SKRIPSI PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW

Transkripsi

1 SKRIPSI PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW Oleh : Ai Rukmini F DEPATEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2 PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor Oleh : Ai Rukmini F DEPATEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

3 PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW. Skripsi disusun oleh Ai Rukmini, F dibawah bimbingan Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA RINGKASAN Pengeringan alami dilakukan dengan cara penjemuran sangat tergantung pada sinar matahari sebagai sumber energi utama. Pengering surya efek rumah kaca juga memanfaatkan energi matahari tetapi ketergantungan terhadap matahari dapat diatasi dengan menambahkan suatu pemanas tambahan untuk mengatasi masalah tersebut yaitu tungku bahan bakar yang bisa dioperasikan pada kondisi cuaca mendung atau pengeringan di malam hari. Pembakaran biomassa secara langsung sebagai pemanas tambahan menimbulkan kendala asap yang akan mempengaruhi kualitas produk yang dikeringkan untuk menangani masalah ini diperlukan alat penukar panas yang dapat menghasilkan udara panas yang bersih dari uap. Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang dan menguji penukar panas tipe berlawanan (counterflow) untuk digunakan pada pengering surya tipe efek rumah kaca. Pengeringan merupakan proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai batas akhir kadar air tertentu sehingga memperlambat laju kerusakan akibat aktifitas biologi dan kimia. Ada dua cara pengeringan yaitu pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pada pengering surya buatan dikenal dua tipe alat, yang pertama menggunakan kolektor surya untuk menghasilkan udara pengering sedangkan pada tipe kedua, kolektor dan ruang pengering diintegrasikan sehingga biaya konstruksinya relatif rendah. Tipe pengering ini dikenal pula dengan pengering surya tipe efek rumah kaca. Panas yang terjadi merupakan akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari terserap plat besi hitam dalam bangunan dan dipancarkan dalam bentuk gelombang panjang yang tak tembus penutup transparan. Tungku biomassa merupakan unit pemanas tambahan yang diperlukan apabila suhu ruang pengering minimum tidak tercapai dan atau untuk pengeringan malam hari Penukar panas adalah alat yang berfungsi untuk mempertukarkan panas dari satu fluida ke fluida lain. Penukar panas dibagi menjadi empat tipe yaitu : (1) penukar panas dengan salah satu fluidanya bersuhu konstan, (2) penukar panas arus berlawanan/counter flow, (3) penukar panas arus searah/parallel flow, (4) penukar panas arus bersilangan/cross flow. Pindah panas adalah laju perpindahan panas yang melalui batas suatu sistem akibat perbedaan suhu. Perpindahan panas pada penukar panas berlangsung secara konduksi yaitu perpindahan panas melalui kontak langsung antara molekul zat yang berbeda suhu, dapat terjadi pada gas, cairan maupun padatan dan konveksi yaitu perpindahan panas yang dihubungkan dengan pergerakan fluida. Pada penukar panas ini terjadi perpindahan panas konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi paksa terjadi karena adanya gaya tambahan dari luar terjadi dalam tabung aliran menyilang kumpulan pipa (tube bank). Konveksi alami yang terjadi yaitu konveksi alami dalam pipa penukar panas yang dipengaruhi oleh bilangan Grashof. Persamaan umum untuk proses pindah panas yang terjadi pada penukar panas tipe cangkang dan pipa secara sederhana dijelaskan berdasarkan hukum kekekalan energi, maka panas yang dipindahkan dari udara hasil pembakaran (Qh) sama dengan udara panas yang

4 diterima oleh udara pengering (Qc). Perpindahan panas untuk berbagai tipe penukar panas dapat ditentukan oleh luas permukaan perpindahan panas (A), koefisien panas keseluruhan (U), dan beda suhu rata-rata logaritmik rata-rata antara udara hasil pembakaran dan udara pengeringan dalam penukar panas ( Tlog). Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam penukar panas terhadap laju pertukaran panas yang mungkin yang ditentukan oleh jumlah satuan perpindahan panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar panas (NTU / number of heat transfer units). Penelitian ini dilakukan di laboratorium lapang Leuwikopo, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Darmaga dari bulan Juli 2005 sampai bulan Nopember Bahan yang digunakan adalah serbuk gergaji dan tongkol jagung dengan peralatan utama adalah alat penukar panas tipe counterflow hasil perancangan, kipas centrifugal forward curve dan tungku pembakaran biomassa beserta peralatan anemometer, hybrid recorder, pen recorder, conjunction, termokopel CA, CC dan batang, adaptor, timbangan, dan manometer air pipa U. Pengukuran yang dilakukan dalam penelitian ini adalah suhu, kecepatan udara, konsumsi biomassa dan penurunan tekanan. Hasil yang diperoleh setelah pengujian selama 4 jam yaitu suhu tungku berkisar antara C dan suhu udara masuk pipa penukar panas berkisar antara C. Suhu udara keluar penukar panas berada pada kisaran suhu antara C. Suhu dinding pipa bagian bawah berkisar pada C, suhu dinding pipa bagian tengah berkisar pada C sedangkan suhu dinding pipa bagian atas berkisar C. Suhu aliran udara pada ruang penukar panas berkisar antara C. Beda suhu rata-rata logaritmik berdasarkan perhitungan berkisar antara C. Panas yang dipindahkan berkisar antara kj/jam. Efektifitas penukar panas metoda NTU berkisar antara dengan rata-rata Nilai efektifitas berdasarkan hasil pengukuran berkisar antara Rata-rata konsumsi biomassa sebesar 0.94 kg/jam dengan energi ratarata yang dihasilkan sebesar kj/jam. Panas yang dipindahkan ke penukar panas jauh lebih kecil dibandingkan panas yang diberikan tungku. Panas yang dipindahkan ke penukar panas rata-rata sebesar kj/jam. Kecepatan udara panas yang melewati cerobong berkisar antara m/s sedangkan kecepatan udara di lingkungan berkisar antara m/s. Pada lubang PDID lebar 2, 3, dan 4 cm, kecepatan udara yang terukur rata-rata secara berturut turut 0.34 m/s, 0.33 m/s, 0.32 m/s. Efisiensi kecepatan udara pada perlakuan lebar lubang PDID berkisar antara Penurunan tekanan hail pengukuran berkisar antara Pa. Kehilangan daya kipas karena penurunan tekanan yaitu berkisar antara Watt.

5 DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR PERANCANGAN DAN UJI ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER) TIPE COUNTER FLOW SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor Oleh : Ai Rukmini F Dilahirkan pada tanggal 7 Juli 1983 di Majalengka Tanggal lulus : 15 Agustus 2006 Menyetujui, Bogor, September 2006 Prof. Dr.Kamaruddin Abdullah, MSA. Pembimbing Mengetahui, Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. Ketua Departemen Teknik Pertanian

6 RIWAYAT HIDUP Ai Rukmini lahir di Majalengka tanggal 7 juli 1983 yang merupakan anak ke empat dari empat bersaudara dari ayah bernama Suarta dan ibu bernama Nunung Nursiah. Pendidikan penulis dimulai dari tahun 1989 di SD Negeri Bayu Endah Majalengka. Tahun 1995 penulis melanjutkan pendidikan tingkat menengah pertama di SLTP Negeri I Majalengka kemudian tahun 1998 memasuki pendidikan tingkat menengah atas di SMU Negeri I Majalengka. Melalui jalur USMI penulis diterima sebagai mahasiswa Teknik Pertanian, Institut Pertanian Bogor pada tahun Selama menjadi mahasiswa penulis menjadi pengurus HIMATETA (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian ) bagian divisi HRD pada periode tahun 2002/2003. Pada tahun 2004 penulis melaksanakan praktek lapangan di PTPN VIII Perkebunan Gedeh Cianjur dengan mengambil judul Mempelajari Aspek Energi Pada Proses Pengolahan Teh Hitam di PTPN VIII Perkebunan Gedeh Cianjur. Penelitian penulis berjudul Perancangan dan Uji Alat Penukar Panas (Heat Exchanger) Tipe Counterflow yang dilakukan di Laboratoriom Lapang Leuwikopo Teknik Pertanian pada tahun 2005 dibawah bimbingan Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA. Dengan rahmat Allah, penulis dinyatakan lulus sebagai Sarjana Teknologi Pertanian pada tanggal 15 Agustus 2006.

