ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS
TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE
RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR
ADITYA NUGRAHA
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Pindah Panas
pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar
untuk Sawut Ubi Jalar adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Aditya Nugraha NIM F14090052
ABSTRAK
ADITYA NUGRAHA. Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan
Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar.
Dibimbing oleh DYAH WULANDANI.
Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-Hybrid merupakan bagian
yang penting dalam proses pengeringan. Kehilangan panas pada sistem tersebut
mempengaruhi proses pengeringan. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan
analisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan untuk mencari
efisiensi sistem pemanasan air dan efektivitas heat exchanger, serta menentukan
model matematis pendugaan suhu pada sistem ruang pengering. Berdasarkan hasil
pengujian, didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku sebesar 52-56
persen, kehilangan panas terbesar terjadi pada lubang udara masuk tungku sebesar
1800-2525 watt. Rata-rata nilai efektivitas pada HE1 dan HE2 adalah 0.35 dan
0.65, sementara nilai NTU sebesar 0.42 dan 1.21. Pemodelan simulasi pendugaan
suhu ruang pengering ini dapat digunakan yang memiliki error sebesar 5%.
Berdasarkan hasil analisis pindah panas ini, terjadi kehilangan panas yang cukup
besar pada sistem pemanasan air dan tungku, sehingga perlu modifikasi pada
sistem tersebut. Beberapa modifikasi untuk meningkatkan suhu ruang pengering
antara lain membuat penutup pada tungku, memperbesar luasan permukaan HE2,
meningkatkan daya pompa dan kipas serta laju pemasukkan bahan bakar.
Kata kunci: pindah panas, heat exchanger, efisiensi, efektivitas
ABSTRACT
ADITYA NUGRAHA. Heat Transfer Analysis Of Auxiliary Heater System Of
Hybrid Solardryer-Rotating Rack Type For Sweet Potatos Grates. Supervised by
DYAH WULANDANI.
Auxiliary heater on GHE-Hybrid heating instrument is one of important part
in heating process. Heat loss on the system can affect heating process. The aim of
this research is to find water heating system efficiency and effectiveness of the
heat exchanger, and determine the mathematical model of energy balance on
drying stove system by analyzing heat transfer occured on auxiliary heater. Based
on result, efficiency on water heating system and stove was 52-56 %, the highest
heat loss on inlet air in the stove was 1800-2525 watt. The average of the
effectiveness of the HE1 and HE2 respectively were 0.35 and 0.65, while the value
of NTU respectively were 0.42 and 1.21. This estimation of simulation modeling
can be applied, indicated by error of 5%. Base on the heat transfer analysis, stove
and water heating system yield the highest heat loss, so auxiliary heater system
need to be modified, such as: by adding the cover stove, expanding HE2 heat
transfer area, increasing pump power and fan, and increasing biomass input rate.
Key words: heat transfer, heat exchanger, efficiency, efectiveness
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS
TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE
RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR
ADITYA NUGRAHA
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat
Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar
Nama : Aditya Nugraha
NIM : F14090052
Disetujui oleh
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Pembimbing
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga tugas akhir ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2013 ini ialah pengeringan,
dengan judul Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat
Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar.
Dengan selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin
menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada:
1. Dr Ir Dyah Wulandani, MSi selaku dosen pembimbing tugas akhir yang
telah memberikan nasihat kepada penulis dalam penelitian hingga
penyelesaian tugas akhir skripsi ini.
2. Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi dan Dr Ir Y.Aris Purwanto, MSc selaku
dosen penguji yang telah memberikan masukan yang berharga bagi penulis.
3. Bapak Andi Riva’i dan Ibu Nunung Akhirwati selaku orang tua yang telah
memberikan banyak dorongan, motivasi, semangat dan doa sehingga
penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
4. Elsamila, Stephani, Andreas, Endah, Ivan, Nopri, Tika, Adytia, Desi, Jarwo,
Naufal, Rizki, Gumi, koi, Anisa, Trihadi dan teman-teman Orion TMB 46
yang membantu selama penulis melakukan penelitian.
5. Iqbal, Anggar, Dito, Ihsan, Lutfi, dan Reza dari Dermaga Regensi B22 yang
telah memberikan dukungan penulis selama penelitian.
6. Bapak Harto, Bapak Darma dan Mas Firman yang telah membantu penulis
dalam penelitian, serta seluruh staff UPT TMB IPB yang telah membantu
dalam proses administrasi.
Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat.
Bogor, Juli 2014
Aditya Nugraha
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
DAFTAR SIMBOL vii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 2
Tujuan Penelitian 2
Manfaat Penelitian 2
TINJAUAN PUSTAKA 2
Ubi Jalar 2
Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK) 3
Sistem Pemanas Tambahan 3
Perpindahan Panas 5
METODE 5
Waktu dan Tempat Penelitian 5
Bahan 5
Alat 5
Prosedur Penelitian 6
Parameter Pengukuran 9
Analisis Data 11
HASIL DAN PEMBAHASAN 14
Sistem Pemanasan Air dan Tungku 14
Efektivitas dan NTU Heat Exchanger 16
Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan 16
Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan 19
SIMPULAN DAN SARAN 22
Simpulan 22
Saran dan Rekomendasi 22
DAFTAR PUSTAKA 22
LAMPIRAN 24
RIWAYAT HIDUP 52
DAFTAR TABEL
1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban 9
2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku 14
3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku 15
4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air 15
5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku 15
6 Efektivitas dan NTU heat exchanger 16
7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi 20
8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering 20
9 Parameter untuk perhitungan NTU dan ϵ HE1 48
10 Parameter untuk perhitungan heat exchanger dalam pengering 49
11 Parameter untuk menghitung kehilangan panas pada tungku 50
DAFTAR GAMBAR
1 Ubi jalar 2
2 Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow.
(b) Parallelflow. (c) Crossflow. 4
3 Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar 6
4 Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar 6
5 Diagram alir tahapan penelitian 7
6 Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan 8
7 Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar 8
8 Titik-titik pengukuran suhu 10
9 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air 12
10 Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air 13
11 Validasi simulasi suhu ruang pengering 18
12 Validasi simulasi suhu absorber 19
13 Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger 19
14 Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan 21
15 Wilayah-wilayah di dalam tabung-tabung vertikal 38
16 Desain perbaikan pada tungku (dalam mm) 51
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (percobaan 1) 24
2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2) 27
2
3 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3) 29
4 Koreksi-koreksi untuk beberapa situasi konveksi bebas 31
5 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada ruang pengering 31
6 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada absorber 35
7 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada sistem pemanasan air 36
8 Perhitungan untuk koefisien pindah panas tungku 46
9 Perhitungan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku 47
10 Perhitungan NTU dan efektivitas penukar kalor 48
11 Perhitungan kehilangan panas pada tungku 50
12 Perhitungan kehilangan panas pada tungku yang telah dimodifikasi 51
13 Rekomendasi perbaikan pada tungku 51
DAFTAR SIMBOL
A Luas permukan pindah panas m2
Cp Panas jenis spesifik J Kg-1
ᵒC-1
Gr Bilangan Grashof -
h Koefisien pindah panas konveksi W m-2 0
C
H Nilai kalor suatu bahan J Kg-1
I Iradiasi surya W m-2
K Konduktivitas termal W m-1 0
C
L Panjang karakteristik m Massa bahan Kg
ṁ Laju aliran massa Kg s-1
Nu Bilangan Nusselt -
NTU number of heat transfer units -
Pr Bilangan Prandtl -
Q Panas dari suatu bahan -
Re Bilangan Reynold -
T Suhu hasil pengukuran 0C
T' Suhu hasil simulasi 0C
Δt Selang waktu s
U Koefisien pindah panas menyeluruh W m-2 0
C
ϵ Efektivitas penukar panas %
ɳ Efisiensi %
ɛ Emisivitas suatu bahan -
α Absorptivitas -
τ Transmivitas -
ρ Massa jenis -
μ Viskositas dinamik Kg m-1
s
3
σ Tetapan Stefan Boltzman ( 5,67 x 10-8
) W m-2
K-4
Indeks
a Air
a1 Air yang masuk ke HE dalam ruang pengering (air dalam tangki)
a2 Air keluaran HE dalam ruang pengering
abs Absorber
bb Bahan bakar biomassa
C Cerobong pada HE dalam tangki
dp Dinding ruang pengering
dTk Dinding tangki pemanas air
dTu Dinding tungku
HE1 Heat exchanger dalam tangki pemanas air
HE2 Heat exchanger dalam ruang pengering
L Lingkungan
Lu Lubang masukan udara pada tungku
pTu Penutup lubang pemasukan bahan bakar
r Ruang pengering
Tu Tungku
u Udara
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Ubi jalar merupakan salah satu produk pangan lokal yang potensial dan
prospektif untuk dikembangkan sebagai produk diversifikasi pangan. Ubi jalar
juga dapat diolah menjadi beranekaragam produk dan bahan baku industri seperti
pati, tepung, saus dan alkohol. Menurut Sarwono (2005), subtitusi terigu dengan
tepung ubi jalar pada industri makanan olahan akan mengurangi penggunaan
terigu 1.4 juta ton per tahun, disamping dapat menghemat penggunaan gula
hingga 20%.
Proses pengeringan ubi jalar selama ini dilakukan dengan cara tradisional
dan modern yaitu penjemuran langsung dibawah panas matahari dan
menggunakan mesin pengering rotari. Pengeringan penjemuran seperti ini
memang relatif murah, tetapi memiliki banyak kekurangan yaitu membutuhkan
lahan terbuka yang luas, tergantung pada penyinaran matahari, kelembaban dan
kondisi angin. Produk yang dihasilkan dari pengering dengan cara ini juga dapat
terkontaminasi material asing seperti debu dan tidak aman dari serangga. Hal
tersebut menyebabkan produk tersebut menjadi kurang higienis. Pengering rotari
merupakan salah satu pengering tipe kontinyu dan mempunyai kapasitas besar.
Masalah yang akan timbul pada pengering dengan kapasitas besar adalah kinerja
pengering dan serta konsumsi energi yang besar, serta biaya pengeringan yang
dikeluarkan lebih besar, sehingga kurang sesuai digunakan untuk UKM (Usaha
Kecil Menengah).
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-hybrid tipe rak berputar dapat
dijadikan alteratif alat pengering sawut ubi jalar yang sesuai untuk skala UKM
karena memiliki kapasitas yang sesuai. Pengering ini memanfaatkan energi surya
dan biomassa serta tenaga manusia untuk memutar rak. Energi surya dan
biomassa juga merupakan energi terbarukan, gratis dan ramah lingkungan.
Pengering ERK-hybrid ini dimaksudkan untuk menjaga kelangsungan proses
pengeringan. Penggunaan sistem hybrid ini dilakukan pada saat kondisi cuaca
kurang mendukung atau pada malam hari. Proses pengeringan dapat terus
berlangsung dengan mengoperasikan heater sebagai pemanas tambahan. Pemanas
tambahan pada pengering ERK-hybrid ini merupakan bagian yang penting untuk
memberikan panas kepada bahan, terutama ketika cuaca sedang kurang
mendukung dan pada malam hari. Pemanas tambahan pada alat pengering ini
adalah tungku biomassa dan heat exchanger (penukar kalor). Tungku biomassa
memanfaatkan limbah pertanian sebagai bahan bakar, panas yang dihasilkan dari
tungku dipindahkan oleh heat exchanger ke ruang pengering. Efisiensi tungku
bergantung pada aliran pindah panas pada pengering, jumlah output panas yang
diberikan pada pengering terhadap jumlah input panas dari bahan bakar biomassa.
Maka dari itu diperlukan analisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan
yang berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian
terhadap pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan
pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat.
2
Perumusan Masalah
Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-hybrid merupakan bagian
yang penting dalam proses pengeringan. Maka dari itu diperlukan penelitian untuk
menganalisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan yang
berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian terhadap
pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan rekomendasi
untuk pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan nilai efisiensi sistem pemanasan air dan tungku serta efektivitas
dan NTU (number of transfer unit) pada heat exchanger sebagai alat
pemanas tambahan.
2. Menentukan model matematis keseimbangan energi pada sistem ruang
pengering
3. Melakukan analisis pindah panas alat pengering ERK tipe rak berputar dan
sistem pemanas tambahan.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini yaitu untuk memberikan
informasi kondisi sistem pemanas tambahan dengan menganalisis pindah panas
pada sistem pemanas tambahan yang digunakan sebagai dasar dalam rangka
untuk memperbaiki performa tungku dan heat exchanger.
TINJAUAN PUSTAKA
Ubi Jalar
Ubi jalar merupakan salah satu komoditas utama yang mempunyai daya
adaptasi yang luas, sehingga dapat tumbuh dan berkembang dengan baik di
seluruh nusantara. Komoditas ini merupakan tanaman umbi-umbian penting ke-2
setelah ubi kayu yang mempunyai manfaat beragam (Hafsah 2004).
Gambar 1 Ubi jalar
3
Pengolahan ubijalar segar menjadi produk setengah jadi sangat penting guna
pengamanan ubijalar segar yang tidak tahan disimpan (Syah 2008). Umbi-umbian
biasanya dikeringkan untuk tujuan tertentu, misalnya untuk pembuatan tepung.
Widowati et al. (2002) menyebutkan proses pembuatan ubijalar menjadi tepung
didahului oleh proses pengupasan dan pencucian, kemudian ubijalar disawut atau
dirajang tipis. Sawut basah direndam dalam sodium bisulfit 0.3% selama ± 1 jam
lalu dipress, diremahkan, dan kemudian dikeringkan sampai kadar air 12-14%.
Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK)
Menurut Henderson dan Perry (1976), pengeringan adalah pengeluaran air
dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara
sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga
dari serangan jamur, aktivitas serangga dan enzim. Keuntungan utama dari proses
pengeringan adalah bahan lebih tahan lama disimpan pada suhu ruang karena
mikroba dan enzim pada bahan pangan dapat diatasi akibat berkurangnya kadar
air dalam bahan. Metode pengeringan secara umum terdiri dari dua yaitu
pengeringan manual/alami dan mekanis/buatan. Pada pengeringan alami panas
pengeringan dipengaruhi oleh cahaya matahari dan kondisi lingkungan.
