L ke persamaan (2-13a). Persamaan distribusi suhu dapat pula ditulis dalam bentuk alternatif sebagai berikut 21 :
T − Tw x2 = 1− 2 T0 − Tw L
20 21
Sumber Perpindahan Kalor hal. 36 Sumber Perpindahan Kalor hal. 37
21
(2-13c)
II. 4. Perpindahan kalor secara konveksi Perpindahan kalor secara konveksi mempunyai 2 jenis aliran yaitu aliran laminar dan turbulen. Di dalam aliran laminar fluida bergerak menurut lapisan-lapisan dan setiap partikel mengikuti lintasan yang kontinyu. Kalor dipindahkan karena kondisi molekul antar lapisan dan tidak terjadi penyimpangan di antara garis aliran. Sedangkan untuk aliran turbulen tiap-tiap partikel bergerak tidak teratur. Partikel-partikel fluida bertindak sebagai pembawa energi dan pertukaran energi berlangsung dengan partikel lain, penambahan turbulensi cenderung menambah kecepatan perpindahan kalor konveksi. Perpindahan kalor konveksi perlu memperhitungkan kecepatan fluida sebagai pemindah kalor. Gradient suhu disini juga tergantung pada laju fluida membawa kalor dari sumber pemanas, jadi kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradient suhu yang besar pula, dan demikian seterusnya. Untuk menyatakan pengaruh menyeluruh konduksi maka kita gunakan hukum Newton tentang pendinginan yaitu 22 :
q = hA(Tw – TQ)
(Watt)
(2-15)
dimana : A = luas permukaan, m2 h = koefisien perpindahan kalor konveksi, W/m2 °C Tw = suhu benda, °C TQ = suhu fluida, °C
Di sini laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida. 22
Sumber Perpindahan Kalor hal. 11
22
Gambar 2.6 Konveksi pada plat 23 .
Jadi perpindahan kalor secara konveksi: 1. bergantung viskositas fluida. 2. bergantung sifat-sifat fluida, yaitu k, Cp, ρ. ada dua macam perpindahan kalor secara konveksi, yaitu: 1. konveksi alamiah (natural convection) konveksi alamiah adalah perpindahan kalor secara konveksi tanpa sumber gerakan dari luar atau akibat dari perbedaan massa jenis fluida. 2. konveksi paksa (forced convection) konveksi paksa adalah perpindahan kalor secara konveksi dengan sumber gerakan dari luar, misalnya kipas.
Di dalam permasalahan ini hanya menganalisa tentang aliran fluida yang melintasi silinder dan melintasi pelat datar secara paksa, karena hanya masalah ini yang terjadi di dalam oven hot plate. Dalam analisa ini kita perlu memperhitungkan gradient atau landaian tekanan ( pressure gradient ), karena hal ini mempunyai pengaruh yang 23
Sumber Perpindahan Kalor hal. 11
23
besar terhadap profil kecepatan. Bahkan, gradien tekanan inilah yang nenyebabakan terbentuknya aliran-terpisah (separated-flow region ) pada bagian buritan silinder apabila kecepatan aliran bebas cukup besar. Secara kualitatif, penjelasan mengenai fenomena pemisahan lapisan batas ialah sebagai berikut. Sesuai dengan teori lapisan batas, tekanan sepanjang lapisan batas itu sama pada posisi x benda itu. Dalam hal silinder, posisi x ini dapat diukur dari titik stagnasi depan silinder tadi. Jadi, tekanan dalam lapisan batas harus mengikuti aliran bebas untuk aliran potensial itu, sejauh tingkah laku itu tidak berlawanan dengan suatu prinsip dasar yang berlaku pada setiap lapisan batas. Selama aliran itu bergerak sepanjang bagian depan silinder, tekanan akan berkurang, kemudian meningkat lagi pada bagian belakang silinder. Hal ini akan menyebabkan bertambahnya kecepatan aliran bebas pada bagian depan silinder, dan berkurangnya kecepatan itu di bagian belakang. Kecepatan lintang (tranverse velocity ), yaitu kecepatan yang sejajar dengan permukaan, akan berkurang dari nilai U∞ pada tepi luar lapisan batas hingga menjadi nol pada permukaan.
Gambar 2.7 Silinder dalam aliran silang 24 .
