BAB 5 RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR
Pendahuluan
Pada percobaan dan simulasi matematik yang telah dilakukan pada Bab 4, diketahui kondisi ruang pengering tanpa adanya sistem pemanas tambahan selain
energi surya tidak dapat memenuhi suhu pengeringan yang sesuai dengan kebutuhan pengeringan kacang mete. Untuk itu sistem pemanas tambahan perlu
dirancang untuk memenuhi target suhu pengeringan. Untuk menghindari kontak panas secara langsung dari hasil pembakaran bahan bakar pada produk, maka
diperlukan alat penukar panas. Sebuah alat penukar kalor yang baik harus dapat menjamin terjadinya transfer energi panas dari suatu fluida ke fluida lain, yang
menghasilkan laju perpindahan kalor yang setinggi mungkin dengan harga konstruksi yang rendah. Oleh karena itu dalam proses rancang bangun alat
penukar kalor dan tungku pembakaran perlu memperhatikan ketiga mekanisme perpindahan panas yang mungkin terjadi, yakni konduksi, radiasi dan konveksi.
Ketiganya menjadi dasar pertimbangan dalam pemilihan material yang akan digunakan. Analisis perpindahan panas perlu dilakukan sebelum membuat suatu
alat penukar kalor dimana proses perpindahan panas, dimensi maupun jumlah laluan pada alat penukar kalor merupakan hal yang paling dominan. Demikian
pula pemeliharaan alat penukar kalor perlu diperhatikan karena dengan melakukan pemeliharaan secara rutin maka kelangsungan perpindahan panas tetap baik dan
kerusakan total dapat terhindarkan Djunaidi 2007. Untuk lebih memahami tentang perubahan energi panas pada material, dimensi, dan jumlah laluan pada
suatu alat penukar kalor maka perlu dilakukan suatu penelitian di laboratorium sebab alat penukar kalor yang akan digunakan pada pengering surya GHE tipe
kabinet ini merupakan alat yang sangat menentukan dalam memenuhi kebutuhan energi panas dalam ruang pengering selama proses pengeringan berlangsung.
Analisis efektifitas dilakukan dalam proses perancangan alat penukar kalor, karena lebih sesuai bila suhu-suhu fluida keluar tidak diketahui secara pasti.
Selanjutnya bahan bakar padat yang digunakan pada pengeringan ini adalah batubara. Tungku pembakaran diletakkan tepat di bawah alat penukar kalor.
Untuk mendapatkan ukuran alat penukar kalor dan tungku yang digunakan, maka
dibutuhkan suatu analisis perpindahan panas dan metode dalam mempertahankan mengatur besarnya temperatur serta kajian khusus tentang bentuk tungku
pembakaran dan posisi bahan bakar sesuai dengan bentuk alat penukar kalor yang digunakan. Hal ini perlu dilakukan agar besarnya energi panas, dan sifat-sifat
udara akibat pembakaran bahan bakar dapat ditentukan sesuai dengan yang diharapkan untuk pengeringan dalam ruang pengering surya GHE tipe kabinet.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian pada bab ini, adalah : 1. Melakukan perancangan dan menganalisis efektivitas alat penukar kalor plat
datar, baik efektivitas hasil analisis maupun efektivitas hasil percobaan. 2. Melakukan analisis temperatur serta besarnya energi panas yang keluar dari
alat penukar kalor. 3. Melakukan pembuatan alat penukar kalor serta tungku pembakaran sesuai
dengan besarnya temperatur dan energi panas yang harus disuplai kedalam ruang pengering.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diperoleh dari penelitian pada bab ini, adalah: Rancang bangun alat penukar kalor dan tungku pembakaran yang mampu meningkatkan
dan mempertahankan tempearatur udara dalam ruang pengering sebesar 60
o
C.
