EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE BERSIRIP HELICAL SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL

Transkripsi

1

2 EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR DOUBLE PIPE BERSIRIP HELICAL SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG MESIN DIESEL Zainuddin, Jufrizal, Eswant Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Institut Teknlgi Medan Jl. Gedung Arca N. 52 Medan, Telp Fax Abstrak Pemanfaatan limbah panas (heat recvery) dari mesin-mesin penggerak khususnya gas buang pada mesin-mesin Diesel harus terus dilanjutkan. Hal ini disebabkan karena ketersedian gas buang yang menyebabkan plusi sangat banyak. Selain dari itu harga bahan bakar minyak (BBM) juga membuat kita harus berhemat sehingga sistem heat recvery merupakan salah satu slusi yang harus diaplikasikan. Salah satu teknik yang bisa dilakukan dengan menggunakan alat penukar kalr. Dalam penelitian ini alat penukar kalr yang digunakan jenis duble pipe bersirp yang kemampuannya diperlihatkan dari efektivitas yang dihasilkan. Efektivitas dari alat penukar kalr duble pipe diketahui dengan mengamati temperatur dan tekanan dari fluida yang digunakan. Dalam penelitian ini dibuat beberapa variasi putaran mesin Diesel yaitu 2500 rpm, 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm. Sedangkan debit air juga divariasikan dari 10 l/m, 15 l/m,20 l/m, 25 l/m dan 30 l/m. Dari hasil penelitian dapat diperleh kesimpulan bahwa efektivitas alat penukar kalr jenis duble pipe tertinggi terdapat pada pada putaran mesin Diesel 2500 rpm dan debit air 30 l/m yaitu sebesar 68,22 % dengan NTU 1,323 dan Cmin/Cmax sebesar 0,32 sedangkan putaran paling tinggi 3500 rpm menghasilkan efektivitas 37,09 % dengan NTU 0,626 dan Cmin/Cmax sebesar 1,20. Kata Kunci : duble pipe, mesin diesel,apk, efektifitas, gas buang. Pendahuluan Kenaikan harga minyak dunia yang berdampak pada kenaikan subsidi yang harus dikeluarkan pemerintah membuat pemerintah terpaksa menaikkan harga bahan bakar minyak (BBM) sejak 22 Juni Dimana harga premium dari Rp menjadi Rp per liter serta harga slar dari Rp menjadi Rp per liter (Republika Online, 2013). Kenaikan BBM ini menyebabkan makin mahalnya biaya perasi yang harus dikeluarkan leh industri yang berskala kecil maupun besar di Indnesia. Salah satu cara untuk bisa melakukan penghematan adalah dengan teknik pemanfaatan kembali limbah panas (heat recvery) dari mesin-mesin penggerak khususnya gas buang pada mesin-mesin diesel yang banyak digunakan di dunia usaha. Mesin diesel banyak dipergunakan pada htel sebagai penggerak generatr listrik maupun pada industri yang mempergunakan kmpresr. Pemanfaatan gas buang dari mesin Diesel biasanya digunakan sebagai media pemanas untuk memanaskan media lain sehingga terjadi pertukaran panas secara knduksi dan knveksi. Media yang digunakan disini adalah fluida yang berbentuk cair atau gas. Sedangkan alat yang digunakan untuk melakukan prses ini disebut Heat Exchanger (HE) atau dalam bahasa Indnesia disebut alat penukar kalr (APK). Di industri APK merupakan peralatan vital terutama pada industri yang memerlukan pemanfaatan panas atau pertukaran panas. Alat penukar kalr jenis helical hampir sama prinsip pembuatannya dengan alat penukar kalr jenis spiral disini hanya plat atau sirip yang dipasang dililitkan pada suatu pipa atau tube hingga menyerupai bentuk pegas dan dipasangkan kedalam annulus seperti pada gambar 1. Aliran fluida berada pada celah lilitan helical yang berada pada luar tube dan didalam annulus. TM