24
Sumber Perpindahan Kalor hal. 265
24
Sifat-sifat dievaluasi pada suhu film, kecuali ditentukan lain 25 :
Tf =
Tw + T∞ 2
(2-16)
Dimana : Tf = suhu akhir, °C Tw = suhu benda, °C T∞ = suhu fluida, °C
Gaya seret pada silinder ini diakibatkan oleh tekanan gesek dari apa yang disebut seret bentuk atau seret tekan yang disebabkan oleh daerah tekanan rendah dibagian silinder yang ditimbulkan oleh proses pemisahan aliran. Pada angka-angka Reynolds yang rendah, yang mendekati satu, tidak terjadi pemisahan aliran, dan semua seret disebabkan oleh gaya viskos dan gesek kental. Pada angka Reynolds di sekitar 10, seret gesek dan seret bentuk hampir sama besar, sedang pada angka Reynolds 1000, seret bentuk disebabkan oleh daerah aliran terpisah turbulen lebih besar. Pada angka Reynolds di sekitar 105 berdasarkan diameter, aliran lapisan batas mungkin terjadi turbulen, yang menyebabkan profil kecepatan menjadi curam, dan pemisahan aliran menjadi sangat terlambat. Profil aliran yang dibahas di atas jelas mempengaruhi perpindahan kalor dari silinder panas ke fluida. Kemudian terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor pada bagian belakang silinder, sebagai akibat gerakan pusaran turbulen pada aliran yang menjadi terpisah. Pada angka Reynolds yang lebih tinggi terdapat dua titik minimum. Yamg pertama terjadi pada titik transisi dari lapisan batas laminar ke
25
Sumber Perpindahan kalor hal. 214
25
turbulen, titik minimum yang kedua terbentuk ketika lapisan batas turbulen memisah. Perpindahan kalor meningkat cepat ketika lapisan batas menjadi turbulen, dan sekali lagi ketika terjadi peningkatan gerakan pusaran pada pemisahan. Oleh karena itu proses pemisahan aliran bersifat rumit, maka tidaklah mungkin bagi kita menghitung koefisien perpindahan kalor rata-rata pada aliran silang itu secara analitik, tetapi menurut Hilbert untuk gas menunjukkan bahwa koefisien perpindahan kalor rata-rata dapat dihitung dari 26 : ⎛U d hd = C⎜ ∞ ⎜ v kf ⎝ f
(2-17)
n
⎞ ⎟ Prf 1 / 3 ⎟ ⎠
Tabel 2.1. Tabel untuk konstanta persamaan 27
Red.f 0,4 – 4 4 – 10 40 – 4000 4000 – 40000 40000 – 400000
Red . f =
C
N
0,989 0,911 0,683 0,193 0,0266
0,330 0,385 0,466 0,618 0,805
(2-18)
U ∞ .d U .d = ρf ∞ μf vf
Untuk aliran melintasi plat datar dipanaskan seluruhnya: Jangkauan normal unuk jangkauan transisi antara 5 x 105 dan 106. Transisi selesai dan menjadi aliran turbulen pada Re 2x pada permulaan transisi. 26 27
Sumber Perpindahan Kalor hal. 268 Sumber Perpindahan Kalor hal. 268
26
NU x =
hx l = 0,33(Re x )1/ 2 (Pr)1/ 3 kx
(2-18)
Keterangan: 1. Sifat dievaluasi pada Tf 2.
Nilai koefisien perpindahan kalor lokal
3. Harga koefisien perpindahan kalor rata-rata dicari −
h = 2h x
4. Untuk fluks kalor tetap NU x =
h.x = 0,453 Re1 / 2 Pr 1 / 3 k
(2-19)
5. Pada aliran turbulen −
−
(
h .l 0 ,8 = (Pr)1/ 3 0,037 Re L − 850 N u1 = k
)
(2-20)
II. 5. Oven Hot Plate Element Assy Air Filter Oven hot plate element air filter assy merupakan sebuah mesin untuk memanasi element assy yang terdapat di PT. Panata Jaya Mandiri dan untuk memenuhi ketentuan pemanasan element assy yang telah dibahas pada bab I. Mesin ini mempunyai fungsi pokok yaitu untuk menghasilkan suhu panas dalam ruangan yang cukup luas. Panas dihasilkan dari heater melalui konveyor yang terbuat dari plat, dan di atas konveyor tersebut diletakkan end plate yang telah berisi lem untuk element assy.
27
II. 5.1. Sirkulasi panas Pada mesin Oven Hot Plate. Sirkulasi panas pada mesin ini sangat sederhana yaitu heater menghasilkan panas sebesar yang diperlukan lalu memanasi konveyor yang terbuat dari pelat. Element assy diletakkan di atas konveyor tersebut dan mendapatkan panas pelat konveyor. Panas ini akan terus menerus diterima oleh endplate selama element tersebut masih berada di dalam ruangan mesin oven hot plate. Kecepatan konveyor diatur sedemikian rupa agar lem yang ada di dalam endplate akan matang dalam kurun waktu.
