Tugas Akhir. Analisa Perpindahan Kalor Pada Proses Spray Dryer

Transkripsi

1 Analisa Perpindahan Kalor Pada Proses Spray Dryer Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat syarat Guna menyelesaikan pendidikan program Strata Satu ( S1 ) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Disusun Oleh : Ali Sabiet Suparman JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 008 1

2 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Dalam setip analisa ilmiah atau rekayasa ( engineering ) sangat penting untuk merincikan secara jelas apa pun yang sedang ditinjau. Istilah sistem akan digunakan dalam analisa ini untuk merincikan subjek subjek pembahasan atau analisa. Energi panas atau kalor banyak sekali dipakai oleh rumah tangga maupun perindustrian salah satunya yaitu mesin Spray Dryer. Kalor atau panas adalah perpindahan energi sebagai kerja ( atau perpindahan energi bentuk panas ). Pengeringan adalah proses pengurangan kandungan air atau menguapkan air dalam suatu bahan sehingga mencapai kadar air yang kita inginkan, dalam proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air. Proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu bertujuan agar dapat memperlambat laju kerusakan bahan akibat aktifitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah atau untuk memper mudah proses pengerjaan selanjutnya.

3 1.. Tujuan Penulisan Tujuan yang ingin dicapai disini adalah mempelajari dan memahami sistem kerja mesin Spray Dryer juga menganalisa perpindahan kalor pada mesin Spray Dryer Batasan Masalah Dalam penyusunan ini penulis hanya membahas sebatas ruang lingkup menentukan perpindahan kalor pada mesin Spray Dryer pada suhu 500 C 1.4. Metode Penulisan Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis menggunakan beberapa metode dalam pengumpulan data antara lain : a. Metode observasi, yaitu metode yang dilakukan dengan cara terjun langsung kelapangan guna memperoleh data data yang dibutuhkan. b. Study literature, yaitu degan membaca dan mempelajari buku buku referensi mengenai teori atau hal hal yang berhubungan dengan tugas akhir yang disusun. 3

4 1.5. Jadwal Pelaksanaan N O AKTIVITAS WAKTU PELAKSANAAN MEI JUNI JULI AGUSTUS I II III IV I II III IV I II III IV I II III IV 1. Pengambilan data. Bimbingan 3. Perpustakaan 4. Pengolahan data 4

5 1.6. Sistematika Penulisan Sistematika penulisa mencakup keseluruhan isi penulisan yang diuraikanoleh masing masing bab. Sistematika penulisan dibuat sebagai berikut : LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL BAB I PENDAHULUAN Dalam bab ini membahas tentang latar belakang permasalahan, tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, jadwal palaksanaan, dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Dalam bab ini membahas tentang perpindahan kalor,laju perpindahan, serta menjelaskan bagian bagian mesin Spray Dryer baik bagian utama maupun peralatan bantunya serta fungsi kerja mesin tersebut dan materi materi yang berkaitan dengan mesin Spray Dryer. BAB III PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR Dalam bab ini akan dilakukan perhitungan untuk menentukan perpindahan panas dari udara kering keproduk atau bahan. 5

6 BAB IV ANALISA PERPINDAHAN KALOR Dalam bab ini terdiri dari hasil perhitungan dan analisa terhadap hasil perhitungan. BAB V PENUTUP Dalam bab ini berisikan tentang kesimpulan kesimpulan dan saran saran dari hasil perhitungan dan analisa perhitungan. 6

7 BAB II LANDASAN TEORI.1. Proses Pengeringan Pengeringan adalah proses pengurangan kandungan air atau menguapkan air dalam suatu bahan atau material sehingga mencapai kadar air yang kita inginkan. Dalam proses pengeringan memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan atau material yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa udara panas. Cara ini digunakan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan atau material, sehingga tekanan uap air pada bahan atau material lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara. Proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu bertujuan agar dapat memperlambat lajukerusakan bahan akibat aktifitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah, selain itu juga bertujuan untuk mempermudah melakukan proses 7

8 berikutnya. Adapun beberapa parameter parameter yang mempengaruhi waktu pengeringan adalah : a. Temperatur Udara Kering Kualitas bahan atau material sangat dipengaruhi oleh pengaturan temperatur udara, hal ini disebabkan karena semakin tinggi suhu udara didalam ruang pengering maka semakin banyak jumlah cairan yang diuapkan yang terkandung pada bahan atau material tersebut yang dikeringkan. Temperatur udara yang tinggi juga dapat mengakibatkan bahan atau material menjadi rusak. b. Kecepatan Udara Kering Sistem pengering produksi sangat dipengaruhi oleh sirkulasi udara, dimna fungsi dari udara pada sistem pengering adalah : Sebagai media perantara perpindahan panas Pembawa uap air keluar dari permukaan bahan atau material Pada prakteknya kecepatan sirkulasi udara sangat menunjang pada proses pengeringan. Semakin tinggi kecepatan udara pengering maka proses pengeringan akan berlangsung cepat. Hal ini disebabkan oleh cepatnya massa uap air yang dipindahkan dari bahan atau material yang dikeringkan ke udara sekitar. c. Kelembaban Relatif Udara Pengering Kelembaban udara pengering adalah perbandingan tekanan persial uap air diudara dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur campuran. Untuk mempertahan kecepatan penguapan air tetap tinggi, udara pengering yang digunakan harus memiliki kelembaban rendah. Pada kondisi ini akan terjadi perbedaan tekanan uap air permukaan produk dengan udara pengering. 8