3 Gambar 1. Alat Penukar Kalr Jenis Helical Analisa Perpindahan Panas pada APK jenis Duble Pipe Besarnya kalr yang diserap fluida dingin adalah: q c = mc x Cp air (Tc, Tc,i) (1) = Kalr yang diserap fluida dingin (kw) q c. m c = Laju aliran massa air (kg/s) Cp air = Panas jenis air (kj/kg 0 C) T c, = Temperatur air keluar tube ( 0 C) T c,i = Temperatur air masuk tube ( 0 C) Besar kalr yang dilepaskan fluida panas adalah: qh = m h Cp gas. (Th i Th ) (2) = Kalr yang dilepas fluida panas (kw) q h. m c = Laju aliran massa gas (kg/s) Cp gas = Panas jenis air (kj/kg 0 C) T h,i = Temperatur air keluar anulus ( 0 C) T h, = Temperatur air masuk anulus ( 0 C) Perpindahan Panas Dengan Menggunakan Metde LMTD Kalr yang berpindah secara perpindahan panas William. S yaitu: q = U 1. A O.F. LMTD (3) q = Kalr yang dipindahkan secara perpindahan panas (kw) U = Kefisien perpindan panas menyeluruh (kw/m 2 0 C) F = Faktr kreksi LMTD = Lng mean temperature difrence ( 0 C) T h, i Tc, T h, Tc, i LMTD (4) T h, i Tc, In T T h, i c, Luas Perpindahan Panas keseluruhan (A ) menurut Saunders. E. Yaitu: A x L +(A sirip ) (5) A = Luas keseluruhan permukaan perpindahan kalr (m 2 ) d = Diameter luar tube (m) L = Panjang tube A sirip = Luas permukaan sirip Mencari luas permukaan sirip (A sirip ) menurut Saunders. E. Yaitu: A sirip = 2 x (L sirip x W) (6) TM

4 A sirip = Luas permukaan sirip L sirip = Pangjang sirip W = Lebar sirip Seminar Nasinal Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013 Untuk mencari panjang sirip (L sirip ) menurut Saunders. E. Yaitu: L sirip x n 1 + ( n 2 x s ) (7) L sirip = Panjang sirip d = Diaeter luar tube n 1 = Jumlah lilitan sirip n 2 = Jumlah jarak antara lilitan s = Jarak antara lilitan Untuk mencari kefisien perpindahan menyeluruh (U 1 ) dapat dihitung dengan persamaan: 1 1 dt, dt, 1 dt, In U 1 c 2w dt, i h d (8) t, i c = Kefisien perpindahan panas didalam annulus (W/m 2. C) d t, = Diameter luar tube (m) d ti = Diameter dalam tube (m) w = Knduktivitas bahan yang digunakan (W/m. C) h = Kefisien perpindahan panas didalam tube (W/m 2. C) Menentukan Efektivitas Alat Penukar Kalr q q max s q = Kalr yang berpindah secara perpindahan panas (kw) q max = Kalr maxsimum yang berpindah secara perpindahan panas (kw) (9) Kapasitas panas maxsimum (q max ) menurut William yaitu: q maxs = C min x (T h,i T c,i ) (10) C = Cc.mc kapasitas panas untuk fluida air (kw/ C) = Ch,m h kapasitas panas untuk gas buang (kw/ C) Jika Cc < Ch, maka Cmin = Cc Jika Cc > Ch, maka Cmin = Ch Menentukan Nilai NTU ( number f transfer unit ) Nilai number f transfer unit (NTU) dapat dihitung dengan persamaan: 1 1 NTU = ln C 1 C 1 (11) Metde Penelitian Penelitian ini menggunakan mesin diesel yang telah di instalasi dengan alat penukar kalr duble pipe dengan sirip helical sebagaimana terlihat pada gambar 1. Mesin TM