Pengeringan mekanis dilakukan dengan pemanas tambahan.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah alat pengering berenergi surya
yang memanfaatkan efek rumah kaca yang terjadi karena penutup transparan pada
dinding bangunan,serta plat absorber sebagai pengumpul panas untuk menaikkan
suhu udara ruang pengering didalamnya (Kamaruddin et al. 1994). Alat pengering
ERK-hybrid tipe rak berputar merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah
bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama,
yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder
dengan rak pengering dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki air
dan radiator. Pengering ini dilengkapi tungku biomassa untuk memanaskan air,
pompa digunakan untuk sirkulasi air dan radiator untuk mengubah uap air menjadi
udara panas. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul panas.
Sistem Pemanas Tambahan
Sistem pemanas tambahan dalam sistem pengeringan berfungsi untuk
mempertahankan suhu ruang pengering pada tingkat tertentu yang diinginkan,
disesuaikan dengan keadaan bahan serta keadaan cuaca di sekitar sistem
pengeringan.
Tungku Biomassa
Tungku biomassa merupakan unit pemanas tambahan yang diperlukan
apabila suhu ruang pengering minimum tidak tercapai dan atau untuk digunakan
pada malam hari (Mursalim 1995). Penggunaan tungku biomassa memiliki
banyak keuntungan selain dari segi ekonomi yang cukup efisien, murah dan
mudah didapat. Penemuan dan pemanfaatan biomassa kayu, tanaman ataupun
limbah pertanian sebagai bahan baku energi secara umum telah menarik perhatian
4
dunia. Tujuan utama dari usaha-usaha tersebut adalah mencari pengganti
sumberdaya fossil seperti minyak bumi, gas alam, batu bara dengan sumber-
sumber yang dapat diperbaharui. Pada waktu yang sama, produksi limbah hasil
pertanian meningkat sehingga dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar biomassa.
Heat Exchanger (Penukar Panas)
Menurut Chapman (1984), heat exchanger merupakan alat yang digunakan
untuk memindahkan sejumlah panas dari sebuah bahan atau zat ke bahan atau zat
lain. Bentuk yang paling sederhana dari penukar panas adalah regenerator berupa
kontainer dimana bahan yang bersuhu tinggi didalamnya akan kontak secara
langsung dengan bahan yang bersuhu lebih rendah. Pada sistem ini, masing-
masing bahan atau fluida akan mencapai suhu akhir yang sama. Jumlah dari panas
yang dapat dipindahkan dapat dihitung dengan konsep keseimbangan energi.
Energi yang dilepaskan oleh fluida yang lebih panas akan sama dengan jumlah
energi yang diterima oleh fluida yang lebih dingin.
(a) (b)
Gambar 2 Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow.
(b) Parallelflow. (c) Crossflow.
Bentuk lain dari penukar panas adalah menggunakan dinding atau sekat
sehingga memungkinkan adanya perambatan panas dari fluida yang bersuhu
tinggi ke fluida yang bersuhu rendah. Sistem ini kemudian disebut dengan sistem
penukar panas sistem tertutup (closed type heat exchanger). Sedangkan pada
penukar panas sistem terbuka (open type heat exchanger) sebelum fluida masuk
kedalam sistem penukar panas, fluida akan masuk terlebih dahulu kedalam suatu
ruangan terbuka, setelah bercampur fluida akan masuk dan meninggalkan penukar
panas dalam aliran tunggal (Rachmansyah 1999).
Arah aliran dari fluida juga digunakan sebagai dasar untuk
mengklasifikasikan bentuk penukar panas pada sistem tertutup. Arah aliran
penukar panas dibedakan menjadi aliran yang berlawanan arah (Counterflow),
aliran yang searah (Parallelflow), dan arah aliran yang memotong (Crossflow).
Beberapa bentuk dari arah aliran penukar panas dapat dilihat pada Gambar 2.
5
Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perpedaaan suhu diantara benda
atau material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang pindah itu
dinamakan kalor (Holman 1986). Kalor dapat berpindah dari tempat dengan
temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempertatur yang lebih rendah. Ada tiga
cara pindah panas yang dikenal yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
Kalor dari suatu bagian benda bertemperatur lebih tinggi akan mengalir
melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Zat atau
partikel zat dari benda yang dialui kalor ini sendiri tidak mengalir sehingga tenaga
kalor berpindah dari satu partikel ke lain partikel dan mencapai bagian yang
dituju. Perpindahan ini disebut konduksi, arus panasnya adalah arus kalor
konduksi dan zatnya itu mempunyai sifat konduksi kalor. Konveksi kalor terjadi
karena partikel zat bertemperatur lebih tinggi berpindah tempat secara mengalir
sehingga dengan sendirinya terjadi perpindahan kalor melalui perpindahan massa.
Aliran zat atau fluida, dapat berlangsung sendiri sebagai akibat perbedaan massa
jenis karena perbedaan temperatur, dan dapat juga sebagai akibat paksaan (Halli
2012). Mode ketiga dari transmisi kalor disebabkan oleh perambatan gelombang
elektromagnetik, yang dapat terjadi baik didalam vakum total maupun di dalam
medium. Bukti eksperimental mengindikasikan bahwa perpindahan kalor radian
adalah proposional terhadap pangkat keempat dari temperatur absolut, sementara
konduksi dan konveksi proposional terhadap selisih temperatur linier (Pitts dan
Sissom 2008).
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut
Pertanian Bogor. Penelitian ini telah dilaksanakan selama 4 bulan, terhitung dari
tanggal 23 Maret 2013 hingga tanggal 23 Juni 2013.
Bahan
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah ubi jalar yang
diperoleh dari Kelompok Tani Hurip di Desa Cikarawang, Kecamatan Darmaga,
Kabupaten Bogor.
Alat
Alat pengering yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat pengering
ERK-hybrid tipe rak berputar ini merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah
bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Sumber panas berasal dari energi surya dan
6
biomassa. Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca
dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder dengan rak pengering (Gambar
3) dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki pemanas air dan radiator
(Gambar 4). Tungku biomassa berbentuk balok dengan dimensi 0.57 m x 0.53 m x
0.34 m. Tangki pemanas air berbentuk tabung dengan diameter 0.46 m dan tinggi
0.55 m, serta didalamnya terdapat heat exchanger yang berbentuk silinder (9
buah) dan balok. Radiator yang berada dalam ruang pengering berjumlah 3 buah
dengan luas permukaan 2.996 m2. Pemanas tambahan dilengkapi pompa air untuk
sirkulasi air ke radiator dan kembali ke tangki air, pompa yang digunakan
membutuhkan daya sebesar 125 Watt.
Gambar 3 Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar
Gambar 4 Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar
Instrumen yang dibutuhkan sebagai berikut termokopel tipe CC,
termokopel tipe K, timbangan digital dengan ketelitian 0.1 gram, drying oven SS-
204 D Ikeda Scientific, hybrid recorder, termometer air raksa, anemometer
kanomax tipe 6011, digital multimeter, pyranometer, stopwatch, pisau, alat sawut
ubi, ember, gelas ukur dan tray.
Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yang dapat dilihat
pada diagram alir pada Gambar 5.
8
7
Gambar 5 Diagram alir tahapan penelitian
Kegiatan penelitian terdiri dari beberapa tahapan, yaitu :
1. Persiapan
Persiapan yang dilakukan yaitu pengumpulan data sifat-sifat termofisik
material pengering dan produk yang dikeringkan. Sifat termofisik
berupa nilai panas jenis spesifik, konduktifitas termal, koefisien pindah
panas, emisivitas bahan dan mengenal jenis penukar panas yang
digunakan
2. Percobaan pengeringan
Percobaan pengeringan dillakukan sebanyak 3 kali, yaittu pengeringan
tanpa beban dan pengeringan menggunakan produk. Percobaan 1
merupakan percobaan tanpa beban dilakukan selama 24 jam. Percobaan
2 dan 3 dilakukan menggunakan beban, selama 14.5 jam dan 13.5 jam.
3. Analisis efisiensi sistem pemanasan air dan tungku dan efektivitas
sistem penukar panas
Dari data yang didapatkan dari percobaan, dihitung jumlah panas yang
diterima air berbanding dengan panas yang diberikan bahan bakar
Pemodelan pindah pindah
panas suhu & simulasi suhu
Ya
Tidak Validasi
error suhu
Modifikasi sistem penukar panas
Rekomendasi
Selesai
Mulai
Persiapan : Pengumpulan data sifat-sifat termofisik
material pengering & Produk yang dikeringkan
Percobaan pengeringan
Analisis efisiensi sistem pemanasan air &
tungku efektivitas sistem heat exchanger
8
biomassa, kemudian didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan
tungku, nilai efisiensi tersebut didapatkan dari persamaan 9. Data
percobaan suhu yang bersangkutan dengan penukar panas, digunakan
untuk mencari nilai efektivitas penukar panas. Nilai efektivitas tersebut
didapatkan dari persamaan 21 dan 23. Penukar panas yang digunakan
pada alat pengering ini ada dua buah, yaitu penukar panas yang terdapat
pada tangki pemanas air (HE1) dan penukar panas yang terdapat pada
ruang pengering (HE2). Data percobaan tersaji pada Lampiran 1, 2, dan
3. Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan dapat
dilihat pada Gambar 6.
Keterangan:
(1) Tungku biomassa; (2) HE1; (3) Pompa air; (4) Selang; (5) HE2
Gambar 6 Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan
4. Pemodelan pindah panas dan simulasi suhu ruang pengeringan
Simulasi ini dilakukan melalui pendekatan-pendekatan dari distribusi
suhu yang dihasilkan pada pengujian tanpa beban. Sehingga dapat
diketahui distribusi suhu dalam ruang pengering. Simulasi ini
menggunakan parameter-parameter pada Tabel 1. Skema aliran pindah
panas seluruh sistem pengeringan ERK rak berputar ini dapat dilihat
pada Gambar 7.
Gambar 7 Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar
Pindah panas Konveksi dan Konduksi
Panas melalui konveksi
Iradiasi surya
Pindah massa
Pembakaran Biomassa
Keterangan :
9
Tabel 1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban
Parameter Simbol Satuan Nilai Keterangan
Udara pengering
Massa udara ruang pengering mr Kg 25.4906 Wulandani (2009)
Laju udara lingkungan ṁL kg/detik 0.001814 Utari (2013)
Panas spesifik lingkungan CpL J/kgᵒC 1005.8109 Lampiran 5
Panas spesifik ruang pengering Cpr J/kgᵒC 1006.9217 Lampiran 5
Luas permukaan dinding Adp m2 18.5825 Pengukuran
Koefisien pindah panas keseluruhan
dinding
Udp W/m2ᵒC 1.096 Lampiran 5
Absorber
Massa absorber mabs kg 59.4249 Utari (2013)
koefisien pindah panas absorber habs W/m2ᵒC 2.71 Lampiran 6
Panas spesifik absorber Cpabs J/kgᵒC 452 Holman (1986)
Absorsivitas absorber αabs
0.96 Utari (2013)
Transimivitas ruang pengering τabs
0.45 Wulandani (2009)
Luas permukaan absorber Aabs m2 3.7625 Pengukuran
Heat exchanger (dalam ruang pengering)
Massa HE2 mHE2 kg 4.5 Wulandani (2009)
Panas jenis spesifik radiator CpHE2 J/kgᵒC 385 Holman (1986)
Luas permukaan radiator ( 3 buah ) AHE2 m2 2.9961 Wulandani (2009)
Koefisien pindah panas menyeluruh HE2 UHE2 W/m2ᵒC 15 Wulandani (2009)
Sistem pemanasan air
Laju air yang masuk ke tangki ṁa kg/detik 0.31 Lampiran 7
Panas spesifik air dalam tangki Cpa J/kgᵒC 4191.18 Lampiran 7
Massa air dalam tangki ma kg 79.93 Lampiran 7
Nilai kalor biomassa Hbb J/kg 15779127 Utari (2013)
Laju bahan bakar biomassa (pagi–siang) ṁbb kg/detik 0.000453 Pengukuran
Laju bahan bakar biomassa (sore–malam) ṁbb kg/detik 0.000645 Pengukuran
Efisiensi sistem pemanasan air dan
tungku ɳ 0.54 Lampiran 9
5. Rekomendasi
Setelah mendapatkan model simulasi ruang pengering, nilai efisiensi
sistem pemanasan air dan tungku dan nilai efektivitas penukar kalor,
dilakukan rekomendasi berupa modifikasi penukar panas dan tungku.
Parameter Pengukuran
Suhu
Suhu yang diukur adalah api pembakaran, suhu udara yang keluar dari
cerobong, suhu air dalam tangki, suhu air yang keluar dari HE2, suhu dinding pada
HE1, suhu dinding tungku, suhu dinding tangki, suhu fin pada HE2, suhu ruang
pengering (bola basah-kering), suhu dinding pengering, suhu absorber, suhu
10
lingkungan (bola basah-kering). Pengukuran menggunakan termometer,
termokopel tipe K dan CC pada titik-titik pengukuran (Gambar 8). Pengukuran
suhu ruang menggunakan termometer yang diletakkan di tengah ruang, dengan
asumsi suhu pada ruangan merata. Pengambilan data suhu dilakukan secara
periodik yaitu setiap 30 menit sekali.
Keterangan :
T1: Suhu lubang pemasukan bahan bakar, T2: suhu api pembakaran, T3: suhu dinding
tungku, T4: suhu air dalam tangki, T5: suhu dinding tangki, T6: suhu air keluaran HE2,
T7: suhu dinding HE1, T8 : suhu cerobong, T9: suhu lantai absorber, T10-T12: suhu
dinding fin HE2, T13: suhu ruang pengering, T14: suhu dinding pengering, T15: suhu
udara lingkungan, T16: suhu atap pengering.
Gambar 8 Titik-titik pengukuran suhu
Iradiasi Surya
Pengukuran menggunakan pryanometer dan diletakan ditempat yang tidak
terhalang cahaya matahari.
Kecepatan Aliran Udara
Diukur menggunakan anemometer model 6011 Kanomax, dengan ketelitian
0.01 m/detik. Bagian yang ukur meliputi kecepatan aliran udara lingkungan dan
kecepatan udara dalam ruang pengering.
Kebutuhan Bahan Bakar
Jumlah biomassa yang dibutuhkan selama proses pengeringan merupakan
penggunaan biomassa yang terbakar.
Debit Air
Debit air pompa diukur secara volumetrik menggunakan gelas ukur dan
stopwatch. Debir air digunakan untuk mengetahui laju air yang keluar dari HE2.