9 d. Dimensi Produk Dimensi produk akan mempengaruhi proses pengeringan, karena pada saat permukaan produk mulai kering akan terjadi proses difusi menuju permukaan produk. Waktu yang diperlukan molekul air mencapai permukaan tergantung pada dimensi produk. Semakin tebal produk maka proses pengeringan akan berlangsung lama. e. Kadar Air Produk Kadar air produk adalah kandungan air yang terdapat didalam produk. Semakin tinggi kadar air pada produk semakin lama proses pengeringan berlangsung... Klasifikasi Proses Pengeringan Proses pengeringan yang biasa kita jumpai dan banyak digunakan secara umum, dapat kita klasifikasikan menjadi dua jenis yaitu pengeringan alami dan pengeringan buatan...1. Pengeringan Alami Pengeringan alami adalah pengeringan yang dilakukan ditempat terbuka dengan cara menghamparkan produk diatas suatu alas, kemudian disinari cahaya matahari dan dibantu oleh udara sekitarnya. Pada proses pengeringan jenis ini terdapat beberapa pengurangan diantaranya : a. Proses pengeringan sangat dipengaruhi oleh keadaan cuaca. b. Memerlukan tempat yang luas dan tenaga manusia yang cukup banyak. c. Produk yang dikeringkan mudah tercemar. 9

10 Proses pengeringan alami juga memiliki kelebihan kelebihan diantaranya : a. Biaya yang dikeluarkan untuk proses ini relatif lebih kecil. b. Kapasitas pengeringn sangat tidak terbatas. c. Proses lebih mudah.... Pengeringan Buatan Pengeringan buatan dilakukan dengan cara mengalirkan atau mensirkulasikan udara panas yang berasal dari sumber panas kedalam ruangan pengering yang berfungsi untuk menguapkan kadar air dari produk. Pada proses pengeringan buatan ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya : a. Proses pengeringan tidak dipengaruhi oleh keadaan cuaca sehingga proses pengeringan menjadi lebih cepat. b. Tidak memerlukan tenaga kerja yang banyak. Prosers pengeringan buatan ini juga memiliki kekurangan, diantaranya : a. Kapasitas pengeringan terbatas. b. Memerlukan investasi yang cukup besar. Beberapa jenis pengeringan buatan : a. Parallel Flow Tray Parallel flow tray atau yang disebut dengan compartement dryer terdiri dari suatu ruangan yang didalamnya tersusun rak rak tempat meletakkan produk yang akan dikeringkan. Alat ini biasanya dilengkapi dengan kipas yang berfungsi untuk mensirkulasikan udara didalam ruangan dan pemanas yang berfungsi sebagai sumber panas untuk memanaskan udara didalam ruang pengering. Produk yang dikeringkan 10

11 diletakkan diatas rak rak yang dapat diambil dan dipasang kembali, udara pengeringan dialirkan secara sejajar dengan permukaan rak. b. Trough Circulation Tray Trough circulation tray hampir sama dengan parallel flow tray yang membedakan hanya letak arah aliran udaranya. Pada alat jenis ini aliran udara pengering dialirkan secara paksa untuk menembus permukaan dan produk yang dikeringkan. Rak berupa lubang lubang atau saringan sehingga udara pengering bisa dipakai untuk menembus produk. c. Vacum Shelf Dryer Vacum shelf dryer adalah jenis pengeringan yang bekerja dibawah tekanan satu atmosfer. Alat pengering jenis ini biasanya digunakan apabila diinginkan pengeringan secara cepat tetapi temperatur pengeringan dipertahankan rendah..3. Grafik Psycrometric Secara umum yang dikatakan udara adalah campuran antara udara kering dan uap air. Campuran ini sering disebut udara lembab. Suatu kajian tentang sifat sifat termodinamika campuran antara udara kering dengan uap air disebut psikometrik. Sifat sifat termodinamika yang penting adalah : a. Temperatur Udara Didalam udara lembab biasanya dibedakan oleh dua temperatur yaitu temperatur bola basah dan temperatur bola kering. Temperatur bola kering adalah temperatur udara yang ditunjukkan pada saat pengukuran temperaturnya tekanan uap parsial belum 11

12 mencapai tekanan januh, untuk menentukan suhu bola kering biasanya digunakan termometer dengan sensor kering dan terbuka. Sedangkan temperatur bola basah adalah temperatur udara pada keadaan tekanan uap airnya sama dengan tekanan jenuh, suhu bola basah ditentukan dengan menggunakan termometer bola basa yang sensornya dibalut dengan kain basah. b. Tekanan Karena udara lembab merupakan campuran antara udara kering dan uap air maka tekanan totalnya merupakan jumlah tekanan parsial udara kering dan uap air. Secara umum tekanan parsial uap air jenuh lebih kecil dibandingkan tekanan parsial udara kering. Apabila tekanan parsial uap air mencapai harga sama dengan tekanan uap air pada temperatur yang sama, keadaan ini disebut dengan keadaan jenuh. Tekanan uap airnya juga disebut tekanan jenuh. c. Kelembaban Ada dua kelembaban yang sering dikenal yaitu kelembaban spesifik dan kelembaban relatif. Kelembaban spesifik ( γ ) adalah kandungan air dalam udara. Biasanya dinyatakan dalam bentuk massa uap air yang terkandung dalam setiap satuan massa udara kering, dan ditulis dengan persamaan sebagai berikut : 1