5 Diesel digunakan sebagai penghasil gas buang dengan merk Isuzu Gemini 4FB1 Diesel, kapasitas 1471cc, 4 silinder, daya 54 kw (72,386 hp).dan putaran mesin maksimum 3600 rpm dan Alat penukar kalr yang dipergunakan melalui perhitungan sehingga diperleh dimensi yang akan dibuat seperti terlihat pada tabel 1 dan instalasi alat penelitian seperti pada gambar 2. Tabel 1. Lay ut, gemetri dan dimensi alat APK Parameter alat Dimensi Diameter luar tube 0.05 m Tebal tube 1,2 mm Diameter dalam anulus 0,125 Jumlah laluan (pass tube) 1 pass Panjang tube 1 m Lebar sirip 0,0375 m Panjang sirip 6,23 Jarak antara lilitan 0.3 m Jumlah sirip 33 Bahan APK Stainless steel AISI/ASTM 202 Peralatan Adapun peralatan yang dipakai pada penelitian ini sebagai berikut: 1. Mesin Diesel Isuzu Panther 2. Thermkpel type K 3. Tachmeter digital 4. Pressure Gage 5. Flw meter 6. thermmeter digital 7. Pmpa Sentrifugal Gambar 2. Setup peralatan penelitian dan pendukung yang lainnya Pengamatan Pengamatan yang dilaksanakan dengan memvariasikan debit air 10 l/m, 15 l/m, 20 l/m, 25 l/m dan 30 l/m, laju aliran massa gas buang dan putaran mesin 2500 rpm, 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm. TM

6 Hasil Penelitian dan Pembahasan Hasil penelitian yang diperleh dari alat penukar kalr duble pipe bersirip dapat dilihat pada tabel 2 s/d 6. Tabel 2. Hasil Penelitian dan perhitungan t h,i 92.7 C pada putaran 2500 rpm Tabel 3. Hasil Penelitian dan perhitungan t h,i 95.3 C pada putaran 2750 rpm Tabel 4. Hasil Penelitian dan perhitungan t h,i 97.8 C pada putaran 3000 rpm Tabel 5. Hasil Penelitian dan perhitungan t h,i 99.8 C pada putaran 3250 rpm Tabel 6. Hasil Penelitian dan perhitungan t h,i C pada putaran 3500 rpm TM

7 Hubungan Temperatur air keluar dengan laju aliran massa air Dari gambar 3 grafik prfil temperatur dengan laju aliran massa air dipengaruhi leh putaran mesin. Pada puran 2500 rpm temperatur maksimum yang dapat dicapai 44,5 C dan temperatur tertinggi terjadi pada putaran 3500 rpm dengan temperatur maksimum yang dapat dicapai 60,4 C. 65 Temperatur air panas (C) ma (kg/s) rp m rp m rp m rp m rp m Gambar 3. Grafik hubungan laju massa aliran air dengan temperatur Temperatur gas buang yang dihasilkan pada putaran 2500 rpm adalah 92.7 C sedangkan temperatur gas yang tertinggi pada putaran 3500 rpm adalah 100,2 C. Jadi untuk menda patkan temperatur air yang diingini diperlukan temperatur gas buang dari mtr diesel yang lebih tinggi. Hubungan Perbandingan Panas dengan Laju aliran massa air Pada gambar 4 terlihat perbandingan perpindahan panas nyata dengan perpindahan panas maksimum yang terbesar 6,822 pada putaran 2500 rpm, sedangkan pada putaran 3500 rpm hanya dapat menghasilkan 3, Q/Qmax ma (kg/s) rp m rp m rp m rp m rp m Gambar 4. Grafik hubungan perbandingan panas dengan laju massa aliran air Perbandingan panas nyata dengan panas maksimum menghasilkan angka tertinggi 6,822 putaran 2500 rpm menandakan pada putaran tersebut cukup baik menyerap panas dari panas maksimum yang dihasilkan alat penukar kalr. TM