11
Analisis Data
Pindah Panas Analisis parameter pindah panas dihitung berdasarkan persamaan-
persamaan sebagai berikut:
1. Pindah Panas Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi, maka laju perpindahan panas
berbanding lurus dengan gradient suhu normal.: 𝑞
𝐴~
𝜕𝑇
𝜕𝑥
Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau ketetapan
kesebandingan, maka:
𝑞 = −𝑘𝐴𝜕𝑇
𝜕𝑥
dimana q adalah laju perpindahan kalor dan 𝜕𝑇
𝜕𝑥 merupakan gradient suhu
kearah perpindahan kalor.
2. Pindah Panas Konveksi
a. Konveksi Alamiah (Bebas)
Perpindahan kalor total dapat dinyatakan sebagai:
qv = hA ΔT dimana h merupakan koefisien perpindahan kalor konveksi, dan A
merupakan luasan permukaan.
h = Nu k
𝐿
dimana k adalah konduktivitas dan L merupakan dimensi karakteristik.
𝑁𝑢 = 𝐶 ( GrPr) m
Dimana Nu adalah bilangan Nusselts yang merupakan fungsi dari h
(koefisien perpindahan kalor), Gr merupakan bilangan Grashof dan Pr
merupakan bilangan Prandtl.
Nilai konstanta C dan m didasarkan pada nilai GrPr dan konfigurasi-
konfigurasi geometri umum dapat dilihat Lampiran 4 (Pitts dan Sissom
2008)
b. Konveksi Paksa
Perpindahan kalor konveksi bergantung pada angka Reynold (Re)
dan Prandtl (Pr). Bentuk paling sederhana koefisien perpindahan kalor
konveksi paksa dapat dinyatakan dalam bentuk berikut:
Nu = C Rem
Prn
Dimana C,m, dan n ialah konstanta yang ditdasarkan pada angka Reynold
dalam berbagai bentuk dan kondisi.
Pelat datar Laminar ( ReL < 5 x 105 )
NuL = 0.664 ReL ½
Pr 1/3
3. Pindah Panas Radiasi
Rumus untuk perpindahan panas secara radiasi menerapkan hukum
Stefan Boltzmann, yaitu:
qr= ɛ 𝜍T4
Persamaan diatas disebut hukum stefan-boltzman tentang radiasi
termal dan berlaku hanya untuk radiasi benda hitam saja. Benda hitam
adalah benda yang memancarkan energi menurut hokum T4, dimana
.…….………………….……….…..….(1)
..…….…………………….…......(2)
..…….……………….……………......(8)
..…….……………….…....(3)
..…….…………………….......(6)
.…….………………….…………...(4)
....…………………......(7)
………………………….....(5)
12
merupakan konstanta Stefan-Boltzmann ( 5.67 x 10-8
W/m2K
4 ) dan ɛ
adalah emisivitas.
Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Perhitungan keseimbangan energi pada sistem ini meliputi jumlah energi
yang diterima unit pemasakan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi dari sistem
pemanasan air dan tungku ini adalah perbandingan dari jumlah panas yang
diterima oleh air akibat pembakaran bahan bakar (Qbb) untuk memanaskan air
tersebut. Efisiensi tersebut dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut:
ɳ 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑘𝑖 𝑑𝑎𝑛 𝑡𝑢𝑛𝑔𝑘𝑢 =𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1−𝑇𝑎2
𝑄𝑏𝑏
Maka keseimbangan yang terjadi pada sistem pemanasan air dan tungku
dapat dimodelkan sebagai berikut :
ɳ 𝑚 𝑏𝑏 𝐻𝑏𝑏 = 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2 Ideal nya seluruh panas yang dihasilkan dari proses pembakaran harus
digunakan untuk memanaskan air dalam tangki. Namun demikian dalam
prakteknya banyak panas yang hilang dalam beberapa cara sebagaimana
ditunjukan Gambar 9.
Gambar 9 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air
Pada tungku terjadi beberapa kehilangan panas, antara lain: kehilangan
panas pada dinding tungku (QL1), kehilangan panas pada lubang udara masuk
pada tungku (QL2), kehilangan panas pada gas buang cerobong (QL3), sedangkan
Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (QL4). Kehilangan
panas ini didekati dengan persamaan:
𝑄𝐿1 = ℎ𝑑𝑇𝑢𝐴𝑑𝑇𝑢 𝑇𝑑𝑇𝑢 − 𝑇𝐿 + 𝜍𝐴𝑑𝑇𝑢 ɛ 𝑇𝑑𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿
4
𝑄𝐿2 = 𝐴𝐿𝑢 𝜍 ɛ 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿𝑢
4
𝑄𝐿3 = 𝐴𝐿𝐶 𝜍 ɛ 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿𝐶
4 + 𝐴𝐷𝐶 𝜍 ɛ 𝑇𝐿𝐶4 − 𝑇𝐿
4
+𝐴𝐷𝐶 ℎ𝐷𝐶 𝑇𝐷𝐶 − 𝑇𝐿 𝑄𝐿4 = 𝐴𝑑𝑇𝑘ℎ𝑑𝑇𝑘 𝑇𝑑𝑇𝑘 − 𝑇𝐿
Berdasarkan jumlah kehilangan panas dari sistem tungku (QLtu) yaitu QL1, QL2 dan QL3 , efisiensi sistem tungku dapat dihitung dengan persamaan 15.
ɳ𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑡𝑢𝑛𝑔𝑘𝑢 =𝑄𝑏𝑏 − 𝑄𝐿𝑡𝑢
𝑄𝑏𝑏=
𝑄𝑡𝑢
𝑄𝑏𝑏
𝑄𝐿𝑡𝑢 = 𝑄𝐿1 + 𝑄𝐿2+ 𝑄𝐿3
..…….…..........(9)
.… ……………..….....(10)
............(11)
….…......................(12)
…...................…...(13)
...……………………….…........(14)
….….…....…........(15)
…………..……….....(16)
13
Perbandingan antara panas yang diterima air (Qa) dan panas yang
diberikan tungku ke tangki pemanas air (Qtu) merupakan efisiensi dari sistem
pemanasan air. Efisiensi tersebut dapat dihitung dengan persamaan 17.
ɳ𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑘𝑖 =𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1−𝑇𝑎2
𝑄𝑡𝑢
Sistem Heat Exchanger dalam Tangki Pemanas Air (HE1)
Dalam sistem pemanasan air ini terdapat penukar kalor, penukar kalor yang
digunakan dalam tangki yaitu penukar kalor tipe aliran berlawanan arah
(CrossFlow). Pada sistem penukar panas ini keseimbangan energi meliputi panas
dari air yang dipanaskan (Qa), panas dari laju aliran udara yang melewati penukar
panas (Qu) dan beban panas teoritis dari penukar panas (Qhe). Skema aliran
pindah panas pada penukar panas yang digunakan pada sistem pemanasan air
dapat dilihat pada Gambar 10. Dari konsep keseimbangan energi diperoleh
(Rachmansyah 1999) :
Qa = Qu = Qhe
atau
𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2 = 𝑚 𝑢𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑇𝑢 − 𝑇𝐶 = 𝐴𝐻𝑒1 𝑈𝐻𝑒1 𝛥𝑇𝑚
Nilai ϵ merupakan nilai efektifitas penukar panas, secara umum nilai
efektivitas ini tergantung dari faktor suhu yang terjadi pada penukar panas selama
proses berlangsung. Nilai efektifitas penukar kalor dengan Cmin/Cmaks = 0 dapat
dihitung dengan persamaan 21 ( Holman 1986 ).
𝐶 =𝐶𝑚𝑖𝑛
𝐶𝑚𝑎𝑘𝑠=
(𝑚 𝑐𝑝 )𝑚𝑖𝑛
(𝑚 𝑐𝑝 )𝑚𝑎𝑘𝑠
𝜖 = 1 − 𝑒−𝑁𝑇𝑈
𝑁𝑇𝑈 = 𝑈 𝐴
𝐶𝑚𝑖𝑛
Nilai koefisien pindah panas pada heat exchanger ini dapat dihitung
menggunakan persamaan 4, disesuaikan dengan geometri dari bentuk heat
exchanger tersebut.
NTU ( number of heat transfer units ) adalah jumlah satuan perpindahan
panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor.
Gambar 10 Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air
…….……………………..…….……..…..(18)
….….(19)
……...…..…….....(17)
.......................................…….(22)
......................................................….(20)
....................................…..(21)
14
Sistem Heat Exchanger dalam Ruang Pengering (HE2) Pada sistem heat exchanger dalam ruang pengering ini memiliki
keseimbangan energi yang sama dengan heat exchanger yang terdapat dalam
tangki air. Sistem aliran pada HE2 dapat dilihat pada Gambar 6.
Nilai efektivitas pada sistem penukar kalor dapat dicari dengan persamaan
(Holman 1986):
𝜖 = 𝑄𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑄𝑚𝑎𝑘𝑠
𝑄𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑜 = 𝑚 𝑢𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑢𝑜 − 𝑇𝑢𝑖
Dimana panas maksimal yang mungkin terjadi dapat dihitung dengan
persamaan (Holman 1986) :
𝑄𝑚𝑎𝑘𝑠 = (ṁ𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛 𝑇ℎ 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝑇𝑐 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 =(ṁ𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑢𝑖
Setelah mendapatkan nilai efektivitas, nilai NTU untuk penukar kalor aliran
silang dapat dihitung dengan persamaan (Holman 1986 ) :
𝑁𝑇𝑈 = −𝐿𝑛 [1 + 1
𝐶 𝐿𝑛 1 + 𝐶𝜖 ]
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Efisiensi Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Efisiensi pemanasan sistem pemanasan air dan tungku merupakan
perbandingan jumlah panas yang diterima air dengan panas hasil pembakaran
bahan bakar. Hal ini menunjukan kemampuan pemanas air yaitu tungku dan
tangki pemanas air untuk menaikan suhu air dengan melepaskan panas dari hasil
pembakaran bahan bakar biomassa selama proses berlangsung. Berikut data hasil
pengukuran pada sistem pemanasan air dan tungku dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku
Percobaan Qbb Qa ɳ
W W %
1 10018.5 5585.1 55.7
2 10389.6 5559.0 53.5
3 10061.2 5246.9 52.2
Efisiensi yang didapatkan dari hasil pengukuran berkisar 52-56 %, panas
yang dihasilkan dari pembakaran diserap untuk proses pemanasan air dan
sebagian hilang diserap oleh dinding tungku, dinding tangki dan ke lingkungan.
Efisiensi yang didapatkan dari nilai kehilangan pada sistem tungku dapat
dilihat pada Tabel 3 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada Lampiran 11.
Pada analisis pindah panas yang dilakukan, tidak semua kehilangan panas pada
seluruh komponen tungku diperhitungkan seperti pembakaran yang tidak
sempurna. Kemungkinan efisiensi tungku yang dihasilkan dalam perhitungan ini
......................................................................(23)
....(25)
.................(24)
..................................(26)
15
masih lebih besar daripada efisiensi tungku aktual. Nilai efisiensi tungku yang
diperoleh merupakan perbandingan panas yang diterima tungku dan panas yang
diberikan oleh bahan bakar biomassa.
Tabel 3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku
Percobaan Qbb QLtu Qtu ɳ
W W W %
1 10018.5 2920.3 7098.2 70.8
2 10389.6 2701.2 7688.4 74.0
3 10061.2 2276.9 7784.3 77.4
Panas yang diterima tangki pemanas air digunakan untuk memanaskan air.
Efisiensi sistem pemanasan air merupakan perbandingan antara panas yang
diterima air dan panas yang diberikan oleh tungku ke tangki pemanas air. Nilai
efisiensi sistem pemanasan air dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air
Percobaan Qtu Qa ɳ
W W %
1 7098.2 5585.1 78.7
2 7688.4 5559.0 72.3
3 7784.3 5246.9 67.4
Kehilangan Panas pada Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Panas yang hilang pada sistem pemanasan air dan tungku antara lain
kehilangan panas pada dinding tungku (QL1), kehilangan panas pada lubang udara
masuk pada tungku (QL2), kehilangan panas pada gas buang cerobong (QL3),
sedangkan Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (QL4).
Tabel 5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku
Percobaan QL1 QL2 QL3 QL4
Watt Watt Watt Watt
1 248.0 2524.9 109.8 117.0
2 250.1 2327.4 96.7 118.5
3 208.9 1805.1 78.6 130.6
Dari Tabel 5 dapat dilihat panas yang hilang pada sistem ini. Kehilangan
panas terbesar pada sistem ini terdapat pada lubang udara pada tungku sebesar
1800- 2525 Watt. Hal ini dikarenakan panas dari hasil pembakaran terbuang
secara langsung ke lingkungan melalui lubang udara pada tungku. Untuk
mengurangi kehilangan panas yang terjadi pada sistem ini diperlukan modifikasi,
terutama desain lubang pemasukan bahan bakar yang terbuka langsung.
16
Efektivitas dan NTU Heat Exchanger
Pada alat pengering tipe rak berputar-hybrid ini memiliki dua buah heat
exchanger. Kemampuan heat exchanger dalam memberikan panas dapat dilihat
dari nilai efektivitasnya, yaitu panas aktual yang terjadi terhadap panas maksimal
yang mungkin diberikan oleh heat exchanger. Nilai efektivitas kedua heat
exchanger disajikan pada Tabel 6 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada
Lampiran 10. Nilai efektivitas HE1 sebesar 0.34-0.35, yang berarti efektivitas dari
heat exchanger cukup kecil. Hal tersebut dikarenakan panas aktual yang diterima
air jauh lebih kecil dibandingkan dengan panas maksimal yang diberikan heat
exchanger. Nilai Efektivitas HE2 lebih besar dibanding HE1 yaitu sebesar 0.63-
0.68. Luas permukaan HE2 yang besar mempengaruhi banyaknya panas yang
diterima ruang pengering sehingga efektivitasnya cukup tinggi. Nilai NTU pada
heat exchanger merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor,
semakin tinggi nilai NTU semakin tinggi efektivitasnya.
