bab ii tinjauan pustaka

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Pembuatan Kertas di PT. Pindo Deli Pulp and Paper Mills II
PT. Pindo Deli Pulp and Paper Mills mempunyai banyak mesin kertas
(Paper Machine) dan setiap mesin memiliki spesialisasi produk dan proses
tertentu. Sistem proses yang ada pada PM 9 ( Paper Machine 9) terbagi atas tiga
unit, yaitu Unit Stock Preparation, Unit Paper Machine, dan Unit Finishing
2.1.1 Unit Stock Preparation
Fungsi utama dari stock preparation adalah untuk memperoleh keseragaman
umpan (pulp) yang terdiri dari berbagai campuran untuk mencapai kondisi
optimum. Unit ini bertujuan menghasilkan buburan pulp yang siap di proses
menjadi kertas. Pada unit ini, pengolahan bahan baku berlangsung dengan melalui
berbagai tahapan, yaitu pulping, cleaning, refining, mixing, dan machine.
2.1.2 Unit Paper Machine
Paper machine merupakan alat untuk membuat buburan kertas (pulp)
menjadi lembaran kertas. Mesin ini dirancang untuk memproduksi fine paper
dengan gramatur maksimal 125 gsm dan kapasitas mesin tersebut 250.000
MT/Tahun dengan kecepatan 1300 mpm. Pada proses paper machine terbagi atas
beberapa tahapan, diantaranya adalah:
a.
Forming
Forming merupakan proses pembentukan lembaran kertas dengan cara
pengurangan kadar air secara metode vakum dari buburan kertas (pulp) yang
terjadi pada former section. Buburan kertas (pulp) yang keluar dari slice headbox
dilewatkan pada celah diantara dua wire dengan cara disemprotkan pada
permukaan wire. Wire berfungsi untuk membentuk lembaran kertas basah (paper
web). Lembaran yang keluar dari bagian former mempunyai kadar air 80%.
6
BAB II Tinjauan Pustaka
7
b.
Pressing
Lembaran yang keluar dari bagian wire masih mempunyai kadar air yang
tinggi dan sudah tidak ekonomis untuk dikeluarkan menggunakan sistem vakum.
Sehingga
dilakukan penekanan lembaran di antara dua roll (pressing) yaitu
lembaran masuk ke bagian press section, kemudian mengalami pengeluaran air
secara mekanis dengan cara dijepit diantara dua roll. Proses pressing ini dilakukan
secara bertahap mulai dari tekanan rendah hingga tinggi untuk mencegah kertas
putus. Kadar air pada lembaran kertas yang keluar dari bagian press adalah 50%.
c. Main Drying
Setelah melewati Press Section, lembaran masih mempunyai kadar air yang
cukup tinggi dan sudah tidak mungkin dipisahkan menggunakan metode
penekanan (press). Maka dari itu digunakanlah metode penguapan (evaporasi). Di
mana pada main dryer ini terdapat silinder-silinder untuk melewatkan lembaran
kertas dan melakukan pengeringan. Silinder – silinder tersebut dipanaskan
menggunakan steam pada bagian dalamnya. Pemanasan dilakukan secara
bertahap, mulai dari tahap awal ±600C sampai pada bagian akhir ±1500C dengan
kadar air yang keluar dari main dryer sekitar 90%.
d.
Sizing
Untuk meningkatkan kualitas sifat permukaan lembaran, digunakan pelapisan
menggunakan surface sizing pada size press. Penambahannya berupa starch (pati)
dengan tujuan agar sifat permukaan kertas menjadi lebih halus dan kertas
memiliki daya serap yang baik terhadap tinta.
e.
After Drying
Pelapisan surface sizing pada size press menyebabkan lembaran kertas
menjadi basah kembali. Untuk mengeringkan lembaran kertas tersebut digunakan
proses after drying yang sama halnya dengan proses main drying. Kadar air dalam
yang kelujar dalam bagian ini ±5% tergantung dari jenis kertas yang diproduksi
f.
Calendering
Calendering merupakan proses penekanan lembaran kertas dengan tekanan
nip tertentu. Calendering dilakukan dengan tujuan untuk memperbaiki kehalusan
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
8
BAB II Tinjauan Pustaka
(smoothes) permukaan kertas, untuk menyeragamkan ketebalan (thickness), dan
untuk menghaluskan noda dari wire dan felt.
g.
