III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Termodinamika untuk melakukan

percobaan dan pengambilan data. Selain itu Laboratorium Teknologi Mekanik

dan bengkel mekanik untuk melakukan beberapa fabrikasi yang tidak dapat

dilakukan pada laboratorium Terpadu Teknik Mesin Universitas Lampung.

Sedangkan jadwal kegiatan penelitian tersusun pada tabel 3.1 berikut.

Tabel 3.1 Jadwal kegiatan penelitian

Kegiatan

Juli Agustus September Oktober November

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 Studi Literatur

2 Perancangan & Simulasi `

3 Pembelian alat dan bahan

4

Pembuatan Heat

Exchanger

5 Eksperimen

6 Pembuatan laporan akhir

29

3.2. Tahapan Pelaksanaan

Adapun tahapan pelaksanaan yang dilakukan dalam tugas akhir ini dapat dilihat

dibawah ini:

1. Studi literatur

Studi literatur dilakukan untuk memahami teori dasar yang berkaitan dengan

pelaksanaan tugas akhir khususnya dalam perancangan dan pembuatan heat

exchanger. Penulis melakukan studi litertur tentang perhitungan dan

perancangan untuk menentukan dimensi heat exchanger tipe compact selain itu

juga melakukan studi literatur mengenai metode dan karakteristik dalam

pengeringan buah kopi. Adapun literatur tersebut diperoleh dari sumber buku,

referensi serta browsing.

2. Perancangan Data

Perancangan data dilakukan untuk memenuhi proses perhitungan desain

dimensi heat exchanger tipe compact. Data perancangan awal meliputi

temperatur air geothermal, temperatur udara, temperatur ideal pengeringan biji

kopi, laju aliran air geothermal, dan data lain yang diperoleh dari literatur yang

telah dipelajari. Sehingga akan memenuhi dalam perancangan dimensi dari

heat exchanger yang dibutuhkan.

3. Perhitungan dimensi heat exchanger

Perhitungan ini dilakukan untuk memperoleh dimensi heat exchanger yang

dibutuhkan untuk menghasilkan udara panas yang sesuai dengan udara yang

dibutuhkan untuk mengeringkan biji kopi. Adapun dalam perhitungan yaitu

menentukan berapa panjang tube, jumlah tube, ukuran plat (fin), dan juga

jumlah pelat yang dibutuhkan dalam heat exchanger.

30

4. Detail drawing

Menggambar secara detail hasil dari perancangan heat exchanger

menggunakan software Autodesk Invetor 2013 Profesional. Untuk

mempermudah dalam pemahaman rancangan yang telah dibuat. Lalu

dilanjutkan dengan proses simulasi aliran fluida pemanas menggunakan

software Autodesk Simulation CFD 2014, untuk memperoleh mekanisme aliran

yang paling efektif.

5. Pembuatan dan fabrikasi heat exchanger

Setelah diperoleh hasil rancangan yang paling efektif dari heat exchanger maka

dapat dilakukan pembuatan dan fabrikasi sesuai dengan rancangan yang telah

diperoleh sebelumnya.

6. Pengujian heat exchanger

Pengujian heat exchanger dilakukan untuk mengetahui performa dari heat

exchanger yang telah dibuat. Pengujian meliputi mengukur temperatur udara

keluaran dari heat exchanger apakah sudah sesuai dengan temperatur yang

dibutuhkan untuk mengeringkan buah kopi.

7. Pembahasan dan kesimpulan

Membahas hasil dari performa heat exchanger yang telah dibuat serta

memberikan kesimpulan terhadap perencanaan awal heat exchanger dan hasil

dari performa heat exchanger yang telah selesai dibuat.

31

3.3 Alur Penelitian

Secara garis besar alur pelaksanaan penelitian ini dijelaskan pada flowchart di

bawah :

Gambar 3.1 Flowchart penelitian

Apakah

Fabrikasi

sudah selesai?

Apakah

rancangan

sudah benar?

Start

Perancangan heat exchanger :

1. Dimensi dari komponen penyusun heat exchanger.

2. Perancangan simulasi

aliran fluida.

vvbdfffgnbgS

udi

Studi literature 1. Jurnal

2. Text book

Belum

Sudah

Fabrikasi :

1. Fin heat exchanger 2. Tube heat exchanger

3. Head heat exchanger

Belum

Sudah

A

32

Gambar 3.2 Flowchart penelitian (lanjutan)

Apakah data

mencukupi ?