Tabel 6 Efektivitas dan NTU heat exchanger
Percobaan HE1 HE2
NTU ϵ NTU ϵ
I 0.43 0.35 1.18 0.63
II 0.42 0.35 1.32 0.68
III 0.42 0.34 1.15 0.63
Nilai efektivitas HE1 yang diperoleh sesuai dengan hasil penelitian Rukmini
(2006) menyatakan, nilai efektivitas heat exchanger berkisar 0.28-0.36. Heat
exchanger yang digunakan hampir sama dengan HE1 yaitu tipe counterflow,
namun berbeda dari segi desain. Prinsip kerja heat exchanger pada penelitian
Rukmini, udara masuk memanaskan pipa-pipa heat exchanger kemudian pipa
tersebut memanaskan udara pengering. Hal ini berbeda dengan HE1 pada
penelitian ini, pipa-pipa penukar panas memanaskan air dalam tangki. Nilai HE2
yang diperoleh dalam pengujian mendekati hasil peneltian Rachmansyah (1999)
yaitu berkisar 0.56-0.68. Heat exchanger yang digunakan berupa radiator dan
bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air yaitu minyak tanah.
Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan
Pemodelan simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu pada ruang
pengering, suhu absorber, suhu air yang masuk kedalam HE2. Tujuan dan manfaat
dari simulasi ini adalah untuk memperkirakan suhu ruang pengering selama
proses pengeringan. Pemodelan dari simulasi ini dapat digunakan untuk
mengevaluasi metode pengoperasian terbaik atau sebagai acuan untuk
memperbaiki peforma pada alat pengering ini. Proses simulasi ini merupakan
pengembangan dari pemodelan matematis yang telah dimodifikasi sesuai dengan
keadaan dalam proses pengeringan berdasarkan keseimbangan energi pada setiap
komponen penyusun pengering ERK (Kamaruddin 1994).
Pendugaan sebaran suhu pada simulasi didapatkan dari persamaan
keseimbangan panas yang terjadi antara suhu ruang pengering, absorber, dan air
17
dalam HE2. Perhitungan hasil simulasi ini didapatkan dari data suhu lingkungan
(TL), iradiasi surya (I), suhu air yang keluar dari HE2 (Ta2) dan laju pemasukan
biomassa (ṁbb) pada saat pengambilan data tanpa beban selama 24 jam. Simulasi
ini menggunakan parameter-parameter yang ada, dapat dilihat pada Tabel 1.
Berikut adalah pengembangan dari pemodelan matematis yang digunakan
dalam proses simulasi pengeringan tanpa beban:
Pada ruang pengering
𝑚𝑟𝐶𝑝𝑟𝑑𝑇𝑟
𝑑𝑡= 𝑚 𝐿𝐶𝑝𝐿 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑎𝑏𝑠 − 𝑇𝑟
+ 𝐴𝐻𝑒2𝑈𝐻𝑒2 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑑𝑝𝑈𝑑𝑝 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟
𝑚𝑟𝐶𝑝𝑟∆𝑡
𝑇𝑟′ − 𝑇𝑟 = 𝑚 𝐿𝐶𝑝𝐿 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑎𝑏𝑠 − 𝑇𝑟 +
+ 𝐴𝐻𝑒2 𝑈𝐻𝑒2 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑑𝑝𝑈𝑑𝑝 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟
𝑇𝑟′ = 𝑇𝑟 + [ ∆𝑡
𝑚𝑟𝐶𝑝𝑟 × { 𝑚 𝐿𝐶𝑝𝐿 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑎𝑏𝑠 − 𝑇𝑟
+ 𝐴𝐻𝑒2 𝑈𝐻𝑒2 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑟 + 𝐴𝑑𝑝𝑈𝑑𝑝 𝑇𝐿 − 𝑇𝑟 }]
Persamaan 29 digunakan untuk menduga suhu ruang pengering pada
ruang pengering yang dipengaruhi oleh kondisi plat absorber, suhu
absorber, suhu lingkungan dan suhu heat exchanger. Peningkatan suhu
pada ruangan dipengaruhi oleh panas yang diberikan absorber, heat
exchanger dan panas yang keluar dari ruang ke lingkungan. Pada
persamaan ini menggunakan asumsi panas yang diberikan heat exchanger
sebesar 0.4 dan asumsi panas dari absorber 0.6 (siang) dan 0.8 (malam).
Nilai 0.4 digunakan asumsi, yang dimaksud hanya 40% panas yang
diberikan heat exchanger ke ruangan, sementara panas yang diberikan
absorber ke ruangan pada siang hari hanya 60% dan panas yang diterima
absorber pada malam hari hanya 80%.
Pada absorber
𝑚𝑎𝑏𝑠𝐶𝑝𝑎𝑏𝑠𝑑𝑇𝑎𝑏𝑠
𝑑𝑡= 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑟 − 𝑇𝑎𝑏𝑠 + 𝐼 𝜏𝑑𝑝 𝐴𝑎𝑏𝑠 𝛼𝑎𝑏𝑠
𝑚𝑎𝑏𝑠𝐶𝑝𝑎𝑏𝑠
∆𝑡 𝑇𝑎𝑏𝑠 ′ − 𝑇𝑎𝑏𝑠 = 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑟 − 𝑇𝑎𝑏𝑠
+ 𝐼 𝜏𝑑𝑝 𝐴𝑎𝑏𝑠 𝛼𝑎𝑏𝑠
𝑇𝑎𝑏 𝑠 ′ = 𝑇𝑎𝑏𝑠 + [ ∆𝑡
𝑚𝑎𝑏𝑠 𝐶𝑝𝑎𝑏𝑠 × { 𝐴𝑎𝑏𝑠ℎ𝑎𝑏𝑠 𝑇𝑟 − 𝑇𝑎𝑏𝑠
+𝐼 𝜏𝑑𝑝 𝐴𝑎𝑏𝑠 𝛼𝑎𝑏𝑠 }]
Persamaan 32 digunakan untuk menduga suhu absorber pada ruang
pengering yang dipengaruhi oleh iradiasi surya, luasan plat absorber,
koefisien pindah panas plat absorber, suhu pada plat absorber dan suhu
ruang pengering. Peningkatan suhu pada absorber dipengaruhi oleh panas
yang diberikan oleh iradiasi surya dan ruang pengering. Pada persamaan
ini menggunakan asumsi energi surya yang diterima oleh absorber sebesar
0.2 dan asumsi panas dari ruangan sebesar 0.6 (siang) dan 0.8 (malam).
......................…. (27)
…….................… (28)
.................. (29)
....... (30)
..................................................... (31)
................................................................. (32)
18
Nilai 0.2 yang digunakan sebagai asumsi, maksudnya adalah dari energi
surya keseluruhan yang diterima oleh absorber dalam ruang pengering,
hanya 20%. Asumsi panas dari ruangan sama dengan persamaan 29 yaitu
60% dan 80 %.
Pada sistem pemanasan air
𝑚𝑎1𝐶𝑝𝑎1𝑑𝑇𝑎1
𝑑𝑡= ɳ 𝑚 𝑏𝑏 𝐻𝑏𝑏 − 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2
𝑚𝑎1𝐶𝑝𝑎1
∆𝑡 𝑇𝑎1′ − 𝑇𝑎1 = ɳ 𝑚 𝑏𝑏 𝐻𝑏𝑏 − 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2
𝑇𝑎1′ = 𝑇𝑎1 + [ ∆𝑡
𝑚𝑎𝐶𝑝𝑎 × ɳ 𝑚 𝑏𝑏 𝐻𝑏𝑏 − 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2 ]
Persamaan 35 digunakan untuk menduga suhu air dalam tangki yang
akan masuk ke HE2 dan dipengaruhi oleh kondisi suhu air dalam tangki,
kondisi tungku dan kondisi heat exchanger.
Validasi Pemodelan Simulasi
Validasi pemodelan simulasi ini dilakukan terhadap suhu ruang pengering,
suhu absorber dan suhu air di dalam HE2. Validasi bertujuan untuk membuktikan
kebenaran model dalam menggambarkan kondisi nyata. Validasi ini didapatkan
dengan membandingkan hasil simulasi dengan data pengukuran hasil percobaan.
Validasi suhu dapat dilihat pada Gambar 11 (validasi suhu ruang pengering),
Gambar 12 (validasi suhu absorber) dan Gambar 13 (validasi suhu air dalam heat
exchanger).
Gambar 11 Validasi simulasi suhu ruang pengering
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
12.0
0
13.0
0
14.0
0
15.0
0
16.0
0
17.0
0
18.0
0
19.0
0
20.0
0
21.0
0
22.0
0
23.0
0
00.0
0
01.0
0
02.0
0
03.0
0
04.0
0
05.0
0
06.0
0
07.0
0
08.0
0
09.0
0
10.0
0
11.0
0
Su
hu
(ᵒC
)
Pukul
Truang ukur Truang Simulasi
................. (33)
......... (34)
... (35)
19
Gambar 12 Validasi simulasi suhu absorber
Gambar 13 Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger
Pada Gambar 11, 12, 13, pola sebaran suhu hasil simulasi telah mengikuti
pola sebaran suhu hasil pengukuran. Pada Gambar 12, suhu hasil simulasi
absorber ketika pukul 09.00-10.00 meningkat drastis, hal ini dikarenakan nilai
iradiasi pada saat pengukuran sangat tinggi. Nilai error dari validasi suhu diatas
dapat dilihat pada Tabel 7. Nilai error tersebut masih dapat diterima, sehingga
persamaan tersebut dapat digunakan untuk simulasi pada alat pengering ERK-
hybrid tipe rak berputar. Suhu hasil simulasi absorber dan ruang pengering lebih
tinggi dibanding suhu hasil pengukuran. Hal ini disebabkan oleh radiasi surya
yang diterima oleh plat absorber terhalang oleh susunan rak yang ada diatasnya
dan panas yang diberikan HE2 tidak maksimal dikarenakan kinerja HE2 yang
mulai menurun. Hasil validasi suhu air dalam heat exchanger cukup mendekati,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
12.0
0
13.0
0
14.0
0
15.0
0
16.0
0
17.0
0
18.0
0
19.0
0
20.0
0
21.0
0
22.0
0
23.0
0
00.0
0
01.0
0
02.0
0
03.0
0
04.0
0
05.0
0
06.0
0
07.0
0
08.0
0
09.0
0
10.0
0
11.0
0
Su
hu
(ᵒC
)
Pukul
Tabs ukur Tabs simulasi
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
12.0
0
13.0
0
14.0
0
15.0
0
16.0
0
17.0
0
18.0
0
19.0
0
20.0
0
21.0
0
22.0
0
23.0
0
00.0
0
01.0
0
02.0
0
03.0
0
04.0
0
05.0
0
06.0
0
07.0
0
08.0
0
09.0
0
10.0
0
11.0
0
Su
hu
(ᵒC
)
Pukul
Tair ukur Tair simulasi
20
dengan efisiensi pemanasan air rata-rata yang didapatkan dari hasil perhitungan
sebesar 54 persen.
Tabel 7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi
Keterangan Suhu rata-rata (ᵒC) Error
Ukur Simulasi (%)
Suhu ruang pengering 46.0 48.0 5.0
Suhu absorber 47.3 49.7 5.2
Suhu air dalam HE2 71.4 71.5 0.1
Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan
Berdasarkan analisis pindah panas yang pada sistem pemanasan air dan
tungku serta simulasi yang dihasilkan, maka dilakukan beberapa modifikasi untuk
mencapai suhu ruang pengering antara 50-55ᵒC. Suhu yang digunakan untuk
pengeringan ubi berkisar 50-55ᵒC, suhu yang tidak melewati suhu kritis
antosianin, dimana pada suhu diatas 65ᵒC antosianin akan mulai terdegradasi
(Karleen 2010). Dilakukan beberapa skenario untuk mencapai suhu pengeringan
ubi tersebut, skenario dan hasil simulasi suhu ruang pengering dapat dilihat pada
Tabel 8 dan Gambar 14. Simulasi ini menggunakan parameter-parameter pada
penelitian ini, dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering
Ske-
nario
Laju
bahan
bakar
(kg/jam)
QLsistem
pemanasan
air &tungku
(watt)
ɳsistem
pemanasan
air &tungku
(%)
Modifikasi atau perbaikan
Suhu
ruang
simulasi (ᵒC)
0 2.29 4692.7 54 Sebelum perbaikan 47.9
1 2.29 3391.0 67 Modifikasi tungku (bahan bakar
tetap) 48.5
2 1.93 3391.0 62 Modifikasi tungku (laju bahan bakar
menurun) 48.3
3 2.29 4692.7 54 Meningkatkan daya pompa 47.4
4 2.29 4692.7 54 Menaikan koefisien pindah panas
menyeluruh (UHE2= 25 W/m2ᵒC)
53.5
5 4.47 9289.8 54 Meningkatkan laju bahan bakar 50.1
6 2.29 4692.7 54 Memperluas permukaan HE2 55.4
7 3.49 5203.8 67 Meningkatkan laju bahan bakar &
modifikasi tungku 50.0
Pada skenario 1, 2, dan 7 dilakukan modifikasi pada tungku yang bertujuan
mengurangi kehilangan panas pada tungku. Modifikasi yang mungkin dilakukan
adalah memakai penutup pada lubang pemasukan bahan bakar dengan sedikit
memberi ruang udara untuk proses pembakaran. Rekomendasi perbaikan pada
tungku dapat dilihat pada Lampiran 13. Dengan perbaikan pada lubang
pemasukan pada bahan bakar tungku, kehilangan panas pada bagian tersebut dapat
dihitung dengan persamaan 36. Bahan yang digunakan untuk penutup tungku
21
adalah plat besi. Laju aliran oksigen pada tungku setelah dimodifikasi
diasumsikan sama dengan laju pembakaran yang terjadi pada tungku sebelum
dimodifikasi.
𝑄𝐿2 = ℎ𝑝𝑇𝑢𝐴𝑝𝑇𝑢 𝑇𝑝𝑇𝑢 − 𝑇𝐿 + 𝜍𝐴𝐿𝑢 ɛ 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿𝑢
4
Gambar 14 Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan
Pada skenario 3, daya pompa yang awalnya 125 watt ditingkatkan menjadi
200 watt. Peningkatan daya pompa berhubungan dengan pressure drop dan debit
pompa. Dengan meningkatnya debit pompa, laju air yang mengalir pada HE2 pun
meningkat. Hal ini bertujuan agar pindah panas air ke HE2 semakin besar,
sehingga berpengaruh pada suhu ruangan yang meningkat. Namun hasil simulasi
suhu ruang pada skenario ini menurun, hal ini dikarenakan pada pemodelan
simulasi menggunakan data percobaan suhu air yang keluar dari HE2 (Ta2) dan
nilai koefisien pindah panas UHE2 yang masih menggunakan data percobaan awal.