Pendekatan Teori Alat Penukar Kalor Aliran Silang
Penerapan prinsip-prinsip perpindahan panas untuk merancang alat penukar kalor guna mencapai sesuatu tujuan teknik sangatlah penting. Setiap
penerapan tertentu akan menentukan kaidah yang harus dipatuhi untuk mendapatkan rancangan yang terbaik yang sesuai dengan pertimbangan ekonomi,
ukuran, dan sebagainya. Alat penukar kalor aliran silang banyak dipakai dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas, dimana gas dialirkan menyilang
berkas tabung, sedang fluida lain digunakan didalam tabung untuk memanaskan atau mendinginkan Koestoer 2002. Pada alat penukar kalor ini, fluida yang
mengalir melintas tabung disebut arus campur mixed stream, sedang fluida didalam tabung di sebut arus tak campur unmixed. Gas tersebut dikatakan
bercampur karena dapat bergerak dengan bebas di dalam alat tersebut sambil menukar kalor, sedangkan fluida yang satu lagi terkurung didalam tabung-tabung
saluran penukar-kalor tersebut dan tidak dapat bercampur selama proses per- pindahan panas. Bila kedua fluida yang mengalir sepanjang permukaan
perpindahan panas bergerak dalam arah saling tegak lurus, maka penukar kalornya bertipe aliran lintang crossflow. Ada tiga kemungkinan susunan penukar kalor
tipe ini, yakni: pertama, masing-masing fluida tak bercampur unmixed waktu melintas melalui penukar kalor, dan oleh karena itu suhu fluida yang
meninggalkan penampang pemanas tidak seragam, pada satu sisi lebih panas daripada sisi lainnya sebagaimana Gambar 22.
Gambar 22 Penukar panas aliran lintang dengan kedua tak ber campur
Kedua, salah satu fluidanya tak bercampur sedangkan fluida yang lainnya bercampur sempurna sewaktu mengalir melalui alat penukar kalor. Suhu aliran
yang bercampur akan seragam pada setiap penampang dan hanya berbeda dalam arah aliran. Udara yang mengalir di luar berkas pipa bercampur sedangkan gas
panas di dalam pipa-pipa terbatasi dan karenanya tak bercampur, sebagaimana Gambar 23.
Gambar 23 Penukar panas aliran lintang yang melukiskan aliran lintang dengan satu fluidanya ber campur dan fluida lainnya tak ber campur
Dalam industri proses dan Industri tenaga ataupun dalam kegiatan lain, banyak alat penukar kalor dibeli langsung sebagai barang jadi yang telah tersedia,
dan pemilihannya dilakukan atas dasar harga dan spesifikasi yang diberikan oleh para pembuatnya. Bilamana alat penukar kalor merupakan bagian dari suatu unit
peralatan yang akan dibuat maka alat penukar kalornya dapat dirancang khusus dengan memperhatikan analisis perpindahan panas, analisis biaya dan analisis
ukuran fisik dari peralatan tersebut. Bahan Bakar dan Tungku Pembakaran
Secara garis besar bahan bakar dapat digolongkan menjadi: bahan bakar padat, bahan bakar cair, bahan bakar gas, dan bahan bakar nuklir. Dalam
perancangan alat penukar kalor plat datar ini akan digunakan bahan bakar batu bara karena cadangan batu bara cukup banyak, harganya murah dan mudah
diperoleh serta komoditi kacang mete yang berada dalam ruang pengering tidak akan terkontaminasi oleh gas hasil pembakaran bahan bakar batubara. Namun
demikian pemanfaatan bahan bakar batubara memiliki kelemahan sehingga memungkinkan masyarakat petani lebih senang menggunakan sinar matahari
langsung dalam pengeringan komoditi pertanian dari pada menggunakan bahan bakar batubara yang relatif masih baru. Kelemahan tersebut disebabkan
pembakaran awal bahan bakar batubara membutuhkan waktu yang relatif lebih lama untuk menyalakan api dan batubara juga lebih sukar untuk mengontrol suhu
pembakarannya.
Adapun nilai kalor rata-rata untuk jenis bahan bakar padat batubara yang bisa digunakan sebagai sumber energi panas tambahan pada sistim pengering
adalah sebesar 32 450 kJkg Djokosetyarojo 1993. Selanjutnya temperatur yang tinggi dari nyala api ataupun gas panas hasil pembakaran bahan bakar
manyebabkan tungku pembakaran cepat rusak. Oleh sebab itu sebaiknya bata tahan api ataupun material logam digunakan sebagai bahan tungku pembakaran.