A

Kalibrasi perlengkapan heat exchanger meliputi

laju aliran udara masuk heat exchanger dengan memvariasikan tegangan arus kipas (fan) pada

regulator 0-250V

Pencatatan data

1. Debit/laju aliran air

2. Laju aliran udara masuk heat exchanger

Belum

Sudah

Pengambilan data untuk satu kali pengoperasian

heat exchanger untuk pengeringan kopi meliputi :

1. Temperatur air panas keluar dan masuk pada heat exchanger

2. Temperatur udara keluar dan masuk pada

heat exchanger 3. Rentan waktu pengoperasian heat exchanger

hingga mencapai temperatur udara keluaran

yang stabil

Apakah data

mencukupi ? Belum

Sudah

Pencatatan data meliputi :

1. Temperatur air panas keluar dan masuk pada heat exchanger

2. Temperatur udara masuk dan

keluar heat exchanger 3. Waktu pengoperasian heat

exchanger hingga temperatur

udara keluar stabil

B

B

Pengolahan data menjadi grafik

Grafik 1.Laju aliran udara masuk

terhadap waktu operasi dan

temperatur yang dicapai

2.Laju aliran udara masuk

terhadap temperatur

maksimal yang dicapai 3.Laju aliran udara masuk

terhadap efektifitas heat

exchanger

Analisa grafik yang telah dibuat

Kesimpulan dari penelitian

End

33

3.4. Metode Perancangan Heat Exchanger

Dalam melakukan perancangan heat exchanger dibutuhkan beberapa metode dan

tahapan-tahapan untuk memperoleh hasil dimensi rancangan yang sesuai sebelum

dilakukannya fabrikasi berikut ini metode-metode perhitungan yang dilakukan :

3.4.1 Perencanaan Heat Exchanger tipe compact

Dalam tahapan perencanaan heat exchanger ini dibutuhkan data-data perancangan

awal untuk mempermudah dalam perhitungan, seperti yang ditunjukkan pada

table 3.2 Data perancangan berikut ini :

Tabel 3.2. Data Perancangan

Dari data perancangan yang ditunjukkan pada tabel 3.2 maka dilakukan pencarian

spesifikasi dari kedua fluida tersebut pada literature yang nantinya akan

digunakan dalam perhitungan perancangan heat exchanger.

Fluida yang dipanaskan (udara)

Temperature masuk 305 K

Temperatur keluar 333 K

Laju udara 0,22662 kg/s

Fluida pemanas (Air geothermal)

Temperature masuk 373 K

Debit Air 4 liter / menit

Laju aliran air 0,066467 kg/s

34

Tabel 3.3. Property yang digunakan

Dari tabel 3.3 di atas debit pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida

adalah sebesar 4 liter/menit diperoleh dari jenis pompa yang digunakan, dan

berdasarkan literature dapat digunakan untuk menentukan laju aliran massa fluida

yang mengalir pada tube heat exchanger adalah sebagai berikut :

m = 4 liter/menit . air

= 0,06667 x 10-3

m3/s . 997 kg/m

3

= 0,066467 kg/s

Selanjutnya dalam tabel 3.3 data perancangan telah diketahui temperatur masuk

dan temperatur keluar dari udara, dan besar laju udara yang mengalir pada heat

exchanger sebesar 0,22662 kg/s yang diperoleh berdasarkan jenis kipas yang

digunakan, maka nilai-nilai tersebut dapat digunakan untuk menentukan transfer

Almunium alloy (Tabel A-1)

Thermophysical Properties of Selected Metallic Solidsa

Konduktifitas termal 177 W/mK

Air (Tabel A-6) @ T air : 373 K

Thermophysical Properties of Gases at Atmospheric Pressure

Cp 4,217 kJ/kg K

-6

N s / m2

Pr 1,76

k 680 . 10 -3

W/m K

Udara (Tabel A-4) @ T rata-rata : 319 K

Thermophysical Properties of Saturated Water

Cp 1,0077 kJ/kg K

Pr 0,070434

1,93 . 10-5

N s / m2

k 0,027206 W/m K

35

energy ( udaraq ) pada udara yang mengacu pada tabel 3.3 serta literature adalah

sebagai berikut :

kW

KKkgkJskg

TCmq ffpfudara

3954,6

)305333(./0077,1./22662,0

.. ,

Dengan didapatkan nilai udaraq maka temperatur keluar dari pemanas (air

geothermal) dapat dicari menggunakan persamaan yang mengasumsikan besar

perpindahan panas yang diterima fluida yang diapanaskan (udara) akan sama

dengan besar perpindahan panas yang di pindahkan fluida pemanas (air

geothermal) airudara qq sebagai berikut :

airudara qq

6,3954 Kw = airairpair TCm

.. ,

6,3954 Kw = 0,06646 kg/s . 4,217 kJ/kg K . (373–Thout) K

Thout = 350,18 K

Setelah data-data tersebut telah diketahui maka langkah selanjutnya adalah

mencari dimensi Heat Exchanger type compact yang sesuai untuk memanaskan

udara luar dari temperatur 305 K sampai 333 K yang nantinya digunakan untuk

memanaskan biji kopi, susunan tube dan jarak fin untuk heat exchanger ini

menggunakan tabel pada buku “Compact Heat Exchanger” Kays and London

dengan tipe “surface tipe 7.75 – 5 / 8T” yang telah ditunjukan pada tabel 3.4

Compact Heat Exchanger surface tipe 7.75 – 5 / 8T berikut ini :

