III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini akan dilakukan di

40 Pages·2015·1.51 MB·Indonesian

by  Rachmat Cahaya Putra

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

Juli Agustus September Oktober November
Kegiatan
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
Pembuatan Heat
4 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 :

Start

Perancangan heat exchanger :
1. Dimensi dari komponen Svtvubddi flfitfegrnabtugSre
penyusun heat exchanger. 1u. dJiu rnal
2. Perancangan simulasi 2. Text book
aliran fluida.

Apakah
Belum ra ncangan
sudah benar?

Sudah
Fabrikasi :

1. Fin heat exchanger
2. Tube heat exchanger
3. Head heat exchanger

Apakah
Belum
Fabrikasi
sudah selesai?

Sudah

A

Gambar 3.1 Flowchart penelitian
32

A B

Kalibrasi perlengkapan heat exchanger meliputi Pengolahan data menjadi grafik
laju aliran udara masuk heat exchanger dengan
memvariasikan tegangan arus kipas (fan) pada
regulator 0-250V
Grafik
1.Laju aliran udara masuk
terhadap waktu operasi dan
temperatur yang dicapai
Pencatatan data 2.Laju aliran udara masuk
1. Debit/laju aliran air terhadap temperatur
2. Laju aliran udara masuk maksimal yang dicapai
heat exchanger 3.Laju aliran udara masuk
terhadap efektifitas heat
exchanger

Belum Ap akah data
mencukupi ? Analisa grafik yang telah dibuat

Sudah
Kesimpulan dari penelitian
Pengambilan data untuk satu kali pengoperasian
heat exchanger untuk pengeringan kopi meliputi :
1. Temperatur air panas keluar dan masuk pada
heat exchanger
End
2. Temperatur udara keluar dan masuk pada
heat exchanger
3. Rentan waktu pengoperasian heat exchanger
hingga mencapai temperatur udara keluaran
yang stabil

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

Belum Ap akah data
mencukupi ?

Sudah

B

Gambar 3.2 Flowchart penelitian (lanjutan)
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

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

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.
34

Tabel 3.3. Property yang digunakan

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

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/m3
= 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
35

energy (q ) pada udara yang mengacu pada tabel 3.3 serta literature adalah
udara
sebagai berikut :

q  m .C .T
udara f p,f f
0,22662kg/s.1,0077kJ/kg.K (333305)K
6,3954kW

Dengan didapatkan nilai q maka temperatur keluar dari pemanas (air
udara
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) q q sebagai berikut :
udara air
q  q
udara air

6,3954 Kw = m .C .T
air p,air air
6,3954 Kw = 0,06646 kg/s . 4,217 kJ/kg K . (373–Th ) K
out
Th = 350,18 K
out

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 / ft3 554,46 m2/m3
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