Pope Reel
Kertas yang keluar dari proses calendering sudah merupakan produk jadi.
Pope reel ini berfungsi sebagai penggulung lembaran kertas. Lembaran kertas
digulung hingga mencapai berat 33 ton atau panjang 56.000 m. Kecepatan putaran
pope reel adalah ± 1200 m/menit pada gulungan jumbo roll.
Unit Finishing
2.1.3
Finishing merupakan proses akhir penanganan lembaran kertas sebelum
dikirim ke konsumen. Pada umumnya konsumen memesan produk dalam tiga
bentuk yaitu lembaran sesuai standar, lembaran dengan ukuran khusus, dan dalam
bentuk roll.
Gambar 2.1 Skema Proses Pembuatan Kertas
2.2
Main Dryer
Ketika paper web melewati Press Section, lembaran masih mempunyai
kadar air yang cukup tinggi dan sulit dipisahkan menggunakan metode penekanan
(press) kembali. Maka dari itu digunakanlah metode penguapan (evaporasi). Di
mana pada main dryer ini terdapat silinder-silinder untuk melewatkan lembaran
kertas dan melakukan pengeringan. Secara singkat main dryer tersebut dapat
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
9
BAB II Tinjauan Pustaka
dilihat dalam gambar 2.1 yang berada dalam skema sistem proses pembuatan
kertas. Namun untuk lebih detail pada bagian main dryer dapat dilihat pada
gambar 2.2
Sumber : Red Army Evaluation, Cahya Nugraha, Uncoated Division
Gambar 2.2 Bagian Main Dryer
Pada gambar 2.2 terlihat lingkaran-lingkaran yang bertuliskan angka-angka
yang menunjukan bahwa itu adalah cylinder dryer dan lingkaran yang tidak
bertuliskan angka adalah roll penggerak untuk cylinder dryer. Bagian main dryer
memiliki cylinder sebanyak 28 buah dan terbagi dalam lima section. Adapun
banyaknya cylinder dapat dilihat dalam Tabel 2.1
Tabel 2.1 Jumlah Cylinder Tiap Section
Section
Jumlah Cylinder Dryer
Section 1
3 buah
Section 2
4 buah
Section 3
7 buah
Section 4
2 buah
Section 5
12 buah
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
10
BAB II Tinjauan Pustaka
Silinder – silinder tersebut dipanaskan menggunakan steam pada bagian
dalamnya. Pemanasan dilakukan secara bertahap, mulai dari tahap awal ±600C
sampai pada bagian akhir ±1500C dengan kadar air yang keluar dari main dryer
sekitar
90%. Pada gambar 2.2 pun terlihat warna coklat yang semakin ke arah
cylinder 1 semakin pudar warnanya hingga menjadi putih. Itu menandakan bahwa
pemanasan berlangsung dari cylinder 28 pada section 5 dengan suhu yang lebih
tinggi dari cylinder-cylinder yang lainnya.
2.3
Pengeringan di Dryer Section
Proses pengeringan kertas merupakan proses terakhir dari proses pembuatan
kertas sebelum masuk ke calendar dan di gulung di pope reel. Pada bagian dryer
section inilah kualitas kertas banyak ditentukan disamping pada proses
sebelumnya. Untuk itu dalam pengoperasian mesin pengeringan perlu diketahui
atau dipahami dalam proses yang terjadi di dalam mesin pengering adalah
bagaimana menghasilkan produk kertas yang baik.
Setelah lembaran kertas basah (paper web) melewati Press Section,
lembaran masih mempunyai kadar air yang cukup tinggi dan tidak mungkin
dipisahkan menggunakan metode penekanan (press) terus-menerus. Oleh karena
itu digunakanlah metode penguapan (evaporasi). Peralatan pengering yang
digunakan berupa silinder dryer. Pada main dryer lembaran dari bagian press
section dibawa menggunakan kanvas dan lembaran kertas berada di atas kanvas.
Kemudian dilewatkan melalui silinder-silinder yang terdapat pada main dryer.
Silinder
–
silinder
tersebut
dipanaskan
menggunakan
steam
yang
ditransformasikan kedalamnya sehingga terjadi proses perpindahan panas dari
steam menuju silinder dan dari silinder panas dialirkan ke kertas. Jadi pada
silinder ada tiga lapisan utama yang berbeda, lapisan paling luar merupakan
kertas, lapisan tengah adalah kanvas, dan lapisan paling dalam merupakan steam.