36

Tabel 3.4 Compact Heat Exchanger Surface Tipe 7.75 – 5 / 8T

No Nama Area Simbol Besaran Satuan Besaran Satuan

(SI)

1 Diameter luar tube Do 0,676 Inchi 17,1704 mm

2 Jarak sirip 7,75 per inchi

3 Flow passage hydraulic diameter Dh 0,0114 Ft 0,00347 m

4 Tebal Sirip T 0,016 Inchi 0,4064 mm

5 Free flow area / frontal area 0,481

6 Heat transfer area / total volume Α 169 ft2 / ft

3 554,46 m

2/m

3

7 Fin Area / total Area Af/Ah 0,95

8 Jarak Tube horizontal SL 1,75 Inchi 0,04445 m

9 Diameter dalam tube Di 0,625 Inchi 15,875 mm

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.3 Compact Heat Exchanger

Surface tipe 7.75 – 5 / 8T dibawah ini :

Gambar 3.3 Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75 – 5 / 8T

Beberapa besaran telah ditentukan pada tabel 3.3 Compact Heat Exchanger

Surface tipe 7.75 – 5 / 8T, selanjutnya untuk luas permukaan depan dari heat

exchanger di sesuaikan dengan dimensi ruang pengering yaitu dengan ukuran

0,3m x 0,3m sehingga luas permukaan sisi depan (Afr) sebesar 0,09 m2

.

37

Untuk mengetahui dimensi Heat Exchanger langkah pertama yang dilakukan

adalah mengetahui koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) yang terjadi pada

Heat Exchanger tersebut menggunakan persamaan sebagai berikut :

Langkah pertama yaitu mengetahui besar nilai Ah/Ac yaitu perbandingan luas

permukaan fluida panas dengan luas permukaan fluida dingin menggunakan

persamaan sebagai berikut :

Setelah diperoleh perbandingan luas permukaan fluida panas dengan luas

permukaan fluida dingin maka dapat mencari besar resistansi konduksi untuk jenis

material menggunakan persamaan berikut ini :

(

)

(

)

1,625 . 10-7

m2 K/W

38

Untuk memperoleh bilangan Reynold pada jenis compact heat exchanger maka

perlu menentukan besar kecepatan massa udara (G) terlabih dahulu dengan

menggunakan persamaan berikut ini :

5,2358 kg/s m2

Setelah diperoleh besar dari kecepatan massa udara (G), maka besar bilangan

Reynold dapat dicari menggunakan persamaan berikut ini :

Re

Re

Re = 938,614

Dengan besar bilangan Reynold 938,614 maka dari grafik jenis HE tipe surface

7.75 – 5/8T diperoleh nilai faktor colburn j untuk perpindahan panas (JH = St . Pr

2/3)

39

Gambar 3.4 Grafik Compact Heat Exchanger Surface tipe 7.75-5/8T

Diperoleh besar nilai faktor colburn j untuk perpindahan panas

(JH)

Selanjutnya mencari nilai koefisien konveksi fluida panas ( ) dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut ini :

Selanjutnya mencari nilai koefisien konveksi fluida dingin (hc) dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut ini

:

40

Untuk itu perlu di ketahui besar bilangan Nuselt terlebih dahulu, dimana untuk

besar bilangan Reynold 938,614 maka diperoleh

Tabel 3.5 Konstanta untuk pipa silinder pada aliran menyilang

ReD C M

0.4 – 4 0.989 0.330

4 – 40 0.911 0.385

40 – 4000 0.683 0.466

4000 – 40000 0.193 0.618

40000 – 400000 0.027 0.805

Nu = C.Rem

.Pr1/3

Nu = 0.683.Re0.466

.Pr0.33

Nu = 14,796

Sehingga besar koefisien konveksi fluida dingin:

W/m2K

Untuk menghitung besar nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh

dibutuhkan besar nilai efisiensi fin (µf) dengan meggunak persamaan (2.6)

Lcm

LcmTanh

.

.µf

41

dengan

)2/(tLLc dan tkhcm ./.2

Dimana dari jenis surface heat exchanger 7.75-5/8T diperoleh lebar fin dari tube

(L) = 0,875 inchi , tebal fin (t) = 0,016 inchi. Kemudian menghitung nilai lebar

fin untuk jenis plat fin datar (Lc)

Lc = L + (t/2)

Lc = 0,0875 +(0,016/2)

Lc = 0,883 inchi 0,02242 m

Selanjutnya menghitung besar (m)

1

4

2

74,25

10.064,4./177

/83,23.2

./.2

mm

mmKW

KmWm

tkhcm

Maka efisiensi fin yang terjadi sebesar

90,0µf

02242,0.74,25

02242,0.74,25µf

.

