Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No., Juli 2016 (xx) Analisa pengaruh variasi laju aliran udara terhadap efektivitas heat exchanger memanfaatkan energi panas LPG I Made Agus Wirawan, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali Abstrak Efektivitas heat exchanger biasanya dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain bentuk heat exchanger, arah aliran dan kecepatan udara yang masuk dalam heat exchanger. Dalam penelitian ini ingin diuji bagaimana pengaruh variasi laju aliran udara terhadap efektivitas heat exchanger yang memanfaatkan energi panas LPG. Penelitian ini dilakukan dengan mentransfer energi panas LPG ke udara yang dialirkan didalam box pemanas pada alat heat exchanger. Dalam pengujiannya dirancang alat dengan memvariasikan laju aliran udara pada 0,005, 0,01, 0,015, 0,02 dan 0,025 didalam box pemanas pada heat exchanger. Pengujian akan dilakukan dengan waktu 120 menit, untuk setiap pengujian variasi. Setelah data temperatur untuk setiap pengujian variasi diperoleh selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mengetahui nilai efektivitas dari alat. Dari hasil pengujian dan perhitungan yang telah dilakukan, peningkatan laju aliran udara yang diberikan didalam box pemanas pada alat heat exchanger berbanding lurus dengan nilai efektifitas yang dihasilkan. Dari pengujian dengan memvariasikan laju aliran udara paling tinggi 0,025, diperoleh nilai efektivitas alat sebesar 0,356. Kata Kunci : Analisa efektivitas, Variasi laju aliran udara, Heat exchanger, Bahan bakar LPG Abstract The effectiveness of heat exchangers are usually influenced by several factors, among other forms of heat exchangers, flow direction and speed of air entering in a heat exchanger. In this study want to test how the effect of variations in air flow rate on the effectiveness of heat exchangers that utilize heat energy LPG. This research was carried out by transferring the heat energy of LPG into the air that flowed in the box heater on heat exchangers. In use in the design by varying the air flow rate at 0,005 m 3 /s, 0.01 m 3 /s, 0,015 m 3 /s, 0.02 m 3 /s and 0,025 m 3 /s in the box the heater on heat exchanger. Tests will be performed with a time of 120 minutes, for each test variation. After the temperature data for each test variations were then performed calculations to determine the value of the effectiveness of the heat exchanger. From the results of tests and calculations have been carried out, the increase in air flow rate given in the box on the appliance heat exchanger heating is directly proportional to the effectiveness of the resulting value. From the test by varying the air flow rate 0,025 m 3 /s, the value of the effectiveness of heat exchanger is 0.356. Keywords: Analysis of the effectiveness, Variation of air flowrate, Heat exchanger, Fuel LPG 1. Pendahuluan Pengaplikasian heat exchanger pada alat pengering memang telah banyak dilakukan, untuk meminimalisir dampak dari hasil pembakaran bahan bakar pada alat pengering baik berupa gas sisa hasil pembakaran ataupun abu yang akan tercampur saat melakukan proses pengeringan. Heat excahanger merupakan suatu alat pemindah/penukar panas antara fluida dengan fluida lain melewati suatu dinding pemisah [1], sehingga fluida udara yang dimanfaatkan untuk proses pengeringan akan bersifat bersih/tidak mengotori material yang akan dikeringkan. Menurut [2] hampir pada semua heat exchanger, perpindahan panas yang terjadi didominasi oleh perpindahan secara konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin. Dalam perpindahan panas secara konduksi pada heat exchanger, besarnya nilai konduktifitas material yang digunakan akan mempengaruhi laju konduksi yang terjadi, jadi semakin besar nilai konduktifitas material semakin besar laju perpindahan panas yang terjadi. Sedangkan besar nilai konveksi yang terjadi pada heat exchanger dipengaruhi oleh jenis aliran dan kecapatan aliran fluidanya, pada tipe aliran counter flow dengan parallel flow atau cross flow besar nilai konveksinya akan berbeda untuk temperatur fliuda panas dan dingin yang sama [3]. Kecepatan aliran fluida yang semakin tinggi juga akan mempersingkat waktu kontak antara fluida panas yang melepas kalor dan fluida dingin yang menerima kalor, sehingga akan berpengaruh terhadap besar nilai perpindahan panas pada heat exchanger. Dalam penelitian ini akan dibahas bagaimana pengaruh variasi laju aliran udara yang dipanaskan terhadap nilai efektivitas dari heat exchanger. 