Sehingga terjadi perpindahan panas secara konveksi dan konduksi.
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
11
BAB II Tinjauan Pustaka
Gambar 2.3 Konfigurasi Dryer Section
Pada gambar 2.3 menunjukan single-tier dryer section dalam bagian wet end
di paper machine. Proses pengeringan meliputi pemasukan steam yang cukup
untuk proses evaporasi di mana panas dari steam mampu menguapkan kandungan
air dari lembaran kertas. Pemanasan dilakukan secara bertahap, mulai dari tahap
awal ±600C sampai pada bagian akhir ±1500C. Steam yang digunakan merupakan
saturated steam dan tekanan yang diberikan antara 0.34 – 5.08 kg/cm2 atau 0.33 –
4.98 bar.
Kondensat
yang
terbentuk
di
dalam
silinder
dryer
dikeluarkan
menggunakan rotary syphon yang ditampung di separator untuk selanjutnya
dialirkan ke kondenser. Distribusi steam pada bagian ini menggunakan sistem
cascade, artinya steam sisa unit silinder yang lebih panas disalurkan kembali ke
unit sebelumnya. Sedangkan untuk penanganan uap air yang keluar dari lembaran,
digunakan sirkulasi udara dengan sistem hood tertutup. Kadar air yang keluar dari
main dryer sekitar 90%.
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
BAB II Tinjauan Pustaka
12
2.4
Komponen Dryer Section
2.4.1 Silinder Dryer
Pengeringan silinder merupakan tipe alat pengering yang terdiri dari satu
atau lebih silinder. Terbuat dari logam yang berputar sesuai dengan porosnya pada
posisi horizontal yang dilengkapi dengan pemansan internal oleh uap air, air atau
media cairan pemanas lainnya. Penggunaan uap sebagai sumber utama energi
dan permukaan silinder yang berputar sebagai area perpindahan panas
panas
adalah
metode yang paling umum pengeringan untuk buburan kertas (pulper)
menjadi produk kertas. Hampir seluruh paper machine di dunia perindustrian
kertas menggunakan konvensional uap panas silinder atau konfigurasi
pengeringan multi silinder. Selain memberikan efisiensi energi yang baik,
pengeringan silinder juga memungkinkan mendukung perpindahan pulper dengan
baik, dan meningkatkan kelancaran pengeringan pulper. Silinder pengeringan juga
dapat mencegah beberapa penyusutan pulper dalam machine direction dan cross
direction.
Sebagian besar silinder pengering dibuat dari cast iron maupun stainless
steel. Ujung pengering atau kepala silinder terbuat juga dari cast iron. Gambar 2.4
menunjukkan pandangan penampang silinder pengering yang mencakup semua
komponen seperti pasokan uap dan keluaran kondensat. Panjang silinder
pengering yang paling umum adalah 7,5 m dan 1,8 m untuk diameter.
Ketebalannya dapat bervariasi, tetapi 20-40 mm adalah yang paling umum untuk
digunakan dengan besarnya tekanan sekitar 1000 kPa.
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
13
BAB II Tinjauan Pustaka
Gambar 2.4 Penampang Cylinder Dryer
Umpan buburan kertas dalam hal ini adalah pulper yang akan dikeringkan
pada permukaan silinder yang dipanaskan oleh uap panas dan berputar pada
kecepatan yang diinginkan. Pada dryer section di perindustrian pulp dan kertas
memiliki sistem multi silinder atau silinder ganda. Silinder ini didesain dengan
dua silinder yang puncaknya paralel dan bahan yang akan dikeringkan
dimasukkan dari bagian atas pada daerah di antara dua drum (APV Crepaco
1992). Konfigurasi dryer multi silinder dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Konfigurasi Dryer Multi Silinder
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
14
BAB II Tinjauan Pustaka
Prinsip kerja alat pengering silinder adalah silinder berputar dengan tenaga
penggerak motor, dipanaskan dari bagian dalam dengan menggunakan steam.
Panas permukaan drum mencapai suhu 120-170 0C. Lapisan bahan yang akan
dikeringkan
disebarkan secara merata pada permukaan atas silinder.