13 Mw (.1 ) Ma Dimana : γ = Kelembaban spesifik ( % ) M w = Massa uap air ( mmhg ) M a = Massa uadara kering ( mmhg ) Kelembaban relatif didefinisikan sebagai perbandingan antara tekanan parsial uap air dengan tekanan jenuh uap air pada temperatur yang sama, dan ditulis dalam persamaan sebagai berikut : f...(. Arismunandar ) ' f φ = Kelembaban relatif ( % ) ƒ = Tekanan persial uap air pada udara t ( mmhg ) ƒ ' = Tekanan uap air jenuh pada udara t ' ( mmhg ) hubungan antara tekanan persial uap air dan temperatur suhu bola basa dapat dilihat dari persamaan berikut ini : f ' ' tekananatmosfir, mmhg f 0,5( t t )...(.3 Arismunandar ) 755 Dimana : t = Temperatur bola kering ( C ) t' = Temperatur bola basah ( C ) ƒ = Tekanan persial uap air pada udara t ( mmhg ) ƒ ' = Tekanan uap air jenuh pada udara t ' ( mmhg ) tekanan dinyatakan dalam mmhg, dimana 1 atmosfir = 760 mmhg 13

14 d. Entalpi Entalpi penting untuk dicantumkan dalam diagram psikometri mengingat banyak manfaatnya dalam perhitungan energi pada proses termodinamika udara seperti pendinginan, pemanasan, kelembaban dan lain lainnya. Entalpi adalah energi kalor yang memiliki suatu zat pada suatu temperatur tertentu. Maka entelpi dari udara lembab dengan perbandingan kelembaban x, pada temperatur t C, didefinisikan sebagai sejumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 Kg udara kering dan x Kg air ( dalam pasa cair ) dari 0 C mencapai t C dan menguapkannya menjadi uap air ( pasa gas ). Hal tersebut diatas dapat ditulis dalam persamaan : h = 0.40 t + ( 597,3 + 0,441 t ) H ( kcal / Kg )...(.4 ) dimana : h = Entalpi ( Kcal/Kg ) H = Perbandingan kelembaban dari uadara lembab ( Kg/Kg ) 0,40 = Kalor spesifik dari udara kering ( Kcal/Kg C ) 0,441 = Kalor spesifik rata rata dari uap air ( Kcal/Kg C ) 597,3 = Kalor laten dari air pada 0 C ( Kcal/Kg ) 14

15 .4. Prinsip Dasar Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah daerah tersebut. Selain itu perpindahan panas terdiri dari beberapa proses, yaitu proses dalam keadaan stedi dan tak stedi. Proses stedi adalah bila laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan watu, yaitu bila laju itu konstan, maka suhu dititik mana pun tidak berubah. Dengan kondisi stedi, kecepatan pluck masuk panas pada titik mana pun harus tetap sama dengan kecepatan pluck keluar, dan tidak terdapat atau terjadi perubahan energi dalam. Contohnya adalah aliran panas dari hasil hasil pembakaran air didalam pipa pipa ketel, pendinginan bola lampu listrik oleh udara sekitar, atau perpindahan panas dari fluida yang panas kefluida yang dingin didalam penukar panas. Sedangkan yang dimaksud dengan proses tak stedi adalh bila suhu diberbagai titk dari sistem tersebut berubah dengan waktu. Karena suhu menunjukkan perubahan energi dalam, kita berkesimpulan bahwa penyimpanan energi bagian yang tidak terpisahkan dari aliran proses tak stedi. Contohnya adalah waktu pemanasan pada tanur, ketel dan turbin. Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara perpindahan panas yang berbeda seperti : konduksi ( yang dikenal dengan istilah hantaran ), radiasi dan konveksi. Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah didalam suatu medium ( padat, cair, gas ) tau antara medium medium yang beerlainan yang bersinggungan secara langsung. Didalam aliran perpindahan panas secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul yang cukup besar. Menurut teori kinetik, suhu elemen zat sebandingdengan energi kinetik 15

16 rata rata molekul yang membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatan dan posisi relatif molekul molekulnya disebut energi dalam. Jadi, semakin cepat moleku molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam elemen zat tersebut. Persamaan dasar untuk konduksi dalam keadaan stedi dapat dituliskan sebagai berikut : q k T ka...(.5 Frank Kreith ) x Dimana : q k = Perpindahan panas konduksi ( W ) k = Konduktivitas termal bahan ( W/m.C ) A = Luas penampang yang dilalui aliran panas ( m ) T / x = Gradien suhu pada penampang tersebut Tabel.1 Besaran konduktivitas termal Bahan Btu/h ft K w/m K Gas pada tekanan atmosfir Bahan isolasi Cairan bukan logam Zat padat bukan logam Logam cair Paduan Lpgam murni 0,004 0,10 0,0 0,1 0,05 0,40 0,0 1,5 5,0 45 8, ,0069 0,17 0,034 0,1 0,086 0,69 0,034,6 8,