2. Dasar Teori 2.1 Perpindahan Panas Perpindahan panas merupakan ilmu yang mempelajari tentang bagaimana panas berpindah atau mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke temperatur lebih rendah. Apabila ditinjau dari perpindahannya, kalor dapat berpindah dengan tiga cara yaitu: 1. Perpindahan Panas Konduksi. Perpindahan panas secara konduksi adalah proses Korespondensi: 087762922170 E-mail: dek.wirawan@yahoo.com
perpindahan panas dimana panas mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut: dt q kond = -ka dx (1) q kond = Laju perpindahan konduksi (W) k = Konduktivitas termal bahan (W/m.K) A = Luas penampang alat (m 2 ) = Gradien temperatur pada penampang (K/m) 2. Perpindahan Panas Konveksi. Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi dibedakan menjadi dua, yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free / natural convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa atau eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection). Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut: q konv = h.a s. (T s -T ) (2) q konv = Laju perpindahan konveksi (W) h = Besar koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2.K) A s = Luas penampang (m 2 ) T s = Temperatur permukaan (K) T = Temperatur udara (K) 3. Perpindahan Panas Radiasi. Perpindahan panas radiasi adalah proses di mana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan jika terdapat ruang hampa di antara benda-benda tersebut. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut: q rad.g =.. Ts 4.A (3) q rad = Laju perpindahan radiasi (W) ε = Emisivitas (0 1) σ = Konstanta proporsionalitas / disebut konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya 5,67 x 10-8 (W/m 2.K) A = Luas penampang (m 2 ) T s = Temperatur benda (K) 2.2 Perhitungan Efektivitas Heat Exchanger Menurut [4] efektivitas suatu heat exchanger didefinisikan sebagai perbandingan antara perpindahan panas yang sebenarnya dengan perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi pada alat heat exchanger. ε = (4) Perpindahan panas sebenarnya, adalah jumlah panas yang mampu diserap oleh fluida udara yang mengalir di dalam box pemanas dari hasil pembakaran LPG, dapat dirumuskan sebagai berikut : Q = ṁ u Cp u (T u out T u in ) (5) Sedaangkan perpindahan panas maksimum, adalah jumlah panas yang dibangkitkan dari hasil pembakaran LPG, atau dapat dirumuskan sebagi berikut : Q max = Δm LPG HHV LPG (6) dimana: ε = Efektivitas Heat Exchanger Q = Energi yang diserap oleh fluida udara (J) ṁ u = Laju alir massa fluida udara (kg/detik) Cp u = Panas spesifik fluida udara (J/kg.K) T u out = Termperatur fluida udara keluar alat HE (K) T u in = Temperatur fluida udara masuk alat HE (K) Q max = Energi yang dilepaskan oleh LPG (J) Δm LPG = Konsumsi bahan bakar LPG (kg) HHV LPG = [50,152 (MJ/kg)] 3. Metode Penelitian 3.1 Deskripsi Penelitian Penelitian ini bermaksud untuk mengetahui efektivitas heat exchanger dengan memvariasikan laju aliran fluida udara yang dipanaskan. Dalam pengujiannya penelitian ini bersifat analitis dan kajian literatur, dengan menghitung efektivitas dari heat exchanger. Penelitian dimulai dengan mempersiapkan peralatan uji heat exchanger. Proses awal pengoprasian alat ini blower dihidupkan, kemudian dilakukan proses penyetelan aliran fluida udara dengan mengatur bukaan katup pada blower sampai memperoleh aliran fluida yang diinginkan. Dilanjutkan dengan menghidupkan kompor LPG pada heat exchanger, laju aliran massa LPG diberikan konstan dipasang pada titik maksimal kompor. Selanjutnya heat exchanger dibiarkan berkerja selama waktu yang telah di tentukan, yaitu 120 menit untuk setiap pengujian variasi. Selama proses ini berlangsung dilakukan pencatatan data- 2
