Upload
rendy-anggara
View
37
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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.