.µf

1

1

mm

mmTanh

Lcm

LcmTanh

42

Selanjutnya besar nilai efektifitas sirip (µ0,h) dapat diperoleh menggunakan

persamaan berikut ini :

µ0,h = 1- Af/A (1- µf)

µ0,h = 1- 0,95 ( 1- 0,90)

µ0,h = 0,906

Setelah diperoleh semua besar nilai koefisien konveksi fluida panas dan koefisien

konveksi fluida dingin maka dapat dihitung besar nilai koefisien perpindahan

panas menyeluruh menggunakan persamaan berikut ini :

Selanjutnya menghitung besar nilai efektifitas ( ) dari heat exchanger dengan

menggunakan persamaan berikut ini :

43

Dimana besar nilai nilai perpindahan panas aktual

kg/s . 1,0077 kJ/kg K (333-305) K

Sedangkan besar nilai perpindahan panas maksimum (qmax) :

kg/s . 1,0077 kJ/kg K (373-305) K

Maka nilai efektifitas heat exchanger sebesar :

Setelah diperoleh besar nilai efektifitas dari heat exchanger maka nilai NTU dapat

di ketahui menggunakan grafik berikut ini :

44

Gambar 3.5 Grafik crossflow, single pass, unmix fluid

Dimana nilai dari Cmin/Cmax

Dengan besar nilai Cmin/Cmax dan nilai efektifitas ( ) di atas maka pada pada

gambar grafik 3.11 diperoleh nilai NTU

NTU = 0,85

Selanjutnya setelah diketahui besar NTU dan koefisien perpindahan panas

menyeluruh (U) maka luas permukaan perpindahan panas dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut ini :

45

Sehingga volume dari heat exchanger yang dibutuhkan dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut ini :

Dengan besar volume dari heat exchanger adalah 0,0259 m3

maka panjang heat

exchanger yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut ini :

Selanjutnya banyak baris tube (NL) yang dibutuhkan dapat dihitung

menggunakan persamaan berikut :

46

Dari persamaan-persamaan yang digunakan maka diperolehlah data perancangan

dimensi heat exchanger dengan panjang dalam perhitungan yaitu sebesar 22,25cm

namun dalam realisasinya panjang heat exchanger dibuat menjadi 30cm karena

untuk meminimalisir terjadinya rugi-rugi. Sehingga dimensi heat exchanger yang

akan dibuat sebagai berikut spesifikasi fin atau sirip penyusun compact heat

exchanger memiliki: panjang fin = 300 mm; lebar fin = 300 mm; tebal fin = 0,4

mm; jumlah fin yang dibutuhkan = 88 fin; penyusunan jarak antar fin = 3 mm.

Sedangkan spesifikasi untuk tube sebagai berikut: panjang tube = 300 mm; jumlah

tube yang dibutuhkan = 52 tube; dia.tube = 0,158 mm, kemudian tahap

selanjutnya adalah visualisasi detail drawing dari heat exchanger. Bentuk dan

dimensi dari heat exchanger ditunjukan pada gambar dibawah ini

47

Gambar 3.6 Heat exchanger tampak depan dan dimensi fin

48

Gambar 3.7 Dimensi dan bentuk heat exchanger

49

Gambar 3.8 Heat exchanger tampak samping

50

3.5. Proses Simulasi Aliran Air Panas

Proses perancangan compact heat exchanger telah selesai dirancang, sehingga

diperoleh dimensi dan detail drawing dari heat exchanger yang akan dibuat.

Selanjutnya adalah melakukan proses simulasi aliran, dimana untuk compact heat

exchanger tersusun dari beberapa tube yang cukup banyak nantinya tube-tube

tersebut akan dialiri oleh fluida pemanas berupa air, untuk memudahkan dalam

memastikan air tersebut akan mengisi mengalir pada semua tube maka dapat

dilakukan simulasi menggunkan software Autodesk Simulation CFD 2014

sehingga akan memperoleh mekanisme rancangan heat exchanger yang optimal.

Dalam proses simulasi parameter yang di input adalah sebagai berikut dimensi

serta bentuk dari heat exchanger yang ditentukan dari hasil perancangan,

kemudian menentukan bidang arah aliran fluida air masuk dan keluar, jenis fluida

yang mengalir yaitu air, jenis material yang digunakan juga harus ditentukan yaitu

alumunium, selanjutnya kecepatan aliran air 0,08 m/s, dan tekanan 1atm juga di

input. Untuk setiap proses simulasi komponen yang divariasikan pada komponen

head heat exchanger pada peletakan bagian pipa input dan pipa output dan juga

pengaruh pemberian baffle, terdapat tiga variasi bentuk head heat exchanger, dan

hasil proses simulasinya sebagai berikut :

3.5.1. Pipa Input dan Output Terletak di Tengah Head

Untuk variasi yang pertama yaitu meletakkan saluran masuk dan saluran keluar

air panas terletak pada bagian tengah dari head heat exchanger. Hasil simulasi

aliran untuk kondisi ini terlihat dalam gambar 3.9 dibawah ini

51

Gambar 3.9 Simulasi untuk pipa input dan output di bagian tengah

Dalam gambar 3.9 merupakan gambar hasil simulai aliran air untuk jenis variasi

pipa input dan output terletak di tengah head heat exchanger, gambar a

merupakan bentuk dari heat exchanger dengan pipa input dan output dibagian

tengah sedangkan gambar b merupakan hasil simulasi aliran air panas ditunjukkan

bahwa air panas mengalir secara vertikal di karenakan penempatan heat

exchanger di ruang pengering juga vertikal.

