-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
1
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kopi merupakan salah satu komoditas penting di dalam perdagangan
dunia yang
melibatkan beberapa negara produsen dan banyak negara konsumen.
Selama 10
tahun terakhir, volume perdagangan kopi dunia dalam bentuk
ekspor dan impor
terus meningkat rata-rata 1,8% per tahun dan volume
perdagangannya mencapai
4,99 juta ton per tahun. Areal pertanaman kopi dunia relatif
tidak mengalami
perluasan, pada akhir tahun 1996 areal pertanaman kopi mencapai
10,74 juta
hektar. Kawasan utama budidaya kopi adalah Amerika Serikat dan
Afrika yang
menduduki dominasi sekitar 68% dengan areal sekitar 7,3 juta
hektar. Meskipun
bukan merupakan tanaman asli Indonesia, tanaman ini mempunyai
peranan
penting dalam industri perkebunan di Indonesia. Areal perkebunan
kopi di
Indonesia mencapai lebih dari 1,291 juta hektar dimana 96%
diantaranya adalah
areal perkebunan kopi rakyat. Laju perkembangan areal kopi di
Indonesia rata-
rata mencapai sebesar 1,9 - 2,2 % per tahun.
Perkembangan yang cukup pesat tersebut perlu di dukung dengan
kesiapan
teknologi dan sarana pasca panen yang cocok untuk kondisi petani
agar mereka
mampu menghasilkan biji kopi dengan mutu seperti yang
dipersyaratkan oleh
Standard Nasional Indonesia. Adanya jaminan mutu yang pasti,
ketersediaan
dalam jumlah yang cukup dan pasokan yang tepat waktu serta
keberlanjutan, serta
pengolahan biji kopi paska panen merupakan beberapa persyaratan
yang
dibutuhkan agar biji kopi rakyat dapat dipasarkan pada tingkat
harga yang lebih
menguntungkan.
Pengeringan merupakan hal yang sangat penting dalam proses yang
menentukan
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
2
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
kualitas kopi yang dihasilkan untuk dipasarkan kepada konsumen.
Dimana Proses
pengeringan bertujuan untuk mengurangi kandungan air dari dalam
biji kopi yang
semula 60 - 65 % sampai menjadi 12 %. Pada kadar air ini, biji
kopi relatif aman
untuk dikemas dalam karung dan disimpan di dalam gudang pada
kondisi
lingkungan tropis. Proses pengeringan dapat dilakukan dengan
cara penjemuran,
mekanis dan kombinasi keduanya. Dalam pengeringan yang
menggunakan
penjemuran secara alami menggunakan panas matahari dinilai tidak
efektif,
karena kemungkinan cuaca yang tidak dapat di control, sehingga
pengeringan
kopi menjadi kurang baik dan berpengaruh pada kualitas kopi yang
dihasilkan.
Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan pengeringan hasil
panen kopi pasca
panen dengan metode yang dapat mendukung kualitas produk yang
dihasilkan
oleh para petani. Metode yang dimaksud adalah pengeringan secara
mekanis
dengan menggunakan heat exchanger yang bertujuan untuk
mennaikan
temperature udara yang digunakan sebagai pengeringan kopi.
1.2. Tujuan
Adapun tujuan dari pembuatan pengeringan mekanis dengn
menggunakan heat
exchanger ini adalah sebaagai berikut :
1. Mempercepat proses pengeringan kopi.
2. Meningkatkan kualitas kopi.
3. Meningkatkan nilai jual kopi yang dihasilkan.
4. Meningkatkan perekonomian petani.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
3
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kopi
Kopi merupakan salah satu jenis tanaman perkebunan yang sudah
lama
dibudidayakan dan memiliki nilai ekonomis yang lumayan tinggi.
Konsumsi kopi
dunia mencapai 70% berasal dari spesies kopi arabika dan 26%
berasal dari
spesies kopi robusta. Kopi berasal dari Afrika, yaitu daerah
pegunungan di Etopia.
Namun, kopi sendiri baru dikenal oleh masyarakat dunia setelah
tanaman tersebut
dikembangkan di luar daerah asalnya, yaitu Yaman di bagian
selatan Arab,
melalui para saudagar Arab (Rahardjo, 2012).
Di Indonesia kopi mulai di kenal pada tahun 1696, yang di bawa
oleh VOC.
Tanaman kopi di Indonesia mulai di produksi di pulau Jawa, dan
hanya bersifat
coba-coba, tetapi karena hasilnya memuaskan dan dipandang oleh
VOC cukup
menguntungkan sebagai komoditi perdagangan maka VOC
menyebarkannya ke
berbagai daerah agar para penduduk menanamnya (Najiyanti dan
Danarti, 2004).
Sistematika tanaman kopi robusta menurut Rahardjo, (2012) adalah
sebagai
berikut:
Kingdom : Plantae
Sub kingdom : Tracheobionita
Divisi : Magnoliophyta
Kelas : Magnoliopsida
Sub Kelas : Astridae
Ordo : Rubiaceace
Genus : Coffea
Spesies : Coffea robusta
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
4
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
2.2 Jenis-Jenis Kopi
Di dunia perdagangan dikenal beberapa golongan kopi, tetapi yang
paling sering
dibudidayakan hanya kopi arabika, robusta, dan liberika. Pada
umumnya,
penggolongan kopi berdasarkan spesies, kecuali kopi robusta Kopi
robusta bukan
nama spesies karena kopi ini merupakan keturunan dari berapa
spesies kopi
terutama Coffea canephora (Najiyati dan Danarti, 2004).
Terdapat empat jenis kopi yang telah dibudidayakan, yakni:
2.2.1. Kopi Arabika
Kopi arabika merupakan kopi yang paling banyak di kembangkan di
dunia
maupun di Indonesia khususnya. Kopi ini ditanam pada dataran
tinggi yang
memiliki iklim kering sekitar 1350-1850 m dari permukaan laut.
Sedangkan di
Indonesia sendiri kopi ini dapat tumbuh dan berproduksi pada
ketinggian 1000
1750 m dari permukaan laut. Jenis kopi cenderung tidak tahan
Hemilia Vastatrix.
Namun kopi ini memiliki tingkat aroma dan rasa yang kuat.
2.2.2. Kopi Liberika
Jenis kopi ini berasal dari dataran rendah Monrovia di daerah
Liberika. Pohon
kopi liberika tumbuh dengan subur di daerah yang memilki tingkat
kelembapan
yang tinggi dan panas. Kopi liberika penyebarannya sangat cepat.
Kopi ini
memiliki kualitas yang lebih buruk dari kopi Arabika baik dari
segi buah dan
tingkat rendemennya rendah.
2.2.3. Kopi Canephora (Robusta)
Kopi Canephora juga disebut kopi Robusta. Nama Robusta
dipergunakan untuk
tujuan perdagangan, sedangkan Canephora adalah nama botanis.
Jenis kopi ini
berasal dari Afrika, dari pantai barat sampai Uganda. Kopi
robusta memiliki
kelebihan dari segi produksi yang lebih tinggi di bandingkan
jenis kopi Arabika
dan Liberika.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
5
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
2.2.4. Kopi Hibrida
Kopi hibrida merupakan turunan pertama hasil perkawinan antara
dua spesies atau
varietas sehingga mewarisi sifat unggul dari kedua induknya.
