JURNAL DERRY FIX

Simulasi Rancangan Pemanas Udara Menggunakan Asap
Derry Costhalova
Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424 Indonesia
[email protected]
Abstrak
Indonesia adalah penghasil utama kelapa sawit di dunia. Dari proses pengelolaan tandan buah segar di
dapatkan limbah tandan kosong sawit yang berlimpah, sehingga bisa dimanfaatkan menjadi bahan bakar
alternatif yang tak akan habis. Dimulai dengan mengeringkan tandan kosong tersebut di dalam drying yang
membutuhkan udara dengan temperatur tinggi. Oleh karena itu peran heat exchanger sangat diperlukan dengan
memanfaatkan flue gas boiler sehingga tidak memerlukan listrik atau sejenisnya untuk memanaskan udara.
Dengan diketahui desain tube yang diinginkan dan parameter kecepatan, massa laju perpindahan,
panjang diameter pipa serta banyaknya pipa yang diperlukan adalah 192 ,255 dan 384 buah pipa. Sehingga
didapatkan dimensi heat exchanger adalah 2m x 1,1m x 1,6m, 1,5m x 1,1m x 1,9m dan 1m x 1,1m x 3m dengan
penyusunan 16 x 12 pipa, 17 x 15 pipa dan 16 x 24 pipa.
Dari ketiga dimensi heat exchanger tersebut didapatkan hasil simulasi menggunakan software
SolidWorks Flow Simulation 2012 yang memenuhi kebutuhan untuk dryer yaitu pada pipa dengan panjang 1m,
dengan didapatkan data outlet udara sebesar 76.7°C dan volume flow rate udara sebesar 3.17 m3/s.
1. PENDAHULUAN
Pertumbuhan industri di Indonesia berhubungan
erat dengan kebutuhan akan adanya sumber daya
energi yang salah satunya merupakan energi listrik.
Energi listrik tersebut dapat dihasilkan dengan banyak
cara, yaitu dengan menggunak suatu alat kerja yang
dapat merubah energi kimia menjadi energi mekanik.
Bahan bakar yang digunakan antara lain adalah
minyak diesel, bensin (gasoline) dan gas.
Indonesia adalah negara penghasil utama kelapa
sawit dengan luas lahan perkebunan kelapa sawit
terluas di dunia. Luas area kelapa sawit di Indonesia
diperkirakan mencapai 7,8 juta ha dan produksi CPO
(crude palm oil) pada tahun 2010 tersebut mencapai
19,8 juta ton (Dirjenbun, Deptan, 2011). Dari proses
pengelolaan tandan buah segar (fresh fruit bunches)
menjadi minyak sawit (crude palm oil) lebih kurang
45%nya akan menjadi limbah padat berupa
tempurung (shell), serabut (fiber) dan tandan kosong
(empty fruit bunches).
Gambar 1 Perbandingan Luas Area Perkebunan
Kelapa Sawit
Setengah dari jumlah limbah padat tersebut
merupakan tandan kosong. Tandan kosong kelapa
sawit atau empty fruit bunch merupakan tangkai buah
kelapa yang sudah diambil buahnya. Dari suatu
perkebunan kelapa sawit tandan kosong mempunya
porsi 21 – 23% dari tandan buah segar yang
dihasilkan, dan dalam suatu proses pengolahannya
tandan kosong yang dapat dihasilkan mencapai
jumlah 6 ton/jam. Bila dikelola dengan baik limbah
dari kelapa sawit dapat digunakan sebagai bahan
bakar alternatif pengganti batubara.
Gambar 2 Perbandingan Produksi Kelapa Sawit di
Indonesia
2. LANDASAN TEORI
Prinsip Dasar Alat Penukar Kalor
Sebagaimana diketahui bahwa panas dapat
berlangsung dengan 3 cara, yakni mekanisme
perpindahan kalor itu sendiri berlainan adanya.