7 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum wr. wb. Segala puji kita panjatkan ke hadlirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat-nya kepada kita semua sehingga penulisan skripsi ini dapat diselesaikan. Semoga shalawat serta salam tercurahkan kepada Rasulullah SAW, manusia terbaik sepanjang zaman. Penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Program Hibah Pasca Sarjana yang telah memberikan dukungan dana selama penelitian ini, 2. Mih dan Bapak atas doa restu dan pengorbanannya selama ini, 3. Mamah dan Bapak atas dukungan dan semangatnya, 4. A Indra dan ade kecilku atas doa, kasih sayang dan semangatnya, 5. Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSA sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan ilmu, bimbingan, tauladan dan pengarahan, penulis sampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya, 6. Ibu Dr. Ir. Dyah Wulandani, M. Si dan Bapak Totok Prasetyo, B. Eng, MT selaku dosen penguji yang bersedia meluangkan waktu untuk berkonsultasi dan berbagi ilmunya hingga penulisan skripsi ini selesai, 7. Pak Harto dan pak Kardjio atas bantuannya dalam memperlancar penelitian ini, 8. Indra Budi Nugraha dan M. Hanafi atas kerjasamanya, 9. Keluarga atas doa dan bantuannya selama ini. Penulis sadar akan banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini, sehingga kritik dan saran membangun sangat diharapkan demi perbaikan tulisan ini ke depan. Wassalamu alaikum wr.wb. Bogor, September 2006 Penulis i

8 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... ii DAFTAR TABEL... iv DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR LAMPIRAN... vi DAFTAR SIMBOL... vii I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG... 1 B. TUJUAN PENELITIAN... 2 II. TINJAUAN PUSTAKA A. PENGERINGAN EFEK RUMAH KACA... 3 B. HASIL-HASIL PENELITIAN TENTANG PENGERINGAN DENGAN EFEK RUMAH KACA... 4 C. ENERGI PEMBAKARAN BIOMASSA... 5 III. RANCANGAN PENUKAR PANAS A. PENUKAR PANAS... 7 B. PERPINDAHAN PANAS... 8 C. KONSEP PDID D. PENURUNAN TEKANAN IV. BAHAN DAN METODE A. TEMPAT DAN WAKTU B. BAHAN DAN ALAT C. PENGUKURAN DAN PERCOBAAN V. PEMBUATAN PENUKAR PANAS A. KRITERIA RANCANGAN B. RANCANGAN FUNGSIONAL C. RANCANGAN STRUKTURAL VI. HASIL DAN PEMBAHASAN A. PROFIL SUHU HASIL PENGUKURAN 1. PROFIL SUHU UDARA PEMANAS ii

9 2. PROFIL SUHU PENUKAR PANAS B. EFEKTIFITAS PENUKAR PANAS C. KECEPATAN UDARA D. PENURUNAN TEKANAN E. KONSUMSI BIOMASSA VII. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN B. SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iii

10 DAFTAR TABEL Tabel 1. Nilai kalor rata-rata untuk berbagai jenis bahan bakar... 6 Tabel 2. Konduktivitas panas beberapa bahan... 9 Tabel 3. Suhu rata-rata hasil pengukuran Tabel 4. Data suhu rata-rata pada dinding pipa penukar panas Tabel 5. Data suhu rata-rata pada aliran udara di dalam penukar panas Tabel 6. Beda suhu rata-rata logaritmik Tabel 7. Hasil perhitungan koefisien pindah panas Tabel 8. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 15) metode NTU Tabel 9. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 12) hasil pengukuran Tabel 10. Kecepatan udara selama percobaan Tabel 11. Efisiensi kecepatan udara Tabel 12. Penurunan tekanan dan kehilangan daya kipas hasil pengukuran. 35 Tabel 13. Konsumsi biomassa selama percobaan iv

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Penukar panas arus searah (parallel flow)... 7 Gambar 2. Penukar panas arus berlawanan (counter flow)... 7 Gambar 3. Penukar panas arus bersilangan (cross flow)... 8 Gambar 4. Distribusi suhu di dalam penukar panas tipe aliran berlawanan. 8 Gambar 5. Efektivitas untuk kemampuan kerja penukar kalor aliran berlawanan arah Gambar 6. Posisi titik-titik pengukuran suhu Gambar 7. Posisi titik-titik pengukuran kecepatan udara Gambar 8. Sketsa pengukuran penurunan tekanan Gambar 9. Profil suhu penggunaan tungku Gambar 10. Profil suhu udara masuk pipa penukar panas Gambar 11. Profil suhu udara keluar penukar panas Gambar 12. Profil suhu pada dinding pipa penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 2 cm.. 27 Gambar 13. Profil suhu pada aliran udara di dalam ruangan penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 2 cm Gambar 14. Hubungan antara perbandingan lebar lubang PDID dan diameter dengan Efisiensi v

12 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Profil suhu pada dinding pipa penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 cm Lampiran 2. Profil suhu pada dinding pipa penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 4 cm Lampiran 3. Profil suhu pada aliran udara di dalam ruangan penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 cm Lampiran 4. Profil suhu pada aliran udara di dalam ruangan penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 4 cm Lampiran 5. Tabel sifat fisik udara Lampiran 6. Faktor gesekan K pada berbagai saluran Lampiran 7. Contoh perhitungan pada penukar panas Lampiran 8. Tabel hasil perhitungan perameter penukar panas Lampiran 9. Gambar teknik penukar panas tipe counter flow Lampiran 10. Foto penukar panas tipe counter flow saat pengujian Lampiran 11. Foto alat ukur yang digunakan saat pengujian vi

13 DAFTAR SIMBOL Q = Laju perpindahan panas penukar panas (W) Qh = Panas yang dipindahkan dari udara hasil pembakaran (W) Qc = Panas yang diterima oleh udara pengering (W) h o = Koefisien pindah panas kumpulan pipa dalam tabung (W/m 2 K) h i = Koefisien pindah panas dalam pipa (W/m 2 K) U = Koefisien pindah panas keseluruhan (W/m 2.K) Tlog= Beda suhu rata-rata logaritmik rata-rata antara udara hasil pembakaran dan udara pengeringan (K) T hi T ho T ci T co D o D i = Suhu udara pembakaran masuk penukar panas (K) = Suhu udara pembakaran keluar penukar panas (K) = Suhu udara pengering masuk penukar panas (K) = Suhu udara pengering keluar penukar panas (K) = Diameter luar pipa (m) = Diameter dalam pipa (m) D eq = Diameter eqiuvalen (m) L = Panjang pipa (m) S n S p = Jarak antara sumbu-sumbu pipa dalam baris-baris membujur (m) = Jarak sumbu ke sumbu antara baris-baris lintang pipa yang berdekatan (m) A = Luas permukaan perpindahan panas (m 2 ) A o = Luas permukaan luar pipa (m 2 ) A i = Luas permukaan dalam pipa (m 2 ) Re c = Bilangan Reynold (udara pengering) Pr c = Bilangan Prandtl (udara pengering) Pr h = Bilangan Prandtl (udara hasil pembakaran) Nu h = Bilangan Nuselt(udara hasil pembakaran) Gr h = Bilangan Grashof (udara hasil pembakaran) ρ c = Kerapatan massa udara pengering (kg/m 3 ) ρ h = Kerapatan massa udara hasil pembakaran (kg/m 3 ) μ c = Viskositas udara pengering (kg/m.s) vii

14 μ h μ w μ b = Viskositas udara hasil pembakaran (kg/m.s) = Viskositas udara pada kondisi dinding (kg/m.s) = Viskositas aliran besas rata-rata (kg/m.s) Cp c = Panas jenis udara pengering (kj/kg K) Cp h = Panas jenis udara hasil pembakaran (kj/kg K) R k k k c k h β h f ΔP = Resistansi logam (m 2 K/W) = Konduktifitas panas bahan penukar panas (W/mK) = Konduktifitas panas udara pengering (W/m.K) = Konduktifitas panas udara hasil pembakaran (W/m.K) = Koefisien muai panas udara (1/K) = Faktor gesek empiris = Penurunan tekanan (Pa) g = Grafitasi (9.8 m/s 2 ) K = Faktor gesekan G max = Laju massa pada luas bidang aliran munimum (kg/m 2.s) N = Jumlah baris melintang m = Laju aliran massa udara (kg/s) v c ε = Kecepatan udara masuk melalui inlet udara (m/s) = Nilai efektifitas penukar panas NTU = Satuan perpindahan panas C = Laju kapasitas udara C min = Laju kapasitas udara yang lebih kecil (kw/k) C max = Laju kapasitas udara yang lebih besar (kw/k) viii

15 I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Pengeringan bahan pertanian pada umumnya dilakukan dengan pengeringan alami dan menggunakan alat pengering buatan. Pengeringan alami dilakukan dengan cara penjemuran sangat tergantung pada sinar matahari sebagai sumber energi utama untuk pengeringan sedangkan pengeringan buatan merupakan pengeringan dengan menggunakan udara pengering yang dipanaskan atau yang tak dipanaskan. Pada pengeringan alami kelemahan terjadi karena tidak stabilnya kondisi lingkungan atau panas matahari dan gangguan cuaca lainnya seperti angin, hujan mendadak, debu dan kotoran. Pengering surya efek rumah kaca juga memanfaatkan energi matahari tetapi ketergantungan terhadap matahari dapat diatasi dengan menambahkan suatu pemanas tambahan. Untuk itu digunakan tungku bahan bakar yang dirancang sedemikian rupa sehingga bisa dioperasikan pada kondisi cuaca mendung atau pengeringan di malam hari. Bahan bakar yang bisa digunakan diantaranya kayu bakar, sekam, serbuk kayu, serutan kayu, dan lain-lain. Pembakaran biomassa sebagai sumber energi tambahan untuk proses pengeringan menimbulkan kendala asap yang akan mempengaruhi kualitas produk yang dikeringkan. Untuk mengatasi kendala tersebut digunakan komponen yang berfungsi untuk mempertukarkan panas dari sumber energi ke ruang pengering melalui perambatan panas pada bahan penukar panas yang disebut alat penukar panas. Dengan menggunakan penukar panas, proses pembakaran dapat dilakukan di luar ruang pengering. Panas dapat dihantarkan ke dalam ruang pengering melalui perantaraan suatu fluida yang dapat berupa gas maupun cairan sehingga terjadi pemanasan tidak langsung. Penukar panas yang umumnya digunakan disusun berupa pipa-pipa atau plat. Dengan bentuk pipa yang disusun vertikal dan fluida yang digunakan hanya udara, kiranya dapat mempermudah dalam penggunaannya. Penukar panas dengan model kompak dan ringan diperlukan untuk mempermudah dalam penggunaannya. 1

