HEAT EXCHANGER SEBAGAI ALAT PENGERING IKAN DENGAN MEMANFAATKAN PANAS GAS BUANG MESIN DIESEL

HEAT EXCHANGERS AS EQUIPMENT DRYER WITH HEAT UTILIZING DIESEL ENGINE EXHAUST

Muardi,Duma Hasan,Wahyu H. Piarah Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin, Universitas Hasanuddin

Alamat Korespondensi:

Muardi Central Workshop Universitas Hasanuddin Jl.Perintis Kemerdekaan km. 10 Makassar, 90245 muardi@unhas.ac.id 0811444368

ABSTRAK

Penukar kalor adalah suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh prestasi mesin Diesel terhadap efektifitas heat exchanger aliran silang dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel dan efisiensi pengeringan ikan.Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Heat Exchanger didesain sebagai alat pengering dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel. Pembuatan dan pengujian heat exchanger sebagai alat uji dilaksanakan di Worskhop center Universitas Hasanuddin kota Makassar Propinsi Sulawesi Selatan.Hasil penelitian selama 90 menit dengan variasi putaran mesin diperoleh : Pada putaran mesin 1600 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,09 % dan efisiensi pengeringan 11,41 %, pada putaran mesin 1800 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,12 % dan efisiensi pengeringan 3,87 %, pada putaran mesin 2000 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,61 % dan efisiensi pengeringan 2,394 %, pada putaran mesin 2200 rpm dengan efektifitas heat exchanger 70,96 % dan efisiensi pengeringan 2,579 %, pada putaran mesin 2400 rpm dengan efektifitas heat exchanger 71,29 % dan efisiensi pengeringan 2,427 %.

Kata kunci : Putaran mesin, Heat Exchangert, Ikan, Alat Pengering ABSTRACT

Heat exchanger is a device that generates heat transfer from one fluid to another fluid . This study aimed to determine the effect of Diesel engine performance to the effectiveness of cross-flow heat exchanger utilizing Diesel engine exhaust gas heat and the efficiency of drying fish . This study used an experimental method . Heat Exchanger is designed as a dryer by utilizing Diesel engine exhaust heat . Manufacture and testing of heat exchanger as a tool implemented in test centers Worskhop Hasanuddin University Makassar South Sulawesi Province . The results for 90 minutes with the engine speed variation is obtained : At 1600 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness of 70.09 % and 11.41 % drying efficiency , the engine speed to 1800 rpm, heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.12 % 3 , 87 % , at 2000 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.61 % 2,394 % , at 2200 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness and efficiency of drying 70.96 % 2.579 % , at 2400 rpm engine speed with heat exchanger effectiveness drying efficiency of 71.29 % and 2.427 % .

Keywords : Round machines , Heat Exchangert , Fish , Equipment Dryer

PENDAHULUAN

Berdasarkan Hukum Thermodinamika bahwa Energi tidak dapat diciptakan dan tidak

dapat dimusnahkan tetapi energy dapat diubah kedalam bentuk energi yang lain misalnya

energi kimia yang ada di dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dan energi panas itu

diubah menjadi energi mekanis pada mesin kalor. Pemanfaatan energi bahan bakar pada

mesin selalu diupayakan agar berdaya guna tinggi, sebab energi yang dapat digunakan oleh

mesin Diesel sebagai penggerak hanya sepertiga dari hasil pembakaran bahan bakar didalam

silinder. Selebihnya energi bahan bakar tersebut terbuang melalui dinding silinder, gas buang,

minyak pelumas dan air pendingin.

Gas buang yang keluar melalui saluran gas buang mempunyai temperatur yang cukup

tinggi, energi tersebut cukup potensial digunakan sebagai sumber energi panas untuk

memanaskan udara dengan menggunakan Heat Exchanger, sehingga udara panas yang keluar

dari Heat Exchanger dapat diaplikaskan sebagai pengering antara lain : ikan, daging, buah-

buahan serta dapat diaplikasikan sebagai pemanas ruangan.

Pemanfaatan energi arang batok kelapa untuk pengeringan kakao pada alat pengering

type rak dari hasil penelitian bahwa untuk mengeringkan kakao yang telah difermentasi

dengan kadar air 54% mencapai kadar air 7% dibutuhkan waktu pengeringan selama 7 jam,

energy yang dihasilkan arang batok kelapa rata-rata 26,73 kJ/jam (Nurhabibi, 2011).