II. 5.2. Element penyusun mesin oven hot plate. Element-elemen penyusun dari mesin hot plate yang memegang peranan sangat penting dalam sirkulasi panas yang terjadi adalah:
a)
Konveyor.
Konveyor dalam mesin ini terbuat dari pelat baja dan berbentuk persegi panjang dengan ukuran 600 mm x 150 x 5 mm. b)
Bak heater. Bak heater ini terbuat dari keramik yang tahan api dan berguna sebagai
dudukan heater. Pada mesin oven hot plate ini ada Dalam satu bak terdapat 6 alur sebagai tempat heater.
c)
Heater Adapun jenis heater yang dipergunakan pada mesin oven hot plate adalah
jenis spiral heater. Heater ini berbentuk pegas panjang dengan panjang 1800 mm.
28
Diameter gulungan heater adalah 10,5 mm, dan menghasilkan panas tiap heater sebesar 3000 Watt. Agar lebih jelas tentang heater jenis ini, di bawah ini penulis berikan gambar heater tersebut:
Gambar 2.8. Spiral heater.
Akan tetapi heater yang paling sering digunakan adalah jenis tubular heater. Dan tubular heater merupakan elemen paling umum dipakai dan elemen ini merupakan dasar terciptanya elemen jenis lain, yaitu, Flanged Immersion, Screw Immersion, Over The Side maupun Radiant Heater.
Gambar 2.9. Flanged Immersion
29
Gambar 2.10. Screw Immersion
Gambar 2.11. Over The Side Immersion.
Gambar 2.12. Radiant Heater.
Selain menghasilkan jenis elemen seperti yang tersebut di atas Tubular Heater juga mempunyai bermacam-macam jenis kegunaan, bentuk, maupun jenis pipa. Adapun bentuk dari tubular heater yang paling sering digunakan adalah:
30
a. Bentuk U form. Elemen bentuk ini merupakan hasil proses dari elemen-elemen pemanas tipe turbulen. Selain digunakan dalam oven, elemen ini juga digunakan di jenis ducting, bak air, tangki minyak dan proses produksi yang membutuhkan panas.
Gambar 2.13. Element pemanas U form
b.
Bentuk W form.
Bentuk ini merupakan hasil proses dari elemen pemanas tipe tubular U form. Untuk kegunaannya sama pada bentuk U form.
Gambar 2.14. Element U form dan W form c. Bentuk Multi form
Gambar 2.15. Element pemanas type multi form
31
Untuk ketentuan tekuk (bending) elemen tubular adalahsebagai berikut:
Min R1 =2 x tube. Keterangan: R1 = Minimun yang diperbolehkan untuk menekuk elemen tubular supaya tidak terjadi kerusakan
Gambar 2.16. Tekukan heater jenis tubular 28 .
II. 5.3. Ruang Pemanasan Element Assy Di dalam ruangan ini element assy dipanaskan sampai mencapai suhu 200°C ÷ 220°C. Panas dihasilkan oleh heater dan diteruskan melalui konveyor yang terbuat dari plat. Panas harus stabil agar dapat menghasilkan hasil yang maksimum. Untuk menghindari adanya heat lossess yaitu panas yang merambat melalui dinding maka pada dinding diberi bahan isolasi seperti glass wool. Element assy masuk ke ruangan ini melalui konveyor ±15 menit. Karena ukuran ruangan ini yang relatif besar, maka setiap baris yang masuk terdapat 4-6 element assy. Jarak antara element assy ini diatur agar panas dapat tersebar pada semua element assy. Apabila jarak tidak diatur atau antara element assy saling menempel maka panas tidak akan sampai pada element yang saling berimpitan. Untuk mengatur jarak ini digunakan alat yang otomatis dengan system pneumatic.
28
Sumber Technical Information United Heater Industry
32
BAB III PROSEDUR PENELITIAN III. 1. .Diagram Alir Proses Penelitian START
STUDI PUSTAKA
IN
-element assy air filter -heat transfer system -mesin oven hot plate
BAHAN PENELITIAN
-element assy air filter
-mesin oven hot plate
PENELITIAN -element assy air filter mesin oven hot plate
PROCESS
mesin oven hot plate heater isolasi dinding body curring time
Element assy air filter lem adhesive plastisol paper media element
DATA
ANALISA DATA
KESIMPULAN
OUT FINISH
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian
33
Penjelasan :
1. In Merupakan macam-macam permasalahan yang muncul dalam frekuensi tinggi terutama pada Element Assy dengan dimensi tinggi Element Assy dan diameter End Plate >180 mm pasca pengovenan. Secara garis besar masalah tersebut terbagi tiga: a.
Element Assy tidak matang
b.
Element Assy matang sebelah
c.