16 Kendala dalam penggunaan penukar panas antara lain biaya pembuatan dan biaya operasional yang tinggi. Tetapi keuntungan yang dapat diambil dari penggunaan penukar panas yaitu dapat meningkatkan laju energi untuk pengeringan, dapat mengefektifkan pengendalian suhu dan waktu pada proses pengeringan. Dengan hal itu diharapkan proses pengeringan dapat dikontrol, lebih higienis serta tidak terlalu tergantung dengan cuaca. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penukar panas diantaranya luasan pindah panas dan jenis bahan penukar panas. B. TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang dan menguji penukar panas tipe berlawanan (counterflow) untuk digunakan pada pengering surya tipe efek rumah kaca. 2

17 II. TINJAUAN PUSTAKA A. PENGERINGAN EFEK RUMAH KACA Pengeringan adalah suatu proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar air, dimana mutu suatu bahan pertanian dapat dijaga dari serangan jamur, aktifitas serangga dan enzim (Henderson dan Perry, 1976). Menurut Brooker et al., (1974) pengeringan merupakan proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai batas akhir kadar air tertentu sehingga memperlambat laju kerusakan akibat aktifitas biologi dan kimia. Beberapa parameter pengeringan yang berpengaruh terhadap waktu yang dibutuhkan untuk mengurangi kadar air biji-bijian hingga kadar air yang diinginkan diantaranya suhu udara pengering, kelembaban relatif udara pengering, laju aliran udara pengering, kadar air awal dan kadar air akhir (Brooker et al., 1974). Menurut Hall (1957) faktor yang mempengaruhi proses pengeringan terbagi menjadi dua golongan, yaitu faktor yang berhubungan dengan udara pengeringan dan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan yang dikeringkan. Faktor yang berhubungan dengan udara pengeringan adalah suhu udara, debit aliran dan kelembaban udara pengering, sedangkan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan adalah bentuk, ukuran, kadar air, ketebalan bahan yang dikeringkan serta tekanan parsialnya. Menurut Henderson dan Perry (1976) dan Hall (1957) ada dua cara pengeringan yaitu pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami merupakan cara pengeringan yang memanfaatkan energi surya, bahan yang dikeringkan diletakkan di atas hamparan atau lantai jemur. Pengeringan buatan menggunakan udara pengering yang dipanaskan atau yang tak dipanaskan. Alat pengering buatan selanjutnya digunakan istilah alat pengering dapat dibagi berdasarkan tipe ruang pengering dan tipe pemanas. Tipe ruang pengering dibagi atas tipe bak dan tipe kontinu. Tipe pemanas dibagi atas (1) cara pemindahan panas, (2) cara pembakaran dan (3) jenis bahan bakar yang digunakan. 3

18 Tujuan utama suatu sistem berenergi surya adalah mengumpulkan energi radiasi surya menjadi panas. Menurut Kamaruddin A. et al., (1990), panas yang terjadi merupakan akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari terserap plat besi hitam dalam bangunan dan sebagian dipancarkan dalam bentuk gelombang panjang yang tak tembus penutup transparan. Lapisan penutup trasparan memungkinkan radiasi gelombang pendek dari matahari masuk dan menyekat radiasi gelombang panjang. Sinar yang mengenai bangunan tembus cahaya sebagian akan diteruskan dan sebagian lagi akan diserap. Suhu yang dihasilkan dalam ruang pengering efek rumah kaca ditentukan oleh banyaknya intensitas iradiasi surya yang sampai ke permukaan, keadaan yang menyerap iradiasi dan laju perpindahan panas dari permukaan benda lain serta lapisan penutup bangunan yang digunakan. Untuk menciptakan kondisi tersebut, lapisan transparan memerlukan bahan yang mempunyai daya tembus (transmissivitas) yang tinggi dengan daya serap (absorbsivitas) dan daya pantul (reflektivitas) yang rendah (Kamaruddin A. et al., 1990). Keuntungan yang dapat diperoleh dari pengeringan menggunakan alat efek rumah kaca adalah mengurangi ketergantungan pengeringan terhadap alam dan laju pengeringan dapat dipercepat, produktivitas pengeringan dan mutu hasilnya dapat ditingkatkan, biaya pengeringan lebih murah, produksi dapat dilakukan secara berkelanjutan sehingga mengurangi kerusakan karena faktor alam, serta memudahkan operasi produksi selanjutnya. B. HASIL-HASIL PENELITIAN TENTANG PENGERINGAN DENGAN EFEK RUMAH KACA Nelwan (1997) melakukan pengujian pada lat pengering ERK tipe rak untuk pengeringan kakao menghasilkan suhu ruang pengering untuk tiga kali percobaan masing-masing C, C, dan C. Kadar air diturunkan pada percobaan I dari 45.5%bb menjadi 7.1%bb selama 39 jam, pada percobaan II dari 60.4%bb menjadi 6.7%bb selama 40 jam, pada percobaan III dari 60.4%bb menjadi 6.75%bb selama 45 jam. 4

19 Wulandani (1997) melakukan pengujian pengeringan kopi yang berdinding transparan UV stabilized plastic tipe bak dengan suhu ruang pengering 37 0 C. Kadar air diturunkan dari 68%bb menjadi 13%bb selama 72 jam efektif pada siang hari. Penelitian Rachman (2003) pada pengering kombinasi tipe efek rumah kaca berenergi surya, angin, dan biomassa pada pengeringan ikan teri, suhu ruang pengering yang dihasilkan pada percobaan I sebesar C, percobaan II sebesar C dan percobaan III berkisar C dengan rata-rata C. Pengeringan dilakukan selama jam pada percobaan I, dan 8-10 jam pada percobaan II. Pengeringan ini menurunkan kadar air bahan dari 77-78%bb menjadi %bb pada percobaan I dan pada percobaan II dari 61-65%bb menjadi %bb. Suherman (2005) melakukan pengujian pada alat pengering efek rumah kaca bentuk kerucut untuk pengeringan rumput laut menghasilkan suhu ruang pengering untuk tiga kali percobaan masing-masing C, C, dan C. Kadar air diturunkan pada percobaan I dari 91.77%bb menjadi 34.2%bb selama 30.4 jam, pada percobaan II dari 92%bb menjadi 34.4%bb selama 32.2 jam, pada percobaan III dari 89%bb menjadi 34.2%bb selama 26.6 jam. Penelitian yang dilakukan Agriana (2006) pada pengering surya hibrid tipe efek rumah kaca untuk pengeringan dendeng jantung pisang, suhu ruang pengering yang dihasilkan pada percobaan I berkisar C dengan rata-rata C, percobaan II berkisar C dengan rata-rata C dan percobaan III berkisar C dengan rata-rata C. Pengeringan dilakukan selama 6 jam pada percobaan I, 9 jam pada percobaan II,dan 5 jam pada percobaan III. Pengeringan ini menurunkan kadar aiar bahan dari 78-81%bb menjadi 28-22%bb. C. ENERGI PEMBAKARAN BIOMASSA Biomassa merupakan bahan organik hasil dari proses fotosintesis baik berupa produk maupun buangan. Pemanas tambahan dengan bahan bakar biomassa dalam sistem pengeringan merupakan bentuk usaha untuk 5

20 mempertahankan suhu ruangan pada tingkat tertentu yang diinginkan, disesuaikan dengan keadaan bahan serta keadaan cuaca disekitar sistem pengeringan. Keuntungan dari penggunaan biomassa diantaranya adalah murah, mudah didapat, dan emisi yang ditimbulkan bisa ditekan. Energi panas dilepaskan dalam proses pembakaran dan diukur sebagai nilai kalori. Nilai kalor rata-rata untuk setiap jenis biomassa berbeda-beda dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai kalor rata-rata untuk berbagai jenis bahan bakar Bahan Bakar Nilai Kalori (MJ/kg) Kayu (kering mutlak) 18.8 Batu bara muda (lignit) 7.9 Batu bara 29.3 Arang kayu 29.5 Minyak bumi (mentah) 42.2 BBM 42.8 Gas alam 40.7 Serbuk kayu (kayu padat) 15.9 Serutan kayu (shaving) 15.9 Keping kayu (wood chip) 15.9 Sumber : Philip (1980) dan Wegwner (1988) dalam Nuryadin Budiman (1990) 6

21 III. RANCANGAN PENUKAR PANAS A. PENUKAR PANAS Penukar panas adalah alat yang berfungsi untuk mempertukarkan panas dari satu fluida ke fluida lain. Fluida-fluida tersebut dicegah bercampur satu dengan lainnya oleh pembatas seperti dinding pipa. Contoh dari penukar panas antara lain evaporator refrigerasi, kondensor dan radiator. Menurut Henderson dan Perry (1976) penukar panas dibagi menjadi empat tipe yaitu : (1) penukar panas dengan salah satu fluidanya bersuhu konstan, (2) penukar panas arus berlawanan/counter flow, (3) penukar panas arus searah/parallel flow, (4) penukar panas arus bersilangan/cross flow. Pada Gambar 1, 2 dan 3 disajikan tipe-tipe penukar panas. Di dalam penukar panas suhu fluida umumnya tidak konstan, tetapi berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu panas mengalir dari fluida panas ke fluida dingin (Kreith, 1973). Distribusi suhu di dalam penukar panas untuk aliran berlawanan disajikan dalam Gambar 4. Gambar 1. Penukar Panas Arus Searah (parallel flow). Gambar 2. Penukar Panas Arus Berlawanan (counter flow). 7

