BAB III PERANCANGAN EVAPORATOR Perencanaan Modifikasi Evaporator

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN EVAPORATOR 3.1. Perencanaan Modifikasi Evaporator Pertumbuhan pertumbuhan tube ice mengharuskan diciptakannya sistem produksi tube ice dengan kapasitas produksi yang lebih besar, untuk memenuhi permintaan pasar. Salah satu langkah yang harus dilakukan untuk mewujudkan kapasitas yang lebih besar ini adalah dengan merancang evaporator yang mampu menghasilkan tube ice dengan kapasitas yang lebih besar pula. Sehingga dalam tugas akhir perancangan ini, penulis akan merencanakan evaporator tube ice dengan kapasitas 3 ton es / jam, dengan mempergunakan evaporator tipe PK-50A buatan PATKOL Public Company Limited dengan kapasitas 50 ton es per hari ( 2 ton es per jam ) sebagai dasar modifikasi Spesifikasi Hasil Modifikasi yang Dikehendaki Spesifikasi evaporator hasil modifikasi yang dikehendaki antara lain : 1. Memiliki kapasitas produksi tube ice sebesar 3 ton / jam 2. Memiliki production cycle selama 60 menit 3. Memiliki space to production ratio yang rendah 4. Mudah dalam perawatan, terutama dalam hal pembersihan pipa pipa cetakan es 33

2 5. Harus terbuat dari material yang tidak mengalami perkaratan, sehingga tidak menghasilkan karat yang berbahaya bagi produk. 6. Memiliki efisiensi energi yang tinggi, sehingga biaya energi dalam menghasilkan produk dapat lebih rendah Dengan persyaratan di atas, diharapkan evaporator dapat bekerja sesuai dengan keinginan pengguna / operator Masalah Masalah Penting pada Evaporator 1. Pipa pipa evaporator pada mesin tube ice sekaligus berfungsi sebagai cetakan es, sehingga total volume pipa harus mencapai jumlah produksi yang diinginkan per cycle. Dalam hal ini diinginkan jumlah produksi sebanyak 3 ton / jam. 2. Pipa evaporator yang terlalu panjang akan lebih sulit dalam proses pembersihan, karena dibutuhkan brush dengan ukuran sangat panjang untuk mencapai ujung pipa 3. Diameter evaporator yang terlalu lebar akan memakan tempat yang besar, sehingga space to production ratio menjadi rendah Alternatif Bentuk Evaporator lain adalah : Beberapa alternatif bentuk evaporator yang dapat dipertimbangkan antara 34

3 1. Alternatif Bentuk 1 Modifikasi dengan menambah jumlah pipa pipa pada evaporator Gambar 3.1. Alternatif bentuk evaporator 1 Dengan penambahan jumlah pipa, otomatis akan menambah kapasitas es yang dapat dihasilkan setiap jam. Permasalahan yang perlu dipertimbangkan dengan penambahan jumlah pipa adalah diameter keseluruhan evaporator yang akan bertambah besar, sehingga membutuhkan tempat yang lebih luas untuk instalasi. 2. Alternatif Bentuk 2 Modifikasi dengan menambah panjang pipa pipa evaporator 35

4 Dengan menambah panjang pipa evaporator, otomatis dapat dicapai kapasitas yang diinginkan dengan tetap mempertahankan luas tempat Gambar 3.2. Alternatif bentuk evaporator 2 instalasi yang sama, hanya saja evaporator menjadi semakin tinggi. Hal ini dapat menjadi permasalahan pada perawatan, dan membutuhkan pompa sirkulasi yang lebih besar, karena air harus disirkulasikan ke ujung atas evaporator yang posisinya semakin tinggi. 3. Alternatif Bentuk 3 Modifikasi dengan menambah jumlah dan panjang pipa evaporator. 36

5 Dengan modifikasi ini, jumlah pipa ditambah demikian juga dengan panjang pipa sehingga dicapai dimensi dan tinggi evaporator maksimal. Gambar 3.3. Alternatif bentuk evaporator 3 4. Alternatif Bentuk 4 Modifikasi dengan merubah bentuk evaporator menjadi persegi. Dengan bentuk persegi, dapat ditempatkan jumlah pipa yang lebih banyak untuk luasan instalasi yang sama, dan secara otomatis dapat diperoleh jumlah produksi yang lebih besar. 37

6 Gambar 3.4. Alternatif bentuk evaporator 4 5. Alternatif Bentuk 5 Modifikasi dengan merubah bentuk evaporator menjadi pipa pipa horizontal. Dengan mengubah evaporator menjadi horizontal, jumlah pipa dapat lebih banyak, dan dapat meningkatkan kapasitas produksi pada evaporator. 38