Perpindahan Panas Pada Alat Penukar Kalor Pendekatan LMTD Log mean temperature difference pada analisis
perpindahan panas alat penukar kalor berguna bila suhu masuk dan suhu keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah sehingga LMTD dapat dengan
mudah dihitung, dan aliran panas pada permukaan serta koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan. Bila suhu masuk atau suhu keluar belum
diketahui maka analisis akan melibatkan prosedur iterasi karena LMTD itu suatu fungsi logaritme. Dalam hal demikian, analisis akan lebih mudah dilaksanakan
dengan menggunakan metode yang berdasarkan atas efektivitas dari alat penukar kalor dalam memindahkan sejumlah panas tertentu, dimana besarnya nilai
efektivitas alat penukar kalor heat exchanger effectiveness dideflnisikan sebagai perbandingan perpindahan panas nyata terhadap perpindahan panas maksimum
yang mungkin atau sebagaimana persamaan berikut Holman 1989:
mungkin yang
maksimum kalor
n perpindaha
nyata kalor
n perpindaha
s efektivita
33
Perpindahan panas maksimum didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan suhu yang maksimum dan fluida yang mungkin mengalami beda suhu
maksimum adalah fluida yang mempunyai kapasitas panas terkecil. Efektifitas dari alat penukar kalor dipengaruhi oleh berbagai macam faktor diantaranya fluida
kerja yang menjadi fluida kerja pendingin Jenis alat penukar kalor yang digunakan pada penelitian ini adalah alat
penukar kalor jenis plat datar, dimana masing-masing fluida kerja tak bercampur unmixed melintas melalui alat penukar kalor, sebagaimana Gambar 24.
Cerobong Tc
Lp
Lb
Ld cm
Gambar 24 Alat penukar kalor plat datar Laju perpindahan panasnya secara umum bergantung kepada sifat-sifat
fluida kerja, dimensi serta tingkat keadaan aliran fluida yang melewati permukaan alat penukar kalor tersebut. Laju perpindahan panas dari sebuah alat penukar kalor
plat datar yang terletak tegak lurus terhadap suatu aliran udara dapat dievaluasi melalui Gambar 25 dan Persamaan 34.
Tp
out
3 ALAT PENUKAR KALOR 2 Td
in
PLAT DATAR Td
out,
q
APK
Tp
in
Gambar 25 Temperatur sebelum dan setelah alat penukar kalor
Berdasarkan Gambar 25 maka diterapkan kembali persamaan 25 dan persamaan 26, sehingga diperoleh besarnya selisih temperatur udara sebelum dan
sesudah alat penukar kalor, yakni:
cp m
h V
A A
I T
T UA
h V
A Td
Td Td
l l
l l
l rg
v v
v v
in out
} {
.
34
Jadi besarnya temperatur yang keluar dari alat penukar kalor, Td
out
adalah:
cp m
h V
A A
I T
T A
U h
V A
Td Td
l l
l l
l rg
v v
v v
in out
35
atau:
in d
d l
l l
out
Td cp
m T
cp m
qn qd
qv Td
.
Contoh perhitungan pada Persamaan alat penukar kalor ini dijelaskan pada Lampiran 8.
Bagian-bagian alat penukar kalor plat datar terdiri dari plat aluminium yang di susun secara selang seling antara plat untuk aliran udara dari lingkungan,
dengan plat untuk aliran gas dari hasil pembakaran, dimana plat untuk aliran udara dari lingkungan dipasang secara horisontal, sedangkan plat untuk aliran gas
pembakaran dipasang secara vertikal. Gas hasil pembakaran bahan bakar batubara mengalir dengan kecepatan
Vp mdet dan temperatur, Tp
in o
C dan tekanannya 1 atm. Dengan adanya perbedaan temperatur antara gas hasil pembakaran batubara dengan udara
lingkungan yang sedang mengalir kedalam alat penukar kalor mengakibatkan terjadinya perpindahan panas pada alat penukar kalor plat datar tersebut.
Untuk melakukan analisis perpindahan panas pada alat penukar kalor plat datar seperti halnya persoalan teknik lainnya maka beberapa asumsi diperlukan
sebagai pendekatan sebagaimana beberapa hal berikut: 1. Plat aluminium pada alat penukar kalor tersebut dapat dianggap sebagai
sebuah selinder yang diisolasi oleh aliran gas, dengan mekanisme konveksi paksa sebagai suatu proses dominan.