22 Gambar 3. Penukar Panas Arus Bersilangan (cross flow). T Thi T1 ΔT 1 = Th i Tc 0 Tco Tho ΔT 2 = Th 0 Tc 1 T2 Tci 0 A total Gambar 4. Distribusi Suhu di dalam Penukar Panas Tipe Aliran Berlawanan. B. PERPINDAHAN PANAS Pindah panas adalah laju perpindahan panas yang melalui batas suatu sistem akibat perbedaan suhu. Perpindahan panas pada penukar panas berlangsung secara : 1. Konduksi Konduksi yaitu perpindahan panas melalui kontak langsung antara molekul zat yang berbeda suhu, dapat terjadi pada gas, cairan maupun padatan. Perpindahan panas konduksi tergantung pada konduktifitas bahan. Pada Tabel 2 disajikan konduktivitas panas beberapa bahan. Resistansi logam dihitung dengan persamaan berikut : Do Di 2 Do Rk =... 1) k D D 2 i o 8

23 Tabel 2. Konduktivitas panas beberapa bahan Bahan 0 o C Konduktifitas Panas (k), W/m o C 100 o C 200 o C 300 o C 400 o C 600 o C Aluminium Besi Magnesium Nikel Perak Tembaga Timah Sumber : E. R. G. Eckert dan R. M. Drake dalam Holman (1986) 2. Konveksi Konveksi yaitu perpindahan panas yang dihubungkan dengan pergerakan fluida. Konveksi paksa yaitu jika fluida bergerak karena adanya gaya gesek dari luar sedangkan konveksi alami yaitu pergerakan fluida yang terjadi karena perbedaan massa jenis yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Pada penukar panas ini terjadi perpindahan panas konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi paksa terjadi karena adanya gaya tambahan dari luar. Konveksi paksa yang terjadi yaitu konveksi paksa dalam tabung aliran menyilang kumpulan pipa (tube bank). Koefisien pindah panas kumpulan pipa dalam tabung dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Holman, 1986) : v ρ D c c eq Re c =... 2) μc D o eq 2 ( S S πd / 4) 4 n p o =... 3) πd o k h =... 4) c / Rec Prc Deq Konveksi alami yang terjadi yaitu konveksi alami dalam pipa penukar panas yang dipengaruhi oleh bilangan Grashof. Perpindahan panas secara alami semakin efektif dengan semakin besarnya bilangan Grashof. Untuk pipa vertikal, panjang pipa lebih mempengaruhi bilangan Grashof dan Nuselt daripada diameter pipa (Welty, 1974). Koefisien 9

24 pindah panas dalam pipa dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Holman, 1986) : Gr ( T T ) 2 3 g β h ρ h L hi ho h =... 5) 2 μ h ( Pr ) 1 4 Nu h = 0.59 Gr h h... 6) h i Nu h h =... 7) D k i Persamaan umum untuk proses pindah panas yang terjadi pada penukar panas tipe cangkang dan pipa secara sederhana dijelaskan berdasarkan hukum kekekalan energi. Fluida panas dalam hal ini adalah udara hasil pembakaran yang mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida dingin adalah udara pengering yang mengalir di luar pipa. Pada kondisi tunak, dengan mengabaikan kehilangan panas disepanjang aliran yang dilaluinya, maka panas yang dipindahkan dari udara hasil pembakaran (Qh) sama dengan udara panas yang diterima oleh udara pengering (Qc). Jumlah akumulasi panas sama dengan nol pada kondisi tunak, maka jumlah panas masuk sama dengan jumlah panas keluar Q h c c ( T T ) = Q = m Cp... 8) co ci Perpindahan panas untuk berbagai tipe penukar panas dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut (Holman, 1986) : Q = U A Δ... 9) T log Dimana A adalah parameter konstan luas permukaan perpindahan panas (m 2 ), U adalah koefisien panas keseluruhan (W/m 2.K) ditentukan dengan persamaan berikut : U = 1 h c ) A0 + Rk + h A h i Tlog adalah beda suhu rata-rata logaritmik rata-rata antara udara hasil pembakaran dan udara pengeringan dalam penukar panas yang ditentukan dengan persamaan berikut (Holman, 1986) : 10

25 .. ( T T ) ( T T ) hi co ho ci ΔT log =... 11) T hi Tco Ln Tho Tci Untuk menentukan laju perpindahan panas yang tidak menyangkut suhu keluar yang manapun digunakan nilai efektifitas penukar panas. Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam penukar panas terhadap laju pertukaran panas yang mungkin terjadi (Kreith, 1973). laju pindah panas sebenarnya Efektifita s = ε =... 12) laju pindah panas yang mungkin terjadi Laju pindah panas sebenarnya = C min (T co T ci )... 13) Laju pindah panas yang mungkin terjadi = C min (T hi T ci )... 14) Nilai efektifitas penukar panas untuk aliran berlawanan dapat dihitung dengan persamaan (Holman, 1986): ( ( ) ( ( ) 1 ε = C ) C min 2 2 ( ) ( ) exp NTU 1+ C 1+ C 2 1 exp NTU ( 1+ C ) U A NTU =... 16) C C C max ( m Cp) min ( m Cp) max min = =... 17) NTU (number of heat transfer units) adalah jumlah satuan perpindahan panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar panas. Harga NTU semakin besar maka penukar panas mendekati batas termodinamikanya (Kreith, 1973). Bila keefektifan penukar panas telah diketahui, maka kesetaraan laju pindah panas pada persamaan 15) dapat diekspresikan sebagai berikut (Kreith, 1973) : Q = min ( ) ε C T hi T ci... 18) Perbandingan efektifitas untuk susunan penukar kalor berlawanan arah disajikan pada Gambar

26 ε (%) U A NTU = C min Gambar 5. Efektifitas untuk Kemampuan Kerja Penukar Kalor Aliran Berlawanan Arah (Holman, 1986). 12

27 IV. BAHAN DAN METODE A. TEMPAT DAN WAKTU Perancangan dan pengujian dilakukan di laboratorium lapang Leuwikopo, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Darmaga. Waktu persiapan sampai selesainya percobaan adalah lebih kurang lima bulan, yaitu dari bulan Juli 2005 sampai bulan Nopember B. BAHAN DAN ALAT 1. BahanBahan bakar yang digunakan untuk uji kinerja alat adalah serbuk gergaji dan tongkol jagung. 2. Alat a. Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : Alat penukar panas tipe counterflow hasil perancangan Kipas Merk Comair rotron, centrifugal forward curve, 12 V, 2.26 A, motor DC Tungku pembakaran biomassa berkapasitas 0.94 kg/jam b. Alat ukur yang digunakan adalah sebagai berikut Anemometer : Air Max, tipe SK-26A Hybrid recorder : Yokogawa, tipe 3081 Pen recorder : Yokogawa, tipe 3056 Conjunction : Komatsu, tipe ZC114 Termokopel CA (diameter 0.44 mm), CC (diameter 0.2 mm), dan batang (diameter 0.75 cm) Adaptor Timbangan kapasitas 5 kg, skala terkecil 25 gr Manometer air pipa U, skala terkecil 0.5 mm 13

28 C. PENGUKURAN DAN PERCOBAAN Pengukuran yang dilakukan dalam penelitian ini adalah : Suhu Pengukuran suhu dilakukan pada dinding pipa bagian atas, tengah dan bawah, suhu di dalam pipa penukar panas bagian atas, tengah dan bawah, suhu di dalam ruang penukar panas bagian atas, tengah dan bawah, suhu tungku, suhu masuk udara dari lingkungan, suhu udara keluar penukar panas, suhu udara hasil pembakaran masuk pipa dan suhu cerobong. Pengukuran dilakukan tiap 10 menit sekali menggunakan termokopel jenis CA, CC dan batang yang dihubungkan dengan hybrid recorder dan pen recorder. Posisi titik-titik pengukuran suhu disajikan pada Gambar 6. Kecepatan udara Laju aliran udara keluar penukar panas diukur untuk mengetahui penurunan tekanan dengan menggunakan manometer air pipa U, dan kecepatan udara pada cerobong dan lingkungan dengan menggunakan anemometer. Posisi titik-titik pengukuran kecepatan udara disajikan pada Gambar 7. Konsumsi biomassa Konsumsi biomassa diukur untuk mengetahui jumlah bahan bakar yang digunakan untuk pemanasan dengan mengukur berat biomassa yang digunakan. Penurunan tekanan Penurunan tekanan dilakukan dengan menggunakan manometer air pipa U dengan skala terkecil mm. Sketsa pengukuran penurunan tekanan disajikan pada Gambar 8. 14