Dalam hasil simulasi ditunjukkan bahwa air mengalir memenuhi pipa-pipa

alumunium terkonsentrasi hanya di bagian tengah saja sedangkan untuk pipa yang

terletak di pinggir tidak terisi air panas. Hal ini dapat mengurangi kemampuan

dari heat exchanger dalam menukarkan panas dari air panas ke udara sehingga

untuk kondisi head dengan pipa input dan output dibagian tengah terjadi proses

aliran air panas yang kurang baik.

a b

52

3.5.2. Pipa Input dan Output Terletak di Atas dan Bawah Head

Untuk variasi yang kedua yaitu meletakkan saluran masuk dan saluran keluar air

panas terletak pada bagian atas dan bawah dari head heat exchanger. Dari jenis

variasi sebelumnya terlihat bahwa air panas mengalir kurang baik karena masih

terdapat beberapa pipa alumunium yang belum terisi sepenuhnya oleh air panas

sehingga untuk variasi kedua saluran input air panas diubah dibagian atas dengan

tujuan agar air panas dapat mengalir denga sendirinya menuju pipa output

dibagian bawah. Hasil simulasi aliran untuk kondisi ini terlihat dalam gambar

3.10 di bawah ini

Gambar 3.10 Simulasi untuk pipa input dan output di bagian atas dan bawah

Dalam gambar 3.10 merupakan gambar hasil simulai aliran air untuk jenis variasi

pipa input dan output terletak di bagian atas dan bawah dari head heat exchanger.

Gambar a merupakan bentuk dari heat exchanger dengan pipa input dan output

a b

53

dibagian atas dan bawah sedangkan gambar b merupakan hasil simulasi aliran air

panas. Heat exchanger ditempatkan secara vertikal pada ruang pengering seperti

yang digambarkan pada gambar 3.10. Dalam simulasi aliran air panas masuk

melalui bagian atas dari head heat exchanger kemudian air tersebut mengalir

sedikit berputar untuk memenuhi bidang head dan mengalir memenuhi pipa-pipa

alumunium.

Dari hasil simulasi ditunjukkan bahwa aliran air panas cukup baik jika

dibandingkan dengan kondisi simulasi pertama, karena pipa-pipa alumunium yang

terisi air panas terlihat cukup banyak namun pada salah satu bagian terdapat pipa-

pipa yang tidak terisi air panas seperti yang ditunjukkan pada lingkaran hitam

pada gambar 3.10 b dalam bagian tersebut masih terjadi kekosongan aliran air

sehingga kemampuan heat exchanger untuk menukar panas akan kembali belum

maksimal.

3.5.3. Penambahan Baffle Pada Head Heat Exchanger

Untuk variasi yang ketiga yaitu dengan menambahkan baffle atau sekat pada

bagian head heat exchanger. Tujuan dari ditambahkannya baffle disini adalah

sebagai penyekat untuk mengarahkan fluida air panas agar mengalir memenuhi

semua pipa alumunium, karena dari kedua jenis variasi sebelumnya terlihat bahwa

air panas mengalir kurang sempurna masih terdapat beberapa pipa alumunium

yang belum terisi sepenuhnya. Hasil simulasi aliran untuk kondisi ini terlihat

dalam gambar 3.11 di bawah ini

54

Gambar 3.11 Simulasi untuk jenis head menggunakan baffle

Pada gambar 3.11 di atas merupakan hasil simulasi dari kondisi head heat

exchanger yang ditambahkan baffle atau sekat sebagai pengarah aliran air panas

agar memenuhi pipa-pipa alumunium. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa

hasilnya cukup baik seperti yang terlihat pada gambar 3.11 a. Gambar tersebut

merupakan hasil simulasi untuk tampak dari depan terlihat bawa arah aliran air

tidak hanya terjadi satu kali melainkan aliran air akan terbagi manjadi empat kali

dikarenakan terdapat penyekat pada head heat exchanger sehingga air sepenuhnya

akan memenuhi semua pipa-pipa yang terdapat pada heat exchanger seperti yang

ditunjukkan pada gambar 3.11 b dimana semua pipa alumunium terisi secara

penuh dengan air panas yang mengalir, dengan demikian kinerja dari heat

exchanger akan maksimal.