Oleh karena itu suhu Ta2 dibuat pemodelan matematis.
Pada skenario 4, meningkatkan suhu ruang pengering dengan meningkatkan
daya kipas yang bertujuan untuk meningkatkan kecepatan angin dari HE2 ke ruang
pengering, sehingga nilai koefisien pindah panas menyeluruh pada HE2 (UHE2)
juga meningkat dan panas yang berpindah dari HE2 ke ruangan lebih besar.
Pada Skenario 5 dan 7, laju pemasukan bahan bakar ditingkatkan sampai
suhu air mampu memindahkan panas melalui HE2 ke ruangan, sehingga suhu
ruang mencapai suhu yang diinginkan. Pada skenario 5 untuk mencapai suhu 50ᵒC
pada ruangan membutuhkan bahan bakar 4.47 kg/jam. Sementara pada skenario 7
hanya membutuhkan bahan bakar 3.49 kg/jam, hal ini dikarenakan tungku yang
digunakan telah dimodifikasi sehingga laju bahan bakar lebih sedikit.
Pada skenario 6, memperluas permukaan HE2 menjadi 5.99 m2 yang
bertujuan memperbesar panas yang berpindah dari HE2 ke ruang pengering.
Skenario yang rata-rata nya mencapai suhu 50-55 ᵒC, yaitu skenario 4, 5, 6 dan 7.
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
55.00
60.00
65.00
Suhu s
imula
si r
uan
g p
enger
ing (
ᵒC)
Pukul
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
............. (36)
22
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan perhitungan analisis pindah panas, didapatkan efisiensi sistem
pemanasan air dan nilai efektivitas serta NTU pada kedua heat exchanger yang
digunakan oleh sistem pemanas tambahan alat pengering rak berputar-hybrid ini.
Efisiensi sistem pemanasan air dan tungku didapatkan dari hasil percobaan
sebesar 52-56%. Pada sistem pemanasan air dan tungku terjadi kehilangan panas,
kehilangan panas yang terbesar terjadi di bagian lubang pemasukkan bahan bakar
sebesar 1800- 2525 Watt. Nilai rata-rata efektivitas HE1 dan HE2 berturut turut
sebesar 0.35 dan 0.65, sedangkan nilai NTU sebesar 0.43 dan 1.21. Nilai ini
menjadi tolak ukur besarnya perpindahan panas pada heat exchanger. Pemodelan
simulasi pendugaan suhu ruang pengering ini dapat digunakan karena nilai error
yang kecil. Modifikasi sistem pemanasan tambahan diperlukan untuk
meningkatkan suhu ruang pengering. Modifikasi yang dilakukan antara lain
perbaikan tungku, peningkatan daya pompa dan kipas, serta membesar luasan
permukaan HE2.
Saran dan Rekomendasi
Saran dan rekomendasi yang bisa diberikan pada penelitian ini adalah:
1. Berdasarkan hasil analisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan
ini, terjadi kehilangan panas pada yang cukup besar pada sistem
pemanasan air dan tungku, sehingga perlu modifikasi pada bagian
tungku yang telah dilakukan pada penelitian ini.
2. Berdasarkan hasil simulasi dari pemodelan, diperlukan penelitian
lanjutan untuk pemodelan suhu air yang keluar dari HE2 (Ta2) serta
pemodelan iradiasi surya dan suhu lingkungan. Pemodelan iradiasi dan
suhu lingkungan tersebut didasarkan pada data di daerah tersebut.
3. Diperlukan penelitian yang lebih detail mengenai kondisi HE2, yaitu
penentuan koefisien pindah panas menyeluruh HE2 dengan
memperhatikan laju air dan udara pada sistem tersebut.
4. Dengan pemodelan yang sudah dibangun dapat digunakan sebagai dasar
optimasi penggunaan biaya. Optimasi biaya tersebut mencakup biaya
investasi untuk perbaikan alat dan biaya operasional untuk pengeringan
suatu bahan tertentu.
DAFTAR PUSTAKA
Chapman AJ. 1984. Heat Transfer. Ed ke-4. New York (US): Macmillan
Publishing Co.
Hafsah MJ. 2004. Prospek Bisnis Ubi Jalar. Jakarta (ID): Pustaka Sinar Harapan.
Halli A. 2012. Koefisien perpindahan panas menggunakan profil kotak pada alat
penukar kalor [skripsi]. Depok (ID). Universitas Indonesia.
23
Henderson SM, Perry RL. 1976. Agricultural Process Engineering. Wesport
(US): The AVI Publishing Co.Inc.
Holman JP. 1986. Perpindahan Kalor. Jasifi E, penerjemah; Hariandja, editor.
Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Heat Transfer. Ed ke-6.
Kamaruddin A, Thamrin FW, Wulandani D. 1994. Optimasi dalam perencanaan
alat pengering hasil pertanian dengan energi surya [laporan akhir penelitian
hibah bersaing I]. Bogor (ID): Ditjen Dikti, Departemen Pendidikan dan
Kebudayaan IPB.
Karleen S. 2010. Optimasi proses pembuatan tepung ubi jalar ungu (Ipomoea
batatas (L.)Lam) dan aplikasinya dalam pembuatan keripik simulasi (simulated
chips) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Mursalim. 1995.Uji penampilan sistem pengering kombinasi energri surya dan
tungku batu bara dengan bangunan tembus cahaya sebagai pembangkit panas
untuk pengeringan vanili (Vanilla Planivora) [skripsi]. Bogor (ID): Institut
Pertanian Bogor.
Pitts DR, Sissom LE. 2008. Perpindahan Kalor. Layukallo T, penerjemah;
Simarmata L, editor. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Heat
Transfer. Ed ke-2.
Rachmansyah A.1999.Uji unjuk kerja pemanas tambahan pada pengering efek
rumah kaca (ERK) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Rukmini A. 2006. Perancangan dan uji alat penukar panas (heat exchanger) tipe
counter flow [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Sarwono B. 2005. Ubi Jalar. Jakarta (ID): Penebar Swadaya.
Syah H. 2008. Kajian pengering rotari tipe Co-current untuk pengeringan sawut
ubi jalar [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Utari S. 2013. Uji performansi pengering efek rumah kaca (ERK)-Hybrid tipe rak
berputar untuk pengeringan sawut ubi jalar (Ipomoea batatas L.) [skripsi].
Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Widowati S, Sulismono, Suarni, Sutrisno, Komalasari O. 2002. Petunjuk Teknis
Proses Pembuatan Aneka Tepung dari Bahan Pangan Sumber Karbohidrat Lokal. Jakarta(ID): Balai Penelitian Pascapanen Pertanian.
Wulandani D, Purwanto YA, Agustina SE, Widodo P. 2009. Pengembangan alat
pengering efek rumah kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar untuk
penyeragaman aliran udara. Di dalam: Prastowo, Sulistiono, Suprayogi A,
Saharjo BH. Editor. Prosiding Seminar Hasil-hasil Penelitian IPB; 2009 Des
22-23; Bogor, Indonesia. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Hlm 790.
Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (percobaan 1)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE2 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m
2)
11.00 31.5 47.5 48.8 67.1 57.9 114.286
11.30
37.5 38.5 41.3
37.4 38.2 71.429 1.5
12.00 410.71 39.5 38.9 39.1 36.3 33.1 34.6 41.8 36.6 35.2 29.5 35 39.8 43.3 36.6 36.2 14.286 1.5
12.30 499.69 38.1 36.5 37.3 50.6 42.2 49.2 52.3 45.7 36.7 29.5 33 38 48.1 30.1 31.9 157.143 3
13.00 407.13 65.4 64.4 52.4 71.2 63.8 69.7 73.4 50.2 34.1 27.5 32.5 41.8 58.5 38.9 40.1 200 1.5
13.30 418.48 68.4 66.2 57.7 74.1 61 71.8 77 53.8 39.5 31.5 42.5 47 50.8 40.8 42.4 285.714 1
14.00 411.04 74.4 71.4 63.1 80.6 73 79 81.8 52.4 48.2 33.5 54.5 50.5 43.3 49.9 47.1 157.143 1.5
14.30 561.13 75.1 72.3 62.7 81.2 72.1 78.4 81.3 64.9 36.1 32.5 50 55 46.9 32.3 49.5 100 2
15.00 590.96 73.5 71.8 59.5 80.2 70.7 78.1 81.1 69.9 43.5 30.5 48.5 51.9 48 35.6 34.5 71.429
15.30 606.68 65.7 63.8 55.5 72.8 63.1 69.3 71.2 73.7 47.1 31.5 49 49.6 55.3 41.7 42.9 28.571
16.00 417.17 58.6 56.7 48.4 64.7 56.2 61.3 63.5 64.7 42 30.5 43 46.8 41.7 37.5 39.3 14.286
16.30 510.96 60.5 58.1 48.6 66.2 50.3 64.2 66.9 68.8 42.5 23.5 43.5 44.8 54.2 33.3 36.6 110.39 2
17.00 523.49 65 62.2 54.2 71.2 62.6 68.4 71.7 71.9 59.8 29.5 48.5 47.6 58 34.2 38.9
1
17.30 501.04 70.1 67 56 76.7 68.4 74.3 77.6 67.8 42.8 29.5 51 49.6 46 32.1 39.7
1.5
18.00 501.52 68.1 65 53.1 75.2 65.2 72 75.4 68.8 72.9 28 46 47.4 50.7 29.7 36.7
1
18.30 561.51 66.3 63.1 54 73.1 66.2 70.2 73.5 70.4 37.8 28.5 45.5 48.1 55 30.2 37.7
1
19.00 543.7 67.3 64.1 54.2 73.7 66.5 71.1 73.6 70.5 33.3 27.5 47 48.4 57.2 29.4 37.3
1
19.30 567.37 68.4 65.1 54.6 75.8 68.3 73.4 76.6 72.7 47.2 27.5 49 48.4 58.7 72.4 28.8
1
25
Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (Lanjutan 1)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE2 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m2)
20.00 518.48 70.4 67.5 54.9 76.8 70.7 74.1 77.8 68.3 43.3 27 46.5 48.8 53.6 29.2 36.8 1
20.30 549.22 69.5 66.6 56.8 77.5 69.3 75.1 78.9 69.2 36.7 27 49 49.2 57.9 29.8 37.5
1
21.00 570.96 69.2 66.1 56.3 76.6 66 73.4 78.7 70.2 87.6 26.5 49 49.3 58.6 29.6 37.6
1.5
21.30 507.37 68.5 65.6 54.3 75.3 68.2 72.5 75.9 67.8 32.2 26.5 46 46.6 48.6 29.1 37.2
1.5
22.00 580.59 68.5 65.4 53.6 75.8 67.9 72.2 75.2 71.3 34.9 26 44.5 46.6 56.5 28.2 36.3
1
22.30 511.04 71.3 67.6 54.8 77.9 68.9 75.5 78.9 65.4 35.6 26.5 45.5 46.4 51.7 28.2 36.3
1.5
23.00 461.44 76.4 73.7 58.6 79.6 73.4 76.9 85.8 61.5 42.8 26.5 47.5 46 44.3 28.9 37.2
1.5
23.30 553.99 73.9 70.6 57.3 76.6 72.2 74.1 81.7 68.7 35 26.5 41.5 45.8 48.4 30.1 37.3
1.5
00.00 556.41 70.4 67.1 50 75.8 70 73.1 78.6 70.3 34.7 27.5 41 42.6 49.3 27.9 34.4
2
00.30 511.04 75.2 70.7 55.7 78.3 72.4 76 84.3 67 33.7 25.5 48.5 46 46.4 29.6 36.2
1
01.00 584.28 71.1 67.1 55 72.4 68.3 68.8 78.2 71.1 35.8 26.5 47 47.8 52.3 30 36.1
1.5
01.30 547.52 77.4 74.8 58.9 76.4 74.5 74.2 85.1 68.7 32.8 25.5 45.5 46.5 54.4 29.7 36.3
1
02.00 643.99 77.8 74.7 57.8 79.5 76.4 77.2 85.3 72.3 36.5 25.5 46 47 68.4 30.2 37
1.5
02.30 631.61 74.3 72.2 59 77.4 67.4 74.1 85.5 70.4 51.8 25.5 46 45.7 68.5 29.6 36.3
1
03.00 696.11 73.9 70.4 56.2 77.1 67.8 74 81.9 73.2 76 25 45 45.2 63.4 29 35.8
1
03.30 651.62 71.1 69.1 54.5 74.3 67.3 71.5 77.8 71.9 39.2 25 44 44.8 68.6 29.6 36
1
04.00 544.08 69.6 68.1 53.2 69.6 55.7 66.3 76.9 68.2 69.3 27 43 44.3 58.7 28.7 35.2
1
04.30 599.71 69.2 67.9 52.7 73 59.4 70.3 77.9 68.6 43 24.5 43 44.4 60.4 29.6 35.5
1
05.00 596.11 70.7 67.3 53.1 73.2 59.4 70.3 77.5 68 72.2 20 42 44.6 61.2 29.6 35.6
1.5
05.30 522.88 68.4 65.7 52 74.3 57.1 69.3 75.8 67.3 78.7 24.5 42 44.2 56.7 28 34.6
1
06.00 490.22 70.5 67 54.3 75 61.6 71.5 78.4 65.1 87.6 25 47 47.1 47.4 29.7 35.9
1
26
Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (Lanjutan 2)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE2 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m
2)
06.30 515.8 71.4 68.3 54.5 75.1 65.3 72.2 79.2 67.1 39.7 25.5 47 46.2 51.1 30.7 37
07.00 619.61 65.8 63.2 52.8 69.5 59.6 65.4 72.8 72.2 32.6 27 47 47.5 58.3 32.4 37.3 57.143 0.5
07.30 544.44 66.5 64.8 52.4 68.5 58.8 65.2 72.3 69.1 39.1 28.5 44 46.1 56.4 33.5 38.6 85.714 0.5
08.00 457.77 61.9 58.1 51.4 63.8 53.5 60.5 66.6 64.8 74.7 28.5 39.5 46.1 48.3 33.9 38.3 228.571 0.5
08.30 549.22 63.5 60.1 54.6 65.4 57.7 62.1 68.9 67.6 44.3 34 49 51.5 54.4 55.4 49.9 428.571
09.00 509.11 63 60.5 53.8 62.1 57.1 58.6 67.4 66.3 57.6 32.5 48 50.7 46.4 53.6 47 428.571
09.30 423.61 60.8 55.8 53.4 59.2 56.4 55.7 64.4 62.4 43.7 37 51 53.3 44.4 62.1 51.9 528.571
10.00 491.87 60.2 56.5 53.2 60.4 56.6 57 64 63.1 47.4 38.5 49.5 50.7 52.3 59 50.7 385.714
10.30 404.77 60.1 55.9 53.8 58 57.3 55 62.5 60.6 44.4 37.5 50 51.9 43.3 69.6 54.5 442.857
11.00 508.35 57.5 55 52.9 57.4 58.8 51.9 61.7 63 48.8 37.5 51 52.3 52.4 66.2 54.2 700
Keterangan :
Ttu : Suhu tungku Tdp : Suhu dinding pengering
THE2 : Suhu HE dalam ruang pengering Bb : Jumlah bahan bakar biomassa
Ta1 : Suhu air dalam tangki Tr : Suhu ruang pengering
TdTk : Suhu dinding tangki air Tabs : Suhu absorber
Ta2 : Suhu air keluaran HE2 TC : Suhu udara keluaran cerobong
THE1 : Suhu HE dalam tangki Tat : Suhu dinding atap
TdTu : Suhu dinding tungku
TLU : Suhu dari lubang masuk udara tungku
TL : Suhu lingkungan
27
Lampiran 2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE1 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m
2)
14.00 30 35.5 38 33.8 31.4 114.29
14.30
30.5 35 37.5
33.7 31.5 42.86
15.00
31 35 37