Namun, keturunan
dari golongan hibrida ini sudah tidak mempunyai sifat yang sama
dengan induk
hibridanya. Oleh karena itu, pembiakannya hanya dengan cara
vegetatif seperti
stek atau sambungan.
2.3. Konsep Dasar Pengeringan
Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan
pertanian menuju
kadar air kesetimbangan dengan udara sekeliling atau pada
tingkat kadar air
dimana mutu bahan pertanian dapat dicegah dari serangan jamur,
enzim dan
aktifitas serangga (Hederson and Perry, 1976). Sedangkan menurut
Hall (1957)
dan Brooker et al., (1974), proses pengeringan adalah proses
pengambilan atau
penurunan kadar air sampai batas tertentu sehingga dapat
memperlambat laju
kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia
sebelum bahan
diolah atau dimanfaatkan.
Pengeringan adalah proses pemindahan panas untuk menguapkan
kandungan air
yang dipindahkan dari permukaan bahan yang dikeringkan oleh
media
pengeringan yang biasanya berupa panas. Tujuan pengeringan
adalah mengurangi
kadar air bahan sampai dimana perkembangan mikroorganisme dan
kegiatan
enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti.
Dengan
demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan
yang lebih
lama.
Pengeringan merupakan salah satu cara dalam teknologi pangan
yang dilakukan
dengan tujuan pengawetan. Manfaat lain dari pengeringan adalah
memperkecil
volume dan berat bahan dibanding kondisi awal sebelum
pengeringan, sehingga
akan menghemat ruang (Rahman dan Yuyun, 2005).
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
6
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Dalam pengeringan, keseimbangan kadar air menentukan batas akhir
dari proses
pengeringan. Kelembapan udara nisbi serta suhu udara pada bahan
kering
biasanya mempengaruhi keseimbangan kadar air. Pada saat kadar
air seimbang,
penguapan air pada bahan akan terhenti dan jumlah
molekul-molekul air yang
akan diuapkan sama dengan jumlah molekul air yang diserap oleh
permukaan
bahan. Laju pengeringan amat bergantung pada perbedaan antara
kadar air bahan
dengan kadar air keseimbangan (Siswanto, 2004).
Semakin besar perbedaan suhu antara medium pemanas dengan bahan
pangan
semakin cepat pindah panas ke bahan pangan dan semakin cepat
pula penguapan
air dari bahan pangan. Pada proses pengeringan, air dikeluarkan
dari bahan
pangan dapat berupa uap air. Uap air tersebut harus segera
dikeluarkan dari
atmosfer di sekitar bahan pangan yang dikeringkan. Jika tidak
segera keluar, udara
di sekitar bahan pangan akan menjadi jenuh oleh uap air sehingga
memperlambat
penguapan air dari bahan pangan yang memperlambat proses
pengeringan
(Estiasih, 2009).
2.4. Pengeringan Biji Kopi
Kombinasi suhu dan lama pemanasan selama proses pengeringan pada
komoditi
biji-bijian dilakukan untuk menghindari terjadinya kerusakan
biji. Suhu udara,
kelembaban relatif udara, aliran udara, kadar air awal bahan dan
kadar akhir
bahan merupakan faktor yang mempengaruhi waktu atau lama
pegeringan
(Brooker et al., 1974).
Biji kopi yang telah dicuci mengandung air 55%, dengan jalan
pengeringan
kandungan air dapat diuapkan, sehingga kadar air pada kopi
mencapai 8-10%.
Setelah dilakukan pengeringan maka dilanjutkan dengan perlakuan
pemecahan
tanduk. Pengeringan dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu:
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
7
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
1. Pengeringan dengan sinar matahari, dengan cara semua biji
kopi
diletakkan dilantai penjemuran secara merata.
2. Pengeringan dengan menggunakan mesin pengering, dimana pada
mesin
pengering tersebut terdiri atas tromol besi dengan dindingnya
berlubang
lubang kecil (Aak, 1980).
Pengeringan pada kopi biasanya dilakukan dengan tiga cara yaitu
pengeringan
secara alami, buatan, dan kombinasi antara alami dan buatan.
2.4.1. Pengeringan Alami
Pengeringan alami hanya dilakukan pada musim kemarau karena
pengeringan
pada musim hujan tidak akan sempurna. Pengeringan yang tidak
sempurna
mengakibatkan kopi berwarna coklat, berjamur, dan berbau apek.
Pengeringan
pada musim hujan sebaiknya dilakukan dengan cara buatan atau
kombinasi cara
alami dan buatan. Pengeringan secara alami sebaiknya dilakukan
dilantai semen,
anyaman bambu, atau tikar. Kebiasaan menjemur kopi di atas tanah
akan
menyebabkan kopi menjadi kotor dan terserang cendawan (Najiyati
dan Danarti,
2004).
Cara penjemuran kopi yang baik adalah dihamparkan di atas lantai
dengan
ketebalan maksimum 1.5 cm atau sekitar 2 lapisan. Setiap 12 jam
hamparan kopi
di bolak-balik dengan menggunakan alat menyerupai garuh atau
kayu sehingga
keringnya merata. Bila matahari terik penjemuran biasanya
berlangsung selama
1014 hari namun bila mendung biasanya berlangsung 3 minggu
(Najiyati dan
Danarti, 2004).
2.4.2. Pengeringan Buatan
Pengeringan secara buatan biasanya dilakukan bila keadaan cuaca
cenderung
mendung. Pengeringan buatan memerlukan alat pengering yang
hanya
memerlukan waktu sekitar 18 jam tergantung jenis alatnya.
Pengeringan ini
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
8
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
dilakukan melalui dua tahap. Tahap pertama, pemanasan pada suhu
65-100 oC
untuk menurunkan kadar air dari 54% menjadi 30%. Tahap kedua
pemanasan
pada suhu 5060 oC untuk menurunkan kadar air menjadi 8-10%
(Najiyati dan
Danarti, 2004).
2.4.3. Pengeringan Kombinasi Alami dan Buatan
Pengeringan ini dilakukan dengan cara menjemur kopi di terik
matahari hingga
kadar air mencapai 30%. Kemudian kopi dikeringkan lagi secara
buatan sampai
kadar air mencapai 8-10%. Alat pengering yang digunakan ialah
mesin pengering
otomatis ataupun dengan rumah (tungku) pengering. Prinsip kerja
kedua alat
hampir sama yaitu pemanasan kopi dengan uap/udara di dalam ruang
tertutup
(Najiyati dan Danarti, 2004).
2.5. Alat Penukar Kalor
2.5.1. Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan
dari suatu tempat
ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan
sama sekali. Dalam
suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu
suatu zat dan
atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara
langsung, yaitu fluida
yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin
tanpa adanya
pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida
panas dan fluida
dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh
sekat-sekat pemisah.