Berdasarkan ketiga simulasi jenis variasi head pada heat exchanger terdapat

beberapa perbedaan pada proses aliran air yang terjadi dan proses aliran air yang

a b

55

baik yaitu memenuhi semua pipa alumunium yeng terdapat pada heat exchanger

terjadi pada variasi ketiga yaitu dengan penambahan baffle atau penyekat

sehingga dalam proses fabrikasi menggunakan jenis head yang ketiga yaitu

dengan penambahan baffle.

3.6. Alat dan Bahan

Alat pendukung yang digunakan dalam proses pembuatan heat exchanger adalah

sebagai berikut :

a. Digital Thermometer

Digital thermometer ini digunakan untuk mengukur suhu input dan output dari

fluida pemanas (air panas) dan fluida yang dipanaskan (udara). Alat ini dipilih

karena paling fleksibel dan memiliki tingkat keakuratan tinggi.

Gambar 3.12 Thermocouple

56

b. Pipa Alumunium

Pipa alumunium ini digunakan sebagai media penampang pada heat exchanger

dalam pemanasan udara yang nantinya akan digunakan untuk mengeringkan buah

kopi, pada pipa aluminium tersebut akan mengalir media pemanas berupa air

panas. Pemilihinan material alumunium karena selain memiliki titik melting yang

tinggi aluminium juga mudah untuk didapat dan harganya relatif lebih murah.

Gambar 3.13 Pipa aluminium

c. Pelat Alumunium

Tipe heat exchanger yang akan dibuat adalah heat exchanger tipe compact. Untuk

tipe heat exchanger ini merupakan heat exchanger yang tersusun dari sirip-sirip

untuk memperluas bidang kontak panas dari media pemanas yang ada di dalam

pipa aluminium. Pemilihan pelat dengan material alumunium karena pelat yang

dibutuhkan dalam perancangan memiliki ketebalan yang tipis yaitu 0.4 mm dan

nantinya akan dilubangi sebagai jalan dari pipa-pipa pemanas, sehingga

memerlukan material yang mudah untuk di bentuk.

57

Gambar 3.14 Plat Alumunium

d. Kipas Angin (fan)

Kipas angin atau fan digunakan sebagai penggerak atau penyuplai udara pada

heat exchanger. Udara tersebut yang nantinya akan dipanaskan lalu akan menuju

ruang pengering sebagai media untuk mengeringkan buah kopi, jenis kipas yang

digunakan seperti yang dijunjukan pada gambar 3.15.

Gambar 3.15. Kipas (Fan)

58

e. Pompa Air

Untuk mengalirkan air pada heat exchanger dibutuhkan pompa sebagai pengalir

paksa air. Pada penelitian ini pompa yang digunakan adalah pompa sanyo

berdaya listrik 125 watt, daya hisap dan daya dorong masing-masing 9 m, dengan

kapasitas maksimum 32 liter/menit.

Pada penelitian ini pompa digunakan untuk mengalirkan air menuju boiler

selanjutnya aliran air keluaran boiler ini nantinya akan langsung masuk kedalam

heat exchanger . Pompa ini terhubung dengan regulator untuk memvariasikan

tegangan pompa agar debit dan laju pompa dapat diatur sesui dengan

perancangan. Untuk lebih jelas bentuk dari pompa yang digunakan pada

penelitian ini, dapat dilihat pada gambar 3.16 berikut.

Gambar 3.16 Pompa

59

3.7. Fabrikasi Compact Heat Exchanger

Dalam fabrikasi compact heat exchanger terbagi dalam beberapa tahapan proses

manufaktur antara lain :

1. Cutting (Pemotongan material dengan gerinda potong)

2. Drilling (Pengeboran lubang-lubang fin dan lubang baut)

3. Welding (Penyambungan komponen plat dengan las alumunium)

4. Rivet Join (Penyambungan tube dengan penutup head)

5. Grinding (Penghalusan permukaan komponen)

6. Painting (Pengecatan komponen untuk menghindari korosi)

Tahap pertama yaitu pembuatan komponen head pada heat exchanger.

Pembuatan menggunakan proses cutting atau proses pemotongan dalam proses ini

dilakukan pemotongan terhadap plat alumunium dengan tebal 2 mm

menggunakan alat potong gerinda, dengan bentuk dan ukuran seperti yang

ditunjukkan pada gambar 3.17. pemilihan material dengan tebal 2 mm bertujuan

agar dalam proses pengelasan nanti material tidak terbakar atau berlubang.

Selanjutnya hasil potongan tersebut untuk masing-masing sisinya dilakukan

penekukkan sehingga akan membentuk sebuah kotak seperti yang ditunjukkan

pada gambar 3.17. Setelah itu untuk keempat sudutnya dilakukan penyambungan

dengan proses pengelasan alumunium hingga tidak terjadi kebocoran saat diisi

dengan air.