29 Gambar 6. Posisi titik-titik pengukuran suhu 15

30 Gambar 7. Posisi titik-titik pengukuran kecepatan udara 16

31 Gambar 8. Sketsa pengukuran penurunan tekanan 17

32 V. PEMBUATAN PENUKAR PANAS A. KRITERIA RANCANGAN Penukar panas ini bertujuan untuk memindahkan energi panas dari tungku ke udara pengering yang akan digunakan untuk sumber energi panas untuk pengeringan. Alat penukar panas yang dirancang menggunakan pipapipa untuk memperluas bidang pindah panas sehingga dapat memperbesar pindah panas yang terjadi. Sumber energi panas yang berasal dari tungku akan memanasi udara disekitar tungku sebagai fluida pemindah panas ke udara pengering dari lingkungan sebagai fluida penerima panas. Udara pengering dari lingkungan masuk ke sistem pemindah panas melewati kumpulan pipa-pipa penukar panas. Tipe pemindah panas ini adalah tipe berlawanan (counter flow), dimana aliran udara panas dan aliran udara pengering bergerak berlawanan. B. RANCANGAN FUNGSIONAL 1. Pipa penukar panas Pipa penukar panas berfungsi sebagai medium perpindahan panas dari hasil pembakaran biomassa pada tungku ke dalam penukar panas. 2. Selubung penukar panas Selubung penukar panas berfungsi sebagai penyelubung penukar panas agar udara panas yang berada di dalamnya tidak bercampur dengan udara lingkungan. 3. Saluran udara masuk Saluran udara masuk berfungsi sebagai tempat masuknya udara lingkungan ke penukar panas. 4. Saluran udara menuju ruang pengering Saluran udara menuju ruang pengering berfungsi untuk menyalurkan udara hasil pemanasan dari penukar panas ke ruang pengering. 5. Saluran udara masuk dari tungku Saluran udara masuk dari tungku berfungsi untuk tempat masuknya udara panas hasil pembakaran di tungku untuk disalurkan ke penukar panas. 18

33 6. Cerobong asap Cerobong asap berfungsi untuk mengeluarkan gas buang agar tidak bercampur dengan udara di dalam penukar panas C. RANCANGAN STRUKTURAL 1. Pipa penukar panas Pipa penukar panas yang dirancang menggunakan pipa hitam dengan diameter luar m dengan panjang 0.6 m. Jumlah pipa penukar panas adalah 19 buah yang disusun berselang-seling. Jarak antara sumbu pipa dalam baris membujur adalah m dan jarak sumbu ke sumbu antara baris lintang pipa yang berdekatan adalah m. 2. Selubung penukar panas Bahan selubung penukar panas terbuat dari plat esser dengan tebal 2 mm. Selubung berdiameter 0.4 m dengan panjang 0.6 m. 3. Saluran udara masuk Saluran udara masuk berbentuk pipa yang terbuat dari plat esser dengan tebal 2 mm yang berdiameter 0.12 m dengan panjang 0.06 m. Pada pangkal saluran ini terdapat kipas sentrifugal dengan diameter 0.14 m. 4. Saluran udara menuju ruang pengering Saluran udara menuju ruang pengering terbuat dari pipa hitam dengan diameter m. Saluran ini dibentuk dengan dua belokan. 5. Cerobong asap Tinggi cerobong asap 0.38 m dengan diameter 0.74 m yang diberi lubang pada bagian dindingnya dengan panjang 0.08 m dan lebar 0.06 m. Cerobong ini terbuat dari plat esser dengan tebal 2 mm. Prinsip kerja penukar panas ini adalah sumber panas yang berasal dari pembakaran pada tungku akan menaikan suhu udara disekitar tungku. Kemudian udara tersebut bergerak ke atas dan masuk ke pipa penukar panas. Panas yang diterima pipa penukar panas dipindahkan ke udara pengering yang berada di bagian luar dari pipa dengan arah berlawanan. Hal ini memungkinkan udara akan bebas bercampur dengan pemindah panas di dalam 19

34 selubung penukar panas. Gas panas di dalam pipa satu lintasan tidak akan bercampur dengan gas panas pada pipa lain dalam satu lintasan selama terjadi perpindahan panas. Suhu fluida dalam penukar panas atau sepanjang penukar panas dalam hal ini tidak konstan tetapi berubah dari titik ke titik sewaktu fluida mengalir, panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin. Perpindahan energi panas yang terjadi dalam alat penukar panas adalah : 1. Energi panas dari gas disekeliling tungku ke bagian dalam pipa secara konveksi 2. Perpindahan panas dari dinding bagian dalam pipa secara konduksi 3. Perpindahan panas dari dinding bagian luar pipa ke udara pengering secara konveksi. 20

35 VI. HASIL DAN PEMBAHASAN A. PROFIL SUHU HASIL PENGUKURAN 1. PROFIL SUHU UDARA PEMANAS Pengukuran suhu udara pemanas dilakukan pada tungku pembakaran biomassa. Pengukuran dilakukan pada satu titik setiap 10 menit selama 4 jam. Profil suhu tungku disajikan pada Gambar 9 dan suhu rata-rata hasil pengukuran disajikan pada Tabel 3. Suhu pada tungku pada penyalaan awal mengalami kenaikan kemudian suhu tungku mengalami fluktuasi yang tidak terlalu tajam, hal ini disebabkan adanya angin yang berhembus di sekitar tungku yang tidak terlalu besar dan penambahan biomassa secara bertahap dalam jumlah yang tidak terlalu banyak. Namun pada umumnya suhu tungku konstan selama penggunaan. Suhu berkisar antara C. Perlakuan yang berbeda untuk lebar PDID pada cerobong tidak berpengaruh sama sekali terhadap penurunan dan kenaikan suhu tungku. Pengukuran suhu udara masuk pipa penukar panas juga dilakukan setiap 10 menit selama 4 jam. Profil suhu udara masuk pipa disajikan pada Gambar 10. Suhu udara masuk pipa penukar panas juga mengalami fluktuasi yang tidak terlalu tajam sama seperti pada suhu tungku yaitu berkisar antara C. Hal ini terjadi karena udara panas disekitar tungku tidak banyak dipengaruhi faktor dari luar seperti angin karena jarak antara tungku dan pipa-pipa penukar panas tidak terlalu jauh. Seperti halnya suhu tungku, perlakuan yang berbeda untuk lebar PDID pada cerobong tidak berpengaruh sama sekali terhadap penurunan dan kenaikan suhu udara masuk pipa. Setiap 10 menit selama 4 jam pengukuran suhu udara keluar penukar panas dilakukan dengan kisaran suhu antara C. Profil suhu udara keluar penukar panas disajikan pada Gambar 11. Fluktuasi suhu yang tidak terlalu tajam juga terjadi karena dipengaruh suhu dari tungku sebagai sumber panas yang relatif konstan. Penurunan dan 21

36 kenaikan suhu udara keluar penukar panas sama sekali tidak dipengaruhi perlakuan yang berbeda untuk lebar PDID pada cerobong suhu ( 0 C) waktu (menit) Tungku 2 a Tungku 2 b Tungku 2c a. Lubang PDID cerobong lebar 2 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Tungku 3a Tungku 3b Tungku 3c b. Lubang PDID cerobong lebar 3 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Tungku 4a Tungku 4b Tungku 4c c. Lubang PDID cerobong lebar 4 cm Gambar 9. Profil Suhu Penggunaan Tungku. 22

37 suhu ( 0 C) waktu (menit) Masuk pipa 2a Masuk pipa 2b Masuk pipa 2c a. Lubang PDID cerobong lebar 2 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Masuk pipa 3a Masuk pipa 3b Masuk pipa 3c b. Lubang PDID cerobong lebar 3 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Masuk pipa 4a Masuk pipa 4b Masuk pipa 4c c. Lubang PDID cerobong lebar 4 cm Gambar 10. Profil Suhu Udara Masuk Pipa Penukar Panas. 23

38 80 60 suhu ( 0 C) waktu (menit) Keluar HE 2a Keluar HE 2b Keluar HE 2c a. Lubang PDID cerobong lebar 2 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Keluar HE 3a Keluar HE 3b Keluar HE 3c b. Lubang PDID cerobong lebar 3 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Keluar HE 4a Keluar HE 4b Keluar HE 4c c. Lubang PDID cerobong lebar 4 cm Gambar 11. Profil Suhu Udara ke Luar Penukar Panas. 24

39 Tabel 3. Suhu rata-rata hasil pengukuran Lebar lubang PDID (cm) 2 Suhu udara masuk pipa ( 0 C) Suhu udara keluar pipa ( 0 C) Suhu pada tungku ( 0 C) Suhu udara keluar penukar panas ( 0 C) Suhu udara masuk dari lingkungan ( 0 C) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata PROFIL SUHU PENUKAR PANAS Suhu penukar panas diukur pada tiga titik yaitu dinding pipa bagian atas, tengah, dan bawah. Profil suhu penukar panas disajikan pada Gambar 12 dengan perlakuan lebar lubang PDID 2 cm dan Lampiran 1, 2 disajikan profil suhu penukar dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 dan 4 cm. Perlakuan lebar lubang PDID pada cerobong yang berbeda tidak mempengaruhi fluktuasi suhu pada dinding pipa. Panas dari tungku mempengaruhi suhu dinding pipa, suhu dinding pipa bagian bawah lebih tinggi daripada suhu dinding pipa bagian tengah dan atas karena jarak pipa bagian bawah lebih dekat ke sumber panas yaitu tungku. Bahan yang digunakan sebagai media perpindahan panas yaitu besi, hal ini mempengaruhi pindah panas yang terjadi yaitu perpindahan panas secara konduksi. Suhu dinding pipa bagian bawah berkisar pada C, suhu dinding pipa bagian tengah berkisar pada C sedangkan suhu dinding pipa bagian atas berkisar C. Data suhu rata-rata pada dinding pipa penukar panas disajikan pada Tabel 4. 25