Stabilitas fasa fluida pada HE suhu rendah sangat penting
mengingat aliran
panas/dingin harus dapat mengalir dengan baik (viscositas
optimal). Pengaruh
suhu, tekanan, dan jenis kriogenik akan sangat menentukan
efektivitas pertukaran
panas yang terjadi. Beberapa kriteria utama HE yang dibutuhkan
untuk
penggunaan pada suhu rendah:
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
9
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
1. Perbedaan suhu aliran panas dan dingin yg kecil guna
meningkatkan
efisiensi
2. Rasio luas permukaan terhadap volume yg besar untuk
meminimalkan
kebocoran
3. Perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas
permukaan
4. Massa yg rendah untuk meminimalkan waktu start up
5. Kemampuan multi channel untuk mengurangi jumlah HE
6. Kemampuan menerima tekanan yg tinggi
7. Pressure Drop yg rendah
Minimalisasi beda suhu aliran panas & dingin harus juga
memperhatikan
pengaruh suhu terhadap panas spesifik (Cp) fluida. Jika Cp
menurun dengan
menurunnya suhu fluida (contoh Hidrogen), maka perbedaan suhu
inlet & outlet
harus ditambah dari harga minimal beda suhu aliran
2.6. Heat Exchanger
Heat Exchanger merupakan peralatan yang digunakan untuk
perpindahan panas
antara dua atau lebih fluida. Banyak jenis Heat Exchanger yang
dibuat dan
digunakan dalam pusat pembangkit tenaga, unit pendingin, unit
produksi udara,
proses di industri, sistem turbin gas, dan lain lain. Dalam Heat
Exchanger tidak
teradi pencampuran seperti dalam halnya suatu Mixing Chamber.
Dalam radiator
mobil misalnya, panas berpindah dari air yang panas yang
mengalir dalam pipa
radiator ke udara yang mengalir dengan bantuan fan.
Menurut T. Kuppan (2000) suatu Heat Exchanger terdiri dari
elemen penukar
kalor yang disebut sebagai inti atau matrix yang berisikan di
dinding penukar
panas, dan elemen distribusi fluida seperti tangki, nozle
masukan, nozle keluaran,
pipa-pipa, dan lain-lain. Biasanya, tidak ada pergerakan pada
bagian-bagian dalam
Heat Exchanger. Namun, ada perkecualian untuk Regenerator Rotary
dimana
matriksnya digerakan berputar dengan kecepatan yang dirancang.
Dinding
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
10
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
permukaan Heat Exchanger adalah bagian yang bersinggungan
langsung dengan
fluida yang mentransfer panasnya secara konduksi.
Menurut Changel (1997) hamper disemua Heat Exchanger ,
perpindahan panas
didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke
fluida dingin, dimana
keduanya dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara
konveksi sangat
dipengaruhi oleh bentuk geometri Heat Exchanger dan tiga
bilangan tak
berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan
bilangan Prandtl fluida.
Besar konveksi yang terjadi dalam suatu double-pipe heat
exchanger akan
berbeda dengan cros-flow heat exchanger atau compact heat
exchanger atau plate
heat exchanger untuk berbeda temperatur yang sama. Sedang besar
ketiga
bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada kecepatan
aliran serta property
fluida yang meliputi massa enis, viskositas absolut, panas jenis
dan konduktivitas
panas.
2.7.1. Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam
industri
perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder
besar) dimana
didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter
yang relative
kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan
fluida lainnya
mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell. Alat
penukar panas
cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang
dihubungkan secara
parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ).
Fluida yang satu
mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain
mengalir di luar pipa
pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung
pipa tersebut
dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk
meningkatkan
effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas
cangkang dan buluh
dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat
turbulensi aliran fluida dan
menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan
sekat akan
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
11
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja
pompa, sehingga
laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Ada beberapa fitur desain termal yang akan diperhitungkan saat
merancang
tabung di shell dan penukar panas tabung. Ini termasuk:
a. Diameter pipa
Menggunakan tabung kecil berdiameter membuat penukar panas
baik
ekonomis dan kompak. Namun, lebih mungkin untuk heat
exchanger
untuk mengacau-balaukan lebih cepat dan ukuran kecil membuat
mekanik
membersihkan fouling yang sulit. Untuk menang atas masalah
fouling dan
pembersihan, diameter tabung yang lebih besar dapat digunakan.
Jadi
untuk menentukan diameter tabung, ruang yang tersedia, biaya dan
sifat
fouling dari cairan harus dipertimbangkan.
b. Ketebalan tabung
Ketebalan dinding tabung biasanya ditentukan untuk
memastikan:
Ada ruang yang cukup untuk korosi
Itu getaran aliran-diinduksi memiliki ketahanan
Axial kekuatan
Kemampuan untuk dengan mudah stok suku cadang biaya
Kadang-kadang ketebalan dinding ditentukan oleh perbedaan
tekanan
maksimum di dinding.
c. Panjang tabung
penukar panas biasanya lebih murah ketika mereka memiliki
diameter
shell yang lebih kecil dan panjang tabung panjang. Dengan
demikian,
biasanya ada tujuan untuk membuat penukar panas selama
mungkin.
Namun, ada banyak keterbatasan untuk ini, termasuk ruang yang
tersedia
di situs mana akan digunakan dan kebutuhan untuk memastikan
bahwa ada
tabung tersedia dalam panjang yang dua kali panjang yang
dibutuhkan
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
12
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
(sehingga tabung dapat ditarik dan diganti). Juga, itu harus
diingat bahwa
tunggal, tabung tipis yang sulit untuk mengambil dan
mengganti.
d. Tabung pitch
ketika mendesain tabung, adalah praktis untuk memastikan bahwa
tabung
pitch (yaitu jarak pusat-pusat tabung sebelah) tidak kurang dari
1,25 kali
diameter luar tabung '
Shell and tube penukar panas terdiri dari serangkaian tabung.
Satu set dari tabung
berisi cairan yang harus baik dipanaskan atau didinginkan.
Cairan kedua berjalan
lebih dari tabung yang sedang dipanaskan atau didinginkan
sehingga dapat
menyediakan panas atau menyerap panas yang dibutuhkan. Satu set
tabung
disebut berkas tabung dan dapat terdiri dari beberapa jenis
tabung: polos, bersirip
longitudinal dll Shell dan penukar panas tabung biasanya
digunakan untuk
aplikasi tekanan tinggi (dengan tekanan lebih besar dari 30 bar)
dan suhu lebih
besar dari 260 C. Hal ini karena shell dan penukar panas tabung
yang kuat
karena bentuknya.
2.8. Jenis-jenis Shell and Tube :
2.8.1. Fixed Tube Sheet atau Fixed Head (Type L, M, atau N)
Fixed-tube-sheet heat exchanger lebih sering digunakan
dibandingkan jenis
lainnya, dan frekuensi penggunaannya meningkat beberapa tahun
terakhir ini.
Tibesheet dilas atau digabungkan dengan shell. Biasanya
perluasan melewati shell
dan bertindak sebagai flanges, dimana tube-side header ini
dibaut. Konstruksi ini
menyebabkan shell and tueb sheet material menyatu satu sama
lain.
Ketika pengelasan tidaklah mungkin, konstruksi tipe blind-gasket
digunakan.
