Analisa pengaruh variasi laju aliran udara terhadap efektivitas heat

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 m3/dt, 0,01 m3/dt, 0,015 m3/dt, 0,02 m3/dt
dan 0,025 m3/dt 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 m3/dt, 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 m3/s, 0.01 m3/s, 0,015 m3/s, 0.02 m3/s and 0,025 m3/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 m3/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
Korespondensi: 087762922170
E-mail: [email protected]
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
I Made Agus Wirawan, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa/Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. (xx)
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:
qkond = -kA
dT
dx
qrad
ε
σ
= Laju perpindahan radiasi (W)
= Emisivitas (0    1)
= Konstanta proporsionalitas / disebut
konstanta Stefan-boltzmann yang
nilainya 5,67 x 10-8 (W/m2.K)
A
= Luas penampang (m2)
Ts
= 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.
(1)
dimana :
qkond = Laju perpindahan konduksi (W)
k
= Konduktivitas termal bahan (W/m.K)
A = Luas penampang alat (m2)
ε=
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 :
= Gradien temperatur pada penampang
2.
(K/m)
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:
qkonv = h.As. (Ts-T  )
3.
Q = ṁu • Cpu • (Tu out – Tu in)
 . .Ts 4.A
(5)
Sedaangkan perpindahan panas maksimum,
adalah jumlah panas yang dibangkitkan dari hasil
pembakaran LPG, atau dapat dirumuskan sebagi
berikut :
Qmax = ΔmLPG • HHVLPG
(6)
dimana:
ε
= Efektivitas Heat Exchanger
Q = Energi yang diserap oleh fluida udara (J)
ṁu = Laju alir massa fluida udara (kg/detik)
Cpu = Panas spesifik fluida udara (J/kg.K)
Tu out = Termperatur fluida udara keluar alat HE (K)
Tu in = Temperatur fluida udara masuk alat HE (K)
Qmax = Energi yang dilepaskan oleh LPG (J)
ΔmLPG = Konsumsi bahan bakar LPG (kg)
HHVLPG = [50,152 (MJ/kg)]
3. Metode Penelitian
(2)
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-
dimana :
qkonv = Laju perpindahan konveksi (W)
h
= Besar koefisien perpindahan panas
konveksi (W/m2.K)
As = Luas penampang (m2)
Ts
= Temperatur permukaan (K)
T  = Temperatur udara (K)
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:
qrad.g =
(4)
(3)
dimana :
2
I Made Agus Wirawan, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa/Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. (xx)
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 m3/dt, 0,01 m3/dt, 0,015
m3/dt, 0,02 m3/dt, 0,025 m3/dt
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
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 (Tu in), pipa keluar udara box pemanas untuk
mengukur temperatur udara keluar (Tu out), serta pada
cerobong gas buang hasil pembakaran untuk
mengetahui temperatur udara yang keluar dari heat
exchanger (Tc). 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
1
2
3
4
5
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.
Persiapan untuk alat
heat exchanger
Pengujian heat exchanger
dengan variasi laju aliran udara
0,005
m3/dt
0,01
m3/dt
0,015
m3/dt
0,02
m3/dt
Pencatatan data :
Temperatur udara luar, Ta
Temperatur udara masuk, Tin
Temperatur udara keluar, Tout
Temperatur udara cerobong, Tc
Penurunan massa LPG, mLPG
A
3
0,025
m3/dt
I Made Agus Wirawan, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa/Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. (xx)
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 m3/dt 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 m3/dt 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 m3/dt
dihasilkan nilai efektivitas dari alat paling tinggi
yaitu sebesar 0,356.
Pengolahan data :
Energi panas yang dilepas:
Qmax= ΔmLPG • HHVLPG
Energi panas yang diserap:
Q = ṁc • Cpc • ΔT c
Efektivitas alat heat exchanger:
𝓔 = Q / Qmax
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
m3/dt
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
Waktu
menit
0
120
0
120
0
120
0
120
0
120
Temperatur tercatat (C)
Ta
Tin
Tout
Tc
33,1 34,2
40,2
41,9
34,7 36,8 141,7 123,1
33,1 34,6
39,8
40,1
34,3 36,1 119,7 120,3
33,4 34,8
40,9
42,7
34,2 36,6 106,7 115,8
32,9 34,4
39,2
42,0
34,4 36,1
95,8
104,3
32,9 34,6
40,3
41,9
34,6 36,5
87,4
104,9
m LPG
kg
8,320
7,780
8,340
7,800
6,950
6,410
6,930
6,390
8,330
7,790
4.2 Analisa Efektivitas Heat Exchanger
Untuk mempermudah dalam melakukan analisa,
maka data hasil perhitungan disajikan dalam bentuk
grafik,
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
Gambar 4. Grafik Efektivitas
4
I Made Agus Wirawan, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa/Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. (xx)
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 m3/dt hanya
diperoleh nilai efektivitas dari alat sebesar 0,356 dan
dengan meningkatkan laju aliran udara hingga 0,025
m3/dt 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