PERENCANAAN KAPASITAS DAYA POMPA PADA PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE SKALA LABORATORIUM

Transkripsi

1 PERENCANAAN KAPASITAS DAYA POMPA PADA PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR JENIS SHELL AND TUBE SKALA LABORATORIUM Sulis Yulianto 1, Fadwah Maghfurah 2, Munzir Qadri Jurusan Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Jakarta 1 sulis.yulianto@yahoo.com, 2 fmaghfurah@yahoo.com, 3 flash_mq@yahoo.com ABSTRACT Heat exchangers are devices that facilitate the exchange of heat between two fluids those are at different temperatures while keeping them from mixing with each other. A pump is one of devices involved in the system which contributes a lot. Therefore, it is important to analyze and plan a proper pumping system design in order to have the heat exchanger system optimally operated.in this research, the heat exchanger is planned to operate by using two different kinds of pumps, they are a centrifugal pump to circulate cold water by m 3 /s of mass flow rate and 6.85 m of pipe length while a gear pump is used to circulate hot oil by m 3 /s of mass flow rate and 2.8 m of pipe length. After some systemathical analysis and calculations, the output capacity of pump obtained is 231 Watt for cold water fluid and 93 Watt for hot oil fluid. Thus, with a proper plan of pump output capacity, it is expected to positively influence the heat exchanger operation in order to be able of running efficiently as well as functioning in accordance with the designed spesification. Kata kunci: Pompa sentrifugal, Gear pump, Heat exchanger PENDAHULUAN Alat penukar kalor ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi dalam industri salah satu tipe dari alat penukar kalor (APK) yang banyak dipakai adalah Shell and Tube Heat Exchanger. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam, maka untuk melengkapi unit penukar kalor jenis Shell and Tube dibutuhkan mesin fluida yang dapat mendistribusikan fluida kerjadidalam sistem, baik fluida panas ataupun fluida dingin,maka dipilihlah dalam kegiatan penelitian perancangan APK ini mengunakan dua buah pompa yaitu jenis gear pump untuk mensirkulasikan fluida panas (oil) dan jenis pompa sentrifugal untuk mensirkulasikan fluida dingin (water) yang berfungsi untuk mendistribusikan fluida tersebutsehinggadalam pemilihanyang tepat terhadap jenis dan kapasitas daya pompa padaalat penukar kalor yang dirancang diharapkan dapat meningkatkan efektifitas serta performance dari APK yang dirancang serta dapat menurunkan biaya operational yang tinggi dalam pengoperasianya. METODE PENELITIAN Metode yang kami pakai dalam perencanaan kapasitas daya pompa ini adalah dengan merencanakan kapasitas daya pompa dengan memperhitungkan kehilangan-kehilangan energi didalam sistem pemipaan serta dan asesoriesnya, serta panjang pipa yang dipakai pada kedua buah pompa tersebut.berikut diagram alir yang akan dilakukan dalam perancangan kapasitas pompa untuk penukar panas Shell & Tube : B-41

2 Mulai Perencanaan spesifikasi system pemompaan Perencanaan perhitungan kapasitas daya pompa Tdk Ya Tdk Pembuatan Alat PenukarKalor Tdk Pengambilan data APK Ya Analisa pembahasan hasil pengambilan data Pembuatan laporan Selesai Gambar 1.Digram alir kegiatan penelitian PEMBAHASAN Dalam kegiatan perencanaan kapasitas daya pompa pada APK dalam penelitian ini terlebih dahulu akan direncanakan spesifikasi disain dari alat tersebut seperti: bahan dan panjang pipa yang akan dipakai serta penentuan fluida didalam system beserta kecepatan laju aliran masa fluida dan lain lain, kemudian dilakukan suatu analisa perhitungan mengenai kapasitas daya pompa yang dibutuhkan pada alat penukar kalor tersebut. Sehingga diharapkan dengan adanya perencanaan daya pompa yang tepat akan menghasilkan suatu system yang evektif dan efisien bagi alat yang dirancang sehingga alat penukar kalor tersebut dapat berfungsi sesuai dengan rencana spesifikasi disain yang telah ditentukan. B-42