Pemanfaatan langsung sumber energi panas bumi untuk pengering kakao dari hasil penelitian

untuk mengeringkan 100 kg kakao dibutuhkan waktu selama 24 jam (Hasan, 2011). Penelitian

lain yang pernah dilakukan adalah rancang bangun alat pengering ubi kayu type rak dengan

memanfaatkan energy surya, dari hasil penelitian bahwa efisiensi alat 61,47 % untuk

menurunkan kadar air ubi kayu dari 38% menjadi ± 14% (Thamrin, 2011)

Ekadewi A. Handoyo, dkk., (2012) desain dan pengujian system pengering ikan

bertenaga surya dari hasil penelitian untuk menurunkan kadar air ikan dari 60% menjadi 38%

dibutuhkan waktu 6 jam. Alat pengering banyak digunakan para nelayan tradisional untuk

mengeringkan hasil tangkapannya. Alternatif ini dilakukan karena biasanya mereka melaut

selama beberapa minggu bahkan berbulan-bulan. Pada prinsipnya alat pengering surya dapat

dimanfaatkan pada kapal-kapal nelayan untuk mengawetkan hasil tangkapannya. Solusi lain yang akan

diupayakan adalah pengering ikan dengan memanfaatkan energi panas gas buang mesin yang digunakan sebagai

penggerak kapal nelayan.

Sesuai dengan permasalahan yang di rumuskan maka tujuan yang ingin dicapai pada

penelitian ini adalah mengetahui pegaruh prestasi mesin Diesel terhadap efektivitas heat

exchanger aliran silang (Cross Flow) dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel

dan efisiensi pengeringan.

METODE PENELITIAN

Lokasi dan Rancangan Penelitian

Penelitian dilaksanakan di Central Workshop Universitas Hasanuddin Makassar.

Penelitian ini dirancang dengan metode eksperimental.

Metode Pengumpulan data

Metode pengumpulan data yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan cara

sebagai berikut :Pembuatan heat exchanger, Pengambilan data pada pengujian heat

exchanger, Studi kepustakaan.

Analisis Data

Data yang yang diperoleh kemudian dicatat berdasarkan waktu yang telah ditentukan

dan dianalisis dengan menggunakan rumus yang berlaku untuk masing-masing data.

HASIL Analisa Perhitungan Seksi Gas Buang (fluida panas) diluar pipa

Koefisien perpindahan panas pada gas buang (hi) merupakan perpindahan panas secara

konveksi paksa yang dapat dihitung dengan menggunakan temperatur film gas buang ( Tg).

Dimana temperatur film gas buang dapat diperoleh dari rata-rata temperatur borongan gas

buang dengan temperatur dinding pipa pada destilator.

Temperatur borongan gas buang :

푇 =푇 + 푇

2

푇 =(148,8 + 95,92)

2 = 122,36℃

Komposisi gas buang diasumsikan adalah karbon dioksida (CO2), maka sifat-sifat fisik

dapat dievaluasi pada temperatu Tf = 122,36oC sebagai berikut :

ρ = 1,3604 kg/m3 µ = 19,12 x 10-6 kg/m.s

Cp = 0,9381 kJ/ kg 0C Pr = 0,7396 Prs = 0,742

k = 0,0242 W/ m 0C v = 14,09 x 10-6 m2/.s

Laju aliran massa gas buang

푚̇ = 휌.푈 .푁. 푆 .퐿

푚̇ = 1,3604x10,7푥2푥0,041푥0,615

푚̇ = 0,734kgs

Bilangan Reynolds

푅푒 = 휌.푈 . 푑

휇

푈 = 푆

(푆 − 푑 )푥푈

Dimana :

Sp = Sn = 4,1 cm = 0,041 m

푈 = 0,041

0,041− 0,0272 푥10,7

푈 = 31,7898푚/푠

푅푒 = 1,3604x31,7898x. 0,0272

19,12x10− 6

푅푒 = 61510,644

Bilangan Nuselt

Bilangan Nuselt untuk konveksi paksa aliransilang melintasi rangkunan tabung / pipa

menggunakan persamaan berikut :

푁푢 = ℎ . 푑푘 = 퐶푥푅푒 푥푃푟 , 푃

푃

Dimana :