Blind gasket tidak dapat diakses untuk pemeliharaan atau
penggantian ketika unit
telah dibangun. Konstruksi ini digunakan untuk steam surface
condenser, yang
beroperasi di bawah vakum
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
13
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Gambar 2.1. Fixed tuveSheet Exchanger
Tube side header (atau channel) dapat dilas pada tubesheet.
Seperti ditunjukkan
gambar diatas jenis C dan N, konstruksi jenis ini sedikit lebih
mahal dibandingkan
dengan jenis B dan M atau A dan L masih memberikan keuntungan
dimana
tabung mungkin diuji atau digantikan tanpa mengganggu pipa
penghubung tube-
side. Tidak ada pembatasan atas banyaknya aliran tube-side.
Aliran shell-side
dapat satu atau lebih, walaupun shell dengan lebih dari 2 aliran
side-shell jarang
digunakan.
Tabung dapat dengan sepenuhnya mengisi heat exchanger shell.
Jarak antara
tabung yang paling jauh atau paling luar dan shell hanya
merupakan kebutuhan
yang minimum untuk pembuatan. Antara bagian dalam shell dan
baffles terdapat
jarak yang harus diberikan, sehingga baffles dapat bergeser
terhadap shell.
Toleransi pembuatan memerlukan beberapa jarak tambahan antara
bagian luar
dari baffles dan tabung yang paling jauh atau paling luar. Jarak
tepi antara tabung
yang luar (OTL) dan diameter baffle harus sesuai untuk mencegah
getaran tabung
dari patahan sampai lubang baffle. Tabung yang paling luar pasti
termasuk dalam
OTL. Jarak antara diameter shell dan OTL sekitar 13 mm (1/2 in)
untuk 635 mm
(25 in) di dalam diameter shell dan keatasnya, 11 mm (7/16 in)
untuk 254 mm-
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
14
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
610 mm (10 in-24 in) pipe shell, dan kurang untuk diameter pipe
shell yang lebih
kecil.
Tabung dapat digantikan. Tube-side-header, channel cover, gasket
dan lainnya
dapat dilakukan pemeliharaan dan penggantian namun tidak untuk
struktur shell-
side baffle maupun blind gasket. Selama perpindahan tabung,
tabung dapat patah
sampai shell. Ketika hal itu terjadi, akan menjadi sangat sulit
untuk memindahkan
dan menggantikan tabung. Prosedur yang umum adalah menutup
lubang yang
sesuai pada tube sheet.
Perluasan yang berbeda antara shell dan tube dapat berkembang
dikarenakan
perbedaan dalam panjang yang disebabkan oleh ekspansi thermal.
Berbagai jenis
sambungan ekspansi digunakan untuk menghilangkan tegangan yang
berlebihan
yang disebabkan oeh perluasan/pemuaian. Kebutuhan akan sambungan
ekspansi
merupakan kegunaan dari jumlah perbedaan ekspansi antara
lain.
Penanganan yang salah selama pembuatan, pemindahan, pemasangan
atau
perawatan heat exchanger dilengkapi dengan jenis bellow
berdinding tipis atau
tipe sambungan ekspansi torodial dapat merusak sambungan. Di
dalam unit yang
lebih besar, light-wall-joint ini peka terhadap kerusakan dan
beberapa perancang
memilih penggunaan dinding yng lebih berat dari formed
heads.
2.8.2. U-Tube Heat Exchanger
Tube bundle yang berisi stationary tube sheet, u-tubes, baffle
atau plat pendukung,
tie rods dan spaces yang sesuai. Tube bundle dapat dipindahkan
dari heat
exchanger shell. Suatu tube sider (stationary head) dan shell
dengan integral shell
cover, yang dimana dilas pada shell, telah disediakan.
Masing-masing tabung
bebas untuk memperluas tanpa ada batasan ditempatkan diatasnya
oleh tabung
lain.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
15
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
U-tube bundle memiliki keuntungan jarak yang minimum antara
batas tabung luar
dan bagian dalam shell untuk perpindahan konstruksi tube bundle
apapun. Jarak
merupakan sama pentingnya seperti pada fixed-tube-sheet heat
exchanger.
Gambar 2.2. U-Tube Heat Exchanger
Banyaknya lubang tabung yang diberikan shell lebih sedikit untuk
fixed-tube-
sheet exchanger karena pembatasan pada pembengkokkan tabung pada
radius
yang sangat pendek. Desain U-tube memberikan keuntungan untuk
mengurangi
banyaknya sambungan. Pada konstruksi bertekanan tinggi, bentuk
ini menjadi
penting dipertimbangkan dalam mengurangi biaya awal dan
pemeliharaan.
Penggunaan konstruksi U-tube telah meningkat dengan pengembangan
tentang
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
16
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
pembersih tabung hidrolik, yang dapat memindahkan residu dari
bagian lurus dan
bengkokan U pada tabung.
Rods dan tabung mekanis pembersih konvensional tidak bisa lewat
dari satu ujung
u-tube ke ujung lainnya. Terdapat power driven tube cleaner,
yang dapat
membersihkan kaki tabung yang lurus dan bengkokan tabung.
Pengaliran hidrolik
dengan mendorong air melalui nozzle pada tekanan.
Alat pemanas tangki penghisap, seperti pada gambar 2.5, terdapat
U-tube bundle.
Desain ini sering digunakan dengan tangki penyimpanan di luar
untuk bahan
bakar minyak berat, tar, molases dan fluida yang memiliki
viskositas kecil agar
mudah untuk dipompa. Biasanya media pemanasan tube side berupa
uap. Satu
ujung shell pemanas terbuka, dan cairan dipanaskan melewati
bagian luar dari
tabung. Biaya pompa dapat dikurangi tanpa memanaskan keseluruhan
muatan
tangki. Bare fin-tube dan integral low-fin tube dilengkapi
dengan baffles.
Pemanas longitudinal fin-tube tidak di-baffle. Fin sering
digunakan untuk
mengurangi potensi pencemaran fluida tersebut.
U-tube exchanger dengan tabung tembaga, cast iron headers, dan
bagian lain
yang merupakan baja karbon digunakan untuk air dan uap di dalam
bangunan
kantor, sekolah, rumah sakit, hotel dan lain-lain. Lembar tabung
non-ferrous atau
90-10 tabung tembaga-nikel adalah yang paling sering digunakan
sebagai material
pengganti. Standar exchangers ini tersedia dari sejumlah harga
sebenarnya yang
jauh di bawah peralatan industri proses.
2.8.3. Packed-Lantern-Ring Exchanger
Konstruksi ini merupakan straight-tube bundle yang dapat
dipindahkan yang
sedikit mahal. Bagian-bagian dari heat exchange jenis ini dapat
dilihat pada
gambar berikut.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
17
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Gambar 2.3. Packed-Lantern-Ring Exchanger
Fluida shell dan tube side masing-masing berisi dengan cincin
terpisah dari
kemasan terpisah dengan suatu lantern ring dan dipasang pada
floating tube sheet.
Lantern ring dilengkapi dengan weep holes. Kebocoran yang
melewati packing
pergi melewati weep holes dan kemudian menetes ke tanah.