2.4.2 Kanvas Dryer
Kanvas digunakan sebagai kain pengering di bagian dryer section paper
machine. Agar proses berjalan dengan baik, maka kertas harus menempel pada
permukaan silinder dengan baik. Sehingga untuk menempel kertas tersebut maka
digunakanlah kanvas.
Gambar 2.6 Kanvas Cylinder Dryer
Kanvas ini mirip seperti ban berjalan, membawa pulper dengan kecepatan
tinggi dan menekan kertas pada dinding silinder pengering, sehingga kertas dapat
menempel dengan rata pada silinder tersebut. Akibat dari itu semua proses
perpindahan panas berlangsung dengan cepat dan efisien. Selain itu penggunaan
kanvas berfungsi agar buburan kertas tidak kontak langsung dengan permukaan
silinder pengering yang mempunyai suhu tinggi, karena akan menyebabkan
buburan kertas menjadi menempel dengan silinder pengering.
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
BAB II Tinjauan Pustaka
15
2.4.3 Sistem Steam dan Kondensat
Pada paper machine yang modern ada beberapa poin dalam sistem steam
dan kondensat yang diperhatikan. Ini termasuk dryer, steam box, wire pit, dan
proses pemanasan air. Dalam hal pengeringan kertas, steam utama dan titik
konsumsi kondensat merupakan energi panas yang dibutuhkan untuk pengeringan
kertas bersumber dari silinder pengering dan ventilasi udara panas.
Gambar 2.7 menunjukkan gambaran secara umum steam dan sistem
kondensat dari perindustrian kertas di dunia. Ada sejumlah variasi steam dan
sistem kondensat tergantung pada mesin desainnya. Desain steam dan sistem
kondensat dipengaruhi oleh tekanan steam, kecepatan mesin, gramatur,
kekeringan lembaran kertas setelah press section dan persyaratan kualitas produk
jadi. Sistem uap dan kondensat untuk grade kertas yang berbeda adalah cascade
system, thermo-compressor systems atau kombinasi dari keduanya.
Gambar 2.7 Sistem Uap (Steam) dan Kondensat pada Paper Machine Industry
2.5
Proses Pengeringan di Dryer Section
Proses pembuatan kertas sangat dipengaruhi oleh proses pengeringan di
dryer section. Dalam proses pengeringan ini terjadi perpindahan panas dan massa
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
16
BAB II Tinjauan Pustaka
karena adanya perbedaan temperatur. Panas akan mengalir dari tempat yang
temperatur tinggi ke temperatur lebih rendah.
2.5.1 Mekanisme Pengeringan di Dryer Section
Pada main dryer ini terdapat 28 s ilinder yang digunakan di mana terbagi
menjadi lima section. Silinder tersebut berputar secara linier yang sama di mana
silinder diputar dengan satu sumber yaitu motor listrik yang dihubungkan dengan
roda gigi pada setiap silindernya. Adapun skema dari mesin pengering kertas
dapat dilihat pada gambar 2.8
IV
Gambar 2.8 Skema Dryer Section
Pada gambar terdapat penulisan I, II, dan III yang menunjukan adanya tiga
tahap utama dalam pengeringan kertas. Tahap pertama adalah tahap perjalanan
kertas mulai menempel pada silinder sampai saat kanvas mulai menyentuh
silinder. Tahap kedua adalah tahap perjalanan kertas sepanjang kanvas
menyelimuti silinder. Tahap ketiga adalah tahap perjalanan kertas pada
permukaan luar silinder saat kanvas meninggalkan, dimana kertas masih
menempel pada silinder. Tahap ke empat adalah tahap perjalanan kertas bebas
tidak menempel pada silinder, letaknya di antara dua buah silinder.
Tahap pertama, lembaran kertas mulai membungkus silinder pengering.
Akibat dari temperatur silinder lebih tinggi dari temperatur kertas maka akan
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
BAB II Tinjauan Pustaka
17
terjadi perpindahan panas dari silinder pengering ke lembaran kertas yang
menyebabkan naiknya temperatur dan tekanan uap air pada permukaan lembaran
kertas sehingga laju penguapan menjadi bertambah.