17 Persamaan perpindahan panas secara konduksi secara stedi untuk silinder berlubang : A = π r l...(.6 Frank Kreith ) Dimana : A = Luas penampang ( m ) r = Jari jari ( m ) l = Panjang silinder ( m ) maka laju aliran panas untuk silinder berlubang adalah : q k dt k r l...(.7 Frank Kreith ) dr Dimana : q Laju aliran panas untuk silinder berlubang ( Watt/m ) k k Konduktifitas termal bahan ( W/mK ) Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah tanpa melalui zat perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah daerah hampa. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi yang terbatas atau kuanta. Gerakan radiasi didalam ruangan mirip perambatan cahaya dan dapat diuraikan dengan teori gelombang. Bila gelombang radiasi menjumpai benda yang lain, maka energinya diserap didekat permukaan benda tersebut. Perpindahan panas secara radiasi semakin penting dengan meningkatkan suhu suatu benda. 17

18 Adapun persamaan perpindahan panas secara radiasi adalah sebagai berikut : q r 4 A T...(.8 Frank Kreith ) Dimana : q r Konstanta Boltzman ( 5,67 10 A Luas permukaan ( m T Beda temperatur antara permukaan dengan temperatur fluida jumlah energi radiasi yang dipancarkan ( W ) ) -8 ) Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir secara konduksi dari permukaan partikel partikel fluida yang terbatas. Energi berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energi dalam partikel partikel fluida. Kemudian partikel partikel fluida tersebut akan bergerak kedaerah yang bersuhu yang lebih rendah dan memindahkan sebagian energinya kepada pertikel partikel lainnya. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas dana konveksi paksa menurut cara pergerakan alirannya. Maka bila gerakan mencampur berlangsung semata mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhhu tersebut dengan konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan : q h A T...(.9 Frank Kreith ) c c 18

19 Dimana : q c h A c Perpindahan panas konveksi Koefisien perpindahan panas konveksi Luas perpindahan panas ( m ( W ) T beda suhu antara suhu permukaan dengan suhu fluida ) ( W/m C ) Tabel. Besaran koefisien perpindahan panas konveksi Btu/h ft F W/m K Udara, konveksi bebas 1,0 5,0 Uap panas lanjut atau udara konveksi paksa 5, Minyak, konveksi paksa Air, konveksi paksa Air, mendidih Uap, mengembun Faktor Gesekan dan Penurunan Tekanan Aliran turbulen penting sekali dalam aplikasi bidang rekayasa karena termasuk dalam sebagian besar aliran fluida dan masalah masalah perpindahan kalor yang mencakup segi segi praktis. 19

20 berikut : Penurunan tekanan Δp sepanjang tabung L dapat ditentukan menurut hubungan p f L D V...(.10. Raldi Artono) dengan ƒ adalah faktor gesekan. Untuk aliran laminar dalam silinder harga ƒ = 64 / Re. sedangkan untuk aliran turbulen harga ƒ ditentukan oleh rumus berikut : 1,8log Re1,64 f...(.11. Raldi Artono ) Dimana : Δp = Penurunan tekanan ( kn/m ) ƒ = Faktor gesekan L = Panjang Silinder ( m ) D = Diameter ( m ) Ρ = Kerapatan udara ( kg/m 3 ) V = Kecepatan fluida ( m/s ).6. Analisa Energi a. Pengaruh suhu udara pada proses pengeringan Laju penguapan air bahan dalam pengeringan sangat ditentukan oleh kenaikan suhu. Bila suhu pengeringan dinaikkan maka panas yang dibutuhkan untuk penguapan air bahan menjadi berkurang. 0

21 Pada proses pengeringan diperlukan adanya penghanyar panas udara dalam pengeringan secara mekanis pengerak panas ini dapat dibantu dengan mneggunakan pipa pipa penghantar panas. Pada proses pengeringan, udara berfungsi untuk : a. Mengambil uap disekitar penguapan. b. Sebagai penghantar panas kedalam bahan yang dikeringkan. c. Sebagai zat pembakar. d. Sebagai tempat membuang uap yang telah diambil dari tempat pengeringan. Pada proses pengeringan harus diperhatikan suhu udara pengering. Semakin besar perbedaan antara suhu media pemanas dengan bahan yang dikeringkan, semakin besar pula kecepatan perpindahan panas kedalam bahan sehingga penguapan air dari bahan akan lebih banyak dan cepat. Karena air yang dikeluarkan dari bahan dalam bentuk uap air tersebut harus segera dipindahkan dan dijauhkan dari bahan. Jika tidak, uap air tersebut akan menjenuhkan atmosfir pada permukaan bahan sehinggga memperlambat penguapan air selanjutnya. Proses pengeringan yang menggunakan suhu tinggi dalam watu singkat lebih kecil kemungkinannya merusakbahn dari pada proses pengeringan dengan suhu rendah dalam waktu yang lama. Jadi bahan yang dikeringkan oleh spray dryer akan lebih baik mutunya dari pada pengeringan dengan sinar matahari. 1

22 Banyaknya kadar air yang harus dihilangkan dari bahan dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut : m m a m b...(.1 Murisalim ) Dimana : m m m a b Banyaknya kadar Kadar Kadar air yang harus dikeluarkan ( Kg ) air sebelum pengeringan ( Kg ) air sesudah pengeringan ( Kg ) Dengan diketahui kadar air yang dikeluarkan dari bahan maka laju perpindahan air dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : Dimana : m Kadar m W...(.13 Murasalim ) t W Laju perpindahan air (Kg/s ) air yang keluar dari bahan ( Kg ) t Waktu pengeringan ( s ) Kebutuhan aliran udara kering untuk membebaskan uap air dapat dihitung dengan menggunakan rumus : V W ( H H b a V ) s...(.14 Murisalim ) Dimana : V Laju aliran udara W Laju perpindahan air V H H s a b Volume spesifik udara Kelembaban udara Kelembaban udara kering ( m 3 ( Kg / s ) / s ) kering ( m awal ( Kg/Kg akhir ( Kg/Kg 3 ' ' / Kg ) ) )