40 suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa atas 2a Pipa atas 2b Pipa atas 2c suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa Tengah 2a Pipa Tengah 2b Pipa Tengah 2c suhu ( 0 C) waktu (menit) pipa bawah 2a pipa bawah 2b pipa bawah 2c Gambar 12. Profil Suhu pada Dinding Pipa Penukar Panas Bagian Atas, Tengah dan Bawah dengan Perlakuan Lebar Lubang PDID 2 cm. 26

41 Tabel 4. Data suhu rata-rata pada dinding pipa penukar panas Lebar lubang PDID (cm) Suhu dinding pipa bagian atas ( 0 C) Suhu dinding pipa bagian tengah ( 0 C) Suhu dinding pipa bagian bawah ( 0 C) Suhu pada tungku ( 0 C) Rata-rata Rata-rata Rata-rata Udara panas disekitar tungku memanaskan pipa-pipa penukar panas yang kemudian terjadi perpindahan panas secara konduksi melalui pipa-pipa penukar panas, kemudian terjadi pindah panas secara konveksi dari dinding pipa ke ruangan penukar panas sehingga udara di dalan ruang penukar panas menjadi naik suhunya. Kipas sentrifugal menghembuskan udara panas di dalam ruang penukar panas menuju ruang pengering. Pada Gambar 13 disajikan profil suhu aliran udara dalam ruang penukar panas dengan perlakuan lebar lubang PDID 2 cm dan Lampiran 3, 4 disajikan profil suhu aliran udara dalam ruang penukar panas dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 dan 4 cm. Suhu aliran udara pada ruang penukar panas berkisar antara C. Pada Tabel 5 disajikan data suhu rata-rata aliran udara pada ruang penukar panas. Suhu aliran udara pada ruang penukar panas bagian bawah lebih tinggi dibandingkan dengan suhu aliran udara pada ruang penukar panas bagian tengah dan atas seperti suhu pada dinding pipa dikarenakan kedekatannya dengan sumber panas. Kecepatan kipas yang konstan mempengaruhi suhu aliran udara dalam ruang penukar panas menjadi tidak berfluktuasi terlalu tajam. 27

42 80 suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Atas 2a Tabung Atas 2b Tabung Atas 2c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Tengah 2a Tabung Tengah 2b Tabung Tengah 2c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung bawah 2a Tabung bawah 2b Tabung bawah 2c Gambar 13. Profil Suhu pada Aliran Udara di dalam Ruangan Penukar Panas Bagian Atas, Tengah, dan Bawah dengan Perlakuan Lebar Lubang PDID 2 cm. 28

43 Tabel 5. Data suhu rata-rata pada aliran udara di dalam penukar panas Lebar lubang PDID (cm) 2 Suhu aliran udara bagian atas ( 0 C) Suhu aliran udara bagian tengah ( 0 C) Suhu aliran udara bagian bawah ( 0 C) Rata-rata Rata-rata Rata-rata B. EFEKTIFITAS PENUKAR PANAS Beda suhu rata-rata logaritmik berdasarkan perhitungan (Lampiran 7) berkisar antara C. Beda suhu rata-rata logaritmik yang rendah menunjukkan suhu aliran fluida dalam ruang penukar panas cukup konstan. Pada Tabel 6 disajikan beda suhu rata-rata logaritmik. Koefisien pindah panas berkisar antara W/m 2 K dan panas yang dipindahkan berkisar antara kj/jam. Pada Tabel 7 disajikan perhitungan koefisien pindah panas dan panas yang dipindahkan. Panas yang dipindahkan cukup kecil sedangkan kebutuhan energi pengeringan cukup tinggi, maka harus dicukupi dengan memperluas permukaan pindah panas (A), memperbesar laju kipas dan mempercepat laju pengeluaran asap. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 15) dengan metode NTU disajikan pada Tabel 8 berkisar antara dengan rata-rata Nilai efektivitas hasil perhitungan juga sesuai dengan nilai efektifitas pada Gambar 6. Perbandingan (rasio) laju kapasitas panas yang berasal dari pembakaran bahan bakar terhadap laju kapasitas panas yang berasal dari saluran udara masuk, mempengaruhi nilai satuan perpindahan panas (NTU). Semakin besar nilai NTU dan semakin kecil rasio laju kapasitas panas, akan menyebabkan nilai dari efektifitas penukar panas semakin besar. Dengan semakin besarnya efektifitas maka jumlah panas yang lepas ke ruang 29

44 pengering atau dimanfaatkan untuk keperluan yang lain akan lebih besar, sehingga suhu yang dihasilkan cenderung lebih tinggi. Nilai efektifitas berdasarkan pada persamaan 12) hasil pengukuran menunjukkan nilai efektifitas yang tidak terlalu berbeda dibandingkan dengan nilai efektifitas dengan menggunakan persamaan 15) berkisar antara Nilai efektifitas ini dihitung berdasarkan suhu udara panas masuk pipa, suhu udara pengering masuk penukar panas dan suhu udara pengering keluar penukar panas. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 12) disajikan pada Tabel 9. Tabel 6. Beda suhu rata-rata logaritmik Lebar lubang PDID (cm) Suhu udara masuk pipa ( 0 C) Suhu udara keluar pipa ( 0 C) Suhu udara keluar penukar panas ( 0 C) Suhu udara masuk dari lingkungan ( 0 C) Beda suhu rata-rata logaritmik ( 0 C) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata Tabel 7. Hasil perhitungan koefisien pindah panas Lebar lubang PDID (cm) Koefisien pindah panas (U, W/m 2 K) Panas yang dipindahkan (Q, kj/jam) a 1,44 693,11 2 b 1,47 634,68 c 1,37 615,93 Rata-rata ,90 a 1,37 598,56 3 b 1,35 629,65 c 1,24 506,43 Rata-rata ,21 a 1,63 791,67 4 b 1,39 606,18 c 1,40 578,89 Rata-rata ,91 30

45 Tabel 8. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 15) metode NTU Lebar lubang PDID (cm) Rasio laju kapasitas panas Satuan perpindahan panas (NTU) Efektifitas penukar panas a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata Tabel 9. Efektifitas penukar panas menggunakan persamaan 12) hasil pengukuran Lebar lubang PDID (cm) Cmin (kw/k) Thi (K) Tci (K) Tco (K) Efektifitas penukar panas a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata C. KECEPATAN UDARA Kecepatan udara panas yang melewati cerobong berkisar antara m/s sedangkan kecepatan udara di lingkungan berkisar antara m/s. Pada lubang PDID lebar 2, 3, dan 4 cm, kecepatan udara yang terukur rata-rata secara berturut turut 0.34 m/s, 0.33 m/s, 0.32 m/s. Semakin lebar lubang PDID maka semakin lambat kecepatan udaranya. Namun perbedaan yang terjadi tidak terlalu tajam dikarenakan keterbatasan ketelitian alat ukur yang digunakan. Kecepatan udara yang keluar dari penukar panas berkisar antara m/s. Kecepatan udara keluar dari penukar panas ini tidak 31

46 dipengaruhi oleh perlakuan yang berbeda pada lebar lubang PDID. Pada Tabel 10 disajikan kecepatan udara selama percobaan. Efisiensi kecepatan udara pada perlakuan lebar lubang PDID berkisar antara Perhitungan nilai ini didasarkan pada perbandingan kecepatan udara di lingkungan dan kecepatan udara pada lubang PDID. Pada Tabel 11 disajikan nilai efisiensi kecepatan udara selama percobaan. Pada gambar 14 disajikan grafik hubungan efisiensi kecepatan udara terhadap perbandingan antara diameter lubang PDID dan diameter lubang cerobong. Tabel 10. Kecepatan udara selama percobaan Lebar lubang PDID (cm) Kec. udara lingk (m/s) Kec. udara PDID (m/s) Kec. udara cerobong (m/s) Kec. udara keluar penukar panas (m/s) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata Tabel 11. Efisiensi kecepatan udara Lebar lubang PDID (cm) a Diameter cerobong (D, cm) Diameter PDID (d, cm) d/d Kec angin lingkungan (vo, m/s) Kec angin PDID (vi, m/s) η = vo/vi b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata

47 d v o v i v v o i = d f D D η = vo/vi 0,68 0,66 0,64 0,62 η = vo/vi 0,60 0,27 0,41 0,54 d/d (cm) Gambar 14. Hubungan Antara Perbandingan Lebar Lubang PDID dan Diameter dengan Efisiensi. D. PENURUNAN TEKANAN Penurunan tekanan untuk aliran gas melintasi tabung berkisar antara mmaq atau Pa. Penurunan tekanan disajikan pada Tabel 12. Daya kipas yang digunakan dalam percobaan ini sebesar Watt. Semakin tinggi daya kipas yang diberikan maka kecepatan udara dalam penukar panas menjadi besar. Peningkatan kecepatan udara menyebabkan bilangan Reynold dan koefisien pindah panas semakin tinggi maka laju perpindahan panas semakin tinggi pula. Berdasarkan nilai penurunan tekanan hasil pengukuran dapat dihitung besarnya kehilangan daya kipas karena penurunan tekanan yang disajikan pada Tabel 13 yaitu berkisar antara Watt. 33