Adapun perpindahan panas itu dapat dilaksanakan
dengan :
1. Secara molekular, yang disebut dengan konduksi
2. Secara aliran, yang disebut dengan konveksi
3. Secara gelombang elektromagnet, yang disebut
dengan radiasi.
Pada umumnya alat penukar kalor menggunakan
prinsip perpindahan kalor yang disampaikan pada
poin 1 dan 2, yaitu secara konveksi dan konduksi,
akan tetapi bisa pula terdapat radiasi.
a) Konduksi
Konduksi merupakan proses perpindahan panas
melalui suatu medium yang tidak bergerak. Proses
ini biasanya dikaitkan dengan proses perpindahan
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
panas antara zat padat saja mpadahal proses
perpindahan panas antar zat padat dengan udara
yang realtif diam dapat dikatan sebagai proses
konduksi didalam teknik pengeringan biasa
digunakan untuk mengeringkan suatu zat dalam
kondisi vakum.
b) Konveksi
Konveksi merupakan proses perpindahan panas
melalui suatu medium yang bergerak. Proses ini
lebih sedikit rumit dari proses konduksi karena
pada proses konveksi nilai kefisien perpindahan
panas tidak dapat diketahui dengan pasti, itu
semua karena sifat acak yang cenderung ada dari
setiap aliran. Secara umum konveksi terbagi
menjadi dua, yaitu konveksi paksa dan konveksi
natural. Konveksi paksa merupakan konveksi yang
alirannya sengaja dibuat sedangkan konveksi
natural merupakan konveksi yang alirannya sudah
merupakan siklus alam.
c) Radiasi
Merupakan proses perpindahan panas yang tidak
melibatkan medium apapun. Proses radiasi
merupakan proses yang paling banyak digunakan
pada proses pengeringan.
A. Pengklasifikasian Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor dapat diklasifikasikan
menurut kriteria berikut ini :
1. Rekuperator dan regenerator.
2. Proses perpindahan panas kontak langsung (direct
contact) dan kontak tidak langsung.
3. Geometri dari konstruksi : tubes (pipa-pipa),
plates, dan extended surface (permukaan diperluas
atau dengan sirip).
4. Mekanisme penukaran panas dimana terjadi
perubahan phase, sehingga bisa terdiri dari satu
phase dan dua phase.
5. Susunan aliran : parallel flow (aliran sejajar),
counter flow (aliran berlawanan), dan cross flow
(aliran menyilang).
a) Rekuperator dan regenerator.
Alat penukar panas konvensional ditunjukkan
seperti pada gambar 2.1 yang mana perpindahan
panas antara dua fluida itu disebut recuperator karena
aliran fluida panas A mendapatkan kembali
(recuperate) sejumlah panas dari aliran fluida B. Atau
dengan kata lain rekuperator mempunyai jalan aliran
yang terpisah untuk setiap fluida yang mana aliran
secara serempak melalui penukar panas dengan
memindahkan panas antara aliran tersebut.
Sedangkan regenerator atau disebut alat penukar
panas yang menyimpan panas seperti pada gambar 2.2
yaitu fluida panas dan fluida dingin memiliki jalan
lintasan aliran yang sama (matrix) dan matrix ini
secara bergantian ditempati oleh kedua fluida
tersebut. Fluida panas menyimpan energi termalnya
dalam matrix, dan kemudian pada waktu fluida dingin
melewati jalan lintasan yang sama maka energi yang
disimpan akan diekstraksi dari matrix.
Gambar 3 Rekuperator
Gambar 4 Regenerator
b) Proses Perpindahan Panas
Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan di
mana terjadi perpindahan kalor dari suatu fluida yang
temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang
temperaturnya lebih rendah. Dilihat dari proses
perpindahan kalor, maka dapat diklasifikasikan secara
kontak langsung atau kontak tidak langsung.
c) Gemoteri dan Konstruksi
Tipe alat penukar kalor sering digambarkan dalam
bentuk konstruksinya. Tipe konstruksi utama adalah
tubular (pipa), plate, dan extended surface
(permukaan yang diperluas). Dibawah ini akan
dijelaskan mengenai ketiga bentuk tersebut.