Tahap kedua, kanvas akan membungkus dan menekan lembaran kertas
lebih kuat ke silinder sehingga perpindahan panas dari silinder lembaran kertas
akan bertambah besar. Panas yang masuk akan menaikkan temperatur, dengan
demikian tekanan uap air akan naik juga yang menyebabkan naiknya laju
penguapan. Setelah kanvas mulai meniggalkan silinder, kertas mulai memasuki
ketiga. Pada tahap ini laju penguapan bertambah, itu disebabkan karena
tahap
pada saat kertas di selimuti oleh kanvas terjadi kenaikkan temperatur yang cukup
tinggi. Setelah melewati tahap ketiga kertas akan menuju tahap keempat, pada
tahap ini kertas tidak menempel pada silinder dan juga pada kanvas (bebas
kontak). Kertas tidak mendapatkan pertambahan energi, bahkan hanya
melepaskan energi pada dua sisi permukaannya yang menyebabkan penurunan
temperatur pada kertas.
2.5.2 Mekanisme Perpindahan Panas
Dalam pengeringan kertas metode utama dalam perpindahan panas adalah
dengan konduksi dan konveksi untuk pembuatan pada seluruh grade kertas.
Perpindahan panas secara radiasi biasanya diabaikan dalam pengeringan kertas
konvensional karena kontribusinya terhadap perpindahan panas keseluruhan jauh
lebih sedikit dari pada konduksi dan konveksi. Oleh karena itu perpindahan panas
secara konveksi dan konduksi adalah metode utama untuk dapat menghitung
besarnya perpindahan panas pada cylinder dryer.
a.
Perpindahan Panas dari Steam ke Dinding Silinder
Temperatur steam (T sat ) yang dialirkan dengan laju dan tekanan tertentu
didalam dinding silinder akan mengalir secara konduksi atau rambatan dengan
menembus tahanan ketebalan dinding silinder yang bertemperatur lebih rendah
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
18
BAB II Tinjauan Pustaka
sehingga mengalami penurunan temperatur yang menghasilkan temperatur
dinding luar silinder (T sil ).
T sat
T sil
silinder
Gambar 2.9 Perpindahan Panas dari T sat ke T sil
Proses pengeringan menggunakan multi silinder dan panas T Sat merupakan
sumber panas yang akan dipindahkan ke lembaran kertas. Sumber panas mengalir
melalui beberapa tahanan termal yang akan menyebabkan temperatur akan turun
mencapai temperatur permukaan kertas ( T S ). Tahanan termal tersebut meliputi
tebal dinding silinder, kotoran pada permukaan silinder dan tahanan akibat adanya
kertas.
•
Konduksi
Jika sebuah logam yang salah satu ujungnya dipanaskan dalam selang waktu
tertenu, ujung lainnya pun akan terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada
batang logam tersebut terjadi aliran atau perpindahan kalor dari bagian logam
yang bersuhu tinggi ke bagian logam yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor
pada logam yang tidak diikuti perpindahan massa ini disebut dengan perpindahan
kalor secara konduksi. Perpindahan kalor konduksi atau hantaran adalah
perpindahan energi yang terjadi pada medium yang diam (padat atau zat yang
dapat mengalir) apabila ada gradien temperatur dalam medium tersebut, tidak
disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya. Syarat terjadinya
konduksi kalor suatu benda adalah adanya perbedaan suhu antar dua tempat pada
benda tersebut. Kalor akan berpindah dari tempat bersuhu tinggi ke tempat
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
19
BAB II Tinjauan Pustaka
bersuhu rendah. Jika suhu kedua tempat tersebut menjadi sama, maka rambatan
kalor pun akan terhenti.
•
Perpindahan Panas Konduksi pada Silinder Berongga
Suatu silinder panjang berongga dengan jari-jari dalam r i , jari-jari luar r o
dan panjang L dialiri panas sebesar q. Suhu permukaan dalam T i dan suhu
permukaan luar T o .
Gambar 2.10 Silinder Berongga
Aliran panas hanya berlangsung ke arah radial (arah r) saja. Luas bidang
aliran panas dalam system silinder ini adalah :
Ar = 2πrL
(1)
Sehingga hukum Fourier menjadi:
(2)
Sumber : Luqman Buchori, Perpindahan Panas (Heat Transfer).
b.