Element Assy gosong.
2. Proses Membahas mengenai cara yang dilakukan untuk memecahkan masalah yang muncul dengan melakukan proses-proses analisa, yaitu: a.
Analisa secara perhitungan mengenai heater mesin oven, body beserta glasswool pada mesin oven dan curring time yang terjadi di dalam mesin oven.
b.
Analisa berdasarkan perhitungan curring time yang digunakan, dan besar setting temperatur yang dipakai.
3. Out Merupakan hasil yang diinginkan setelah proses penelitian untuk tindakan perbaikan pada masalah-masalah yang telah disebutkan. Pada hasil akhir diinginkan element assy matang baik pada paper medianya maupun pada lem Adhesive plastissol.
34
III. 2. Bahan dan Peralatan Penelitian.
1. Mesin oven Mempunyai dimensi ukuran panjang 5500 mm, lebar 1400 mm, tinggi 1850 mm dan memiliki kapasitas daya tampung rata-rata 80 biji element assy. Seperti apa yang telah disebutkan pada bab sebelumnya bahwa fungsi utama mesin Oven ini adalah menghasilkan panas dengan ruangan yang cukup luas. Mesin Oven Element Assy mempunyai unit-unit konstruksi utama : heater, batu tahan api, ducting, body dan glasswool, dan konveyor tempat peletakan element assy.
2. Element assy Secara garis besar Element Assy Air filter terdiri dari komponen-komponen utama berupa: a.
Paper Assy merupakan gabungan antara inner liner, outer liner dan paper media,
b.
Cover Atas yaitu pelat penutup paper assy pada bagian atas.
c.
Cover bawah yaitu pelat penutup paper assy pada bagian bawah. Ketiga komponen tersebut digabung dengan lem Adhesive Plastissol dengan
ketebalan 3 - 4 mm. Element assy yang dipergunakan adalah Element Assy dengan dimensi dan diameter >180 mm. Penggunaan ini berdasarkan pada besar masalah yang sering muncul.
35
3. Mesin lem Misura Mesin ini bekerja secara pneumatic yang bertugas menuangkan lem adhesive plastissol dari drum penampungan lem ke end plate dengan bantuan udara bertekanan 6-8 bar. Untuk kerataan keluar lem diatur dengan nosel sebagai mulut keluaran lem. Setting yang berkaitan dengan mesin ini utamanya adalah: −
Timming hold keluaran lem, timming hold ini tergantung dari besar diameter end plate A dan B yang terpasang, apabila semakin besar diameter end plate maka semakin besar pula timming hold lem tersebut. Tujuan utama dari timming hold keluran lem ini adalah untuk mendapatkan kedalaman dan kerataan lem pada diameter end plate yang sama.
−
Udara pendorong . udara pendorong yang dimaksud adalah udara yang dipergunakan untuk mendorong lem adhesive plastisol dari dalam drum lem supaya naik ke atas kemudian dituang ke dalam end plate. Besar rata-rata tekanan udara standar yang dipakai adalah di antara 6 sampai 8 bar, apabila kurang dari 6 bar maka lem tidak dapat naik dan jika lebih dari 8 bar maka lem yang dituangkan dalam end plate akan terpental dan berceceran kemana-mana. Untuk mengecek kebenaran besar tekanan udara pendorong ini, pada saat setting dilihat pada jarum yang ditunjukkan oleh alat ukur tekanan udara.
36
4. Jig End Plate Sebagai alat untuk dudukan End Plate serta penahan agar end Plate tersebut tidak terlempar keluar pada saat proses pemberian lem Adhesive Plastisol. Ukuran jig ini sangat bervariasi tergantung diameter luar dari masing-masing end plate.
III. 3. Instrument Ukur
1. Jig kedalaman lem Dipergunakan untuk mengukur kedalaman lem adhesive plastisol pada end plate. Standart kedalaman lem yang dipakai adalah 3-4 mm. Cara penggunaan : Lem Adhesive Plastisol yang dituangkan dari mesin lem misura diatur lama waktu keluarnya untuk mencari kerataannya, pengecekan secara visual. Setelah end plate terisi lem dengan baik end plate A atau end plate B dan terlihat rata pada seluruh permukaan maka dilakukan pengecekan dengan jig pengukur kedalaman lem dengan cara mencelupkan secara vertikal tegak lurus pada empat sisi bagian dalam dan empat sisi bagian luar diameter.