60

Setelah terbentuk kotak maka dilakukan proses pengeboran dengan ukuran ϕ 5/8

inch pada kedua sisinya yaitu sisi atas dan sisi bawah yang bertujuan untuk

penempatan pipa input air dan pipa output air. Untuk masing-masing sisinya

dilakukan pengeboran dengan ukuran ϕ 8 mm sebanyak 20 lubang sebagai tempat

masukuknya baut untuk penyambungan dengan sisi yang lain. Pemilihan

sebanyak 20 lubang baut karena pada sisi ini kemungkinan terjadi kebocoran

sangat tinggi sehingga membutuhkan lebih banyak baut agar dalam proses

penyambungan akan lebih rapat.

Selanjutnya dilakukan proses pemasangan baffle seperti dalam perancangan awal

yang ditunjukkan pada gambar 3.17. Fungsi dari baffle disini adalah sebagai

penyekat untuk mengarahkan fluida air panas agar mengalir memenuhi semua

pipa alumunium, baffle terbuat dari potongan plat alumunium dengan ketebalan

yang sama yaitu 2 mm dengan ukuran panjang 300 mm dan lebar 50 mm.

Gambar 3.17 Proses pembuatan head pada heat exchanger

Keterangan gambar

a. Proses pembuatan skema

head pada HE

b. Proses pembentukan kotak

untuk head HE

c. Proses pemasangan baffle

pada head HE

a

b

c

61

Tahapan kedua yaitu pembuatan komponen fin, komponen fin ini terbuat dari

material berupa alumunium lembaran dengan tebal sesuai perancangan yaitu 0,4

mm. Proses pertama yaitu melakukan proses cutting atau pemotongan lembaran

alumunium menjadi ukuran 300 mm x 300 mm. Heat exchanger yang dirancang

membutuhkan sebanyak 88 lembar fin, kemudian semua fin tersebut ditumpuk

menjadi satu dan dilakukan proses pengeboran secara bersamaan dengan pola

seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.18 dengan menggunakan mata bor

ukuran ϕ 5/8 inch sehingga menghasilkan lubang yang sesuai dengan diameter

pipa yang akan digunakan. Pipa yang digunakan terbuat dari bahan alumunium

dengan ukuran ϕ 5/8 inch, pipa alumunium tersebut dilakukan proses pemotongan

dengan ukuran panjang 300 mm sebanyak 52 pipa.

Gambar 3.18. Proses pembuatan fin dan tube

Setelah semua komponen telah selesai dibuat maka proses selanjutnya yaitu

proses assembly atau proses penggabungan. Langkah pertama yaitu dengan

memasang semua pipa alumunium kedalam lubang-lubang fin yang masih

tertumpuk menjadi satu tadi sehingga proses pemasangan menjadi lebih mudah.

Keterangan gambar

a. Proses pemotongan tube

b. Proses pengeboran fin

b a

62

Pada bagian ujung pipa dipasangkan fin alumunium yang memiliki tebal 2 mm,

fin pada bagian tengah memilki jarak 3 mm disusun menggunkan alat bantu

berupa besi yang berbentuk plat strip dengan ketebalan 3 mm juga sehingga jarak

antar fin 3 mm dapat terpenuhi.

Langkah selanjutnya yaitu proses penyambungan dengan metode rivet join

dikarenakan pipa alumunium memiliki ketebalan hanya 1mm makan sulit untuk

dilakukan proses pengelasan pada bagian head. Sehingga dilakukan proses rivet

join antara pipa dengan plat penutup head pada heat exchanger agar air panas

yang mengalir didalam heat exchanger tidak mengalami kebocoran. Setelah

semua pipa telah terhubung maka dilakukan proses pemasangan head dari heat

exchanger dengan terlebih dahulu melapisi bagian luar dari sisi yang akan

menempel menggunkan red silicone yang memiliki ketahanan panas mencapai

343 0C lalu dilakukan proses pembautan dengan tujuan agar kedua komponen

melekat dengan rapat. Proses penyambungan komponen menggunakan baut

dikarenakan jika saat terjadi kerusakan pada heat exchanger maka heat exchanger

dapat dilepas dengan mudah.

Gambar 3.19 Proses pembuatan tahap akhir pada heat exchanger

Keterangan gambar

a. Proses pemasangan fin

dengan tube.

b. Proses pengambungan tube

dengan plat head

c. Proses pengecatan dan

pemasangan tutup HE

a

b

c

63

Proses yang terakhir yaitu pemasangan tutup pada kedua sisi heat exchanger dan

proses pengecatan, perlu diberikan penutup sisi karena bertujuan agar udara yang

mengalir pada heat exchanger dapat terarah tidak menyebar.

3.8. Instalasi Peralatan

Setelah fabrikasi selesai dilanjutkan ke tahap instalasi peralatan. Dalam tahapan

ini semua komponen pendukung pada alat pengering kopi energi panas bumi yang

terdiri dari boiler,heat exchanger,ruang pengering, dan sistem kontrol temperatur

semua dipasang menjadi satu kesatuan seperti yang ditunjukkan pada gambar

berikut.