23 Dengan menggunakan grafik psikometrik, kebutuhan udara pengeringan dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut : V Q ( hb ha )...(.15 Hall, C.W ) V s Dimana : Q = Kebutuhan udara pengering ( Kj/s ) V s = Volume spesifik udara pengering ( m 3 /Kg ) V = Laju aliran udara pengering ( m 3 /s ) h a = Entalpi udara pada lingkungan ( Kj/Kg ) h b = Entalpi udara pada ruang oengering ( Kj/Kg ) b. Panas Pengeringan Panas pengeringan adalah panas yang dibutuhkan atau panas yang digunakan untuk mengeringkan suatu produk. Pada proses spray dryer, pasokan eneergi untuk : 1. Menaikkan temperatur produk. Menaikan temperatur air ke temperatur operasi pengeringan 3. Menguapkan air 3

24 Jumlah dari yang disebutkan pertama dan kedua dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : Q t M C T T )...(.16 ) h ( b a Dimana : Q t M C T T 1 h Panas Masssa Panas untuk menaikkan temperatur ( kj ) produk ( kg ) jenis produk ( kj/kgc ) Temperatur udara pengeringan ( C ) Temperatur udara lingkungan ( C ) Q w ka M ( Tb Ta )...(.17 ) 100 Dimana : Q Panas untuk memenaskan produk ( kj ) w M = Massa produk ( kg ) K a = Kadar air awal ( % ) T = Temperatur udara pengeringan ( C ) T 1 = Temperatur udara lingkungan ( C ) Q l m h...(.18 ) a l Dimana : Q Panas untuk menguapkan air ( kj ) l m = Massa air yang dikelurkan dari produk ( kg ) 4

25 Dari persamaan (.6 ), (.7 ), (.8 ) maka didapat jumlah panas pengeringan dan dirumuskan sebagai berikut : Q total Q Q Q...(.19 ) t w l Dimana : Q Panas untuk memanaskan produk ( kj ) t Q Panas untuk memanaskan air ( kj ) w Q Panas untuk menguapkan air ( kj ) l Sedangkan kalor yang dilepaskan oleh udara pengering dirumuskan sebagai berikut : q C p V ( T T1)...(.0 ) Dimana : q = Kalor yang dilepaskan udara pengering ( kj ) ρ = Kerapatan udara pada temperatur pengeringan ( kg/m 3 ) C p = Panas jenis pada temperatur pengeringan ( kj/kg C ) V = Laju udara pengering selama proses pengeringan ( m 3 /kg ) T = Temperatur udara pengeringan ( C ) T 1 = Temperatur udara lingkungan ( C ) 5

26 c. Laju Perpindahan Panas Dari Heater ke Ruang Pengering Pada alat spray dryer panas yang dihasilkan dari burner sebagai penyuplai panas dialirkan keruang pengering dengan menggunakan blower. Dalam analisa penukar panas perlu mengetahui koefisien perpindahan panas, koefisien perpindahan panas konveksi bebas h a dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : h a K N u... (.1 ) d Dimana : h a = Koefisien perpindahan panas ( W/m C ) N u = Bilangan Nusselt d = Diameter silinder ( m ) K = Konduktifitas termal ( W/m C ) Bilangan Nussel dihitung dari bilangan Reynold, R e sebagai berikut : N u... (. ) 0,8 0,33 0,07 Re Pt dan bilangan Reynold dirumuskan sebagai berikut : R e v L... (.3 ) Dimana : Viskositas udara ( kg/m.det ) v = Kecapatan udara ( m/det ) ρ = Kerapatan udara ( kg/m 3 ) L = Panjang silinder ( m ) 6

27 d. Laju Perpindahan Panas Dari Ruang Pengering Koefisien perpundahan panas konveksi bebas h c dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : h c K N u... (.4 ) L Dimana : h c = Koefisien perpindahan panas ( W/m C ) N u = Bilangan Nussel L = Dimensi karakteristik ( m ) K = Konduktifitas termal ( W/m C ) Bagi aliran dalam pipa atau saluran, hal terpenting dalam bilangan Nusselt ialah garis tengah hidroliknya ( D h ), yang berdefinisi : Luas penampang aliran D h 4... (.5 ) keliling Untuk pipa, luas penampang alirannya adalah : D A... (.6 ) 4 Bilagan Reynold yang berdasarkan garis tengah hidroliknya serta sifat sifat suhu curahan fluida, dapat didefinisika sebagai berikut : v DH Re DH... (.7 ) 7

28 Dimana : μ = Viskositas udara ( kg/m.det ) v = Kecepatan udara ( m/det ) ρ = Kerapatan udara ( kg/m 3 ) D H = Garis tengah hidrolik ( m ) Sementara untuk bilangan Nusselt sendiri, dipilih secara cepat rumus yang tepat guna memperoleh koefisien perpindahan panas konveksi bebas untuk aliran dalam saluran. N u... (.8 ) 0,8 0,33 0,07 Re Pr.7. Perhitungan Kadar Air Perhitungan kadar air dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu berdasarkan berat kring dan berdasarkan berat basah. Pada umumnya yang dimaksud dengan kadar air adalah kadar air yang dihitung berdasarkan berat basah. a. Perhitungan kadar air berdasarkan berat kering Untuk menghitung kadar air berdasarkan berat kering, dugunakan rumus sebagau berikut : w K A 100%...(.9 Sri Setijahartini ) W Dimana : K A = Kadar air berdasarkan berat kering ( % ) W = Berat kering produk ( kg ) w = Jumlah air yang diuapkan dalam proses pengeringan ( kg ) 8