Gambar 5 Alat Penukar Kalor Selong dan Pipa
Gambar 6 Konstruksi Gasketed Plate Heat Exchanger
Gambar 7 Plate fin Exchanger
B. Nilai Koefisien Heat Transfer
Untuk itu terdapat beberapa pendekatan empiris yang
sering digunakan untuk menetukan bilangan Nusselt,
berikut adalah beberapa pendekatan – pendekatannya
:
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
ℎ =
→
(1)
a) Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah bilangan tak berdimensi
yang menyatakan perbandingan gaya inersia terhadap
gaya kekentalan (viskos) pada pipa bulat dengan
aliran penuh. Dapat dirumuskan sebagai :
=
=
(2)
b) Bilangan Prandtl
Bilangan Prandtl merupakan bilangan tak berdimensi
yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan
batas hidrodinamik dan lapisan batas termal.
Pr = = /
/
=
Besarnya perpindahan kalor terjadi pada suatu
penampang/saluran yang berbentuk pipa/tabung dapat
dinyatakan dengan suhu limbak (bulk temperature) :
1 = . . ∆4
(5)
D. Beda suhu rata – rata (Log Mean Temperature
Difference)
Beda suhu rata –rata log merupakan beda suhu pada
satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada
ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah
daripada perbandingan kedua suhu tersebut.
∆4
(3)
=
5678 96:8 ;9567< 96:< ;
=>?5678 96:8 ;/567< 96:< ;@
(6)
c) Bilangan Nusselt
• Persamaan Zukauskas
=
.⁄/
!
%,'( *+
) !"# $
*+
,
(4)
Dengan diketahui bilangan ReDmax adalah 1000 ≤
ReDmax ≤ 2x 106 serta bilangan Prandtl adalah 0,7 ≤ Pr
≤ 500
Tabel Persamaan Zukauskas
Gambar 10 profil suhu sejajar dan aliran lawan arah
dalam penukar kalor ganda
E. Perpindahan Kalor Total
1=
5ℎAB∆4 ;
Gambar 8 Kondisi aliran pipa sejajr dan silang
C. Perpindahan Kalor
Perpindahan panas pada aliran dalam wadah yang
berbentuk tabung atau pipa yang mempunyai panjang
L digambarkan sebagai berikut:
Gambar 9 penampang yang berbentuk tabung
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
(7)
3. METODE PERANCANGAN
Dimensi Heat Exchanger :
Gambar 13 Bentuk tumpukan pipa
Gambar 11 Diagram Alur Prinsip Perancangan
Konsep Kerja
Konsep kerja alat yang dir rancang dapat dilihat
melalui gambar sketsa dibawah ini:
1 fpm = 0,00508 m/s
• vudara = v max= 1000 C
= 5,08 ⁄
• D
= 2 1inch = 0,0508 m
• 4D. = 30°C = 303 K
• 4DE = 80°C = 353 K
• 4F. = 150°C = 423 K
• 4FE = 100°C = 373 K
•
G HI"+" = 4,127 kg/s
• LMTD
=55,811°
Berdasarkan desain awal bentuk heat exchanger
adalah bar tube dengan bentuk persegi dan kebutuhan
pipa adalah 192 buah untuk panjang pipa 2m, 255
buah untuk panjang 1.5m dan 380 buah untuk panjang
pipa 1m.