8 Hubungan Efektivitas dengan NTU Efektivitas meningkat sejalan naiknya nilai NTU, efektivitas tertinggi terjadi pada putaran 2500 rpm sebesar 68,22% dengan nilai NTU sebesar 8,17 sedangkan untuk putaran tertinggi pada putaran 3500 rpm hanya menghasilkan efektivitas 37,09% dengan nilai NTU sebesar 0,626. Efektivitas (%) Gambar 5. Grafik hubungan efektivitas dengan NTU Nilai NTU yang besar menghasilakan efektivitas paling tinggi, sejalan dengan naiknya putaran mesin diesel menghasilkan efektivitas menjadi lebih rendah rendah. Hubungan Efektivitas dengan perbandingan Cmin dengan Cmax Mengecilnya perbandingan kapasitas panas minimum dengan kapasitas panas maksimum (C=Cmin/Cmax) akan meningkatkan efektivitas alat penukar kalr duble pipe bersirip seperti pada gambar 6. NTU 2500 rpm 2750 rpm 3000 rpm 3250 rpm 3500 rpm Efektivitas (%) C=Cmin/Cmax rp m rp m rp m rp m rp m Gambar 6. Grafik hubungan efektivitas dengan perbandingan kapasitas panas minimum dan maksimum dengan variasi putaran Pada gambar 6 efektivitas tertinggi 68,22% putaran mesin diesel 2500 rpm dan putaran mesin diesel nilai C adalah 0,32 bila dinaikan menjadi 2750 rpm, 3000 rpm, 3250 rpm dan 3500 rpm semakin turun sejalan naiknya nilai perbandingan Cmin dengan Cmax (C). Pada putaran 3500 rpm nialai 1,20 pada kndisi debit air yang sama. TM

9 Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dengan alat penukar kalr duble pipe bersirip dapat disimpulkan: 1. Temperatur air panas pada putaran 2500 rpm maksimum 45,5 0 C dengan temperatur gas buang 92,7 C, laju aliran massa air 0,1657 kg/s dan laju aliran massa gas buang 0,7287 kg/s. Sedangkan temperatur air panas pada putaran 3500 rpm maksimum 62,3 C dengan laju aliran massa air 0,4347 kg/s 2. Perbandingan laju perpindahan panas nyata dengan laju perpindahan panas maksimum tertinggi pada putaran 2500 rpm sebesar 4,141 dan naik sejalan dengan pertambahan laju aliran massa air. Sedangkan dengan naiknya putaran mesin diesel turun menjadi 3,709 pada debit air yang sama. 3. Efektivitas tertinggi 68,22% terjadi pada putaran 2500 rpm dengan NTU sebesar 1,323 dan temperatur gas buang mesin diesel 92,7 0 C sedangkan pada putaran 3500 rpm diperleh efektivitas 37,09% dengan NTU sebesar 0,626.dan temperatur gas buang mesin diesel 100,2 C dengan debit air yang sama. 4. Efektivitas naik sejalan turunnya nilai perbandingan kapasitas panas minimum dengan kapasitas panas maksimum ( C=Cmin/Cmax ). Pada putaran 2500 rpm temperatur gas buang mesin diesel 92,7 C menghasilkan efektivitas 68,22% dan Cmin/Cmax sebesar 0,32, sedangkan pada putaran 3500 rpm temperatur gas buang mesi diesel 100,2 C menghasilkan efektivitas 37,09% dan Cmin/Cmax sebesar 1,20. Daftar Pustaka 1. Hewitt, G, F, G, L, Shires and T, R Blt. (2000). Prcess Heat Transfer, Begel Hause Inc. New Yrk. 2. William S, Janna. (1986). Engineering Heat Transfer. PWS Publisher. Bstn. 3. Sunders, E, A, D. (1997). Heat Exchanger Selectin Design and Cntructin, Jhn Wiley and Sns Ltd, England. 4. Tirtatmj Raharj. (1999). Pemanfaatan Energi Gas Buang Mtr Diesel Stasiner Untuk Pemanas Air. Jurnal Jurusan Teknik Mesin. ISSN , Vlume 1, April Universitas Kristen Petra. 5. Zainuddin. (2005). Studi Eksperimental Alat Penukar Kalr Shell and Tube dengan Memanfaatkan Gas Buang Mesin Diesel Sebagai Pemanas Air. Jurnal Saintek ITM. Terakreditasi, ISSN , Vl 22 Nmr 1, Edisi Januari Juni ITM 6. Zainuddin. (2011). Analisa Keefektifan Alat Penukar Kalr Duble Pipe Bersirip Helical untuk pemanas udara dengan memanfaatkan gas buang mesin genset (Diesel) sebagai pengering gabah. Seminar Nasinal Thermfluid ISBN: Oktber UGM. TM