2. Temperatur Control Sebagai alat pengukur temperatur yang dihasilkan oleh heater dari mesin oven setelah besar potensio temperatur disetting. Alat ini langsung berada pada panel body
37
mesin oven dan besar angka temperatur yang keluar berupa angka digital dalam satuan °C (derajat celcius). 3. Inverter speed control Sebagai alat pengukur kecepatan konveyor oven dimana element assy di letakkan, dalam satuan hertz. 4. Stop watch Digunakan untuk mengetahui lama proses pengovenan element assy yang terjadi didalam mesin oven dari awal masuknya element assy hingga akhir yaitu keluarnya element assy dalam satuan menit. 5. Cairan kematangan paper media Cairan ini merupakan campuran Methanol dan Iron chloride Hexahidrate. Komposisi perbandingan campuran adalah 20:1. Cairan ini berfungsi untuk mengetahui kematangan paper media element assy pasca pengovenan.caranya dengan menuangkan cairan tersebut pada paper media setelah pengovenan, adalah paper media tersebut berubah warna menjadi abu-abu kehitaman berarti paper media tidak matang dan sebaliknya bila tidak perubahan pada paper media berarti matang. 6. Mesin uji tarik (Tensile Test) Sebagai alat yang dipergunakan untuk mengetahui besar kekuatan daya rekat lem adhesive plastissol terhadap paper media dan end plate pasca pengovenan. Dengan cara mencekam element assy vertikal kemudian memberi gaya tarik pada end plate secara vertikal, apabila kertas sobek berarti daya rekat lem tersebut kuat.
38
Apabila dilihat dari aktual yang terjadi terhadap beberapa pengujian yang dilakukan maka dapat diambil ukuran standar bahwa batas kekuatan lem yang diijinkan adalah minimal 100 kg/m2 7. Thermometer. Alat ukur bantu yang digunakan untuk mengetahui besar nilai panas pada plat konveyor yang terjadi pada mesin oven hot plate element air filter assy.
39
BAB IV ANALISA dan PERHITUNGAN
Dari sistem sirkulasi panas pada oven hot plate element air filter assy yang telah disebutkan pada penjelasan bab II, maka penulis telah menganalisa sirkulasi panas pada tahap-tahap sebagai berikut: 1. Sirkulasi panas dari heater ke ruang pemanasan element air filter assy 2. Analisa perpindahan panas terhadap body oven pada ruang pemanasan element air filter assy. 3. Analisa penyebaran panas pada ruang pemanasan element air filter assy sehingga panas diterima oleh element assy. Juga akan dilakukan pembahasan menurut perhitungan yang akan dilakukan dan berdasarkan keadaan element air filter setelah mengalami proses curring.
IV.1. Sirkulasi Panas dari Heater ke Ruang Pemanasan Element Assy Dari pengamatan terhadap heater oven di dapat data-data sebagai berikut: A. Oven hanya menggunakan satu jenis heater yaitu jenis spiral dengan daya 3000 Watt tiap heater dan panjang sebuah heater 1,8 m B. Heater yang dipakai berjumlah 24 pcs jadi daya total heater adalah 72 kW
40
C. Panjang seluruh heater 43,2 m D. Suhu mula-mula dalam oven 30°C
Gambar 4.1 Sirkulasi panas dari heater ke Ruang Pemanasan
Suhu rata-rata Tf =
Tw + T∞ 30 ° C + 220 ° C = = 125°C = 398 K 2 2
Dari daftar tabel A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat : 1. ρf
= 0,887216 kg/m3
2. kf
= 0,0335052 W/m°C
3. μf
= 2,27756 x 105 kg/m.s
4. Prf
= 0,68932
Re d f = ρ f Redf
U ∞ .d
μf
= 0,887216
15,6.0,0105 2,27756.10 5
= 6380,775075
41
Menurut teori Hilbert :
hd = C (Re d f kf
)P n
rf
1
3
Dari tabel 2.1 didapat : C = 0,193 n = 0,618 1 hx0,0105 = 0,193(6380,775075) 0,618 (0,68932) 3 0,0335052
hx0,0105 = 0,193.2246010506.0,8833655213 0,0335052 h x 0,0105 = 1,282985509 h=
1,282985509 0,0105
h = 122,1890961W/m2.°C
Jadi perpindahan panas yang terjadi: q = hA (Tw-T∞) dengan A = πdL q = 122,1890961 x π 0,0105 x 43,2 (220-30) q =33083,31132Watt = 33,0833 kW
42
IV.2. Analisa Perpindahan Panas Terhadap Body Oven
Gambar 4.2 Potongan Body Oven
Body oven dibuat dengan 2 lembar plat dengan tebal 3 mm yang didalamnya dilapisi dengan glasswool. Dari data di atas kita dapat menganalisa berapa tebal glasswool yang dibutuhkan agar suhu pada dinding luar tidak lebih dari 50°C. Diasumsikan: 1.