Perhitungan Kecepatan :
Berdasarkan ukuran dimensi yang didapat, diketahui
bahwa :
M.HI"+" = MEHI"+" = M'HI"+"
Sehingga :
N. O. = NE OE = N' O'
Jadi, untuk panjang pipa 2 m :
N. O. = NE OE
Gambar 12 sketsa konsep kerja alat
Dari gambar dapat diketahui kerja alat adalah :
1) Gas buang boiler dialirkan melalui ducting menuju
heat exchanger
2) Gas buang tersebut dialirkan menuju pipa yang
berada didalam heat exchanger untuk menaikkan
suhu udara didalam pipa tersebut
3) Udara yang telah dipanaskan tersebut dialirkan
melalui ducting menuju ke alat pengering tandan
kosong
4) Gas buang yang telah dipakai memanaskan di
alirkan kembali menuju ke cerobong
51,1P3;5,08
OEHI"+" = = 51,1P1,6;OE
16,764
1,76
E⁄
= 9,525
M.XYHZ["\ = MEXYHZ["\ = M'XYHZ["\
N. O. = NE OE
51P1,1;10,16
OEXYHZ["\ = 11,176
2,2
= 52P1,1;OE
E⁄
= 5,08
Lalu untuk panjang pipa 1,5 m adalah :
N. O. = N' O'
51,1P3;5,08
O'HI"+" = = 51,1P1,9;OE
16,764
2,09
E⁄
= 8,02
M.XYHZ["\ = M'XYHZ["\
N. O. = N' O'
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
51P1,1;10,16
= 51,5P1,1;OE
O'XYHZ["\
11,176
=
1,65
E⁄
= 6,773
Bentuk Keseluruhan :
Assembly full
Elbow 29"
Sambungan pipa 29"
Ducting keluaran udara
Pipa 29" - 21.9"
Pipa 37.2"
Elbow 21.9"
Sambungan pipa 37.2"
Pipa 21.9"
4. PEMODELAN dan SIMULASI
Pipa 37.2" - 29"
Analisa awal yang digunakan untuk menentukan
desain dari heat exchanger tersebut adalah dengan
menentukan temperatur yang diinginkan sebagai hasil
dengan menggunakan beberapa parameter sebagai
berikut :
1. Temperatur flue gas keluar boiler yang sudah
diketahui pada saat akan memasuki heat
exchanger
2. Temperatur udara masuk dan keluar yang sudah di
tentukan sebagai hasil prosesnya
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
3. Diameter tube yang digunakan
4. Kecepatan udara yang memasuki tube tersebut
Pemodelan
Jenis satuan yang digunakan adalah SI (Satuan
Internasional)
Gambar 22 kondisi dinding pipa
Material
Dipakai material untuk heat exchanger yaitu
Gambar 19 Satuan Internasional
Jenis analisa yang digunakan:
Pada tahap ini di tentukan metode atau jenis
analisa yang digunakan dalam simulasi. Metode yang
digunakan adalah aliran dalam pipa (internal)
Gambar 23 material heat exchanger
Gambar 20 Aliran dalam pipa
Initial Conditions
Kondisi awal (Initial Condition) adalah
kondisi lingkungan yang disimulasikan dengan
kondisi T = 35 °C; P = 101325 Pa
Jenis Fluida
Fluida yang digunakan yaitu udara dan steam.
Gambar 24 kondisi lingkungan
Gambar 21 Jenis fluida
Meshing
Kondisi Dinding Pipa
Dalam melakukan analisa dryer kita menentukan
kondisi
dinding
pipa
dan
jenis
kondisi
thermodinamika, tetapi dalam analisa ini kondisi
dinding diabaikan.
Untuk mendapatkan keakuratan dan juga
kecepatan dalam menganalisa fluida maka diperlukan
pengaturan meshing. Dalam analisa ini, pengaturan
meshing ditentukan menjadi level 3 untuk
menyesuaikan
dengan
kemampuan
komputer
mengolah data dan mendapatkan waktu analisa yang
cepat.
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
Grafik debit keluaran udara pipa 1m
Pipa 1.5m :
Gambar 25 pengaturan meshing
Data dan Simulasi
Tempertur
Dari hasil kalkulasi Flow Simulation, didapat hasil
visualisasi distribusi temperatur pada heat exchanger
seperti berikut :
Pipa 1m :
Gambar 27 simulasi pipa 1.5m
Gambar 26 simulasi pipa 1m
Data simulasi pipa 1.5m dalam excel
Data simulasi pipa 1m dalam excel
Grafik inlet outlet pipa 1.5m
Grafik inlet outlet pipa 1m
Grafik debit keluaran udara pipa 1.5m
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013
Pipa 2m :
Gambar 28 simulasi pipa 2m
Data simulasi pipa 2m dalam excel
sehingga masih dapat diterima karena lebih kecil
dari batas maksimal untuk dryer.