2. Tingkat turbulensi pada aliran utama dianggap kecil sehingga tidak mempengaruhi laju perpindahan panas.
Dengan adanya asumsi diatas maka laju perpindahan panas dan temperatur udara yang akan masuk kedalam ruang pengering dapat dihitung besarnya Kreith
1998. Luas permukaan panas seluruh laluan, adalah:
A
tot
= [Ld Lp + Ld Lp] np 36
Temperatur kedua fluida bervariasi sepanjang saluran dan bila temperatur keluar dari kedua fluida tidak diketahui maka harus di taksir besarnya temperatur
rata-rata fluida dingin William 1989, yakni:
2
out in
ud
Td Td
T
37 maupun besarnya temperatur rata-rata fluida panas, yakni:
2
out in
up
Tp Tp
T
38 Hal ini perlu dilakukan untuk mengetahui besarnya masa jenis, konduktivitas
thermal, kalor spesifik, viskositas dinamik dan bilangan prandtl dari masing- masing fluida yang sedang mengalir melalui alat penukar kalor.
Bilangan Reynold Re untuk masing-masing fluida simonson 1975 adalah:
K PL
Ap mp
D Ap
mp p
K PL
Ad md
DHd Ad
md d
tot tot
Hp tot
tot tot
tot tot
tot
4 Re
4 Re
39
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari kedua fluida, adalah: Untuk udara dingin,
7 ,
33 ,
8 ,
1 Pr
Re 023
. Ld
D D
kd hd
Hd Hd
40
Untuk udara panas,
7 ,
33 ,
8 ,
1 Pr
Re 023
. Lp
D D
kp hp
Hp Hp
41
Koefisien perpindahan panas keseluruhan dari APK, adalah :
tot A
hp Atot
hd UA
1 .
1 1
cp mp
UA C
UA NTU
min 42
Perbandingan kapasitas panas perjam, adalah: cd
md cp
mp Cdingin
Cpanas
Bentuk aliran yang digunakan pada alat penukar kalor plat datar ini adalah aliran silang dimana kedua fluidanya tak campur, fluida yang satu merupakan
aliran udara yang diperoleh langsung dari lingkungan, sedangkan fluida yang lain merupakan aliran gas dari pembakaran bahan bakar batubara yang berada dalam
tungku pembakaran .Besarnya temperatur yang keluar alat penukar kalor Td
out
dapat pula ditulis sebagaimana Persamaan 43 Kreith 1988.
. max
T Cd
Cp Td
Td
in out
43
Sesuai dengan Persamaan 33 dan Persamaan 41 maka diperoleh besarnya keseimbangan energi adalah:
d d
l l
l l
rg v
v v
v in
in
cp m
T cp
m A
I T
T UA
h V
A Td
T Cd
Cp Td
. .
. max
atau:
d d
l l
l l
rg v
v v
v
cp m
T cp
m A
I T
T UA
h V
A T
Cd Cp
. .
. max
Efektifitas alat penukar kalor secara analsis Єa adalah:
. max
. .
. max
. .
T cp
m T
cp m
A I
T T
UA h
V A
cp m
T Cd
Cp T
cp m
A I
T T
UA h
V A
p p
l l
l l
rg v
v v
v d
d l
l l
l rg
v v
v v
a
44
Efektifitas alat penukar kalor secara pengujian Єp adalah:
45
. max
. max
T cp
m Td
cp m
cp m
T cp
m cp
m Td
cp m
p p
d d
d d
d d
p p
d d
p
Contoh perhitungan pada persamaan efektifitas ini diperlihatkan pada Lampiran 9 dan Lampiran 10.
Setelah analisis perpindahan panas pada alat penukar kalor plat datar dan tungku pembakaran dilakukan maka selanjutnya faktor-faktor lain yang harus
dipertimbangkan adalah: mudah atau sulitnya pembersihan, besarnya ruang yang diperlukan, dan kekuatan material dalam menahan panas Tunggul 1992.
Metode Penelitian
Waktu dan Tempat Percobaan Tempat pembuatan alat penukar kalor serta tungku bahan bakar dan
tempat percobaan alat pengering surya GHE tipe kabinet ini dilaksanakan tahun
2005 dan tahun 2009 di Laboratorium FTI, Univ. Jayabaya dan di Laboratorium FATETA, IPB, Bogor.
Alat Ukur dan Bahan
Alat ukur yang digunakan pada penelitian ini adalah: timbangan, stop watchalat ukur waktu, alat tulis dan korek api, bahan bakar batubara, penyulut
bahan bakar batubara serta menggunakan alat penukar kalor plat datar dan tungku yang terbuat dari bahan aluminium. Bentuk tungku pembakaran bahan bakar
batubara disesuaikan dengan bentuk alat penukar kalor plat datar yang digunakan, sedangkan dimensi tungku pembakaran disesuaikan dengan jumlah bahan bakar
yang akan digunakan, sebagaimana Gambar 26.