Gambar 3.20 Skematik instalasi alat pengering kopi

64

Adapun kegiatan yang dilakukan dalam proses instalasi alat heat exchanger antara

lain :

1. Perakitan dan penyambungan komponen penyusun alat pengering kopi energi

panas bumi yaitu berupa menempatkan heat exchanger pada bagian bawah

dari ruang pengering dimana dari bawah heat exchanger diletakkan fan

sebagai penghasil udara yang nantinya akan dipanaskan, kemudian

menghubungkan selang input menuju heat exchanger ke bagian output pada

boiler yang nantinya akan mengalir air panas yang telah dipanaskan pada

mesin boiler dan memasang selang output dari heat exchanger menuju

penampungan air.

2. Pada fan dihubungkan dengan voltage regulator untuk memvariasikan

flowrate udara yang mengalir.

3. Sensor termokopel diletakkan pada pipa input dan pipa output air panas dari

heat exchanger dan juga diletakkan pada bagian udara masuk dan bagian

udara keluaran dari heat exchanger untuk mengukur temperatur yang

tercapai.

Gambar 3.21 Penempatan sensor suhu pada heat exchanger

Keterangan gambar

a. Penematan sensor suhu

udara keluar pada HE

b. Penematan sensor suhu

air masuk pada HE

c. Peletakan HE di dalam

ruang pengering

a

b

c

65

3.9. Persiapan Awal

Dalam persiapan awal merupakan proses persiapan sistem awal pada alat bantu

pompa dan kipas sebagai penggerak aliran air dan aliran udara untuk mengetahui

berapa debit air dan kecepatan udara menggunakan instrumentasi pengukuran.

Fenomena yang perlu diukur sebelum pengujian adalah debit air pada pompa,

serta laju aliran udara dari fan.

3.9.1. Laju Aliran Air / Debit Air

Debit air yang mengalir pada pipa input dari heat exchanger diukur menggunakan

sensor ukur flow meter dengan metode pengujiannya pompa dihidupkan dan air

yang mengalir akan melewati alat ukur tersebut, selanjutnya alat ukur yang telah

terhubung dengan komputer akan menunjukkan display debit air yang terukur.

Besarnya tegangan pada pompa divariasikan menggunakan regulator guna

mendapatkan debit air optimal sesuai perancangn awal. Hasil pengukuran

disajikan pada Tabel 3.5 dibawah ini :

Gambar 3.22. Pengukuran debit aliran air

Keterangan gambar

a. Sensor flow meter

b. Voltage regulator

c. Proses pengujian debit air

a

b

c

66

Tabel 3.6. Pengukuran Debit Air

No. Beda Potensial blower

(V)

Debit (lt/min)

1 75 3

2 80 4

3 90 6

4 100 7

5 125 10

6 150 11

7 175 12

8 200 13

3.9.2. Laju Aliran Udara

Pengukuran laju aliran udara dari fan dilaksanakan sebelum pengujian dimulai,

anemometer jenis AM-4200 Lutron digunakan untuk mengukur kecepatan udara

tersebut. Mengacu buku petunjuk alat, satuan kecepatan pada anemometer dapat

dapat ditentukan yaitu m/s. Selain itu range kecepatan aliran yang dapat diukur

adalah 0,8-30 m/s, besarnya tegangan pada fan divariasikan menggunakan

regulator guna mendapatkan laju aliran udara optimal sesuai perancangn awal.

Berikut adalah hasil pengukuran kecepatan udara dari fan

Gambar 3.23 Kalibrasi flowrate udara fan

Keterangan gambar

a. Annemometer

b. Instalasi pengujian

kecepatan udara keluarn HE

c. Proses pegukuran kecepatan

udara masuk dari fan

a

b

c

67

Tabel 3.7 Pengukuran kecepatan udara pada fan

No. Beda Potensial

blower (V)

Kecepatan

aliran (m/s)

Laju aliran massa

udara (kg/s)

1 100 - - 2 125 2,2 0,226662 3 150 3,7 0,381205 4 175 4,4 0,453325 5 200 4,8 0,494536

Nb : Luas penampang HE yaitu 0,09 m2 dan massa jenis udara pada Patm T=32oC yaitu 1,144 kg/m3

Pada pengujian laju aliran udara diatas menggunakan alat ukur anemometer jenis

AM-4200 Lutron, metode pengukurannya cukup sederhana hanya dengan

meletakkan anemometer tersebut secara tegak lurus pada biadang fan yang

mengembuskan udara maka pada LCD dari anemometer tersebut akan

menunjukkan besar kecepatan udara yang terukur seperti ditunjukkan pada tabel

3.6. Kemudian setelah dikalikan dengan luas penampang heat exchanger dan

massa jenis udara maka diperoleh laju aliran massa udara.