Kondisi stedi
2.
Terjadi perpindahan kalor konduksi pada dinding
3.
Perpindahan panas secara radiasi di antara dinding luar dengan udara luar diabaikan.
4.
Terjadi perpindahan panas secara konveksi pada dinding secara menyeluruh.
5.
Konduktivitas termal bahan yang dipakai:
43
Plat
= 43 W/m°C
Glasswool
= 0,038 W/m°C
Gambar 4.3 Analogi listrik untuk dinding oven Untuk udara di dalam oven: Tw =220 °C = 493 K
Dari daftar tabel A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat: 1. vw = 37,0334 x 106 m2/s 2. kw = 0,0399166 W/m°C 3. Pr = 0,68042
Re w =
U w .l 15,6 x0.7 = vw 37,0334 x10 6 Rew = 294867,9561
1 1 hw .l = 0,332(Re w ) 2 (Pr ) 3 kw
1 1 hw .0,7 = 0,332(294867,9561) 2 (0,68042 ) 3 0,0399166
44
hw .0,7 = 0,332.543,017455 .0,879547 0,0399166
hw =
6,1387826 = 8,7696895 W/m2°C 0,7
Untuk udara di luar ruangan : T∞ = 25°C = 298 K Lebar plat 1,85 m Dari daftar tabel A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat: 1. v∞ = 16,546 x 106 m2/s 2. k∞ = 0,0260812 W/m°C 3. Pr = 0,70856 Diasumsikam kecepatan udara sebesar 4 m/s
Re ∞ =
U ∞ .l 4 x1,85 = v∞ 16,546 x10 −6 Re∞ = 447238,00314
1 1 h∞ .l = 0,332(Re ∞ ) 2 (Pr ) 3 k∞
h∞.1,85 1 1 = 0,332(447238,00314 ) 2 (0,70856 ) 3 0,0260812 h∞.1,85 = 197,9397318 0,0260812
h∞ x 1,85 = 197,9397318 x 0,0260812 h∞ =
5,162505733 = 2,790543639 W/m2°C 1,85
45
Total hambatan thermal di antara oven cavity dengan permukaan luar dinding adalah : −1
⎛ 1 ⎞ l l l ⎟⎟ + A + B + C ∑ Rt = ⎜⎜ k A A k B A kC A ⎝ 1 / hw A ⎠
Disubstitusikan pada persamaan balans energi menjadi:
Tw − Ts.o = h (T − T ) (1 / hw ) + (l A / k A ) + (l B / k B ) + (lC / k C ) ∞ s.o ∞ 220 − 50 = 2,790543639(50 − 25) (1 / 8,7696895) + (0,003 / 43) + (x / 0,038) + (0,003 / 43) 170 = 69,76359098 0,1140291 + 0,0000698 + ( x / 0,038) + 0,0000698 0,11416873 + (x / 0.038) = 2,436801168 (x / 0.038) = 2,436801168-0,1141687 (x / 0.038) = 2,322632468 x = 0,088260 m
Jadi agar suhu pada dinding luar tidak melebihi 50°C maka dibutuhkan glasswool dengan tebal 0,088260 m atau 88,26 mm
46
IV. 3. Analisa Penyebaran Panas Sehingga Panas Diterima oleh Element Assy
Gambar 4.4 Element assy di dalam oven
Untuk memanasi element assy di dalam oven sampai bersuhu 219,99°C membutuhkan waktu. Dari sisi penulis akan menganalisa waktu yang dibutuhkan untuk memanasi element assy dengan tebal end plate 1,0 mm dan diameter end plate 180 mm Diasumsikan: 1. Kondisi tak stedi 2. Terjadi perpindahan konveksi
47
Untuk udara di dalam oven : Tw = 220°C = 493 K Dari daftar tabel A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat : 1. vw
= 37,0334 x 106 m2/s
2. kw
= 0,0399166 W/m°C
3. Pr
= 0,68042
Re w =
U w .l 15,6 x0,18 = vw 37,0334 x10 6 Rew = 75823,4459
1 1 hw .l = 0,332(75823,4459) 2 (0,68042) 3 kw
hw .0,18 = 80,407927 0,0399166
hw x 0,18 = 80,5407927 x 0,0399166 hw =
7,565126 = 17,83117256 W/ m2°C 0,18 −
Jadi h = 2 x 17,83117256 = 35,66234512 W/m2°C
Untuk end plate terjadi perpindahan panas konduksi tidak stedi. Suhu mula-mula end plate adalah 25 °C Menurut tabel A-2 pada lampiran: ρ = 7833 kg/m3 cp = 465 J/kg°C
48
waktu yang dibutuhkan untuk memanasi end plate adalah: t=
ρVc p −
hA untuk
ln
Ti − T∞ T − T∞
V π 2 tebal = = tebal pelat A πr 2
t=
7833 x0,001x 465 25 − 220 ln 35,662345 219,99 − 220
t=
3642,345 ln 19500 35,662345
t = 1008,8989 detik =16,814982 menit jadi waktu yang dibutuhkan untuk memanasi end plate dengan ukuran tebal 1,0 mm dan diameter 180 mm adalah 16,814982 menit.