3 Tabel 1. Data spesifikasi system pompa air (water pump). Keterangan Simbol Satuan Laju aliran pada pipa sisi masuk pompa Q v1 0,0003 m 3 /s Laju aliran pada pipa sisi keluar pompa Qv 2 0,00013 m3/s Temperatur air (masuk pompa) T 1 27 o C = 300 K Temperatur air (keluar pompa) T 2 27 o C = 300 K Masa Jenis fluida air pada temperature 300K ρ air 997 Kg/m 3 Percepatan grafitasi g 9,81 m/s 2 Diameter Pipa masuk pompa D 1 1 = 0,0254 m Diameter Pipa keluar pompa D 2 1 = 0,0254 m Tekanan atmosfir P 1 atm Panjang pipa keseluruhan L 6,85 m El- Bowe 90 o 11 buah Gate valve 1 buah Bahan pipa ( PVC ) Tabel 2.Data spesifikasi sistem pompa oli (oil pump). Keterangan Simbol Satuan Laju aliran pada pipa sisi masuk pompa Q v1 0,00035 m 3 /s Laju aliran pada pipa sisi keluar pompa Qv 2 0, m 3 /s Temperatur fluida oli (masuk pompa) T 1 47 o C = 320 K Temperatur fluida oli (keluar pompa) T 2 47 o C = 320 K Masa Jenis fluida oli pada temperature 320K ρ air 871 Kg/m 3 Percepatan grafitasi g 9,81 m/s 2 Diameter pipa masuk pompa D 1 1 = 0,0254 m Diameter pipa keluar pompa D 2 1 = 0,0254 m Tekanan atmosfir P 1 atm Panjang pipa keseluruhan L 2,8 m El- Bowe 90 o 6 buah Gate valve 1 buah Bahan pipa ( Galvanized iron) B-43

4 Gambar 2.Sistem alat penukar kalor yang sedang dirancang. I. Perencanaan kapasitas daya pompa air pendingin (water). P 1 E 2 Wp 1 E 1 Gambar 3. Gambar sistem pada instalasi APK Di mana : E l = Energi aliran air pada pipa sisi masuk pompa Ø 1 E 2 = Energi aliran air pada pipa sisi keluar pompa Ø 1 W p1 = Kerja / daya yang di butuhkan oleh pompa air (water) A. Perencanaan perhitungan kapasitas daya pompa air (Wp1). 1. Luas penampang pipa sisi masuk (A 1 ) & pipa sisi keluar (A 2 ) dapat diketahui sebagai berikut. A1 Χ d1... ( 1) A1 Χ 0,0254 m 0,0005 m A2 π 4 Χ 0,0254 m 0,0005 m 2. Sehingga dengan menggunakan (pers.2), maka kecepatan rata-rata aliran pemompaan pada sisi masuk ( V 1 ) dan pada sisi keluar pompa ( V 2 ) dapat di ketahui sebagai berikut : Sehingga, V1 Q A V1, /, 0,6 m/s B (2)