33.4 30.9 114.29 2
15.30 630.3 49.8 49.7 49.3 52.8 48 52.2 53.1 40.6 44.1 30.5 38 36.8 62.3 33.5 30.8 85.71 1
16.00 545.8 51.2 51.8 51.4 54.4 47.5 53.6 54.2 44.2 53.6 30.5 39 37.7 40.2 34 30.7 42.86 0.5
16.30 646.9 53.3 53.4 53.7 57.6 51.1 55.4 56.8 44.9 55.8 29 39.5 38.1 48.4 35.3 30.3 28.57 1
17.00 635 58.5 57.6 53.2 63.3 53.9 60.9 62.1 51.9 39.3 29 40 36.3 45.2 39.5 29.8
1
17.30 491.9 56 55.6 53.6 60.8 53.9 57.6 59.4 59.1 41.2 27.5 39.5 35.7 37.6 39.7 29
1.5
18.00 458.4 58.4 55.1 52.3 69 60.7 65.1 67.1 62.4 42.6 26.5 40.5 35.1 34.2 30.4 31.6
1.5
18.30 593.1 63.7 62.6 60.1 72.5 62.9 68.7 72.3 63.9 53 26.5 41 36.2 42.9 27.2 29.1
2
19.00 616.2 68.8 68.4 64.2 75.7 65.5 69.2 74.1 67 61.2 26 41 36.7 61 27.4 28.7
1
19.30 534.1 70 68.6 65.1 77 64.9 72.8 95.7 65.1 53.2 25 42 35 39.4 29.7 34.1
1
20.00 576.4 73.3 72.9 66.9 86.1 80 82.6 95.4 74.9 32.8 26 43 38.8 41.2 28.4 36
2
20.30 382.8 72.3 70.9 61.1 83.8 68.1 78.7 83.6 72.1 32.9 25 42 37.8 35.7 26.5 35
1
21.00 351.72 72.1 72.8 60.1 83.6 69.7 77.7 89.5 73.6 33.5 25.5 41 39 32.1 28.5 36.4
1
21.30 441.5 67.2 64.8 58.7 77.1 62.8 71.6 79.6 70.8 33.3 24.5 40 37.2 35 26.4 33.1
1
22.00 545.8 70.4 68.6 61.7 81.8 68.7 75.8 85.3 69.3 35 24.5 41 37.6 38.3 25.9 33.5 1.5
28
Lampiran 2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE1 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m2)
22.30 505.9 64.8 64 58.5 72.4 59 68.6 83 67 34 24.5 40 37.2 37.7 27.1 33.4
1
23.00 386.6 61.6 59.6 56.5 71.2 58.4 66.6 70.4 60.5 32.5 25 40 40.6 31,1 26.7 34.8
1
23.30 409.5 60.8 58.1 54.1 69.3 56.9 65.8 69.9 39.3 34.9 23.5 40 41.1 35.5 26.8 34.8
1
00.00 340.5 60.4 58.6 52.5 69.5 59.8 66 71 41.9 32.4 23.5 39.5 40.6 32 27.2 34.8
1.5
00.30 350.5 64.4 57.1 55 71.2 59.2 67.1 74.5 41.6 32.4 24.5 40 41.2 33.6 271 34.8
01.00 387.5 65.5 60 58.3 74 67.1 68.2 71.8 84.4 39.9 24 42 42 32 26.9 35.4
2
01.30 388.3 62.1 60.2 59.8 72.7 64.5 66.3 70.4 85.3 44.9 24.5 41 42.7 30.7 26.9 36.1
1
02.00 475.5 64.8 64.3 61.3 72.4 61.8 65.8 73.5 83.6 78.9 23.5 40 42.7 42 26.5 35.7
1.5
02.30 678.4 66.5 64.9 62.8 72.9 62.3 66.9 93.6 80.4 37.3 24 42 42 65.8 27.7 34.7
1.5
03.00 611.5 65.8 62.6 60.5 72.9 59.5 67.3 70.4 71.7 41.1 23 41 43.9 58.6 25.3 34.9
1
03.30 466.2 63.7 62.5 60.4 67.7 59 63.2 65.7 72.2 37.7 23.5 40 43.9 41.3 25.3 34.7
1
04.00 663.5 64.3 62.6 60.5 68.4 57 64.6 68 70.6 39.9 23.5 43 44.7 48.6 25.5 35.5
0.5
04.30 487.2 65.9 63.3 62.3 70.9 59.5 67.3 74.6 69.3 38.6 23.5 43 46.2 32.4 26 36.3
29
Lampiran 3 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE1 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m
2)
13.00 36 37 36 33.8 31.4 300
13.30
37 43 37
33.7 31.5 471.43
14.00
36 46 36
33.4 30.9 442.86
14.30
34 41 34
33.5 30.8 428.57
15.00
34.5 44.5 34.5
34 30.7 342.86
15.30 168.1 40.6 40.7 40.1 40.8 37.2 37 45.3 42.2 35.8 34.5 41 34.5 36 35.3 30.3 157.14 3
16.00 207.9 45.2 42.8 40.4 55.8 47.3 51.5 61.2 45.2 39.4 31.5 37 31.5 42 39.5 29.8 42.86
16.30 379.5 58.4 56.8 54.1 70.1 64.7 66.1 77.4 58.8 42.3 29 37 29 48 39.7 29 14.29 2
17.00 389.1 59.8 57.1 54.2 67.2 62.1 63.4 81 61 34.8 27 40 27 35 30.4 31.6
1.5
17.30 341.5 58.1 56.3 53 65.9 60.5 62.1 78.7 60.8 32.6 26.5 44 26.5 34 27.2 29.1
2
18.00 378.8 62.2 60.1 57.5 67.4 68 63.6 84.6 63.5 35.5 26 40 26 32 27.4 28.7
1.5
18.30 486.5 63.1 60.2 57.9 70.8 68.6 66.9 85.3 65.1 37.6 25 40 25 38 29.7 34.1
1
19.00 610.2 70.2 68.7 65 81.3 76.3 77.6 86.5 67.1 40.4 25.5 50.5 25.5 44 28.4 36
1.5
19.30 615.1 71.3 68.9 66 82.2 69.3 78.2 83.9 67.3 40.8 25.5 49 25.5 45 26.5 35
1
20.00 467.8 70.1 67.3 64.7 80.3 74.3 76.3 87 61.6 39.9 25.5 51 25.5 37 28.5 36.4
1
20.30 459.4 67.5 64.7 62.5 78 66.9 74.1 78.3 58.7 37.1 25.5 44 25.5 36 26.4 33.1
0.5
21.00 445.4 64 62.6 60.5 76.2 75.8 72.6 86.4 56.9 36.8 25 51 25 34 25.9 33.5
1
21.30 570.6 68.4 65.2 64.1 79.2 70.1 74.3 80.2 58.8 40.8 24.5 38 24.5 40 27.1 33.4 2
30
Lampiran 3. Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3)
Waktu TTu THE21 THE22 THE23 Ta1 TdTk Ta2 THE1 TdTu TLU TL Tr Tabs TC Tat Tdp Iradiasi bb
(kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m2)
22.00 518.9 64.7 61.6 58.6 73.3 61.2 69.1 72.4 53.7 39 25 38 25 38 26.7 34.8
22.30 466.6 65 63.1 57.4 70.1 71.6 65.9 79.5 51.2 40.3 25 39 25 36 26.8 34.8
23.00 472.9 66.7 64.3 63.6 71 57.1 66.6 70.8 48.1 41.3 25 45 25 38 27.2 34.8
1.5
23.30 404.9 65.4 62.5 59.6 69.3 65.2 65.4 74.5 48.5 40.1 25 45 25 36 27.1 34.8
1
00.00 460 66.6 65.5 61 73 62.4 68.7 71.8 53.9 36.2 24.5 45 24.5 38 26.9 35.4
2
00.30 639.1 68.4 67.6 63.4 76.3 66.9 72.2 70.4 69 41.1 24.5 46 24.5 42 26.9 36.1
1.25
01.00 570.6 66.3 63.6 60.8 71.3 60.9 67.2 73.5 58.2 40.1 24 45 24 40 26.5 35.7
01.30 577.2 62.8 59.4 57 69.1 57.2 64.9 93.6 67.7 40.6 24.5 44 24.5 41 27.7 34.7
1.5
02.00 556.7 60.4 58.5 54.8 67.4 57.5 63.3 70.4 66.3 39.3 24.5 44 24.5 40 25.3 34.9
02.30 563.6 61.5 58.1 57.3 68.1 58.7 64.1 65.7 71.6 38.3 24 43 24 41 25.3 34.7
31
Lampiran 4 Koreksi-koreksi untuk beberapa situasi konveksi bebas
Konfigurasi Gr Pr L c m
Pelat dan silinder
vertikal
Laminar 10
4 - 10
9 Lv ( Dimensi Vertikal) 0.59 0.25
Turbulen 109 - 10
12 Lv ( Dimensi Vertikal) 0.13 0.333
Pelat horizontal
Laminar (permukaan
panas di atas) 10
5 - 2 x 10
7 L= (L1 + L2)/2 0.54 0.25
Turbulen (permukaan
panas di atas) 2 x 10
7 - 3 x 10
10 L= (L1 + L2)/2 0.14 0.333
Laminar (permukaan
panas di bawah) 3 x 10
5 - 3 x 10
10 L= (L1 + L2)/2 0.27 0.25
Sumber: Pitts dan Sissom, 2008
Lampiran 5 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada ruang pengering
Parameter Simbol Satuan Nilai
Panjang dinding p m 2.15
Lebar dinding l m 1.75
Tinggi dinding t m 1.9
Luas permukaan dinding tegak kanan/kiri Adkk m2 3.325
Luas permukaan dinding tegak
depan/belakang Addb m2 4.085
Luas permukaan dinding horizontal atap Aat m2 3.7625
Luas permukaan dinding Adp m2 18.5825
Suhu dinding Td K 312.51
Suhu lingkungan TL K 301.68
Suhu ruang pengering Tr K 318.51
Suhu atap Tat K 310.14
Panas spesifik udara lingkungan CpL J/kgᵒC 1005.81
Panas spesifik udara ruang pengering Cpr J/kgᵒC 1006.92
Kecepatan angin lingkungan U∞ m/detik 0.195
Kecepatan angin dalam ruang pengering U∞ m/detik 0,39
Tebal dinding ruang pengering ΔX m 0.001
Konduktivitas thermal dinding K W/m2ᵒC 0.22828
Koefisien Pindah panas menyeluruh dinding
pengering Ud W/m2ᵒC 1.096
32
1. Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan dinding ruang pengering
(Ud)
Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan dinding ruang pengering
(Udp)
- Perhitungan hi ( dinding ke ruang pengering)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (318.51 + 312.51) / 2 = 315.51 K
b. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇 =
1.12175 𝑋 0.39 𝑋 0.833
1.9172 𝑋 10−5
= 20165.75 Dimana :
ρ : kerapatan udara (kg/m3), didasarkan pada Tf (Holman 1986)
𝑈∞ : Kecepatan angin (m/detik)
𝐿 : Dimensi karakteristik konveksi paksa ( tinggi/panjang )
𝜇 : Viskositas Dinamik ( kg/m detik ), didasarkan pada Tf (Holman 1986)
c. Perhitungan bilangan Nusselt
Nu =C (Pr)m
(Re)n
= 0.664 (Pr)1/3
(Re)1/2
= 0.664 (0.70459)1/3
(20165.75)1/2
= 83.90
Dimana :
C, m , n , didasarakan bilangan Reynold (Holman 1986)
Pr = Bilangan Prandtl didasarkan pada Tf (Holman 1986)
d. Perhitungan hi
ℎ𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 83.90 𝑋 0.0274
0.833
= 2.603W/m2 0
C Dimana :
k = Konduktifitas thermal udara (W/m2ᵒC ), didasarkan pada Tf
(Holman 1986)
- Perhitungan menghitung ho (lingkungan ke dinding)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (301.68 + 312.51) / 2 = 307.095 K
b. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇
= 1.1519 𝑋 0.195 𝑋 0.833
1.8787 𝑋 10−5
= 10566.50
33
c. Perhitungan bilangan Nusselt
Nu =C (Pr)m
(Re)n
= 0.664 (Pr)1/3
(Re)1/2
= 0.664 (0.70644)1/3
(10566.50)1/2
= 60.79
d. Perhitungan ho
ℎ𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 60.79 𝑋 0.0268
0.833
= 1.842W/m2 0
C
Maka koefisien pindah panas meyeluruh dinding ruang pengering
(Udp) :
𝑈𝑑𝑝 = 1
1
ℎ𝑖+
∆𝑥
𝑘+
1
ℎ𝑜
= 1
1
2.603+
0.001
0.22828+
1
1.842
= 1.073 W/m2 0
C
Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan atap ruang pengering
(Uat)
Perhitungan hi (atap ke ruang pengering)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (310.14 + 318.51) / 2 = 314.325 K
b. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇 =
1.1260 𝑋 0.39 𝑋 0.814
1.9118 𝑋 10−5
= 18697
c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu =C (Pr)
m (Re)
n
= 0.664 (Pr)1/3
(Re)1/2
= 0.664 (0.704849)1/3
(18697)1/2
= 80,80
d. Perhitungan hi
ℎ𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 80.80 𝑋 0.0273
0.814
= 2.712W/m2 0
C
34
Perhitungan menghitung ho (lingkungan ke atap)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (301.68 + 310.14) / 2 = 314.325 K
b. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇 =
1.1516 𝑋 0.195 𝑋 0.814
1.8732 𝑋 10−5
= 9796,50
c. Perhitungan bilangan Nusselt
Nu =C (Pr)m
(Re)n
= 0.664 (Pr)1/3
(Re)1/2
= 0.664 (0.7067)1/3
(9796.50)1/2
= 58.54
d. Perhitungan hi
ℎ𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 58.54 𝑋 0.0267
0.814
= 1.919W/m2 0
C
Maka koefisien pindah panas meyeluruh pada atap ruang pengering (Uat):
𝑈𝑎𝑡 = 1
1
ℎ𝑖+
∆𝑥
𝑘+
1
ℎ𝑜
= 1
1
2.712+
0.001
0.22828+
1
1.919
= 1.118W/m2 0
C
Maka koefisien pindah panas menyeluruh dinding pengering (Ud):
𝑈𝑑 = 𝑈𝑑𝑝 + 𝑈𝑎𝑡
2
=1.073 + 1.118
2
= 1.096 W/m2 0
C
2. Perhitungan panas spesifik lingkungan (CpL)
TL = 301.68 K
Cp pada suhu 300 K = 1005.7 J /kg0C (Holman 1986)
Cp pada suhu 350 K = 1009 J/kg0C
Interpolasi :
301.68 − 300
350 − 300=
𝑥 − 1005.7
1009 − 1005.7
35
1.68
50=
𝑥 − 1005.7
33
x = 1005.81 J/kg0C
3. Perhitungan panas spesifik ruang pengering (Cpr)
Tr = 318.51 K
Cp pada suhu 300 K = 1005.7 J /kg0C (Holman 1986)
Cp pada suhu 350 K = 1009 J/kg0C
Interpolasi :
318.51 − 300
350 − 300=
𝑥 − 1005.7
1009 − 1005.7
18,51
50=
𝑥 − 1005.7
3.3
x = 1006.92 J/kg0C
Lampiran 6 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada absorber
Parameter Simbol Satuan Nilai
Panjang p m 2.15
Lebar l m 1.75
Luas permukaan absorber Aabs m2 3.7625
Suhu absorber Tabs K 320.16
Suhu ruang pengering Tr K 318.51
Koefisien pindah panas konveksi absorber habs W/m2ᵒC 2.711
1. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi absorber (habs)
Perhitungan hi ( dinding ke ruang pengering)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (320.16 +318.51) / 2 = 319.335 K
b. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇 =
1.108 𝑋 0.39 𝑋 0.814
1.9346 𝑋 10−5
= 18180.49
c. Perhitungan bilangan Nusselt
Nu =C (Pr)m
(Re)n
= 0,664 (Pr)1/3
(Re)1/2
= 0.664 (0.70337)1/3
(18180.49)1/2
= 79.64
d. Perhitungan habs
ℎ𝑎𝑏𝑠 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
36
= 79.64 𝑋 0.0277
0.814
= 2.711W/m2 0
C
Lampiran 7 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada sistem
pemanasan air
Parameter Simbol Satuan Nilai
Diameter tabung silinder HE1 luar dso m 0.0412
Diameter tabung silinder HE1 dalam dsi m 0.0372
Tinggi tabung silinder HE1 t m 0.393
Luas permukaan tabung silinder HE1 AHeS m2 0.45757
Panjang HE1 Kotak p M 0.26
Lebar HE1 Kotak l m 0.26
Tinggi HE1 Kotak t m 0.05
Luas permukaan HE1 kotak AHeP m2 0.2444
Diameter tangki luar ddTK m 0.463
Tinggi tangki tdTK m 0.55
Diameter tangki dalam ddTK m 0457
Luas permukaan tangki luar AdTK m2 0.7996
Luas permukaan tangki dalam
0.78924
Suhu dinding tangki TdTK K 335.755
Suhu heat exchanger dalam tangki THE1 K 345.73
Suhu air dalam tangki Ta1 K 344.39
Suhu air dari HE2 Ta2 K 340.1
Suhu api tungku TTu K 802.48
Suhu Lingkungan TL K 301.68
Koefisien pindah panas menyeluruh HE1 UHE1 W/m2ᵒC 7.447
Koefisien pindah panas menyeluruh