IV. 4. Pembahasan Berdasarkan Perhitungan
Hasil analisa dari data-data oven hot plate element air filter assy akan dibahas tentang tiga hal menurut perhitungan yang telah dilakukan yaitu : 1. Penggunaan heater. 2. Perpindahan panas pada isolasi dinding oven. 3. Waktu yang dibutuhkan untuk memanasi element air filter assy.
49
1. Penggunaan heater Untuk menentukan berapa daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan panas yang diinginkan, kita harus mengetahui berapa kecepatan udara sebagai penghantar panas. Diasumsikan dari daya heater yang berubah menjadi panas mengalami heat loss maksimal sebesar 15 % karena adanya ketidaktentuan dalam mengukur kecepatan udara, perhitungan panas yang hilang dari heater, suhu permukaan heater rata-rata. Jadi secara matematis dapat dikatakan: q ≤ (100-15)% P Menurut analisa untuk menghasilkan suhu sebesar 220°C membutuhkan q sebesar 33,833 kW untuk panjang heater 43,2m dan diameter 10,5 mm. Dengan ukuran heater yang sama daya yang dibutuhkan adalah: P x 85% = q P=
qx100 33,8331x100 = 85 85
P = 39,80365 kW Daya yang dibutuhkan heater dipengaruhi oleh laju perpindahan kalor, sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh:
a. Ukuran heater (diameter dan panjang) b. Suhu fluida. c. Kecepatan udara. d. Suhu yang diinginkan
50
2. Perpindahan panas pada isolasi dinding oven. Suhu di dalam ruang pemanasan element assy harus dijaga agar suhu tidak keluar atau terjadi heat loss yang cukup besar. Untuk mencegah hal itu, dinding diberi bahan isolasi seperti glasswool dengan nilai konduktivitas thermal sebesar 0,038 W/m°C. Dari analisa untuk menahan panas agar tidak terjadi heat loss, maka digunakan glasswool setebal 88,26 mm yang diapit plat setebal 3 mm dengan nilai konduktivitas thermal sebesar 43 W/ m°C. Dengan dinding seperti ini maka suhu pada permukaan luar oven sebesar 50°C. semakin tebal glasswool yang digunakan pada dinding maka suhu pada permukaan luar dinding oven semakin kecil. Dengan kata lain agar heat loss yang terjadi seminimal mungkin maka dibutuhkan glasswool yang semakin tebal. Terjadinya heat loss baik besar maupun kecil tergantung dari: a. Bahan isolasi yang digunakan termasuk ukurannya. b. Suhu dan kecepatan udara luar. c. Suhu dan kecepatan udara di dalam oven.
3. Waktu yang dibutuhkan untuk memanasi element air filter assy. Dari analisa perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya didapat waktu waktu yang dibutuhkan untuk memanasi element assy dengan tebal 1,0 mm dan diameter 180 mm sampai mencapai suhu 219,99°C adalah 16,814982 menit. Lama tidaknya waktu yang diperlukan untuk memanasi element assy tergantung dari: a. Diameter element assy dan ketebalan end plate. b. Suhu awal element assy dan suhu yang diharapkan agar element assy matang.
51
c. Suhu udara dan kecepatan udara pada oven. Bila diukur dari ketentuan dan percobaan bahwa memanasi element air filter assy yang sama dengan di atas membutuhkan suhu 220°C dan waktu 15 menit, maka suhu yang diterima oleh end plate untuk memanasi lem adalah: t=
ρVc p −
hA
900 =
ln
Ti − T∞ T − T∞
7833x0,001x 465 25 − 220 ln 35,662345 T − 220
900 = 102,134198 ln
ln
25 − 220 T − 220
25 − 220 = 8,8119358 T − 220
25 − 220 = e 8,8119358 = 6713,9035 T − 220
⎛ − 195 ⎞ T =⎜ ⎟ + 220 ⎝ 6713,9035 ⎠ T = 219,9709558 °C
IV.5. Pembahasan Menurut Element Assy Setelah Melewati Proses Curring. Hasil penelitian terhadap kertas setelah melewati proses curring pada mesin oven dapat dibagi menjadi 4 jenis element assy, yaitu:
52
a. Element assy matang b. Element assy tidak matang c. Element assy gosong d. Element assy matang sebelah
a. Element assy matang Oven dapat menghasilkan element yang bagus apabila sirkulasi panas dapat berjalan seperti yang diinginkan. Heater dapat menghasilkan panas 200°C ÷ 220°C dan dapat tersebar ke seluruh ruangan.