7 Gambar 3.5. Alternatif bentuk evaporator 5 Dari alternatif bentuk di atas, dicoba dirangkum dalam sebuah matriks, untuk diperoleh layout awal yang paling maksimal. Dalam matriks ini, alternatif bentuk akan diberi nilai untuk menentukan kesesuaian perencanaan dengan hasil yang dikehendaki. Tuntutan perencanaan akan dijabarkan pada baris, sedangkan alternatif bentuk evaporator dijabarkan pada kolom. Penjumlahan bobot nilai seluruh kriteria (weighting factors) harus berjumlah 100% (diskalakan menjadi 1,0 pada matriks ini). Besar nilai bobot atau weighting factors akan ditentukan oleh perancang berdasarkan questioner yang dibagikan pada pengguna. Untuk setiap alternatif bentuk, perancang akan memberikan nilai rating (rating factors) untuk setiap parameter berdasarkan questioner yang dibagikan pada pengguna, yang menunjukan kesesuaian alternatif bentuk dengan tujuan perancangan yang dikehendaki. Nilai rating berkisar antara 1 sampai dengan

8 Hasil perkalian antara nilai bobot (WF) dan nilai rating (RF) disebut weighted rating factor, dan akan diisikan pada kolom kolom nilai untuk tujuan evaluasi Questioner Pemilihan Alternatif Bentuk Evaporator Berilah penilaian pada masing masing bentuk evaporator. Keterangan : 1. Weighting Factors (WF) adalah penilaian atas seberapa penting nya parameter rancangan relatif dibandingkan parameter parameter lain. Berilah nilai antara 0 sampai dengan 1. Total nilai harus berjumlah Rating Factors (RF) adalah sejauh mana alternatif bentuk dari evaporator memenuhi tuntutan parameter perancangan. Berilah nilai antara 1 sampai dengan 10. Pertanyaan yang diajukan pada questioner adalah sebagai berikut : 1. Ergonomi Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih mudah dalam pengoperasian? 2. Keamanan Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih aman, baik saat pengoperasian maupun perawatan? 3. Perawatan Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih memudahkan saat dilakukan perawatan? 4. Instalasi 40

9 Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih mudah untuk dipasang / di install? 5. Transportasi Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih mudah dipindahkan / dikirim ke tempat lain? baik dengan menggunakan container ataupun truk terbuka? 6. Komponen Pendukung Menurut anda, bentuk evaporator mana yang lebih mudah untuk dibuat komponen pendukungnya? contohnya pada pembuatan ice cutter? 7. Efisiensi Menurut anda, bentuk evaporator mana yang dapat bekerja lebih efisien? Baik secara produksi maupun energi? Tabel 3.2. Rangkuman hasil questioner penentuan nilai WF dan RF No. Parameter Total WF Hasil questioner penentuan nilai rating (RF) Total RF Ergonomi 0, Keamanan 0, Perawatan 0, Instalasi 0, Transportasi 0, Komponen 0, Pendukung 7. Efisiensi 0,

10 Matriks Pengambilan Keputusan dan Pemilihan Bentuk Berdasarkan hasil questioner yang diedarkan dan hasil yang dirangkum, maka setiap alternatif bentuk diberi nilai dalam bentuk matriks pengambilan keputusan. Tabel 3.3. Matriks pengambilan keputusan atas alternatif bentuk evaporator Parameter Bobot WF Alternatif Bentuk Evaporator WF x RF Ergonomi 0,12 0,96 0,72 0,96 1, Keamanan 0,31 2,48 1,24 2,48 1,86 2,48 3. Perawatan 0,27 1,89 1,08 1,89 2,43 1,08 4. Instalasi 0,08 0,64 0,4 0,56 0,72 0,72 5. Transportasi 0,05 0,25 0,3 0,35 0,4 0,4 6. Komponen 0,12 0,72 0,96 0,96 0,24 0 Pendukung 7. Efisiensi 0,05 0,4 0,25 0,35 0,4 0,4 Nilai Total 1 7,34 4,95 7,55 7,13 5,08 Berdasarkan matriks, diperoleh kesimpulan bahwa bentuk modifikasi terbaik adalah modifikasi dengan menambah jumlah dan panjang pipa evaporator (alternatif bentuk 3), dimana dengan modifikasi ini jumlah pipa ditambah demikian juga dengan panjang pipa sehingga dicapai dimensi dan tinggi evaporator maksimal. 42