dinding tangki UdTK W/m2ᵒC 4.174
Konduktivitas thermal dinding tangki K W/m2ᵒC 73
Gravitasi G m/detik2 9.81
Panas jenis spesifik air Cpa J/kg K 4191.18
Laju air ṁa kg/detik 0.3
Kecepatan air U∞a m/detik 0.00183
Debit air Qa m3/detik 0.00031
Kecepatan angin lingkungan u∞L m/detik 0.195
37
1. Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh HE (UHE1)
Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE tabung silinder (UHeS)
Perhitungan hHeSi ( api tungku ke dinding HE1)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (802.48 + 345.73) / 2 = 574.105
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 574.105= 0.001742
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.001742 x 0.3933 x456.75)/ (4.67 x 10
-5)2
= 216 649 590.3
Dimana:
g : gravitasi bumi ( 9,8 m/s2 )
L : Dimensi Karakteristik, didasarkan geometri (Pitts dan Sissom
2008 )
∆𝑇: Beda suhu api tungku dengan dinding HE
V : Kinematik Viskositas (m2/s) , didasarkan pada Tf
(Holman 1986)
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 216 649 590.3 x 0.6789 = 14.7 x 107
.
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.59 (14.7 x 107)0.25
= 64.976
Dimana :
C,m = dicari berdasarkan bilangan Rayleigh dan geometri (Pitts
dan Sissom 2008 )
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑆𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 64.976 𝑋 0.0453
0.393
= 7.493 W/m2 0
C
Perhitungan hHeSo ( Dinding HE tangki ke air )
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (345.73 +344.38 ) / 2 = 345.055 K
38
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 345.055 = 0.002898
c. Perhitungan bilangan Reynold
Kondisi ini terjadi pada kumpulan tabung di dalam aliran
memotong yang segaris., maka :
𝑈∞ 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈∞ 𝑎
𝑎 − 𝐷 =
0.00183 𝑋 0.0753
0.0753 − 0.0412
= 0.0040 m/detik Dimana :
a : Jarak dari titik tengah tabung dengan tabung lain nya
D : Diameter luar tabung
𝑅𝑒 = 𝑈∞𝑚𝑎𝑥 𝐷
𝑉 =
0.0040 𝑋 0.372
4.09𝑋 10−7
= 367.346 Pada kondisi perpindahan panas konveksi paksa ini, aliran dari luar
(𝑈∞ ) sangat rendah , mungkin cukup terpengaruh oleh arus konveksi bebas. Maka diperlukan analisis orde besaran persamaan lapisan-batas
konveksi bebas, kriteria nya sebagai berikut:
Gr/ Re2 > 10
Konveksi bebas sangat penting, hasil ini sesuai dengan Gambar 14
Gambar 15. Wilayah-wilayah di dalam tabung-tabung vertikal (Pitts dan
Sissom 2008 )
39
d. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.002898 x 0.3933 x1.35)/ (4.131 x 10
-7)2
= 1.36 x 1010
Gr/ Re2
= 1.53 x 108 / 367.346
2 = 101149
Sehingga Gr/ Re2
> 10 , hal ini konveksi bebas penting .
e. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 1.36 x 1010
x 2.565 = 3.50 x 1010
f. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.13 (3.50 x 1010
)0.333
= 452.27
g. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑆𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 452.27 𝑋 0.661
0.393
= 714.922W/m2 0
C
Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE silinder tabung
𝑈𝐻𝑒𝑆 = 1
1
ℎ𝑖+
𝐿𝑛(𝑑𝑜
𝑑𝑖)
2𝜋𝑘𝐿+
1
ℎ𝑜
= 1
1
7.668+
𝐿𝑛(0,0412
0,0372)
2𝜋 73 (0.393)+
1
714.922
= 7,3850 W/m2 0
C
Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat vertikal (UHePv)
Perhitungan hHePvi (api tungku ke plat vertikal )
- Bagian kanan, kiri, depan, belakang ( plat vertikal)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (802.48 + 345.73) / 2 = 574.105
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 574.105= 0.00174
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
40
= (9.8 x 0.00174 x 0.1053 x456.75)/ (4.676 x 10
-5)2
= 4131883.977
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 4131883.977 x 0.679 = 2805401.3
Dimana:
Pr = Bilangan Prandtl didasarkan pada Tf (Holman 1986)
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.59 (2805401.3)0.25
= 24.1463
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑣𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 24.1463 𝑋 0.04532
0.105
= 10.423W/m2 0
C
Perhitungan hHePvo (plat vertikal ke air )
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (345.73+ 344,\.38) / 2 = 345.055 K
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 345,055 = 0,002898
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9,8 x 0,002898 x 0,1053 x1,35)/ (4,131 x 10
-7)2
= 260315766
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 260315766 x 2,565 = 6,68 x 108
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.59 (6,68 x 108)0.25
= 94,84
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑣𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
41
= 94.84 𝑋 0.661
0,26
= 596,744W/m2 0
C
Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal
𝑈𝐻𝑒𝑃𝑣 = 1
1
ℎ𝑖+
𝛥𝑋
𝐾+
1
ℎ𝑜
= 1
1
10,423+
0,002
73+
1
596,744
= 10.24 W/m2 0
C
Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat atas (UHePa)
Perhitungan hHePai ( pi tungku ke plat atas )
- Bagian atas (plat horizontal panas di bawah)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (802.48 + 345.73) / 2 = 574.105
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 574.105= 0.00174
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.00174x 0.263 x456,75)/ (4,.76 x 10
-5)2
= 62 733 607,85
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 62 733 607.85x 0.6789 = 42593874
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.27 (42593874)0.25
= 21812
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑎𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 21.812 𝑋 0.04532
0.26
= 3.802W/m2 0
C
- Bagian atas (plat horizontal panas di bawah)
Perhitungan hHePao (plat ke air)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (345.73+ 344.38) / 2 = 345.055 K
42
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 345.055 = 0.002898
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.002898 x 0.263 x1.35)/ (4.131 x 10
-7)2
= 3,952 x 109
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 3.952 x 109
x 2.565 = 1,01 x 1010
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.27 (3.952 x 109)0.25
= 85.,67
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑎𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 85.67 𝑋 0.661
0,26
= 217.698 W/m2 0
C
Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal
𝑈𝐻𝑒𝑃𝑣 = 1
1
ℎ𝑖+
𝛥𝑋
𝐾+
1
ℎ𝑜
= 1
1
3,802+
0,002
73+
1
217,698
= 3,74 W/m2 0
C
Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat bawah (UHePb)
Perhitungan hHePbi ( api tungku ke plat bawah )
- Bagian bawah ( plat horizontal panas di atas )
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (802.48 + 345.73) / 2 = 57.105
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 574.105= 0.00174
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
43
= (9.8 x 0.00174x 0.263 x456.75)/ (4.131 x 10
-7)2
= 62 733 607.85
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 62 733 607.85x 0.6789 = 42 593 874
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.14 (42 593 874)0.333
= 48.893
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑏𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 48.893 𝑋 0.04532
0/26
= 8.523W/m2 0
C
g. Bagian bawah ( plat horizontal panas di atas )
Perhitungan hHePbo ( plat ke air)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (345.73+ 344.38) / 2 = 345.055 K
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 345.055 = 0.002898
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.002898 x 0.263 x1.35)/ (4.131 x 10
-7)2
= 3.952 x 109
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 3.952 x 109 x 2,.65 = 1,01 x 10
10
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.14 (1.01 x 1010
)0.333
= 302.991
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝐻𝑒𝑃𝑏𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 302.991 𝑋 0.661
0.26
= 769,916W/m2 0
C
44
Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal
𝑈𝐻𝑒𝑃𝑏 = 1
1
ℎ𝑖+
𝛥𝑋
𝐾+
1
ℎ𝑜
= 1
1
8,523+
0,002
73+
1
769.916
= 8,42 W/m2 0
C
Maka koefisien pindah panas menyeluruh dinding heat exchanger tangki (UHE1):
𝑈𝐻𝑒1 = 𝑈𝐻𝑒𝑆 + 𝑈𝐻𝑒𝑃𝑣 + 𝑈𝐻𝑒𝑃𝑎 + 𝑈𝐻𝑒𝑃𝑏
4
=7,38 + 10,24 + 3,74 + 8,42
4
= 7.447 W/m2 0
C
2. Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh tangki (UdTK)
Perhitungan hi (air ke tangki )
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (344.38 + 335.755) / 2 = 340.067
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 340.067= 0.002941
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.002941 x 0.553 x8.625)/ (4.37x 10
-7)2
= 2.161 x 1011
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 2.161 x 1011
x 2.7373 = 5.91x 1011
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.13 (5.91x 1011
)0.33
= 1091.21
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝑑𝑇𝐾𝑖 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 1091.21 𝑋 0.6570
0.55
= 1303.5W/m2 0
C
45
Perhitungan ho (tangki ke lingkungan )
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (335.755 + 301.68) / 2 = 318.717
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 318.717= 0.003138
c. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.003138x 0.553 x34.075)/ (1.759x 10
-5)2
= 564100342
d. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 564100342 x 0,7039 = 3.97x 108
e. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.59 (3.97x 108)0,25
= 83.2849
f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝑑𝑇𝐾𝑜 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 83.2849 𝑋 0.0276
0.55
= 4.18829 W/m2 0
C
Maka Koefisien pindah panas meyeluruh pada tangki (UdTK) :
𝑈𝑑𝑇𝐾 = 1
1
ℎ𝑖+
ln(𝑟𝑜
𝑟𝑖)
2𝜋𝑘𝐿+
1
ℎ𝑜
= 1
1
1303.5+
ln(0,2315
0,2285)
2 𝑥 𝜋 𝑥 73 𝑥 0.55+
1
4.1883
= 4.174 W/m2 0
C
3. Perhitungan panas spesifik air dalam tangki (Cpa)
Ta1 = 71.39 ᵒC
Cp pada suhu 60 ᵒC = 4184.3 J /kg0C( Pitts dan Sissom 2008 )
Cp pada suhu 80 ᵒC = 4196.4 J/kg0C
Interpolasi :
71.39 − 60
80 − 60=
𝑥 − 4184.3
4196.4 − 4184.3
46
11.39
20=
𝑥 − 4184.3
12.1
x = 4191.18 J/kg0C
4. Perhitungan massa air dalam tangki ( ma )
ma = ρa x Va
= 987.985 kg/m3 x 0.08165 m
3
= 79.93 kg
5. Perhitungan Laju air (ṁa)
ṁa = q x ρa
= 0.00031 m3/s x 987.985 kg/m
3
= 0.31 kg/s
Lampiran 8 Perhitungan untuk koefisien pindah panas tungku
Parameter Simbol Satuan Nilai
Panjang dinding p m 0.57
Lebar dinding l m 0.53
Tinggi dinding t m 0,34
Luas permukaan tungku tegak kanan/kiri AdTs m2 0.18
Luas permukaan tungku tegak belakang AdTb m2 0.19
Luas permukaan dinding tungku horizontal atap AdTa m2 0.30
Luas permukaan dinding tungku AdTu m2 0.86
Suhu dinding tungku TdTu K 339.03
Suhu lingkungan TL K 301.68
Suhu api tungku TTu K 802.48
Panas spesifik udara tungku Cptu J/kgᵒC 1098.38
Kecepatan angin lingkungan U∞ m/detik 0.195
Tebal dinding vertikal tungku ΔX1 m 0.08
Tebal dinding atas tungku ΔX2 m 0.04
Konduktivitas thermal dinding K W/m2ᵒC 0.69
Koefisien pindah panas konveksi dinding tungku hdTu W/m2ᵒC 4.81
1. Perhitungan koefisien pindah panas tungku (hdTu)
Perhitungan h (dinding ke lingkungan)
a. Perhitungan suhu film (Tf)
Tf = (339.03 +301.68 ) / 2 = 320.355 K
b. β = 1 / Tf
β = 1 / 320.355 = 0.00312
47
c. Perhitungan bilangan Reynold
𝑅𝑒 = 𝜌 𝑈∞ 𝐿
𝜇 =
1.104 𝑋 0.195 𝑋 0.343
1.9393𝑋 10−5
= 3808.789
Pada kondisi perpindahan panas konveksi paksa ini, aliran dari luar
(𝑈∞ ) sangat rendah , mungkin cukup terpengaruh oleh arus konveksi bebas. Maka diperlukan analisis orde besaran persamaan lapisan-batas
konveksi bebas, kriteria nya sebagai berikut:
Gr/ Re2 > 10
d. Perhitungan bilangan Grashof
𝐺𝑟 = 𝑔 𝛽 𝐿3 ∆𝑇
𝑉2
= (9.8 x 0.00312 x 0.3433 x37.35)/ (1.78 x 10
-5)2
= 1,46 x 108
Gr/ Re2
= 1.46 x 108/ 3808.789= 10.094
Sehingga Gr/ Re2
> 10 , hal ini konveksi bebas penting .