Kebocoran di packing
tidak akan mengakibatkan pencampuran dua cairan di dalam
exchanger.
ring dan differential expansion. Terkadang skirt digabungkan
dengan tube sheet
tipis untuk memberikan permukaan pada packing dan lantern ring.
Jarak antara
batas tabung yang luar dan bagian dalam shell adalah sedikit
lebih besar dari yang
untuk fixed-tube-sheet dan U-tube exchangers. Penggunaan
floating-tube-skirt
menyebabkan peningkatan jarak ini. Tanpa skirt, jarak harus
dipertimbangkan
untuk gangguan lubang tabung selama tabung menggoncang dekat
tepi luar
tabung atau untuk pengelasan ujung tube pada floating tube
sheet.
2.8.4. Outside-Packed-Floating Heat Exchanger
Fluida dari sisi shell mengandung balutan dari banyak cincin,
yang ditekan
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
18
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
diantara kotak isian dengan balutan penyokong cincin. Dulu,
konstruksi ini sering
digunakan di industri kimia, tapi beberapa tahun belakangan ini
penggunaannya
telah berkurang. Konstruksi bundle yang dapat dipindahkan
menyesuaikan dengan
perbedaan ekspansi antara shell dan tube dan penggunaannya untuk
perbaikan
bagian shell hingga 4137 kPa dan 600 lbf/ in2 pada 3160C
(6000F). Tidak
terdapat batasan angka pada jumlah dari sisi tube yang dilalui
atau pada desain
tekanan dan temperature bagian tube. Outside-packed floating
heat exchanger
merupakan tipe umum yang sering digunakan untuk konstruksi
bundle yang dapat
dipindahkan di industri kimia.
Gambar 2.4. Outside-Packed-Floating Heat Exchanger
Saat floating-tube-sheet skirt mengalami kontak dengan balutan
dari cincin, dapat
menghaluskan akhir mesin. Split-shear-ring masuk pada alur
floating-tube-sheet
skirt. Slip on backing flange, pada saat penggunaannya, ditahan
di tempat untuk
shear ring, terpasang pada external floating-head cover.
Floating head cover biasanya berupa cakram bundar, dengan
sejumlah ganjil dari
tube-side passes, nozzle aksial bisa dipasang pada floating-head
cover. Jika sisi
nozzle diperlukan, cakram bundar diganti oleh dished head atau
channel barrel
terpasang diantara floating-head cover dan floating-tube-sheet
skirt.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
19
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
2.8.5. Internal Floating Head Exchanger
Desain internal-floating-head exchanger digunakan secara
ekstensif di jasa
pertroleum refinery, tapi beberapa tahun belakangan ini,
penggunaannya menurun,
Tube bundle lebih mudah dipindahkan dan floating tube sheet yang
bergerak (
atau mengambang ) dapat menyesuaikan dengan perbedaan ekspansi
antara shell
dan tube. Batas tube terluar mendekati diameter bagian dalam
gasket pada floating
tube sheet. Jarak (antara shell dan OTL) adalah 29 mm (1 1/8 in)
untuk shell pipa
dan 37 mm (1 7/16 in untuk diameter plate shell sedang).
Split backing ring dan baut biasanya menahan floating head cover
pada floating
tube sheet. Split backing ring dan baut biasanya terletak
melebihi ujung shell dan
di dalam cover-shell berdiameter besar. Shell cover, split
backing ring, dan
floating head cover harus dipindahkan sebelum tube bundle bisa
melewati
exchanger shell.
2.8.6. Pull-Through-Floating Heat Exchanger
Konstruksinya sama seperti internal-floating-head split-backing
ring exchanger
kecuali floating-head covernya yang terpasang tepat pada
floating tube sheet,
Tube bundle dapat diambil tanpa memindahkan shell cover atau
floating-head
cover. Hal ini dapat mengurangi waktu perawatan saat pemeriksaan
dan
perbaikan.
Jarak yang besar antara shell dan tube harus tesedia untuk
gasket dan baut pada
floating-head cover. Jaraknya sekitar 2-2,5 kali dibandingkan
dengan desain yang
dibutuhkan split-ring. Sealing strips atau dummy tubes biasanya
dipasang untuk
mengurangi tube bundle yang melewati.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
20
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Gambar 2.5. Pull-Through-Floating Heat Exchanger.
2.8.7. Falling-Film Exchangers
Falling film shell and tube heat exchanger telah dikembangkan
untuk macam-
macam pelayanan dan dibuat oleh Sack (Chem.eng
program,63,55(juli 1967)).
Fluida masuk di puncak vertical tabung, Distributor atau slotted
tubes menyimpan
liquid di aliran film di dalam permukaan tubes, dan film
menempel pada
permukaan tabung saat jatuh ke dasar tabung. Fil dapat
didinginkan. Dipanaskan,
diuapkan atau dibekukan (oleh medium perpindahan panas yang
cocok) di luar
tabung. Tube distributor telah dikembangkan untuk berbagai macam
aplikasi.
Fixed tube sheets dengan atau tanpa sambungan ekspansi dan
outside-packed head
adalah desain yang digunakan.
2.8.8. Split-backing-ring Floating Head (Type S)
Satu tubesheet fix dengan baik pada shell dan tubesheet satunya
terapung, dan
dimungkinkan untuk memindahkan secara terpisah antara shell side
dan tube side,
serta seluruh tube bundle dapat dilepas. Untuk memisahkan antara
fluida pada
shell dengan fluida yang melewati tube side, maka dipergunakan
flanged cover
yang dibautkan pada split backing ring pada sisi lain tubesheet.
Akses ke tube end
pada stationary end hanya dapat dilakukan dengan melepaskan head
cover,
sedangkan akses ke tube end pada floating head end dilakukan
dengan melepas
shell cover, split back ring dan floating head cover.
Ada internal joint pada type ini sehingga membutuhkan design
yang sangat hati
hati dan cermat.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
21
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Gambar 2.6. Split-backing-ring Floating Head (Type S)
2.8.9. Outside Packed floating head (Type P)
Untuk memasukkan fluida dari tube side ke floating head, salah
satu silindrical
barrel (Skirt) dilaskan pada sisi luar floating tubesheet,
sementara lainya
ditetapkan dengan sebuah slip on backing flange dan flat cover.
Backing flange
dipasang dengan sebuah split shear ring yang ditempatkan dalam
celah pada skirt,
keberadaan split shear ring memungkinkan bagi flange dan cover
untuk dilepas.
Tekanan dan temperatur pada shell side terbatas pada 20 bar dan
300 deg C.
2.8.10. Bayonat tube
Pada type ini, tube bagian luar, tube bagian dalam dan shell
side dapat dilepaskan
secara bebas. Type ini cocok untuk perbedaan temperatur yang
extrim antara
kedua fluida di shell side dan tube side. Free end masing-masing
pipa bagian luar
di seal ke sebuah cover Shell side biasanya dilengkapi dengan
buffle seperti
halnya type lain, akan tetapi untuk ukuran shell vertikal yang
relative pendek
kadang
tidak diperlukan adanya buffle. Secara garis besarnya ada dua
Tahap Detail
Design untuk Shell and Tube Heat Exchanger.
