Top Banner
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
41

Makalah HE

Nov 23, 2015

Download

Documents

Rendy Anggara
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • 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.