퐶 = 0,278푑푖푚푎푛푎푆푑 = 1,5

푛 = 0,62푑푖푚푎푛푎푆푑 = 1,5

푁푢 = 0,278푥(61510,644) , 푥(0,7396) , 0,73960,742

,

푁푢 = 233,0

Koefisien perpindahan panas

ℎ = 233,0푥0,02985

0,0272 = 207,521푊

푚 ℃

Seksi udara (fluida dingin) di dalam pipa

Koefisien perpindahan panas didalam pipa dimana terjadi konveksi

paksasehingga,untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada pipa,maka sifat-sifat

fluida dievaluasi berdasarkan :

푇 =(푇 + 푇 )

2

푇 =(43,82 + 90,2)

2 = 67℃

Dari table diperoleh :

µ =2,02932 x 10 -5kg/m.s ρ = 1,03382 kg/m3

k = 0,029273 W/ m 0C Cp = 1,008341 kJ/kg OC

Pr= 0,6992

Bilangan Reynolds

푅푒 = 휌.푈 .푑

휇

푅푒 = 1,03382.1,8.0,0254

2,02932x10 − 5

푅푒 = 2329,172

Dimana kecepatan udara : 1,8 m/s

Bilangan Nuselt

Bilangan Nuselt untuk konveksi paksa aliran didalam tabung / pipa menggunakan persamaan

berikut :

푁푢 = ℎ . 푑푘 = 0,023푥푅푒 , 푥푃푟

Dimana :

푛 = 0,3

푁푢 = ℎ . 푑푘 = 0,023푥2329,172 , 푥0,6992 ,

푁푢 = ℎ . 푑푘 = 10,206

Koefisien perpindahan panas

ℎ푖 = 푁푢. 푘푑푖

ℎ푖 = 10,206.0,029273

0,0254

ℎ푖 = 11,763푊/푚℃

Koefisien perpindahan panas menyeluruh ( U )

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( U ) dihitunga dengan persamaan :

푈 = 1

.+

.푥푙푛 +

푈 = 1

,, ,

+ ,

푥푙푛 ,,

+ ,

푈 = 11,0887W/m2 0C

a. Selisi temperatur logaritma rata-rata ( LMTD)

Selisi temperatur logaritma rata-rata dihitung dengan menggunakan persamaan :

∆푇 =∆푇 −∆푇

푙푛 ∆∆

∆푇 = 푇 , − 푇 , = (148,8− 90,2) = 58,6℃

∆푇 = 푇 , − 푇 , = (95,9− 43,8) = 52,1℃

LMTD

∆푇 , =∆푇 − ∆푇푙푛(∆푇 ∆푇⁄ ) =

58,6 − 52,1푙푛(58,6 52,1⁄ )

Sehingga diperoleh :

∆푇 == 55,278℃

Luas perpindahan panas total

Luas permukaan perpindahan panas total sekali lintas dapat diperoleh dari perkalian luas

permukaan bagian luar ( π.do.L) dikali dengan jumlah pipa (n).

퐴 = 휋푥푑 푥퐿푥푛

퐴 = 휋푥0,0272푥0,615푥16

퐴 = 0,84178푚

Perpindahan panas total pada heat exchanger

Perpindahan panas total pada heat exchanger merupakan kalor maksimum yang dapat

dimanfaatkan memanaskan udaradihitung dengan persamaan :

Qtotal = Atot x U x LMTD

= 0,84178 x 11,0887x 55,278

= 516 W

= 0,516 kW

Efektifitas heat exchanger

∈= 1 − 푒푥푝푒푥푝(−푁푇푈푥퐶푥(푁푇푈) , − 1)

퐶푥(푁푇푈) ,

Dimana :

퐶 = 푚̇ 푥퐶푝 = 0.0151푥1,008341 = 0,015푘푊/ 퐶

Dimana laju aliran massa udara :

푚̇ = 휌.푈 .휋4 푑 .푁

푚̇ = 1,03382. 1,8.휋4 0,0254 . 16

푚̇ = 0,0151푘푔/푠

퐶 = 푚̇ 푥퐶푝 = 0,734푥0,9381 = 0,6886푘푊/ 퐶

Jadi Cmin = Cc = 0,015 kW/0C

푐 = 퐶퐶 =

0,0150,6886 = 0,0221

푁푇푈 = 푈푥퐴퐶 =

11,0887푥0,83360,015x1000 = 0,6138

Dari nilai c dan NTU dapat ditentukan efektifitas heat exchanger dimana :

∈= 1 − 푒푥푝푒푥푝(−0,6138푥0,0221푥(0,6138) , − 1)