48 Tabel 12. Penurunan tekanan hasil pengukuran Lebar lubang PDID (cm) Tekanan hasil pengukuran (mm Aq) Tekanan hasil pengukuran (Pa) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata Tabel 13. Kehilangan daya kipas karena penurunan tekanan Tekanan hasil pengukuran (Pa) Debit (m3/s) Kehilangan daya kipas (W) E. KONSUMSI BIOMASSA Bahan bakar yang digunakan sebagai sumber energi adalah serbuk gergaji kayu dan tongkol jagung. Pada Tabel 14 disajikan konsumsi biomassa yang digunakan selama percobaan. Rata-rata konsumsi biomassa sebesar 0.94 kg/jam dengan energi rata-rata yang dihasilkan sebesar kj/jam. Panas yang dipindahkan ke penukar panas jauh lebih kecil dibandingkan panas yang diberikan tungku. Panas yang dipindahkan ke penukar panas rata-rata sebesar kj/jam. Hal ini terjadi karena energi yang dihasilkan dari pembakaran biomassa tidak seluruhnya dimanfaatkan oleh penukar panas atau banyaknya panas yang hilang ke lingkungan sekitar 34

49 yaitu dari ruang penukar panas melalui pindah panas konduksi pada dinding luar penukar panas ke lingkungan. Tabel 14. Konsumsi biomassa selama percobaan Lebar lubang PDID (cm) Massa tongkol jagung (mt, kg) Massa serbuk gergaji (ms, kg) total nilai kalor biomassa (Qb, kj) Konsumsi biomassa (kg) Konsumsi biomassa (kg/jam) Energi biomassa (kj/jam) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata

50 VII. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN 1. Suhu tungku berkisar antara C dan suhu udara masuk pipa penukar panas berkisar antara C, keduanya mengalami fluktuasi yang tidak terlalu tajam hal ini disebabkan angin yang berhembus di sekitar tungku yang tidak terlalu besar dan penambahan biomassa secara bertahap dalam jumlah yang tidak terlalu banyak serta jarak antara tungku dan pipa-pipa penukar panas tidak terlalu jauh. Perlakuan yang berbeda untuk lebar PDID pada cerobong tidak berpengaruh sama sekali terhadap penurunan dan kenaikan suhu tungku dan suhu udara masuk pipa penukar panas. Suhu udara keluar penukar panas berada pada kisaran suhu antara C selama 4 jam. 2. Suhu dinding pipa bagian bawah berkisar pada C, suhu dinding pipa bagian tengah berkisar pada C sedangkan suhu dinding pipa bagian atas berkisar C, perbedaannya dipengaruhi jarak ke sumber panas. Suhu aliran udara pada ruang penukar panas berkisar antara C. Kecepatan kipas yang konstan mempengaruhi suhu aliran udara dalam ruang penukar panas menjadi tidak berfluktuasi terlalu tajam. 3. Beda suhu rata-rata logaritmik berdasarkan perhitungan berkisar antara C. Beda suhu rata-rata logaritmik yang rendah menunjukkan suhu aliran fluida dalam ruang penukar panas cukup konstan. Panas yang dipindahkan berkisar antara kj/jam. Efektifitas penukar panas berdasarkan metoda NTU berkisar antara dengan rata-rata 0.32 dan sesuai dengan nilai efektifitas pada literatur. Nilai efektifitas berdasarkan hasil pengukuran menunjukkan nilai efektifitas yang tidak terlalu berbeda dibandingkan dengan nilai efektifitas dengan menggunakan persamaan 15) berkisar antara Rata-rata konsumsi biomassa sebesar 0.94 kg/jam dengan energi rata-rata yang dihasilkan sebesar kj/jam. Panas yang dipindahkan ke penukar panas jauh lebih kecil dibandingkan panas yang diberikan tungku. 36

51 Panas yang dipindahkan ke penukar panas rata-rata sebesar kj/jam. Hal ini terjadi karena energi yang dihasilkan dari pembakaran biomassa tidak seluruhnya dimanfaatkan oleh penukar panas atau banyaknya panas yang hilang ke lingkungan sekitar yaitu dari ruang penukar panas melalui pindah panas konduksi pada dinding luar penukar panas ke lingkungan. 5. Kecepatan udara panas yang melewati cerobong berkisar antara m/s sedangkan kecepatan udara di lingkungan berkisar antara m/s. Pada lubang PDID lebar 2, 3, dan 4 cm, kecepatan udara yang terukur rata-rata secara berturut turut 0.34 m/s, 0.33 m/s, 0.32 m/s. Semakin lebar lubang PDID maka semakin lambat kecepatan udaranya. Efisiensi kecepatan udara pada perlakuan lebar lubang PDID berkisar antara Penurunan tekanan berkisar antara mmaq atau Pa. Dengan nilai penurunan tekanan hasil pengukuran maka dapat dihitung besarnya kehilangan daya kipas karena penurunan tekanan yaitu berkisar antara Watt. B. SARAN 1. Bahan bakar yang digunakan hendaknya yang mempunyai nilai kalor tinggi sehingga suhu masuk pipa penukar panas menjadi lebih tinggi dan suhu yang di dalam ruang pengering menjadi lebih panas untuk membantu proses pengeringan pada waktu cuaca mendung dan malam hari. Bahan bakar yang bisa digunakan diantaranya batu bara dan arang kayu yang memiliki nilai kalor tinggi sebesar 29.3 dan 29.5 MJ/kg. 2. Memperbesar laju kipas agar laju pindah panas yang dihasilkan semakin besar serta mengupayakan peningkatan laju pengerluaran asap dengan cara memperkecil lubang PDID. 37

52 DAFTAR PUSTAKA Abdullah, K., Abdul Kohar, I., Nirwan Siregar, Endah A, Armansyah T., M. Yamin, Edy H., Y. Aris Purwanto Energi dan Listrik Pertanian. Jurusan Mekanisasi Pertanian, IPB. Bogor. Agriana, D Kinerja Lapang Alat Pengering Surya Hibrid Tipe Efek Rumah Kaca untuk Pengeringan Dendeng Jantung Pisang. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Brooker, D. B., F. W. Bakker-Arkema and C.W. Hall Drying Cereal Grains. The AVI Pub. Co. Inc. Westport. Connecticut. Dibyo, Sukmanto dan Maman Mulyaman Pembuatan Program Komputer untuk Perhitungan Suhu Pendingin dan Suhu Teras RSG- Gas dalam Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir VII. Risalah Lokakarya. Batan. Hall,C. W Drying Farm Crops. Lyall Book Depot Ludhiana, India. Henderson, S. M and R. L. Perry Agricultural Process Engineering. The AVI Publishing Co, Inc. Westport, Connecticut. USA. Holman, J.P Heat Transfer 6 th ed. Diterjemahkan Jasifi, E Erlangga, Jakarta. Kreith, F Principle of Heat Transfer. Terjemahan. Prijono arko Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Edisi ke-3. Erlangga, Jakarta. Nelwan, L. O Pengeringan Kakao dengan Energi Surya Menggunakan Rak Pengering dengan Kolektor Tipe Efek Rumah Kaca. Tesis. Program Studi Keteknikan Pertanian, Program Pasca Sarjana, Institut Pertanian Bogor. Nuryadin, B Mempelajari Laju Pembakaran Bahan Bakar Kayu dengan Pemberian Dimensi dan Bentuk,Analisis Pindah Panas dan Effisiensi Tungku Masak. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Rachman, E. A Kinerja Sistem Pengering Kombinasi Tipe Efek Rumah Kaca Berenergi Surya, Angin, dan Biomassa pada Pengeringan Ikan 38

53 Teri (Stolephorus sp.). Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Sasrahadi, Levis Rancangan dan Uji Performansi Alat Pemindah panas dengan Memanfaatkan Energi Panas Gas Buang Ketel Uap untuk Pengeringan. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Simarmata, H Uji Kinerja Penukar Panas Tipe Pipa Vertikal (Vertical Pipe Heat Exchanger). Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Sholahuddin Pendugaan Sebaran Suhu Pada Penukar Panas Pipa Vertkal. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Suherman Kinerja Pengering Efek Rumah Kaca Berbentuk Kerucut untuk Pengeringan Rumput Laut. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian. Fakultas Teknologi Pertanian. IPB. Bogor. Welty, James R Engineering Heat Transfer. Departement of Mechanical Engineering. Oregon State University, Corvallis. Wulandani, D Analisis Pengeringan pada Alat Pengering Kopi (Coffea sp.) Efek Rumah Kaca Berenergi Surya. Tesis. Program Studi Keteknikan Pertanian, Program Pasca Sarjana, Institut Pertanian Bogor. 39

54 Lampiran 1. Profil suhu pada dinding pipa penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa atas 3a Pipa atas 3b Pipa atas 3c suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa Tengah 3a Pipa Tengah 3b Pipa Tengah 3c suhu ( 0 C) waktu (menit) pipa bawah 3a pipa bawah 3b pipa bawah 3c 40

55 Lampiran 2. Profil suhu pada dinding pipa penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 4 c suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa atas 4a Pipa atas 4b Pipa atas 4c suhu ( 0 C) waktu (menit) Pipa Tengah 4a Pipa Tengah 4b Pipa Tengah 4c suhu ( 0 C) waktu (menit) pipa bawah 4a pipa bawah 4b pipa bawah 4c 41

56 Lampiran 3. Profil suhu pada aliran udara di dalam ruangan penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 3 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Atas 3a Tabung Atas 3b Tabung Atas 3c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Tengah 3a Tabung Tengah 3b Tabung Tengah 3c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung bawah 3a Tabung bawah 3b Tabung bawah 3c 42