Gambar 26 Alat penukar kalor dan tungku pembakaran Percobaan
Sebelum dilakukan suatu percobaan, terlebih dahulu diadakan analisis perpindahan panas dan seleksi material dari alat penukar kalor yang akan
digunakan dalam percobaan. Analisis energi panas didasarkan pada besarnya temperatur maupun jumlah energi panas yang akan dihasilkan alat penukar kalor
guna memenuhi kebutuhan ruang pengering, sedangkan seleksi material didasarkan pada penggunaan material yang berbentuk plat dengan ketebalan 1
mm, ketersediaan material dipasaran dan nilai konduktifitas thermal dari material tersebut. Setelah hasil analisis perpindahan panas diketahui dan seleksi material
yang dibutuhkan tersedia maka dilakukan pembuatan alat untuk percobaan pengering.
Hasil dan Pembahasan
Energi Panas dan Dimensi Alat Penukar Kalor
Setelah dilakukan perancangan dan analisis perpindahan panas dan pembuatan alat penukar kalor serta tungku pembakaran yang mampu menyuplai
panas kedalam ruang pengering hingga temperatur ruang pengering mencapai 60
o
C maka diperoleh bahwa jenis alat penukar kalor yang digunakan adalah alat penukar kalor plat datar dengan aliran silang antara satu fluida dengan fluida lain
dan kedua fluidanya tak bercampur. Alat penukar kalor ini memiliki panjang 40 cm, lebar 60 cm, tinggi 30 cm serta material aluminium dengan ketebalan plat
masing-masing sebesar 1 mm. Plat aluminium ini mampu memindahkan panas dengan baik dan perawatannya mudah serta tahan lama dalam penggunaannya.
Plat aluminum banyak diperjual belikan dipertokoan dalam bentuk lembaran dan dapat di pesan sesuai dengan ketebalan plat yang diharapkan. Ketersediaan plat
aluminium dengan berbagai macam ketebalan plat merupakan salah satu kelebihan penggunaan alat penukar kalor plat datar dimana alat penukar kalor ini
bisa dibuat sesuai dengan dimensi maupun jumlah laluan yang sesuai dengan kebutuhan. Jumlah laluan alat penukar kalor yang mengalirkan gas panas dari
tungku pembakaran ke cerobong adalan 11 laluan sedangkan jumlah laluan yang akan mengalirkan udara dari lingkungan kedalam ruang pengering adalah 12
laluan. Besarnya temperatur yang keluar alat penukar kalor menuju ruang pengering pada saat temperatur lingkungan Tl = 28
o
C adalah T
APK
= 83.3
o
C. Laju perpindahan panas pada alat penukar kalor tidak memperhitungkan adanya radiasi
matahari maka yang dibutuhkan sebesar q
APK
= 23,3 kJdet dan besarnya efektivitas analisis maupun efektivitas percobaan adalah
a
= 38.6 dan
p
= 34.5 . Dari persamaan tentang besarnya efektifitas pada penelitian ini terlihat
bahwa pengaturan kecepatan aliran fluida, dalam hal ini memperbesar atau memperkecil kecepatan aliran fluida tersebut dapat mencapai efektifitas yang
lebih tinggi. Hasil dari persamaan ini sejalan dengan hasil yang ditunjukkan oleh Napitupulu 2005 bahwa efektifitas akan naik hingga maksimum sejalan dengan
penambahan laju perpindahan panas maksimum dan disisi lain temperatur udara panas keluar dari alat penukar kalor akan turun.
Simpulan
Hasil penelitian pada bab ini dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Besarnya efektivitas analisis maupun efetivitas percobaan adalah
a
= 38.6 dan
p
= 34.5 .
2. Material alat penukar kalor aluminium dengan jumlah laluan gas panas dari tungku pembakaran sebanyak 11 laluan dan udara dari lingkungan adalah 12
laluan. Panjang P = 40 cm, lebar L = 60 cm dan tinggi T = 30 cm.
3. Temperatur udara dalam ruang pengering diharapkan sebesar, Trg = 60
o
C maka besarnya temperatur yang keluar alat penukar kalor menuju ruang
pengering pada saat temperautr lingkungan Tl = 28
o
C adalah T
d out
= 83.3
o
C, sedangkan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor tersebut sebesar
q
APK
= 23.3 kJdet.
BAB 6 PERCOBAAN PENGERINGAN SERTA SIMULASI DENGAN
Kategori