29 dan dapat diperoleh dengan cara mengurangi berat basah produk dengan berat kering produk setelah dikeringkan. berikut : b. Perhitungan kadar air berdasarkan berat basah Untuk menghitung kadar air berdasarkan berat basah, digunakan rumus sebagai m KA 100%... (.30 Sri Setijahartini ) M Dimana : KA = Kadar air berdasarkan berat basah ( % ) m = Jumlah air yang diuapkan ( kg ) M = Berat produk sebelum dikeringkan ( kg ) Nilai m dapat diperoleh dengan cara mengurangi berat produk sebelum dikeringkan dengan berat produk setelah dikeringkan. c. Effisiensi termal Effisiensi termal adalah perbandingan antara panas penguapan dengan panas yang dihasilkan dari sumber panas, dan ditulis dalam persamaan sebagai berikut : Q 100%... (.31 Earle ) q p Dimana : p Effisiensi pengeringan ( % ) Q Jumlah panas yang digunakan untuk memanaskan dan menguapkan air ( kj ) q Panas dari sumber panas ( kj ) 9

30 .8. Beda Suhu Rata Rata Log ( LMTD ) Fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah. Beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, beda suhu ini disebut beda suhu rata rata log ( log mean temperature difference = LMTD ). T h1 TC T h T C1 T h T 1 C ln T T LMTD.(.3. J.P Holman ) h C1 Dengan kata kata, ialah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu tersebut. Penurunan LMTD di atas menyangkur dua pengan daian : 1. Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu. Koefisien perpindahan kalor konveksi tetap Andaian kedua ini biasanya sangat penting karena pengaruh pintu masuk, viskositas fluida, perubahan konduktivitas termal, dan sebagainya. Biasanya untuk memberikan koreksi atas pengaruh pengaruh tersebut perlu digunakan metode numerik. 30

31 Spesifikasi Alat Pengering Alat pengering yang digunakan berjenis spray dryer yaitu mesin pengering glazur atau bahan baku pembuatan keramik yang bekerja dengan sistem spray atau semprotan sehingga bahan yang sudah kering berbentuk butiran, mesin ini menggunakan burner sebagai penyuplai panas dengan memakai gas sebagai bahan bakarnya. Mesin pengering ini membutuhkan suhu 500 C untuk mengeringkan bahan atau produk dengan kapasitas produksi 00 kg/hari,kadar air dari bahan yang diturunkan sebesar 95 % sampai 97 % dari 100 liter bahan yang belum dikeringkan menghasilkan 40 kg bahan yang sudah dikeringkan 31

32 BAB III PERHITUNGAN 3.1 Data Mesin Spray Dryer Dari hasil pengamatan yang dilakukan pada mesin spray dryer yang berfungsi sebagai alat untuk mengeringkan glazur ( bahan setengah jadi untuk keramik ), didapat data sebagai berikut : Spesifikasi mesin spray dryer a. Kapasitas : 100 kg b. Temperature di ruang pengering : 500 C c. Kecepatan udara : 64 m/s d. Lama waktu pengeringan : 60 menit 3

33 3.1. Spesifikasi pompa yang digunakan untuk menyemprotkan glazur a. Jenis pompa yang digunakan : Power Spray type SC-30 b. Tekanan : 40 kg/m c. Putaran : 800 rpm d. Kapasitas : 0,47 kg/s 3. Luas saluran untuk mengalirkan udara panas D A 4 3,14(0,3) 4 m 0,07 m 3.3 Debit Udara ( Q udara ) Q udara V A saluranudara 3,14(0,3) 64( m / s) 4 m 64( m / s) 0,07( m ) 4,48m / s 33

34 3.4 Laju Massa Aliran Udara Dari referensi J.P Holman,1991 Perpindahan Kalor, halaman 589 ( tabel sifatsifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat : Pada temperatur 450 C atau 73 K didapat = 0,4869 kg/m 3 m Q 3 3 4,48 m / s 0,4869 kg / m,18 kg / s 3.5 Perpindahan kalor pada saluran udara panas Dari referensi J.P Holman,1991 Perpindahan Kalor, halaman 589 ( tabel sifatsifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat : Pada temperatur 450 C atau 73 K didapat nilai Cp = 1,0804 kj/kg C Q mcp T,18 kg / s1,0804 kj / kgc 450 C 1059,87 kj 3.6 Tingkat keadaan udara pada temperatur film Diketahui : Temperatur ruang pengering : 500 C 34

35 Temperatur udara yang masuk keruang pengering : 50 C Maka temperatur film yang terjadi adalah : T r 500C 50C 75C atau 548 K Dengan menggunakan tabel properti udara pada temperatur 75 C atau 548 K, maka didapat harga harga sebagai berikut : k 0,643 kg / m, ,0436 W / mc 3 kg / m s Cp 1,039 kj / kg. C P r 0, Tingkat keadaan udara pada temperatur evaporasi Dengan menggunakan tabel properti air pada keadaan jenuh pada temperatur 548 K, maka didapat : h fg 1574,4 kj / kg 35