5 V2 0,00013 m /s 0,0005 m 0,26 m/s 3. Kemudian untuk tahap selanjutnya di lakukan analisa perhitungan laju aliran masa pada sisi masuk pompa m 1) dan pada sisi keluar pompa (m 2) seperti (pers 3.), sebagai berikut: m 1 ρair. Qv1... (3) Wp1 E2 E1 PP V V g.z Z... (4) Sehingga didapatkan nilai m 1) sebesar 0,3 kg/s dan untuk (m 2) sebesar 0,13 kg/s, sedangkan untuk kapasitas kerja pompa air (water)denganmengunakan(pers.4) didapatkan nilai (Wp1) sebesar 67 J/kg. 4. Untuk tahap selanjutnya perencanaan perhitunggan daya pompa dengan memperhitungkan kerugian-kerugian energy didalam system dapat direncanakan dengan memperhitungkan bilangan reynold seperti (pers.5) berikut. Re..... (5) Maka didapatkan bilangan Reynold sebesar sehingga aliran didalam sistem adalah aliran lapisan batas turbulen, lalu dengan mengunakanmengunakan diagram moody dapat diketahui nilai relative rougnes(ε/d) yaitu sebesar 0, , maka dengan nilai tersebut dapat diketahui nilai kekasaran permukaan (resisstance coefficient) didalam pipa (f) adalah sebesar = 0,008. Kemudian tahap selanjutnya akan dilakukan perencanaan perhitungan nilai kerugian-kerugian energi akibat gesekan pada pipa sisi masuk dan keluar dari pompa air (water). 5. Perhitungan daya pompa air (water) dengan memperhitungkan kerugian-kerugian energi didalam sistem Perhitungan kerugian energi akibat gesekan didalam pipa ( E f1 ): ΔE 0,008. 6,85 m 0,0254 m. 0,6 m/s 269,9 m /s 2 Tabel 3. Nilai k terhadap hambatan katup,belokan pada pompa 1. No Nama Komponen Jumlah Jumlah Nilai (k) Katup (k) 1 El- Bowe 90 o 11 buah kb = 0,21 2,31 2 Gate Valve 1 buah kv = 0,2 0,2 Jumlah Total K 2,51 Dimana, K = Jumlah total nilai k terkadap hambatan pipa seperti katup, belokan, gate valve. B-45

6 5.2. Sehingga kerugian energi akibat belokan pada pipa ( Em) adalah sebesar 0,37 m 2 /s Perhitungan kerugian energi akibat ketinggian ( H f ): H, /, / 27,5 m 5.4. Perhitungan kerugian energy dalam bentuk tekanan ( P f ): P 269,9 m kg Pa s m 5.5. Perhitungan kerja pemompaan (Wp 1 ): W 269,9 J kg 67 m s m 269,9 0,37 27,5 m 269 kpa 770,2 J/kg s 5.6. Maka untuk kapasitas daya pompa dapat dihitung sebagai berikut. w p1 0,3 kg s. 770,2 J kg 231 J 231 Watt s Maka dari hasil perhitungan diatas didapatkan nilai daya pompa yang akan direncanakan adalah sebesar 231Watt. II. Perencanaan kapasitas daya pompa oli. P 2 E 2 Wp 2 E 1 Gambar4.Gambar sistem pada pompa oli. Di mana : E l = Energi aliran air pada pipa sisi masuk pompa Ø 1 E 2 = Energi aliran air pada pipa sisi keluar pompa Ø 1 W p2 = Daya yang di butuhkan oleh pompa oli. A. Perencanaan perhitungan kapasitas daya pompa oli (Wp1). 1. Dalam perencanaanini bahwa diameter pipa oli pada sisi masuk dan keluar pompa yaitu sebesar Ø 1, sehingga luas penampang pada pipa masuk (A 1 ) & pipa keluar (A 2 ) dari pompa oli adalah sebesar 0,0005 m 2, sehingga dengan menggunakan (pers.2), maka kecepatan rata-rata aliran pemompaan pada sisi masuk ( V 1 ) adalah sebesar 0,7 m/s dan pada sisi keluar pompa ( V 2 ) adalah sebesar 0,15 m/s., sedangkan untuk laju aliran masa fluida pada sisi masuk pompa m 1) sebesar 0,3 kg/s dan pada sisi keluar pompa (m 2) sebesar 0,06 kg/s. B-46