Perpindahan Panas dari Kertas ke Udara Sekeliling
Panas yang dipindahkan dari kertas menuju udara sekeliling ada dua bentuk
yaitu panas akibat penguapan (evaporasi) dan panas akibat konveksi. Panas akibat
konveksi berupa panas sensible yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
20
BAB II Tinjauan Pustaka
antara udara dengan permukaan kertas basah. Panas akibat penguapan berupa
panas laten yang terjadi karena terdapat beda tekanan parsial antara uap air di
udara dan tekanan air pada kertas basah. Adapun model sistemnya seperti yang
ditunjukkan
pada gambar 2.11
V
Q evap
Q conv
TK
Kertas
Gambar 2.11. Model Perpindahan Panas dari Kertas ke Udara Sekeliling
•
Konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat
dengan fluida yang mengalir disekitarnya, dengan menggunakan media
penghantar berupa fluida (cairan/gas). Arus fluida yang melintas pada suatu
permukaan, maka akan ikut terbawa sejumlah enthalphi. Aliran enthalphi ini disebut
aliran konveksi kalor atau konveksi. Konveksi merupakan suatu fenomena
makroskopik dan hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau
ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya gesek (McCabe,1993).
Contoh sederhana pepindahan panas secara konveksi adalah aliran air yang
dipanaskan dalam belanga.Kalor yang dipindahkan secara konveksi dinyatakan
dengan persamaan Newton tentang pendinginan (Holman, 1986 ).
Perpindahan panas konveksi tergantung pada viskositas fluida, disamping
ketergantungannya terhadap sifat-sifat termal fluida, seperti konduktivitas termal,
kalor spesifik, dan densitas. Hal ini disebabkan karena viskositas mempengaruhi
laju perpindahan energi di sistem konveksi, yaitu :
•
Perpindahan panas konveksi alami (natural convection)
Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida gas atau cair terjadi
karena gaya apung yang alami apabila densitas fluida di dekat permukaan
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
21
BAB II Tinjauan Pustaka
perpindahan kalor berkurang sebagai akibta proses pemanasan. Gaya apung
ini tidak akan terjadi apabila fluida itu tidak mengalami sesuatu gaya dari
luar seperti gaya gravitasi. Walaupun gravitasi bukan satu-satunya gaya luar
yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas.
Perpindahan panas konveksi paksa (forced convection)
•
Konveksi paksa disebakan karena adanya gaya pemaksa yang menyebabkan
fluida bergerak dan mempunyai kecepatan. Pada umumnya peralatan untuk
memindahkan panas pada industri menggunakan sistem konveksi paksa.
Sebagai gambaran dalam fenomena perpindahan panas konveksi alamiah
dan paksa didalam pipa dinyatakan sebagai berikut
𝑞𝑞 = 𝑚𝑚 . 𝐶𝐶𝐶𝐶. 𝑑𝑑𝑑𝑑
= ℎ𝑐𝑐 𝑥𝑥 𝐴𝐴 (𝑇𝑇𝑇𝑇 − 𝑇𝑇𝑇𝑇)
(3)
Untuk mencari nilai h c (koefisien perpindahan panas konveksi) digunakan
bilangan-bilangan tak berdimensi seperti :
Bilangan Grashof
Bilangan Prandtl
𝐿𝐿3 𝑥𝑥 𝜌𝜌2 𝑥𝑥 𝑔𝑔 𝑥𝑥 𝛽𝛽 𝑥𝑥 𝛥𝛥𝛥𝛥
𝐺𝐺𝐺𝐺 =
𝜇𝜇2
𝑃𝑃𝑃𝑃 =
𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑥𝑥 𝜇𝜇
𝑘𝑘
𝑁𝑁𝑁𝑁 =
ℎ𝑐𝑐 𝑥𝑥 𝐿𝐿
𝑘𝑘
Bilangan Nusselt
Sumber : Luqman Buchori, Perpindahan Panas (Heat Transfer).