b. Element assy tidak matang. Ketidakmatangan element assy karena suhu yang kurang dari 220°C. dari hasil analisa suhu tidak mencapai 220°C karena daya heater yang kurang. Apabila daya heater sudah disesuaikan maka kalau sampai terjadi hal itu karena adanya heater yang putus. Selain itu menurut analisa tentang perpindahan panas konveksi di depan adalah karena kurangnya kecepatan fluida sebagai penghantar panas, serta konstruksi ruangan oven dengan bahan isolasi yang kurang sehingga terjadi heat loss yang cukup tinggi.
c. Element assy gosong Penyebab terjadinya element assy gosong karena suhu yang dihasilkan terlalu tinggi melebihi suhu yang diinginkan. Element assy yang terlalu lama di dalam
53
oven juga menyebabkan hal tersebut. Setting suhu yang
tidak sesuai dengan
ukuran element assy menyebabkan element assy menjadi gosong. Arah penyebaran panas yang tidak merata akan menyebabkan penumpukan panas pada sebagian element assy sehingga menyebabkan gosong.
d. Element assy matang sebelah Terjadinya hal ini karena arah ducting yang tidak tegak lurus dengan konveyor menyebabkan distribusi panas tidak merata. Selain hal itu, karena meletakkan element assy yang berimpitan sehingga panas tidak bisa langsung dihantarkan secara konveksi harus melalui konveksi-konduksi. Perpindahan panas secara konveksi-konduksi membutuhkan lebih banyak waktu, sehingga untuk perpindahan secara konduksi tidak punya waktu yang cukup.
54
BAB V PENUTUP
V. 1. Kesimpulan Berdasarkan data pengamatan serta analisis yang telah dilakukan maka dari penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan: 1.
Panas yang stabil harus dihasilkan oleh oven hot plate untuk menghasilkan kualitas element air filter assy yang bermutu tinggi. Untuk menghasilkan panas itu oven hot plate harus mempunyai unit kontruksi yang bagus seperti body oven, konveyor, ducting, dll.
2.
Sirkulasi panas yang merata ke seluruh ruangan pemanasan sangat dibutuhkan agar panas yang diterima element air filter assy sesuai dengan suhu yang dibutuhkan.
3.
Penggunaan isolasi untuk mengurangi terjadinya heat loss sangat berpengaruh terhadap kestabilan suhu di dalam oven.
Sehingga dari analisa pehitungan juga bisa disimpulkan bahwa hasil sempurna pengovenan element air filter assy bisa diperoleh apabila panas yang terjadi di dalam ruang oven hot plate adalah berkisar antara 220 C dan lama penovenan berkisar antara 16 menit. Kemudian untuk besar temperatur yang diharapkan di ruang oven 220 C dapat terwujud, maka:
55
1.
Besar laju energi perpindahan kalor heater (q) adalah 33,0833 kW
2.
Tebal isolasi glass wool body oven adalah 88,26 mm.
V. 2. Saran Sebuah filter akan mempunyai lifetime yang tinggi bila filter tersebut dibuat sesempurna mungkin. Kualitas adalah nomor satu, dengan kualitas produk yang bagus maka produk kita selalu dapat diterima oleh konsumen. Tapi juga jangan lupa akan target produksi yang telah ditetapkan perusahaan. Dalam pembuatan filter banyak aspek yang sangat penting agar filter tersebut mempunyai kualitas baik, diantaranya: • Setting temperatur ruang oven yang benar. • Setting kecepatan konveyor yang benar. • Proses lem adhesive yang rapi. • Peletakan element assy harus teratur di dalam ruang oven. • Kesadaran dan tanggung jawab terhadap pekerjaannya.
56
DAFTAR PUSTAKA
1. Holman J.P., Perpindahan Kalor. Terjemahan E.Jasfi., Penerbit Erlangga, Jakarta Pusat, 1984 2. Kreith Frank, Prinsip-Prinsip Perpindahan Kalor, edisi ketiga, terjemahan Arko Prijono, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1997. 3. Lesmono Andi, Filter Product Knowledge, ADR Training Center, Tangerang, 2001 4. Ozisik
M. Necati, Heat Transfer a Basic Approach. Mc.Graw-Hill Book
Company, Singapore, 1987 5. Warren Jack, Technical Information. United Heater Industri. Jakarta Barat, 2000
57