36 3.8 Diameter hidraulik D h / 4 D D D 4 0,3 m 4 0,075 m 3.9 Angka Reynolds Untuk menghitung angka reynolds pada saluran dengan temperatur 773 K dari tabel properti udara maka didapat harga harga sebagai berikut : v 3 m / s, k 0,11 W / m C, 0,456kg / 6 78,1 10 m maka angka reynolds didapat : R e V D h m / s 0,075m ,67 m / s 36

37 3.10 Faktor gesekan f R e 64 f ,67 1, dari tabel 3.1 maka didapat nilai bilangan Nusselt Nu T 3,657 Geometri Nu T Nu H1 Nu H ƒ Re silinder 3,675 4,364 4,364 64,00 Tabel 3.1 Angka Nusselt dan faktor gesekan 3.11 Koefisien perpindahan panas konveksi h c Nu T k D h 0,11 W / m C 3,657 0,075 m 5,36 W / m C 3.1 Penurunan tekanan 37

38 P f L D h V 1, ,4 N / m 7 0,075 m m 0,456 3 kg / m 64 m / s 3.13 Perpindahan panas konveksi paksa dari udara kering ke produk Untuk mengetahui besarnya perpindahan panas konveksi paksa dari udara kering ke produk dapat kita gunakan persamaan dibawah ini : q c h A T T c 1 5,36 168,84W W / m C 0,07m500 C 50C 3.14 Laju aliran massa evaporasi Laju aliran massa evaporasi adalah laju kandungan air yang diuapkan dari produk per detik, dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : 38

39 39 s kg kg kj W h T T A h m T T A h h m fg c e c fg e / 0,107 / 1574,4 168,84 1 1

40 BAB IV ANALISA PERHITUNGAN Spray Dryer merupakan mesin pengering glazur atau bahan baku pembuatan keramik yang bekerja dengan sistem spray atau semprotan sehingga bahan yang sudah kering berbentuk butiran, mesin ini menggunakan burner sebagai penyuplai panas dengan memakai gas sebagai bahan bakarnya. Mesin pengering ini membutuhkan suhu 500 C untuk mengeringkan bahan atau produk dengan kapasitas produksi 00 kg/hari,kadar air dari bahan yang diturunkan sebesar 95 % sampai 97 % dari 100 liter bahan yang belum dikeringkan menghasilkan 40 kg bahan yang sudah dikeringkan. Adapun gambar mesin spray dryer dapat dilihat pada gambar dibawah ini 40

41 Gambar 4.1 Mesin Spray Dryer 41

42 4.1. Data Mesin Spray Dryer Data spesifikasi Teknis Spray Dryer Diameter pipa penyalur udara panas Diameter ruang pengering Diameter nozel Kapasitas produksi Kecepatan udara : 0,3 m :,5 m : 0,00 m : 100 liter : 64 m/s Temperatur pengeringan : 500 C Data Spesifikasi Pompa Model atau tipe : Power spray type SC-30 Tekanan : 0 kg/cm 3 Putaran Kapasitas : 800 rpm : 30 liter/menit Temperatur fluida : 50 C 4

43 4.. Kecepatan Fluida V g H 9,81 0,53 3, m s 4.3. Debit Fluida Q AV 0,001 3, 0,004 m 3 s 4.4. Menghitung gaya pada nozel maka : Dari hasil perhitungan telah didapat nilai debit glazur sebesar Q 0,004 m 3 s Luas Penampang A 1 D 4 1 3,14 4 0,04 m 0,001 m 43

44 A D 4 3,14 4 0,00 m 3, m Kecepatan Fluida pada Nosel V 1 Q A 1 3 0,004 m s 0,001 m 3,18 m s V Q A 3 0,004 m s 6 3,14 10 m 173,88 m s Tekanan 1 1 P V V 1 3 1,6 kg m 16760,14 m s 1, kg m s 44

45 Laju Massa Aliran m Q 3 3 1,6 kg m 0,004 m s 6, kg s Gaya F A m V 1 V ,6 kg m 0,001 m 6,4 10 kg s173,88 3,18 m s 8,13 N 4.5. Perpindahan Kalor Pada Temperatur 500 C Dari referensi J.P Holman,1991 Perpindahan Kalor, halaman 589 ( tabel sifatsifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat : Pada temperatur 500 C atau 773 K didapat nilai ρ = 0,4869 kg/m Luas Penampang D A 4 3,14 0,3 m 4 0,07 m 45

46 4.5.. Debit Udara Q V A 64 m s0,07 m 4,48 m 3 s Laju Massa Aliran Udara m Q 3 3 4,48 m s0,4869 kg m,18 kg s Perpindahan Kalor ( Q 1 ) Q 1 m C p T,18 kg s1,0804 kj kg C450 C 1059,87 kj 4.6. Perpindahan Kalor Pada Temperatur 450 C Dari referensi J.P Holman,1991 Perpindahan Kalor, halaman 589 ( tabel sifatsifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat : Pada temperatur 450 C atau 73 K didapat nilai ρ =1,0877 kg/m 3 46

47 Luas Penampang D1 D A S,5 0,3 3,14 1,4 6,15 m Debit Udara Q V A 64 m s6,15 m 393,6 m 3 s Laju Massa Aliran Udara m Q ,6 m s1,0877 kg m 48,1 kg s Perpindahan Kalor ( Q ) Q m C T 48,1 kg s1,0073 kj kg C50 C 156,6 kj p 47