e. Bilangan Rayleigh (Ra)
Ra = Gr x Pr
= 1.46 x 108
x 0.703 =1.03 x 108
f. Mencari bilangan Nusselt
Nu = C (Ra)m
Nu = 0.59 (1.03 x 108)0.25
= 59.44
g. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi
ℎ𝑑𝑇𝑢 = 𝑁𝑢𝐿 𝑘
𝐿
= 59.44 𝑋 0.02778
0.343
= 4.81 W/m2 0
C
Lampiran 9 Perhitungan efesiensi sistem pemanasan air
Contoh perhitungan pada percobaan 1:
ɳ =𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2
𝑚 𝑏𝑏 𝐻𝑏𝑏
= 0.31 kg / detik x 4189.896 J/kgᵒC x (71.4 – 67.1 ) ᵒC
0.0006349 kg / detik x 15779127 J/kg
= 55.75 %
48
Lampiran 10 Perhitungan NTU dan efektivitas penukar kalor
1. Heat exchanger dalam tangki (Percobaan I )
Tabel 9. Parameter untuk perhitungan NTU dan ϵ HE1
Parameter Simbol Satuan Nilai
Laju air ṁa kg/detik 031
Panas spesifik air Cpa J/kgᵒC 4189.896
Panas spesifik udara HE Cpu J/kgᵒC 1068.5118
Suhu air tangki ( Ta1 ) Ta1 ᵒC 71.4
Suhu air dari HE1 ( Ta2 ) Ta2 ᵒC 67.1
Suhu api ( TTu ) Tu1 ᵒC 529.48
Suhu cerobong ( TC ) Tu2 ᵒC 53.15
Luas permukaan HE1 AHE1 m2 0.685
Koefisien menyeluruh HE UHE1 W/m2ᵒC 7.47
a. Panas yang diterima air
𝑄𝑎 = 𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2 Qa = 0.31 kg / detik x 4189.896J/kgᵒC x (71.4 – 67.1 ) ᵒC
= 5585. 132 J/detik
b. Massa udara dalam heat exchanger
Massa udara dalam heat exchanger dapat dihitung mengacu pada
persamaan 8.
𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2 = 𝑚 𝑢𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑢1 − 𝑇𝑢2
𝑚 𝑢 =𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎1 − 𝑇𝑎2
𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑢1 − 𝑇𝑢2
= 5585.132 J/detik / [1068.5118 J/kgᵒC x (717.996 –
78.84) ᵒC ]
= 0.010974 kg /detik
ṁa cpa = 0.31 kg/ detik x 4189.896J/kgᵒC = 1298.868 W/ᵒC
ṁu cpu = 0.010974 kg/ detik x 1068.5118J/KgᵒC = 11.725 W/ᵒC
Sehingga Cmin = ṁu cpu
𝑁𝑇𝑈 = 𝑈 𝐴
𝐶𝑚𝑖𝑛
= 7.47 W/m2ᵒC x 0.685 m
2 / 11.725 W/ᵒC
= 0.435
Maka nilai efektifitas penukar kalor sebesar :
𝜖 = 1 − 𝑒−𝑁𝑇𝑈 = 1 – e
-0.435
= 0.353
49
2. Heat exchanger dalam ruang pengering (Percobaan I )
Tabel 10. Parameter untuk perhitungan Heat exchanger dalam pengering
Parameter Simbol Satuan Nilai
Suhu rata-rata ruang pengering ( Tr ) Tui ᵒC 45.51
Suhu rata-rata HE2 ( THE2 ) Tuo ᵒC 61.9
Suhu rata-rata air yang masuk ke HE2 ( Ta1 ) Tai ᵒC 71.4
Suhu rata-rata air yang keluar dari HE2 ( Ta2 ) Tao ᵒC 67.1
Panas jenis air Cpa J/kgᵒC 4189.90
Panas jenis udara HE2 Cpu J/kgᵒC 1006.51
Laju air ṁa kg/detik 0.31
Luas permukaan HE2 AHE2 m2 2.9961
Massa udara dalam HE2 dapat dihitung mengacu pada persamaan 8.
𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑜 = 𝑚 𝑢𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑢𝑜 − 𝑇𝑢𝑖
𝑚 𝑢 =𝑚 𝑎𝐶𝑝𝑎 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑜
𝐶𝑝𝑢 𝑇𝑢𝑜 − 𝑇𝑢𝑖
=1298.868W/ᵒC x (71.4 – 67.1) ᵒC
1068.51 J/kgᵒC x(61.882 – 45.51)ᵒC
= 0.318 kg /detik
ṁa cpa = 0,31 kg/ detik x 4189.896 J/kgᵒC = 1298.868 W/ᵒC
ṁu cpu = 0.318kg/ detik x 1068.51 J/kgᵒC = 340.76 W/ᵒC
Sehingga Cmin = ṁu cpu
𝑄𝑚𝑎𝑘𝑠 = (ṁ𝐶𝑝)𝑚𝑖𝑛 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑢𝑖 = 340.76 W/ᵒC x (71.4 – 45.51 ) ᵒC = 8822. 39 W
𝑄𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = (ṁ𝐶𝑝)𝑎 𝑇𝑎𝑖 − 𝑇𝑎𝑜
= 1298.868 W/ᵒC x (71.4– 67.1) ᵒC = 5585.132 W
𝜖 = 5585.132
8822. 39= 0.633
50
Lampiran 11 Perhitungan Kehilangan Panas pada Tungku
Tabel 11. Parameter untuk menghitung kehilangan panas pada tungku
Parameter Simbol Satuan Nilai
Luas permukaan lubang masuk udara ALU m2 0.124
Luas permukaan lubang cerobong AC m2 0.00541
Luas permukaan dinding tungku vertikal AdTu m2 056
Luas Permukaan Tangki air AdTk m2 0.78
Luas permukaan dinding cerobong ADC m2 0.1523
Koefisien pindah panas konveksi dinding
tungku vertikal hdTu W/m
2ᵒC 4.81
Tetapan Stefan-boltzman σ W/m2K
4 5.67E-08
Emisivitas dinding tungku ɛdTu 0.93
Contoh perhitungan pada percobaan I
1. Kehilangan panas pada dinding tungku ( QL1)
𝑄𝐿1 = ℎ𝑑𝑇𝑢𝐴𝑑𝑇𝑢 𝑇𝑑𝑇𝑢 − 𝑇𝐿 + 𝜍𝐴𝑑𝑇𝑢 ɛ𝑑𝑇𝑢 𝑇𝑑𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿
4
= 4.81 x 0.559 x ( 36.6- 29.5) + 5.67E-08 x 0.93 x (309.64 -
302.54)
= 19.338 + 24.001
= 43.329 Watt
2. Kehilangan panas lubang masuk udara tungku ( QL2)
𝑄𝐿2 = 𝐴𝐿𝑢 𝜍 ɛ𝑢 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿𝑢
4
Emisivitas udara dicari dengan persamaan :
ɛu = 0.938 x 10-5
(TL+ 273)2
ɛu = 0.938 x 10-5
(29.5+ 273)2
= 0.858
QL2 = 0.12423 x 5.67E-08 x 0.858 x (638.74 - 308.2
4)
= 1226.5963 Watt
3. Kehilangan panas pada cerobong ( QL3)
𝑄𝐿3 = 𝐴𝐿𝐶 𝜍 ɛ𝑢 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐶
4 + 𝐴𝐷𝐶 𝜍 ɛ𝑢 𝑇𝐶4 − 𝑇𝐿
4
+𝐴𝐷𝐶 ℎ𝐷𝐶 𝑇𝐷𝐶 − 𝑇𝐿
QL3 = 0.00541x 5.67E-08 x 0.858 x (638.74 - 316.3
4)+ 0.1523 x
5.67E-08 x 0.858 x (316.34 - 302.5
4)+ 0.1523x 3.874 (43.3-29.5)
= 75.46 Watt
4. Kehilangan panas pada dinding tangki ( QL4)
𝑄𝐿4 = 𝐴𝑑𝑇𝑘ℎ𝑑𝑇𝑘 𝑇𝑑𝑇𝑘 − 𝑇𝐿
51
QL4 = 0.7996 x 4.188 ( 31.3 – 29.5 )
= 12.06 Watt
Lampiran 12 Perhitungan kehilangan panas pada lubang pemasukan bahan bakar
yang telah dimodifikasi
Parameter Simbol Satuan Nilai
Luas permukaan lubang masuk udara ALU m2 0.041
Luas permukaan penutup tungku ApTu m2 0.0902
Koefisien pindah panas konveksi penutup
tangki hpTu W/m
2ᵒC 7.47
Tetapan Stefan-boltzman σ W/m2K
4 5.67E-08
Contoh perhitungan pada percobaan I dengan asumsi laju aliran oksigen pada
tungku tidak berubah
𝑄𝐿2 = ℎ𝑝𝑇𝑢𝐴𝑝𝑇𝑢 𝑇𝑝𝑇𝑢 − 𝑇𝐿 + 𝜍𝐴𝐿𝑢 ɛ 𝑇𝑇𝑢4 − 𝑇𝐿𝑢
4
QL2 = 7.47 x 0.0902x (200- 35.2) + 0.12423 x 5.67E-08 x 0.041 x 0,858 x
(638.74 - 308.2
4)
QL2 = 532.88 Watt
Lampiran 13 Rekomendasi perbaikan pada tungku
Gambar 16 Desain perbaikan pada tungku (dalam mm)
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir pada tanggal 17 Februari di Purwakarta sebagai anak ke 3 dari
pasangan Andi Riva’i dan Nunung Akhirwati. Penulis menyelesaikan sekolah
dasarnya di SD Negeri Jenderal Sudirman VIII Purwakarta (1997-2003) kemudian
melanjutkan ke SMP Negeri 1 Purwakarta (2003-2006). Penulis kemudian masuk
ke SMA Negeri 1 Purwakarta dan lulus pada tahun 2009. Penulis melanjutkan
studinya ke perguruan tinggi di Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan
Seleksi Masuk IPB (USMI) dan diterima sebagai Mahasiswa Teknik Mesin
Biosistem.
Selama di IPB penulis aktif mengikuti lembaga kemahasiswaan seperti
Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA), UKM Kesenian Gentra
Kaheman dan Organisasi Mahasiswa Daerah (OMDA) Purwakarta IPB. Penulis
juga aktif mengikuti kegiatan Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) oleh Dikti.
Pada tahun 2011 penulis mendapat pendanaan di bidang teknologi mengenai
mesin pengupas kulit melinjo. Tahun 2013 penulis mendapat dua karya yang
didanai Dikti di bidang kewirausahaan mengenai kue dadar gulung berbahan dasar
tepung ubi jalar dan dodongkal talas.
Penulis melaksanakan Praktik Lapangan pada bulan Juni sampai bulan
Agustus 2012 (40 hari) di PT. Perkebunan Nusantara XIII (PERSERO), Pelaihari,
Kalimantan Selatan. Penulis mempublikasikan hasil praktik lapang dalam bentuk
laporan dengan judul “Mempelajari Penggunaan Energi Pada Proses Pengolahan
Kelapa Sawit Menjadi Crude Plam Oil di PT.Perkebunan Nusantara XIII
(PERSERO), Pabrik Minyak Sawit Pelaihari, Kalimantan Selatan”.