3. Pada pipa dengan panjang 1.5m didapatkan outlet
udara sebesar 65°C dan volume flow rate udara
2.82 m3/s, tidak dapat digunakan karena outlet
udara tidak sesuai dengan keinginan dan
kebutuhan untuk dryer sedangkan volume flow
rate udara masih dapat diterima.
4. Pada pipa dengan panjang 2m didapatkan outlet
udara sebesar 52.1°C dan volume flow rate udara
4.4 m3/s, sama sekali tidak dapat digunakan
karena kedua data yang didapat tidak sesuai
dengan kebutuhan dryer.
Saran
Metode perancangan ini dibuat berdasarkan
perhitungan lanjut untuk mendapatkan dimensi heat
exchanger, namun untuk mengetahui tingkat kenaikan
suhu sesuai dengan perhitungan atau 50°C bisa
dilakukan dengan simulasi perancangan heat
exchanger ini.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Ir. Agung Subagio Dipl. Ing.
selaku dosen pembimbing yang sudah meluangkan
waktu memberikan pengarahan, diskusi dan
bimbingan, Ridian, Osman dan Iqbal yang telah ikut
membantu dalam pembuatan jurnal ini dan seluruh
teman-teman angkatan 2010.
DAFTAR ACUAN
Grafik inlet outlet pipa 2m
Grafik debit keluaran udara pipa 2m
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan :
Hasil perancangan dan simulasi menunjukkan bahwa :
1. Dari ketiga hasil simulasi menggunakan software
SolidWorks Flow Simulation 2012 didapatkan
bahwa data yang sesuai untuk kebutuhan dryer
adalah pada panjang pipa 1m dengan dimensi 1.1
x 3m, didapatkan outlet udara sebesar 76.7°C
serta outlet flue gas 101.6°C.
2. Pada pipa dengan panjang 1m didapatkan pula
volume flow rate udara sebesar 3.17 m3/s
1. Incropera, F.P., Dewitt, D. P., Bergman T.L.,
Lavine, A.S. 2007. Fundamentals Heat and Mass
Transfer (6th ed.).
2. Kakac, Hongtan. 1997. Heat Exchanger Selection,
Rating, and Thermal Design. CRC Press, United
States of America
3. Holman, J.P. 2002. Heat Transfer. Mc Graw Hill,
Singapore
4. Cokorda Prapti, Andreas Yulian Novenatus,
Kemampuan Heat Exchanger Dalam Pelepasan
Kalor Pada Mesin Alat Berat
5. Imansyah I.H, 2004. Fundamentals of Heat
Transfer
6. Indra Permata K, Studi Pemanfaatan Biomassa
Limbah Kelapa Sawit Sebagai Bahan Bakar
Pembangkit Listrik Tenaga Uap Di Kalimantan
Selatan, Surabaya, Indonesia
7. Perry, R.H., Green, D.W 2007 Perry’s Chemical
Engineer’s Handbook, Eight Edition
8. Grimm, Nils R. , Rosaler, Robert C., Handbook of
Air Conditioning System Design/Carrier, Fourth
Edition, New York, MC.
9. Aditya Indra B., Andi Nata, Anindio Prabu,
Ignatus Maria H.K, (2011) Empty Fruit Bunch
Dryer, Jakarta, Indonesia
10. Kenneth J. Bell, 1983.Types of Heat Exchanger
and Their Applications, Heat Exchanger Design
Book, United StatesTextitles.
11. Bryne, R.C, Tubular Exchanger Manufacturers
Association, Inc. Tarry Town, New York 10591
Simulasi rancangan..., Derry Costhalova, FT UI, 2013