Tahap pertama adalah Thermal Design dan selanjutnya diteruskan
dengan
Mechanical Design. Output atau hasil yang diperoleh pada Thermal
design akan
menjadi data input untuk Mechanical design.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
22
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
2.8.11. Double bundle Vaporizer
Double type ini adalah spesial design non-TEMA dan cocok
dipergunakan untuk
penguapan liquid pada temperatur yang rendah. Meskipun dapat
dipenuhi dengan
single bundle, akan tetapi spesial design diperlukan untuk
mencegah pembekuan
kondensate. Bundle bagian bawah berperan sebagai kettle yang
memanaskan
fluida dalam shell dan pendinginan terjadi pada fluida pada tube
side, sementara
itu bundle bagian atas berperan menurunkan kembali temperatur
fluida dapam
shell dan menyerap panasnya untuk menguapkan fluida dingin pada
tibe side pada
bundle atas ini.
2.8.12. Keuntungan shell & tube exchanger :
1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang
lebih
besar
2. Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup
baik
untuk operasi bertekanan.
3. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi
4. Prosedur pengopersian lebih mudah
5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia
6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah
2.9. Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran
2.9.1. Koefisien Perpindahan Panas
Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka
kesetimbangan energi
dapat digunakan untuk menentukan temperatur fluida yang
bervariasi dan nilai
total transfer panas konveksi Qconv tergantng dari laju aliran
massa. Jika perubahan
energi kinetik dan energi potensial diabaikan, maka pengaruh
yang signifikan
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
23
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
adalah perubahan energi thermal dan fluida kerja. Sehingga
kesetimbangan energi
tergantung pada 3 variable, yang dapat dirumuskan sebagi berikut
:
)( ,, ifofpchconv TTCmQ
(2.1)
DImana Qconv = total transfer panas (W)
chm
= aliran massa yang melalui celah (kg/s)
pC = koefisien pepindahan panas (Kj/kg.K)
ofT , = temperatur fluida keluar (oC)
ifT , = temperatur fluida masuk (oC)
2.9.2. Bilangan Reynold
Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang
merupakan
pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar dapat
dilihat pada gambar
berikut :
Gambar 2.7. Daerah aliran lapisan batas plat rata
Pengelompokan aliran yang mengalir tersebut dapat diketahui
dengan bilangan
Reynold, sebagai berikut :
XUXU ...Re (2.2)
Dimana Re : Bilangan Reynold
U : Kecepatan aliran bebas
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
24
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
X : Jarak dari tepi depan
= / : Viskositas kinematic
Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re
> 5.105, untuk aliran
sepanjang plat rata, lapisan batas selalu turbulen untuk Re
4.106. Untuk aliran
dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.8. Diagram aliran dalam tabung
Pada aliran dalam tabung, aliran turbulen biasanya pada
2300..
Re .
dUdU mm
2.9.3. Bilangan Nusselt dan angka Prandtl
Parameter yang menghubungkan ketebalan relative antara lapisan
batas
hidronamik dan lapisan batas termal adalah maksud dari angka
prandtl, angka ini
dapat ditentukan dengan menggunakana tabel, maupun
denganmenggunakan
persamaan, seperti berikut ini :
k
C p
CpK
.
Pr.
(2.3)
Angka nuselt dirumuskan sebagai berikut :
k
XhNu xx
. (2.4)
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
25
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Dimana Pr : Angka Prandtl
xNu : Angka Nusselt
h : Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2 o
C)
k : Konduktifitas Termal Fluida (W/m oC)
Untuk pat yang dipanaskan pada keseluruhan panjangnya, memiliki
persamaan
Nusselt sebagai berikut :
21
Re193,0618.0
xrD PNu (2.5)
Persamaan diatas berlaku untuk fluida yang mempunyai nilai
reynold
0.4
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
26
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
31
21
PrRe6795,0
/
L
w
w
kLqTT (2.10)
2.9.4. Menentukan Long Mean Different Temperature
Persamaan long mean different temperature dapat digunakan pada
aaliran fluida
dengan property emperatur keluar dan masuk baik fluida panas dan
dingin
diketahui, sehingga dapat menggunakan long mean different
ttemperature seperti
persamaan berikut ini :
1
2
12
lnT
T
TTTLMTD
(2.11)
2.9.5. Menentukan panajang pipa
Dalam merancang suatu heat exchanger, panjang merupakan hal yang
sangat
menetukan berapa lama dan berapa laju yang digunakan dalam heat
exchanger
tersebut, untuk menentukan panjang tersebut dapat menggunakan
persamaan
berikut ini :
FTLMTDUD
QL
....
(2.12)
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
27
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
III. METODE PELAKSANAAN
3.1. Komponen Mesin Pengering Kopi
3.1.1. Heat Exchanger tipe shell in tube
Pada mesin pengering kopi secara mekanik yang menggunakan
udara
bertemperatur pengeringan sebagai inti pengering, digunakan alat
penukar kalor
atau heat exchanger yang berfungsi untuk menaikan temperature
inlet udara
sebelum melalui heat exchanger hingga memiliki temperature yang
ideal dalam
pengeringan. Pada mekanismenya tipe heat exchanger yang
digunakan adalah
shell in tube dimana property pada heat exchanger adalah sebagai
berikut :
1. Fluida yang dipanaskan : Udara
a. Temperatur masuk : 25oC
b. Temperatur keluar : 60oC
2. Fluida pemanas : Geothermal
a. Temperatur masuk : 175oC
b. Temperatur keluar : 150oC
3.1.2. Pemilihan Material
Agar dapat memindahkan panas dengan baik, material tabung harus
mempunyai
thermal conductivity. Karena panas ditransfer dari suatu sisi
yang panas menuju
sisi yang dingin melalui tabung, terdapat perbedaan temperature
sepanjang lebar
tabung. Karena ada kecenderungan material tabung untuk
mengembang berbeda-
beda secara thermal pada berbagai temperature thermal stresses
muncul selama
operasi. Hal ini sesuai terhadap tegangan dari tekanan tinggi
dari fluida itu sendiri.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
28
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Material tabung juga harus sesuai dengan kedua hal yaitu sisi
shell dan sisi tube
yang dialiri untuk periode lama dibawah kondisi-kondisi operasi
(temperature,
tekanan, pH, dan lain-lain) untuk memperkecil hal yang buruk
seperti korosi.
Semua yang dibituhkan yaitu melakukan pemilihan seksama atas
bahan yang kuat,
thermal-conductive, corrosion resistant, material tabung bermutu
tinggi, yang
secara khas berbahan metal. Pilihan material tabung yang buruk
bisa
mengakibatkan suatu kebocoran melalui suatu tabung antara sisi
shell dan tube
yang menyebabkan fluida yang lewat terkontaminasi dan
kemungkinan hilangnya
tekanan.