data dari alat ukur yang sudah terpasang pada alat heat exchanger. 3.2 Variabel Penelitian 1. Variabel bebas adalah variabel yang mempengaruhi munculnya suatu gejala atau perubahan, dalam penelitian ini variabel bebasnya adalah laju aliran fluida udara. Dalam penelitian ini variasi laju aliran udara dibuat dengan lima variasi yaitu, aliran fluida pada 0.005, 0,01, 0,015, 0,02, 0,025 2. Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi atau menjadi akibat karena adanya variabel bebas. Dalam penelitian ini variabel terikatnya adalah efektivitas dari heat exchanger. 3.3 Konstruksi Heat Exchanger 1 2 3 4 5 Gambar 2. Skematik Heat Excanger Thermometer yang digunakan adalah thermometer suhu batang digital dengan sensor pada bagian ujung batang. Titik-titik pemasangan thermometer dipasang pada, pipa masuk udara box pemanas hal ini dimaksudkan untuk mengukur temperatur udara masuk (T u in ), pipa keluar udara box pemanas untuk mengukur temperatur udara keluar (T u out ), serta pada cerobong gas buang hasil pembakaran untuk mengetahui temperatur udara yang keluar dari heat exchanger (T c ). Anemometer diletakkan pada bagian pipa udara keluar box pemanas sehingga dapat diketahui laju aliran massa udara pada box pemanas. Timbangan atau neraca dipasang pada tabung gas LPG, timbangan digunakan sebagai pembacaan massa LPG yang terpakai selama proses pengujian. Blower yang digunakan adalah blower sentifugal, blower digunakan sebagai media untuk membuat aliran paksa pada box pemanas. Untuk blower dipasang pada pipa masuk udara box pemanas, yang sebelumnya sudah dipasangkan keran pengatur. 3.6 Diagram Alir Penelitian START Gambar 1. Heat Exchanger Keterangan : 1. Cerobong heat excanger 2. Pipa udara keluar kotak pemanas 3. Box pemanas 4. Pipa udara masuk kotak pemanas 5. Kompor LPG 3.4 Alat dan Bahan Penelitian 1. Anemometer 2. Thermometer digital 3. Timbangan digital (Neraca) 4. Stopwatch 5. Blower 6. Kompor LPG 7. LPG (tabung 3 kg) 3.5 Penempatan Alat Ukur Dalam perhitungan untuk mengetahui efektifitas heat exchanger ini diperlukan beberapa input data sebagai acuan. Maka dari itu penempatan alat ukur yang tepat sangan diperlukan guna memperoleh hasil data yang maksimal. 0,005 Persiapan untuk alat heat exchanger Pengujian heat exchanger dengan variasi laju aliran udara 0,01 0,015 Pencatatan data : 0,02 Temperatur udara luar, Ta Temperatur udara masuk, Tin Temperatur udara keluar, Tout Temperatur udara cerobong, Tc Penurunan massa LPG, mlpg A 0,025 3
Pengolahan data : Energi panas yang dilepas: Q max= Δm LPG HHV LPG Energi panas yang diserap: Q = ṁ c Cp c ΔT c Efektivitas alat heat exchanger: E = Q / Q max Analisa data Kesimpulan STOP Gambar 3. Diagram Alir 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Data Hasil Pengamatan Dari pengujian yang telah dilakukan untuk masing-masing variasi laju aliran fluida yang dipanaskan pada heat exchanger, maka didapatlah data-data temperatur yang tercatat serta konsumsi bahan bakar LPG yang digunakan dalam rentang waktu 120 menit pengoprasian alat heat exchanger. Data hasil pencatatan untuk setiap variasi laju aliran udara dapat dilihat sebagai berikut: Tabel 1. Data Hasil Pengamatan Variasi Waktu Temperatur tercatat (C) m LPG menit T a Tin Tout T c kg 0,005 0 33,1 34,2 40,2 41,9 8,320 120 34,7 36,8 141,7 123,1 7,780 0,01 0 33,1 34,6 39,8 40,1 8,340 120 34,3 36,1 119,7 120,3 7,800 0,015 0 33,4 34,8 40,9 42,7 6,950 120 34,2 36,6 106,7 115,8 6,410 0,02 0 32,9 34,4 39,2 42,0 6,930 120 34,4 36,1 95,8 104,3 6,390 0,025 0 32,9 34,6 40,3 41,9 8,330 120 34,6 36,5 87,4 104,9 7,790 4.2 Analisa Efektivitas Heat Exchanger Untuk mempermudah dalam melakukan analisa, maka data hasil perhitungan disajikan dalam bentuk grafik, Gambar 4. Grafik Efektivitas Pada grafik efektivitas heat excanger diatas dapat dilihat hubungan variasi laju aliran udara terhadap nilai efektivitas alat penukar panas. Nilai efektifitas dari heat exchanger naik seiring dengan meningkatkan variasi laju aliran udara yang pada box pemanas. Secara matematis besar nilai efektivitas alat penukar panas sangat