57 Lampiran 4. Profil suhu pada aliran udara di dalam ruangan penukar panas bagian atas, tengah, dan bawah dengan perlakuan lebar lubang PDID 4 cm suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Atas 4a Tabung Atas 4b Tabung Atas 4c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung Tengah 4a Tabung Tengah 4b Tabung Tengah 4c suhu ( 0 C) waktu (menit) Tabung bawah 4a Tabung bawah 4b Tabung bawah 4c 43

58 Lampiran 5. Tabel sifat fisik udara (Holman, 1986) T, K Ρ, Cp, μ, v, k, α, kg/m 3 kj/kg 0 C kg/m.sx10-5 m 2 /sx10 6 W/m 0 C m 2 /sx10 4 Pr

59 Lampiran 6. Contoh perhitungan pada penukar panas A. Analisis aliran gas hasil pembakaran di dalam pipa (konveksi alami) Nilai-nilai untuk ρ, μ, k, Pr, Cp diperoleh dari Tabel berdasarkan suhu rata-rata di dalam pipa (Holman, 1986) β = 0.003/K ρ = kg/m 3 μ = x 10-5 kg/m.s k = x 10-2 W/mK Pr = Cp = kj/kg K Panjang pipa (L) = 0.6 m Suhu udara masuk pipa (T hi ) = C = K Suhu udara keluar pipa (T ho ) = C = K Suhu udara rata-rata di dalam pipa (T h ) = ( ) /2 = K Gr = 2 3 g β ρ L 2 μ = 5.33E+08 ( Pr) 1/ 4 Nu = 0.59 Gr ( T hi T ) = Koefisien pindah panas konveksi alami : Nu k h i = L = 4.28 W/m 2 K ho B. Analisis aliran udara bersih di dalam tabung (konveksi paksa) Nilai-nilai untuk ρ, μ, k, Pr, Cp diperoleh dari Tabel berdasarkan suhu rata-rata di dalam tabung (Holman, 1986) ρ = kg/m 3 μ = 1.96 x 10-5 kg/m.s k = 2.81 x 10-2 WmK Pr =

60 Cp = kj/kgk Suhu udara masuk tabung (T ci ) = C = K Suhu udara keluar tabung (T co ) = C = K Suhu udara rata-rata di dalam pipa (T h ) = ( ) /2 = 324 K k besi = 55 W/mK Debit udara yang dibutuhkan = m 3 /s Diameter luar pipa (D o ) = m Diameter tabung (D) = m Luasan bebas = m 2 Jarak antara sumbu-sumbu pipa dalam baris-baris membujur Sn = m Jarak sumbu ke sumbu antara baris-baris lintang pipa yang berdekatansp=0.084 m D eq 4 = 2 ( SnSp πd / 4) πd o o = m ρ lingk = kg/m 3 Cp lingk = kj/kgk Laju aliran massa = debit x ρ lingk = x = kg/s Laju kapasitas panas melalui inlet udara dari lingkungan (C iu ) : C iu = massa x Cp lingk = x = 5.76 W/K v p = massa / (luasan bebas x ρ ) = / (0.087 x ) = 0.06 m/s A o = 1.82 m 2 v ρ Deq Re = μ = Koefisien pindah panas konveksi paksa : h o 0.62 k = Re Pr D eq = 2.09 W/m 2 K 1 / 3 46

61 Koefisien pindah panas keseluruhan : U = Δ Q T log T 1 h o = 1 A0 + Rk + h A = 1.37 W/m 2 K i ( T T ) ( T T ) hi co T Ln T hi ho i ho T co T ci = C = K = U A o Δ T log ci = Watt = kj/jam Laju aliran massa udara melalui lubang pipa Qin = Qout m x Cp x ΔT = Qout m = kj/jam / ( k J/kg K x (449.6 K K)) = kg/s C asap = m x Cp = x = kw/k Effektifitas penukar panas C asap < C iu, maka C asap = C min dan C iu = C max C = / = 0.95 U A N = NTU = = 0.45 C min 2 2 ( 1+ exp( N( 1+ C ) ) exp 1+ C ) ε = C + ( 1+ C ) = 0.31 ( ( ) C. Energi yang diterima oleh udara pengering (Qc) sama dengan energi yang dihasilkan udara hasil pembakaran (Qh) 1 Q h = Q c = m Cpc ( T T ) co ci Q he = U A ΔT log Q c = m c Cp c ( T T ) co ci = kg/s x kj/kgk x ( ) = 0.17 kw 47

62 Koefisien pindah panas keseluruhan (U) = 1.37 W/m 2 K Luas permukaan luar pipa (A) = 1.82 m 2 Beda suhu keseluruhan rata-rata logaritmik (ΔTlog) = K Q he = U A ΔT log = 1.37 W/m 2 K x 1.82 m 2 x K = 0.17 kw Kesetaraan laju pindah panas pada persamaan 16) Q = ε Cmin ( ) T hi T ci ( ) Q = = 0.19 kw 48

63 Lampiran 7. Tabel hasil perhitungan perameter penukar panas Lebar lubang PDID (cm) Suhu udara masuk pipa ( 0 C) Suhu udara keluar pipa ( 0 C) Suhu udara keluar penukar panas ( 0 C) Suhu udara masuk dari lingkungan ( 0 C) Beda suhu rata-rata logaritmik ( 0 C) a b c Rata-rata a b c Rata-rata a b c Rata-rata β ρ μ k hi Gr Pr Nu (1/K) (kg/m3) (kg/m.s) (W/mK) (W/m2K) 0,003 0,9345 2,1911E ,3 0,693 0, ,74 4,10 0,003 0,9631 2,1387E ,0 0,695 0, ,91 4,30 0,003 0,9560 2,1518E ,8 0,694 0, ,84 4,28 0,003 0, E ,0 0,694 0, ,50 4,22 0,003 0,9664 2,1328E ,8 0,695 0, ,29 4,31 0,003 0,9426 2,1763E ,9 0,693 0, ,56 4,11 0,003 0,9634 2,1383E ,4 0,695 0, ,32 4,27 0,003 0, E ,7 0,694 0, ,06 4,23 0,003 0,9449 2,1721E ,8 0,693 0, ,26 4,24 0,003 0,9745 2,1180E ,2 0,695 0, ,46 4,48 0,003 0,9754 2,1164E ,6 0,695 0, ,72 4,39 0,003 0, E ,9 0,695 0, ,48 4,37 suhu tungku (K) debit (m3/s) ρ lingk (kg/m3) laju massa udara (kg/s) Cp lingk (kj/kgk) C iu (W/K) 449,3 0,006 1,1361 0,007 1,0065 6, ,9 0,006 1,1386 0,007 1,0064 6, ,6 0,005 1,1447 0,006 1,0063 5, ,3 0,006 1,1398 0,006 1,0064 6, ,6 0,005 1,1512 0,006 1,0062 5, ,6 0,005 1,1440 0,006 1,0063 5, ,8 0,004 1,1361 0,005 1,0065 4, ,0 0,005 1,1438 0,005 1,0063 5, ,2 0,008 1,1394 0,009 1,0064 9, ,8 0,005 1,1501 0,006 1,0062 5, ,6 0,005 1,1426 0,006 1,0063 5, ,9 0,006 1,1440 0,007 1,0063 6,969 49

64 μ p k p ρ p kec. udara luas ho Pr Re (kg/m.s) (W/mK) (kg/m3) (m/s) (m2) (W/m2K) 1,9624E-05 0, ,0863 0,07 0,087 0,70 480,93 2,34 1,9565E-05 0, ,0909 0,07 0,087 0,70 484,46 2,34 1,9560E-05 0, ,0913 0,06 0,087 0,70 403,94 2, E-05 0, ,0895 0,07 0,087 0,70 456,44 2,25 1,9473E-05 0, ,0981 0,06 0,087 0,70 408,28 2,09 1,9556E-05 0, ,0916 0,06 0,087 0,70 404,17 2,09 1,9702E-05 0, ,0802 0,05 0,087 0,70 317,56 1, E-05 0, ,0900 0,05 0,087 0,70 376,67 2,00 1,9505E-05 0, ,0956 0,09 0,087 0,70 650,69 2,80 1,9501E-05 0, ,0960 0,06 0,087 0,70 406,91 2,09 1,9524E-05 0, ,0942 0,06 0,087 0,70 419,79 2, E-05 0, ,0952 0,07 0,087 0,70 492,46 2,34 U(W/m2K) C asap(kw/k) Q(kJ/jam) C NTU Efektifitas 1,44 0, ,11 0,97 0,40 28,10 1,47 0, ,68 0,78 0,50 34,64 1,37 0, ,93 0,95 0,45 30,95 1,43 0, ,90 0,90 0,45 31,23 1,37 0, ,56 0,97 0,45 30,46 1,35 0, ,65 0,96 0,44 30,47 1,24 0, ,43 0,99 0,49 32,37 1,32 0, ,21 0,97 0,46 31,10 1,63 0, ,67 0,79 0,41 30,10 1,39 0, ,18 0,86 0,44 31,02 1,40 0, ,89 0,80 0,53 36,01 1,47 0, ,91 0,82 0,46 32,37 ε Cmin (kw/k) Thi (K) Tci (K) Kesetaraan laju pindah panas (kw)

65 Q=m*Cp*Δt (kw) Q=U*A* Δtlog (kw)

66 Lampiran 8. Gambar teknik penukar panas tipe counter flow 52

67 18

68 19

69 Lampiran 9. Foto penukar panas tipe counter flow saat pengujian 54

70 55

71 Lampiran 10. Foto alat ukur yang digunakan saat pengujian 56