Dalam perancangan heat exchanger ini digunakan beberapa komponen
dengan
material yang berbeda, untuk mendukung perpindahan panas yang
terjadi pada
saat pengoprasian heat exchanger. Adapun property material yang
digunakan
adalah :
1. Shell
Shel atau tabung tempat peletakan komponenkomponen heat
exchanger
lain, pada bagian shell ini property material yang digunakan
adalah :
Material : Baja AISI 316
Alasan : digunakan baja AISI 316 karena jenis material ini
memiliki konduktivitas termal yang rendah, oleh
karenanya direncanakan agar temperature dari dalam
tidak keluar menuju lingkungan.
Gambar 3.1. shel
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
29
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
2. Tube
Pada tube ini, fluida yang mengalir adalah udara, dan merupakan
fluida
untuk proses pengeringan kopi, oleh karenanya diperlukan
material yang
mampu mendistribusikan temperature dengan baik yaitu :
Material : Copper pure
Alasan : Karena jenis material copper pure atau tembaga
murni
digunakan karena memiliki konduktivitas termal yang
baik, segingga temperature yang diterima akan lebih baik.
Gambar 3.2. Pipa tembaga
3. Buffle
Buffle merupakan penyalur atau pembatas fluida yang
digunakan
sebagai pemanas pada heat exchanger dalam perancangan ini
digunakan
property maerial sebagai berikut :
Material : AISI 316
Alasan : digunakan material AISI 316 karena dengan pada
bufflen
tcapaian utama yang diinginkan adalah pengarah fluida
dan proses pembentukan aliran menjadi turbulen, agar
perpindahan panas lebih cepat. AISI 316 ini memiliki
kekuatan yang baik untuk menahan aliran turbulen dan
bekerja pada temperature dibawah 1670 dan memiliki
harga yang relative lebih murah dari pada menggunaka
tembaga.
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
30
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Gambar 3.3. Buffle
3.1.2. Blower
Blower sentrifugal mengolah udara atau gas yang masuk dalam arah
aksial dan
keluar dalam arah radial. Tipe blower ini mempunyai 3 bilah:
bilah radial atau
lurus, bilah bengkol maju (forward curved blade), dan bilah
bengkol mundur
(backward curved blade). Blower bilah radial biasanya digunakan
dalam aplikasi
yang mempunyai temperatur tinggi dan diameter yang besar. Bilah
yang dalam
arah radial mempunyai tegangan (stress) yang sangat rendah
dibandingkan dengan
bilah bengkol maju ataupun mundur. Rotor mempunyai 4-12 bilah
dan biasanya
beropeasi pada kecepatan rendah. Blower ini digunakan dalam
kerja buangan
(exhaust work), khususnya untuk gas-gas pada temperatur tinggi
dan dengan
suspensi dalam alirannya. Dalam perancangan ini digunakan blower
dengan
property sebagai berikut :
Tipe : Blower Sentrifugal
Merk : CZQ-35
Debit : 0,5 m3/menit
Gambar 3.4. Blower Sentrifugal
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
31
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
3.2. Perhitungan
Dalam perhitungan nilai transfer panas untuk menenrukan dimensi
heat exchanger
yang ideal untuk pengeringan kopi ini menggunakan beberapa
asumsi perhitungan
sebagai berikut: diasumsikan laju aliran pada blower dalam
keadaan konstan dan
property geothermal diasumsikan sama dengan property air, sesuai
dengan
temperature kerja pada geothermalnya serta diasumsikan
perpindahan panas tidak
ada yang terbuang menuju lingkungan. Dimana perhitungan untuk
mendaatkan
dimensi heat exchanger tersebut adalah:
3.2.1. Menghitung laju aliran fluida (
m )
Dalam menentukan laju aliran untuk geothermal, menggunakan
kesetimbangan
energy dengan property dan perhitungan sebagai berikut:
Property Udara
Untuk mendistribusikan udara, digunakan satu buah blower
krishbow dengan
kapasitas debit udara sebesar 0,5 m3/menit
Debit : 0,5 m3/menit
Tin : 25 oC
: 298 oK
Tout : 60 oC
: 333 oK
Cp : 1000,76 J/kg.K (Pada Apendix Tabel A.4 Thermophysical
Properties of Gas Atmospheric Pressure)
Sehingga dengan menggunakan denit udara yang mengalir dari
blower, dapat
dihitung laju aliran udara pada blower tipe krishbow tersebut
sebagai berikut :
m : 0,5 m3/menit . udara
: 0,5 m3/menit . 1,1098 kg/m
3
: 0,5549 kg/menit
: 0,009248 kg/s
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
32
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Property Geothermal
Adapun property yang terdapat pada geothermal adalah sebagai
berikut :
Tin : 175 oC
: 448 oK
Tout : 150 oC
: 423 oK
Cp : 4346,95 J/kg.K (Pada Apendix Tabel A.6 Thermophysical
Properties of Saturated Water)
Menghitung laju aliran untuk geothermal dengan menggunakan
kesetimbangan
energy untuk udara dan geothermal sebagai berikut :
Qudara = Qgeothermal
skgm
KKkgJ
sJm
KKkgJmsJ
KKkgJmKKkgJskg
TCmTCm
g
g
g
g
ggpguupu
/.003027,0
)423448.(./.95,4346
/.32614,0
)423448.(./.95,4346./.32614,0
)423448.(./.95,4346.)298333.(./.76,1000./009248,0
.... ,,
3.2.2. Menghitung Long Mean Different Temperatur ( TLMTD )
Long mean different temperature digunakan karena semua ketentuan
temperature
keluar dan masuk untuk semua fluida diketahui, sehingga
menggunakan long
mean different temperature seperti perhitungan dibawah ini :
1T2T
Co175
Co150
Co60
Co25
T
t
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
33
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Sehingga long mean different temperature adalah :
KTLMTD
TLMTD
TLMTD
TLMTD
T
T
TTTLMTD
.42,117
511,0
60
150
90ln
15090
)25175(
)60150(ln
)25175()60150(
ln1
2
12
3.3.3. Menghitung panjang geothermal
Dalam merancang panjang pada bagian geothermal, diasumsikan
beberapa hal
yaitu :
Din = 0,4 m
Dout = 0,5 m
0625,1Pr
./.68335,0
/..0001669500,0
/.1000
.42,117..
/.003027,0
2
3
g
g
g
g
g
KmWk
msN
mkg
KTLMTD
skgm
Menghitung panas untuk geothermal :
WQ
KkgJskgQ
TCmQ
geo
geo
pgeo
9573,1235
)150175.(./.95,4346../.003027,0
..
(Pada Apendix Tabel A.6 Thermophysical Properties of Saturated
Water)
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
34
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Menentukan luas penampang pipa seperti berikut ini :
2
2
2
19625,0
)5,0(4
4
mA
mA
DA
Menentukan kecepatan fluida, dengan menggunakan persamaan
berikut ini :
m = geo . v. A
smv
mmkg
skgv
mvmkgskg
g
g
/.001662,0
.19625,0./.1000
/.003027,0
.19625,0../.1000/.003027,0
23
23
Mencari bilangan Reynold untuk geothermal dalam heat exchanger
untuk
menentukan aliran yang mengalir pada heat exchanger, sebagai
berikut :
waterRe =
Dv..