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
(4)
(5)
(6)
22
BAB II Tinjauan Pustaka
Keterangan
L
panjang silinder
ρ
densitas
g
percepatan gravitasi
β
1/T (Koefisien ekspansi volume)
µ
viskositas
k
konduktivitas bahan
Untuk Konveksi Paksa
𝑞𝑞 = 𝑈𝑈 𝐴𝐴 𝛥𝛥𝛥𝛥
(7)
U = koefisien perpindahan panas keseluruhan
Δ T = LMTD (Logaritmic Mean Temperature Difference)
Nilai LMTD didapat dari
𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 =
𝛥𝛥𝛥𝛥1 − 𝛥𝛥𝛥𝛥2
𝛥𝛥𝛥𝛥1
ln 𝛥𝛥𝛥𝛥2
(8)
Sumber : Geankoplis, Transport Processes and Separation Process Principles Fourt
Edition
Perpindahan panas melalui konduksi erat hubungannya dengan Hukum
Fourier. Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah
berupa kesebandingan antara laju aliran kalor yang melintas pada permukaan
isotermal dan gradien suhu yang terdapat dalam permukaan tersebut. sesuai
dengan persamaan (2) bentuk dasar perpindahan panas secara konduksi pada
kondisi steady state ditunjukkan pada persamaan (9), sedangkan perpindahan
panas konveksi ditunjukkan pada persamaan (10). :
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
23
BAB II Tinjauan Pustaka
Q = kAΔ T / Ax
(9)
Q = hAΔ T
(10)
Sumber : Ajit K Ghosh, Fundamentals of Paper Drying – Theory and Application from
Industrial Perspective
Keterangan:
Q
Panas transfer rate, J / s (W)
k
Termal konduktivitas, W / m.K
A
Luas permukaan perpindahan panas, m2
T
Suhu, K
X
Diameter atau ketebalan, m
H
Koefisien perpindahan panas, W/m2 oC
Laju perpindahan konduksi panas adalah berbanding lurus dengan k
(konduktivitas termal bahan) dan gradien temperatur, AT / Ax. Koefisien
perpindahan panas tergantung pada sifat fisik fluida dan kondisi aliran. Dalam
pengeringan kertas, tekanan perpindahan panas konveksi terjadi pada antarmuka
antara uap dan kondensat dalam silinder, dan antara kertas dan udara luar silinder.
Jenis aliran adalah turbulen. Perpindahan panas konvektif dianggap sebagai aliran
dari analisis cairan dan dimensi digunakan untuk mengkarakterisasi koefisien
perpindahan panas (h).
•
Resistensi Perpindahan Panas
Panas dipindahkan dari daerah bertemperatur tinggi ke daerah temperatur
rendah. Tingkat panas ditransfer dari steam dalam silinder ke kertas di permukaan
silinder yang tergantung pada gradien suhu keseluruhan dan resistensi yang
berbeda untuk perpindahan panas:
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
24
BAB II Tinjauan Pustaka
Q = UA (Ts - Tp)
(11)
Sumber : Ajit K Ghosh, Fundamentals of Paper Drying – Theory and Application from
Industrial Perspective
Keterangan:
Q
Laju aliran panas dari pengering dalam untuk kertas
U
Koefisien perpindahan panas total
Ts
Temperatur steam
Tp
Temperatur kertas
Gambar 2.12 menunjukkan panas yang berbeda dan resistensi perpindahan
panas yang terlibat ketika paper web kontak dengan silinder.
Gambar 2.12 Potongan Gambar Panas Pada Cylinder Dryer Dan Resistensi Perpindahan
Panas.
Resistensi berbagai arus panas ditunjukkan pada tabel 2.2
Tabel 2.2 Sumber resistensi perpindahan panas dan aliran panas
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
BAB II Tinjauan Pustaka
25
Sumber : Ajit K Ghosh, Fundamentals of Paper Drying – Theory and Application from
Industrial
Perspective
Keterangan:
A
Area
h
Konduktansi termal konduktif
k
Termal konduktivitas
L
Panjang
Karena dalam kondisi steady state, panas yang ditransfer melalui setiap
lapisan dan nilai q adalah sama. Aliran panas sama dengan tekanan total dibagi
dengan resistansi total, oleh karena itu:
(12)
(13)
Sumber : Ajit K Ghosh, Fundamentals of Paper Drying – Theory and Application from Industrial
Perspective
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9
BAB II Tinjauan Pustaka
26
Sehingga jika persamaan-persamaan yang terdapat pada tabel 2.2 dan
persamaan (13) saling di substitusi, maka didapatkan nilai koefisien perpindahan
panas total (U) secara umum sebagai berikut:
(14)
Sumber
: Ajit K Ghosh, Fundamentals of Paper Drying – Theory and Application from Industrial
Perspective
Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Total (U) Dan Heat Loss
Setiap Section Main Dryer Unit Paper Machine 9