11 3.5. Layout Awal Evaporator Berdasarkan matriks pengambilan keputusan, ditentukan untuk memodifikasi evaporator dengan menambah jumlah dan panjang pipa. Dengan demikian, perancang mencoba merangkum spesifikasi awal evaporator berdasarkan modifikasi yang dilakukan pada evaporator yang sudah tersedia. Tabel 3.4. Spesifikasi awal evaporator No. Spesifikasi Spesifikasi Awal Hasil Modifikasi Keterangan 1. Kapasitas 2 ton / jam 3 ton / jam Keharusan 2. Panjang pipa evaporator 4 meter 5 meter Perkiraan 3. Jumlah pipa evaporator 602 pipa 800 pipa Perkiraan 4. Jenis pipa evaporator Seamless schedule 20 Seamless schedule 20 Alternatif 5. Diameter pipa evaporator 31,4 mm 31,4 mm Keharusan 6. Bahan pipa & dinding Stainless Stainless Alternatif evaporator Steel Steel 7. Tebal isolasi evaporator 150mm 200mm Perkiraan 3.6. Perhitungan Evaporator Setelah spesifikasi utama yang dikehendaki dijabarkan, maka langkah berikut adalah menghitung dimensi dimensi utama dari evaporator, dengan tujuan untuk memberi bentuk pada evaporator. Dimensi dimensi ini harus diperhitungkan dengan mempertimbangkan tujuan penggunaan, spesifikasi maupun keamanan dalam penggunaan evaporator. 43

12 Menghitung Ketebalan Dinding Evaporator Salah satu bagian yang paling penting dalam perencanaan evaporator adalah bagian silinder atau dinding evaporator, karena bagian ini akan mendapatkan tekanan uap yang cukup besar saat proses defrost hingga 10 bar (1 MPa). Sehingga perlu dilakukan perhitungan yang cermat untuk memastikan bahwa dinding evaporator tetap aman selama pengoperasiannya. Bahan yang dipergunakan dalam perancangan evaporator adalah stainless steel AISI type 304, dengan kekuatan tarik sebesar psi (215 MPa). yaitu : Dinding evaporator diperhitungkan terhadap dua kemungkinan kegagalan, a. Kemungkinan terbelah. Tebal dinding minimum berdasarkan kemungkinan terbelah dihitung dengan : t b D 2 σ t p D ( 1+ L) (meter) Dimana : t b = Tebal dinding terhadap kemungkinan belah; D = Diameter dalam silinder evaporator (rencana); = 1,5 meter; p = Tekanan di dalam silinder evaporator; 44

13 = 1 MPa; σ t = Tegangan tarik bahan stainless steel; = 215 Mpa L = Panjang evaporator; = 5 meter. Maka : t b 1,5 1Mpa 215Mpa ( 1+ 1,5 5) t 0,0054 meter. b b. Kemungkinan putus. Agar dinding tidak putus, maka : t p D p 4 σ t (meter) Maka : 1,5 1MPa t p 4 215MPa t 0,0017 meter. p Untuk keamanan dinding silinder evaporator dari kemungkinan belah dan putus, maka diambil tebal drum generator sebesar 0,01 meter, atau 1 cm. 45

14 Menghitung Jumlah Pipa Evaporator Berdasarkan spesifikasi awal evaporator, diketahui bahwa panjang pipa evaporator yang dikehendaki adalah sepanjang 5 meter, dengan diameter dalam pipa sebesar 3,14 cm. Diameter dalam tube ice yang diinginkan adalah sebesar 5 mm. Maka jumlah pipa evaporator dapat dihitung sebagai berikut : Diameter dalam pipa evaporator (Ti) = 3,14 cm Diameter dalam tube ice (Ei) = 0,5 cm Panjang pipa evaporator L = 5 meter Berat es yang diinginkan = kg / jam Volume es pada suhu -8 C dapat dilihat pada tabel berikut ini : Gambar 3.6. Thermal Properties of Ice Sumber : Maka volume es dengan berat 3000 kg pada -8 C adalah sebesar 3,26 m³ Dengan demikian, jumlah pipa evaporator dapat dihitung sebagai berikut : 46

15 = 1 2 ( ) 3,26 = 1 2 (0,0314 0,005 ) 5 Maka, jumlah pipa evaporator yang dibutuhkan untuk menghasilkan 3 ton es per jam adalah sebanyak : 796 buah pipa Pitch dan Layout Evaporator Untuk menentukan besar pitch pada pipa evaporator, dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 3.7. Pitch pada pipa evaporator 47