7 2. Sehingga untuk kapasitas kerja pompa oli (Wp2) denganmengunakan(pers.4) didapatkan nilai sebesar 27,7 kg/j. 3. Untuk tahap selanjutnya perencanaan perhitunggan daya pompa dengan memperhitungkan kerugian-kerugian energy didalam system dapat direncanakan dengan memperhitungkan bilangan reynold seperti (pers.5) berikut. Re.. Re,.,., N./ = 109,9 Maka dengan bilangan Reynold sebesar 109,9 diketahui bahwa aliran didalam system adalah aliran lapisan batas laminer, lalu dengan mengunakanmengunakan diagram moody dapat diketahui nilai relative rougnes(ε/d) yaitu sebesar 0,00059, maka dengan nilai tersebut dapat diketahui nilai kekasaran permukaan (resisstance coefficient) didalam pipa (f) adalah sebesar = 0,018 Kemudian tahap selanjutnya akan dilakukan perencanaan perhitungan nilai kerugian-kerugian energi akibat gesekan pada pipa sisi masuk dan keluar dari pompa oli. 4. Perhitungan daya pompa 1 dengan memperhitungkan kerugian-kerugian energi didalam system Perhitungan kerugian energy akibat gesekan didalam pipa ( E f1 ): ΔE 0,018. 2,8 m 0,0254 m. 0,7 m/s 110,5 m /s 2 K = Jumlah total nilai k terkadap hambatan pipa seperti katup, belokan, keran dll. Tabel 4. Nilai k terhadap hambatan katup,belokan pada pompa 1. No Nama Komponen Jumlah Katup Nilai (k) Jumlah (k) 1 El- Bowe 90 o 6 buah kb = 0,9 5,4 2 Gate Valve 1 buah kv = 5,6 5,6 Jumlah Total K 11 ΔE 11. 0,7 m/s 0,15 m/s 7 m /s Sehingga kerugian energi akibat belokan pada pipa ( Em) adalah sebesar 7 m 2 /s Perhitungan kerugian energy akibat ketinggian ( H f ): H, / 11,3 m, / 4.4. Perhitungan kerugian energy dalam bentuk tekanan ( P f ): P 110,5 m kg. 871,8 96,2 kpa s m 4.5. Sehingga dengan mengunakan (pers4) kerja pemompaan (Wp 1 ) adalah sebesar 307,9 J/kg Sedangkan untuk kapasitas daya pompa dapat dihitung sebagai berikut. w p1 0,3 kg s. 307,9 J kg 93J 93 Watt s B-47

8 Maka dari hasil perhitungan diatas didapatkan kapasitas daya pompa oli yang akan direncanakan dalam pembuatan alat penukar kalor skala laboratorium adalah sebesar 93Wat KESIMPULAN 1. Bahwa dalam perencanaan perhitunggan kapasitas daya pompa air (water) dengan laju alian sebesar 0,0003 m 3 /s yaitu sebesar 231 Watt, dimana kapasitas daya pompa tersebut dengan perencanaan panjang pipa sepanjang 6,85 m. 2. Sedangkan untuk kapasitas daya pompa oli dengan laju aliansebesar 0,00035 m 3 /syaitu sebesar 93 Watt dengan panjang pipa sepanjang 2,8 m. 3. Bahwa perencanaan panjang pipa yang digunakan dalam system akan dapat mempengaruhi perencanaan kapasitas daya pompa semakin besar, dimana semakin panjang pipa yang dipergunakan, maka beban daya pompa juga akan semakin besar. DAFTAR PUSTAKA Austin H. Chruch, Zulkifli Harahap, 1990, Pompa dan Blower Sentrifugal, Erlangga, Jakarta Fritz Dietzel, Dakso Prijono, 1990, Turbin, Pompa dan Kompresor, Erlangga, Jakarta. Hick Erward, 1996, Teknologi Pemakaian Pipa, Erlangga Jakarta Jack B. Evett, Cheng Liu, 1987, Fundamental of Fluids Mechanics, McGraw Hill Book Company, NewYork. Mediatara Sapta Kara, 1994, Pedoman Plumbing Indonesia, Erlangga, Jakarta. Reuben M. Olson, Steven J. Wrigth, 1989, Dasar-Dasar Mekanika FluidaTeknik, Edisi Kelima, GramediaPustaka Utama, Jakarta. Sofyan M Noerbambang, 2000, Perancangan dan Pemeliharaan SistemPlumbing, Pradya Paramita, Jakarta. Sri Widharto, 2001, Pedoman Ahli Pemasangan Pipa, Pradya Paramita, Jakarta. Sularso, 2000, Pompa dan Kompresor, Pradya Paramitha, Jakarta. Victor L. Steeter, E. Benjamin Wylie, Arko Prijono, 1990, Mekanika Fluida Jilid 1, Erlangga, Jakarta B-48