= msN
msmmkg
/..0001669500,0
4.0/001662.0/1000 3
= 3981,6944
Dengan nilai reynold yang diperoleh sebesar 3981,6944 maka dapat
dikatakan
bahwa fluida yang mengalir dalam narrow side adalah laminar
dalam external
flow. Menghitung Nusselt number dengan menggunakan nilai Reynold
yang
didapat, sebagai berikut :
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
35
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
NuD =C. Rem. Pr
1/3
= 0.683. Re0.466
. Pr1/3
= 0.683. (3981,6944)0.466
. (1.0625)1/3
=33,176
Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi untuk konveksi
dan nilai
perpindahan panas konveksi untuk geothermal didalam heat
exchanger sebagai
berikut :
hin
= inD
kNuD .
= m
KmW
4.0
./68335,0.176,33
= 56,6765 W/m2K
Setelah mendapatkan koevisien konveksi bagian dalam, selanjutnya
dilakukan
perhitungan untuk mencacri koevisien konveksi bagian luar
sebagai berikut :
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
36
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Dari tabel property di atas maka dapat dihitung koevisien
perpindahan panas
konveksi dengan mendapatkan NuDout sebagai berikut :
8,0
.5,0
.4,0
out
in
out
in
D
D
m
m
D
D
Dengan menggunakan interpolasi didapatkan nilai NuDout sebasar :
4,688 dari
nilai NuDout dapat digunaan untuk menentukan nilai koevisien
perpindahan
konveksi bagian luar sebesar :
hout
= outD
kNuD .
= m
KmW
5.0
./68335,0.688,4
= 6,41 W/m2K
Setelah didapatkan nilai perpindahan panas konveksi bagian luar
dan bagian
dalam, maka dapat diperoleh nilai koevisien perpindahan panas
keseluruhan
sebagai berikut :
KU
U
hh
U
outin
2 W/m75635,5
41,6
1
6765,56
1
1
11
1
Karena aliran fluida yang mengalir merupakan cross flow maka
diberikan factor
koreksi untuk lebih mendapatkan nilai yang lebih akurat dengan
akumulasi nilai P
dan nilai R maka didapat nilai factor koreksi seberar 0,8.
Dengan nilai factor
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
37
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
koreksi tersebut diunakan untuk mendapatkan panjang tube
geothermal sebagai
berikut :
mL
KmKmW
WL
FTLMTDDU
QL
FTLMTDLDUQ
FTLMTDAUQ
.1647,1
.42,117..5,0../.765635,5
.9573,1235
....
.)....(
...
2
Dengan perhitungan di atas, maka dapat diperoleh panjang
property pada bagian
geothermal adalah sepanjang 1,1645 m
3.3.4. Menghitung panjang pipa udara
Dalam merancang panjang pada bagian udara, diasumsikan beberapa
hal yaitu :
Din = 0,04 m
Dout = 0,05 m
70483,0Pr
./.40147,0
/..0000191916,0
/.1098,1
.42,117..
/.009248,0
2
3
g
g
g
g
u
KmWk
msN
mkg
KTLMTD
skgm
Menghitung panas untuk geothermal :
WQ
KkgJskgQ
TCmQ
geo
geo
pgeo
3224,875
)2560.(./.6,1007../.009248,0
..
(Pada Apendix Tabel A.6 Thermophysical Properties of Saturated
Water)
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
38
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Menentukan luas penampang pipa seperti berikut ini :
2
2
2
019625,0
)05,0(4
4
mA
mA
DA
Menentukan kecepatan fluida, dengan menggunakan persamaan
berikut ini :
m = udara . v. A
smv
mmkg
skgv
mvmkgskg
g
g
/.7441,149
.019625,0./.6,1007
/.009248,0
.019625,0../6.1007/.009248,0
23
23
Mencari bilangan Reynold untuk udara dalam heat exchanger untuk
menentukan
aliran yang mengalir pada heat exchanger, sebagai berikut :
udaraRe =
Dv..
= msN
msmmkg
/..0000191916,0
04.0/7441,149/6,1007 3
= 346372,3
Dengan nilai reynold yang diperoleh sebesar 346372,3 maka dapat
dikatakan
bahwa fluida yang mengalir dalam narrow side adalah laminar
dalam external
flow. Menghitung Nusselt number dengan menggunakan nilai Reynold
yang
didapat, sebagai berikut :
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
39
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
NuD =C. Rem. Pr
1/3
= 0.683. Re0.466
. Pr1/3
= 0.683. (346372,3)0.466
. (0,70438)1/3
=455,4147
Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi untuk konveksi
dan nilai
perpindahan panas konveksi untuk udara didalam heat exchanger
sebagai berikut :
hin
= inD
kNuD .
= m
KmW
04.0
./40147,0.4147,455
= 4570,884 W/m2K
Setelah mendapatkan koevisien konveksi bagian dalam, selanjutnya
dilakukan
perhitungan untuk mencacri koevisien konveksi bagian luar
sebagai berikut :
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
40
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
Dari tabel property di atas maka dapat dihitung koevisien
perpindahan panas
konveksi dengan mendapatkan NuDout sebagai berikut :
8,0
.05,0
.04,0
out
in
out
in
D
D
m
m
D
D
Dengan menggunakan interpolasi didapatkan nilai NuDout sebasar :
4,688 dari
nilai NuDout dapat digunaan untuk menentukan nilai koevisien
perpindahan
konveksi bagian luar sebesar :
hout
= outD
kNuD .
= m
KmW
05.0
./40147,0.688,4
= 37,48124 W/m2K
Setelah didapatkan nilai perpindahan panas konveksi bagian luar
dan bagian
dalam, maka dapat diperoleh nilai koevisien perpindahan panas
keseluruhan
sebagai berikut :
KU
U
hh
U
outin
2 W/m17639,37
48124,37
1
884,4570
1
1
11
1
Karena aliran fluida yang mengalir merupakan cross flow maka
diberikan factor
koreksi untuk lebih mendapatkan nilai yang lebih akurat dengan
akumulasi nilai P
dan nilai R maka didapat nilai factor koreksi seberar 0,8.
Dengan nilai factor
-
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
41
KELOMPOK 3
Heat Exchanger
koreksi tersebut diunakan untuk mendapatkan panjang tube udara
adalah sebagai
berikut :
mL
KmKmW
WL
FTLMTDDU
QL
FTLMTDLDUQ
FTLMTDAUQ
.2772,1
8,0..42,117..05,0../.17635,37
.322401,875
....
.)....(
...
2
Dengan perhitungan di atas, maka dapat diperoleh panjang
property pada bagian
udara adalah sepanjang 1,2772m
3.3.5. Menghitung Volume Pengering
Dengan menggunakan kapasitas kopi yang dikeringkan, maka dapat
digunakan
untuk menghitung volume ruang pengering sebagai berikut :
3
3
.875,3
/.516
.2000
mV
mKg
KgV
mV
Dari perhitungan-perhitungan di atas, maka dapat digunakan untuk
membuat Heat
Exchanger pengering kopi kapasitas 2000 kg, untuk lampiran
gambar keseluruhan
terlampir pada lampiran, serta waktu pengeringan didapatkan
12-15 jam, sesuai
dengan artikel pengering sebelumnya dengan kapasitas yang
sama.