16 Dengan mempergunakan software Tube Sheet Layout Calculation dari didapat layout pipa sebagai berikut : Gambar 3.8. Layout pipa evaporator Sehingga didapat ukuran layout evaporator sebagai berikut : - Diameter dalam dinding evaporator : 1500 mm - Diameter luar pipa evaporator : 33 mm - Pitch antar pipa evaporator : 47,9 mm - Pitch pattern : 30 - Number of passes : 1 pass - Jarak dari dinding ke pipa evaporator : 25 mm - Jumlah pipa evaporator : 796 pipa 48

17 Gambar 3.9. Layout pipa evaporator Hasil layout yang didapat dari software Tube Sheet Layout Calculation dari akan dipergunakan sebagai bentuk susunan pipa dalam evaporator Spesifikasi Akhir Evaporator Berdasarkan perhitungan yang dilakukan, maka didapat spesifikasi akhir evaporator, yang dijadikan patokan untuk pembuatan gambar evaporator. 49

18 Tabel 3.5. Spesifikasi akhir evaporator Spesifikasi Kapasitas evaporator Diameter dalam dinding evaporator Diameter luar dinding evaporator Diameter luar pipa evaporator Diameter dalam pipa evaporator Tebal dinding evaporator Tinggi evaporator Bahan dinding evaporator AISI 304 Bahan pipa evaporator AISI 304 Pitch antar pipa evaporator Nilai 3000 kg tube ice per cycle 1500 mm 1924 mm 33 mm 31,4 mm 10 mm 5000 mm Stainless steel Stainless steel 47,9 mm Pitch pattern 30 Number of passes Jarak dari dinding evaporator ke pipa Jumlah pipa evaporator Tebal isolasi dinding evaporator Bahan isolasi evaporator 1 pass 25 mm 796 pipa 200 mm Polyurethane 3.8. Beban Pendinginan pada Evaporator Perhitungan beban pendinginan pada evaporator tube ice ini meliputi : 1. Beban pendinginan pada dinding evaporator, yaitu beban pendinginan yang timbul karena perbedaan temperature di dalam dan di luar evaporator. 50

19 2. Beban produk, yaitu beban untuk merubah air dengan suhu 25 C menjadi tube ice dengan suhu -8 C. Beban produk ini terdiri dari : a. Beban untuk menurunkan suhu air masuk dari 25 C menjadi air dengan suhu 0 C (Qa) b. Beban untuk membekukan air dengan suhu 0 C menjadi es dengan suhu 0 C (Qb) c. Beban untuk pembekuan lanjut es dengan suhu 0 C menjadi es dengan suhu -8 C (Qc) Data data di bawah ini diperlukan untuk perhitungan beban pendingin pada evaporator tube ice : Temperatur udara luar (Ts) : 30 C Temperatur air masuk (Ta) : 25 C Temperatur Produk es (Tes) : -8 C Beban Pendinginan dari Dinding Evaporator Luas dinding evaporator : Luas dinding evaporator : 1,914 5 Luas dinding evaporator : 30,05 Sedangkan total tahanan termal dihitung berdasarkan tabel : Tabel 3.6. Tahanan termal dinding evaporator No. Nama Lapisan Tebal Tahanan Termal (m jam C/kcal) Tahanan Termal (m² jam C/kcal) 1. Baja m 0,0242 0, Polyurethane 0,2 m 46,7 9,94 Tahanan Termal Total (Rtotal) 9,

20 Maka, = = 1 9,9403 = 0,1006 Sehingga beban transmisi kalor melalui dinding dapat dihitung dengan persamaan : = = 30,05 0,1006 (30 ( 8)) = 114,87 = 480,62 = 133,5 Watt Beban Pendinginan Tube Ice Berat produk air : 3000 kg Temperatur air masuk : 25 C Temperatur produk es : -8 C Panas spesifik air : 4,179 kj/kg C Panas laten air : 113,24 kj/kg C Panas spesifik es : 2,0895 kj/kg C Waktu pembekuan : 1 jam 52

21 Beban pendinginan produk terdiri atas : a. Beban untuk menurunkan suhu air dari 25 C menjadi 0 C = = , = kj/jam = ,2 Watt b. Beban untuk merubah air bersuhu 0 C menjadi es bersuhu 0 C = = ,24 1 = kj/jam = ,7 Watt c. Beban untuk merubah air bersuhu 0 C menjadi es bersuhu 0 C = ,0895 (0 ( 8)) = 1 = kj/jam = Watt Maka beban pendinginan produk total adalah sebesar : = + + = , , = ,9 Watt 53

22 Beban Pendinginan Total Maka beban pendinginan total dapat dihitung sebagai berikut : = + = ,9 = ,4 Watt 3.9. Gambar Detail Evaporator Gambar detail evaporator akan dilampirkan pada halaman lampiran 54