48 4.7. Perpindahan Kalor Pada Temperatur 375 C Dari referensi J.P Holman,1991 Perpindahan Kalor, halaman 589 ( tabel sifatsifat udara pada tekanan Atmosfer) didapat : Pada temperatur 375 C atau 648 K didapat nilai ρ = 1,1774 kg/m Luas Penampang D A 4 0,3 m 3,14 4 0,07 m Debit Udara Q V A 64 m s0,07 m 4,48 m 3 s Laju Massa Aliran Udara m Q 3 3 4,48 m s1,1774 kg m 5,7 kg s 48

49 Perpindahan Kalor ( Q 3 ) Q 3 mc p T 5,7 kg s1,0057 kj kg C 5 C 13,5 kj 4.8. Perpindahan Kalor Total Q total Q1 Q Q3 1059,87 156,6 13,5 999,91 kj 4.9. Beda Suhu Rata Rata Log ( LMTD ) 49

50 LMTD T h1 TC T h T C1 T h TC 1 ln T T h 500 C 400C 50 C 35C 500 C 400C ln 50 C 35C 85C ln 6,67 C C1 44,97 C Hasil Analisa Dari hasil perhitungan dan pengamatan atau pengambilan data langsung pada mesin spray dryer, maka mesin spray dryer atau mesin untuk mengeringkan glazur atau bahan baku keramik dapat dianalisa sebagai berikut : Jumlah produk yang dikeringkan dalam waktu 10 menit adalah sebanyak 100 liter glazur cair, dengan kandungan air sebanyak 40 % dari 100 liter glazur cair, dan setelah dikeringkan dengan menggunakan mesin spray dryer ini dapat menghasilkan 40 kg glazur kering. Dari hasil perhitungan didapat perpindahan kalor total sebesar 999,91 kj mampu menurunkan kadar air sebanyak 95 % dari 100 liter glazur cair. 50

51 Dengan menggunakan nozel dengan diameter( 0,00 m) untuk menambah tekanan pada pipa penyemprot glazur cair dengan kecepatan fluida berdasarkan hasil perhitungan sebesar ,5 m/s maka dapat diperoleh besarnya butiran glazur kering adalah 0, mm. Hasil analisa perhitungan dapat dilihat pada tabel dibawah ini TEMPERATUR ( C) PERPINDAHAN KALOR (kj) LAJU MASSA ALIRAN UDARA (kg/s) ,5 5, ,87 48, ,6,18 TOTAL 999, ,57 Gambar 5.1. Tabel Perpindahan Kalor Dari tabel diatas maka didapat diagram perpindahan kalor dibawah ini ,5 1059,87 156,6 Gambar 5.. Diagram Perpindahan Kalor 51

52 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Setelah penulis melakukan perhitungan dan analisa mesin spray dryer dengan burner sebagai penyuplai panas, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Pada saat pengambilan data mesin spray dryer ini agak sedikit sulit, dikarenakan tidak tersedianya spesifikasi dari mesin tersebut Kecepatan aliran udara pada ruang pengering adalah 64 m/s sedangkan pada pipa penyalur glazur cair kecepatan fluida sebesar 173,88 m/s 5

53 5.. Saran 1. sebaiknya pembersihan atau pembuangan kerak pada dinding mesin spray dryer rutin dilakukan, hal ini untuk menjaga agar pengeringan berlangsung dengan baik. Pada mesin spray dreyer ini sebaiknya dipasangi pengukur suhu pada beberapa titik agar mempermudah pada saat pengecekan kenaikan dan penurunan suhu pada titik titik tertentu. 3. Pada ujung nozel harus sering dibersihkan agar tidak terjadi penyumbatan yang mengakibatkan lambatnya produksi. 53

54 DAFTAR PUSTAKA 1. Faisol AM, Tadjuddin BM Aris, A Kadir Aboe Rumus-Rumus & Penyelesaian Soal Mekanika Fluida. Jakarta, Frank M. White, Fluid Mechanics Fourth Edition.Boston. The McGraw-Hill Companies, Holman J.P, PERPINDAHAN KALOR Edisi keenam. Jakarta. Erlangga, Kreith, Frank. Prijono, Atko Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas Edisi Ketiga. Jakarta. Erlangga,

55 Sifat sifat Udara pada Tekanan Atmosfer Nilai μ, k, c p, dan P r tidak terlalu bergantung pada tekanan dan dapt digunakan untuk rentang tekanan yang cukup luas. T, K ρ Kg/m 3 c p kj/kg. C μ Kg/m.s 10 5 v m /s 10-6 k W/m. C α m /s 10 4 P r 100 3,6010 1,066 0,694 1,93 0, ,0501 0, ,3675 1,0099 1,083 4,343 0, , , ,7684 1,0061 1,389 7,490 0, , , ,418 1,0053 1, ,31 0,07 0, , ,1774 1,0057 1,846 15,69 0,064 0,160 0, ,9980 1,0090,075 0,76 0, ,983 0, ,886 1,0140,86 5,90 0, ,3760 0, ,7833 1,007,484 31,71 0, ,4 0, ,7084 1,095,671 37,90 0, ,5564 0,

56

57 MULAI 1. Menentukan masalah. Mengumpulkan referensi 3. Persiapan analisa Mesin yang dianalisa adalah Mesin Spray Dryer Menghitung perpindahan kalor Menghitung debit udara Menghitung laju massa aliran T = 500 C 450 C 375 C 1. Analisa. Kesimpulan SELESAI 57