dipengaruhi oleh beda temperatur masuk dan keluar dari fluida yang menerima transfer energi panas, mamun pada penelitian ini laju aliran udara yang divariasikan memberi pengaruh yang lebih besar terhadap nilai efektivitas dari heat exchanger. Hal ini dikarenakan peningkatan laju aliran udara berarti meningkatkan kecepatan dan jumlah udara yang akan menerima transfer panas dalam waktu yang sama. Pada variasi laju aliran udara rendah 0,005 beda temperatur udara keluar dan masuk heat exchanger besar hal ini karena, udara yang mengalir di dalam box pemanas melaju dengan pelan, kontak antara udara dengan box pemanas akan lebih lama sehingga udara akan menyerap/menerima transfer panas dengan baik, namun dalam kapasitasnya udara tidak mampu menyerap semua panas yang diberikan, maka panas lebih yang diberikan akan dilepas kembali ke lingkungan, sehingga jumlah panas yang diserap kecil. Dalam variasi laju aliran udara yang lebih tinggi 0,01 beda temperatur udara keluar dan masuk heat exchange mengalami penurunan hal ini dikarenakan, laju udara didalam box pemanas akan lebih cepat, sehingga kontak antara udara dengan box pemanas akan lebih singkat sehingga udara hanya mampu menyerap lebih sedikit panas yang di transfer, namun jumlah udara yang menyerap panas akan lebih banyak sehingga jumlah energi panas yang mampu diserap oleh udara juga akan lebih banyak. Hal ini akan berbanding lurus dengan hasil efektivitas dari alat, karena semakin besar jumlah panas yang mampu diserap dari hasil panas bangkitan tungku LPG maka nilai efektifitas alat akan semakin besar. Kenaikan nilai efektivitas dari alat akan terus meningkat hingga pada laju aliran udara tertentu dan akan menurun karena beda temperatur udara keluar dan masuk yang semakin kecil atau bahkan sama. Apabila temperatur udara masuk dan keluar sama, maka dapat diartikan tidak terjadi perpindahan panas pada alat, sehingga nilai efektivitas dari heat exchanger adalah nol. Pada penelitian ini dengan meningkatkan laju aliran udara hingga 0,025 dihasilkan nilai efektivitas dari alat paling tinggi yaitu sebesar 0,356. 5. Kesimpulan Dari penelitian pada heat exchanger dengan memvariasikan laju aliran udara didalam box pemanas, dengan meningkatkan laju aliran udara pada alat terjadi penurunan temperatur udara keluar yang dipanaskan akan tetapi terjadi peningkatan nilai efektivitas dari heat exchanger. Hal ini dikarenakan peningkatan laju aliran udara didalam box pemanas berarti terjadi peningkatan kecepatan aliran udara 4
pada luasan bidang tranfer yang sama sehingga waktu kontak antara udara dengan box pemanas lebih singkat, hal ini juga berarti terjadi peningkatan jumlah udara yang menirima transfer panas sehingga lebih banyak energi panas yang mampu ditransfer dari hasil pembakaran LPG. Maka dapat disimpulkan bahwa peningkatan laju aliran udara pada heat exchanger berbanding lurus dengan peningkatan nilai efektivitas dari heat exchanger. Akan tetapi karena luasan bidang transfer panas ke udara yang kecil energi panas bangkitan dari LPG masih belum dapat ditransfer dengan baik, hal ini dibuktikan dengan memvariasikan laju aliran udara 0,005 hanya diperoleh nilai efektivitas dari alat sebesar 0,356 dan dengan meningkatkan laju aliran udara hingga 0,025 diperoleh nilai efektivitas dari heat exchanger sebesar 0,356. DAFTAR PUSTAKA [1] Kreith Farak, 1991, Perpindahan Panas. Jakarta : Erlangga. [2] Cangel, Y.A., 1997, Introduction to Thermodynamic and Heat Transfer. New York : McGraw Hill. [3] Handoyo, Ekadewi Anggraini, 2000, Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell and Tube Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Vol. 2, No. 2, 86-90. [4] Incopera, Frank P., and David P. DeWitt, 1981, Fundamental of Heat and Mass Transfer. New York : Fourth edition, John well & sons. I Made Agus Wirawan menyelesaikan studi program sarjana di Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana dari tahun 2011 sampai 2016. menyelesaikan studi program sarjana dengan topik penelitian Analisa Pengaruh Laju Aliran Udara Terhadap Efektivitas Heat Exchanger Memanfaatkan Energi Panas LPG 5