0,0221푥(0,6138) ,

∈= 70,61%

Perhitungan ProsesPengeringan

Dalam perhitungan ini digunakan data pada hasil pengujian dengan putaran mesin 2000

rpmdimana untuk satu kali pengujian 6 sampel yaitu :

Pengeringan ini untuk mengurangi kadar air ikan bandeng dari 76% menjadi 20%, sehingga

banyaknya air yang harus dikurangi dalam 0,8018kg ikan bandeng basah adalah 76% - 20% =

56%, sedangkan banyak air yang terkandung dalam 0,8018 kg ikan bandeng basah adalah

56% x 0,8018 kg = 0,449 kg.Maka banyaknya air yang harus dikurangidalam 0,8018 kg ikan

adalah56% x 0,449 kg = 0,25 kg.

Penurunan kadar air produk selama proses pengeringan.

Prosentase kadar air basis basah adalah :

푚 = 0,449

0,9447 푥100%

푚 = 47,53%

Prosentase kadar air basis keringadalah :

푚 = 0,449

(0,449 + 0,9447) 푥100%

푚 = 32,22%

Jumlah air yang menguap adalah sebagai berikut :

푚 = 801,8− 765,1

푚 = 0,0367푘푔

Energi yang digunakan untuk menguapkan air dihitung dengan menggunakan persamaan :

푄 = 0,0367푥2337,96

푄 = 85,8푘퐽

Sehingga untuk pengujian selama 90 menit maka :

푄 =85,8푘퐽

90푥60푠 = 0,0159푘푊

Energi udara dihitung dengan menggunakan persamaan :

푄 = 0,0151푥1,00834(90,2− 46,6)

푄 = 0,664푘푊

Efisiensi pengeringan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

휂 =0,01590,664 푥100%

휂 = 2,4%

Untuk perhitngan pada putaran mesin 1600 rpm , 1800 rpm, 2000 rpm dan 2200 rpm dapat

dilihat pada tabel hasil perhitungan (lampiran).

PEMBAHASAN

Konsumsi bahan bakar dan kalor bahan bakar naik seiring dengan bertambahnya

putaran mesinyaitu pada putaran 1600 rpm konsumsi bahan bakar 0,58 kg/jam sedangkan

kalor bahan bakar 6,7457 kJ/s, pada putaran 1800 rpm konsumsi bahan bakar 0,6960 kg/jam

sedangkan kalor bahan bakar 8,0949 kJ/s, pada putaran 2000 rpm konsumsi bahan bakar

0,8120 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 9,4440 kJ/s, pada putaran 2200 rpm konsumsi

bahan bakar 0,9280 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar 10,7932 kJ/s dan pada putaran

maksimum 2400 rpmkonsumsi bahan bakar 1,102 kg/jam sedangkan kalor bahan bakar

12,8169 kJ/s.

Laju aliran massa gas buang dan efektifita heat exchanger naik seiring dengan

bertambahnya putaran mesin yaitu pada putaran 1600 rpm laju aliran massa gas buang

0,6064 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 70,09% , pada putaran 1800 rpm laju aliran

massa gas buang 0,6828 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 70,12%, pada putaran

2000 rpm laju aliran massa gas buang 0,7341 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger

70,61%, pada putaran 2200 rpm laju aliran massa gas buang 0,8370 kg/s sedangkan

efektifitas heat exchanger 70,96%, dan pada putaran maksimum 2400 laju aliran massa gas

buang 0,9149 kg/s sedangkan efektifitas heat exchanger 71,29%.

Hasil perhitungan efisiensi pengeringan nampak pula bahwa efisiensi pengeringan

cenderung menurun seiring dengan naiknya putaran mesin dimana pada putaran mesin 1600

rpm efisiensi pengeringan 11,471%, pada putaran mesin 1800 rpm efisiensi pengeringan

3,87%, pada putaran mesin 2000 rpm efisiensi pengeringan 2,394%, pada putaran mesin 2200

rpm efisiensi pengeringan 2,579% dan pada putaran mesin 2400 rpm efisiensi pengeringan

2,42%.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas

suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap, pertama panas akan mengalir

dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang

berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energi dalam partikel-partikel

fluida ini. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free

convection) dan konveksi paksa (forced convection). Jika gerakan fluida berlangsung semata-

mata sebagai akibat dariperbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu maka

prosesnya disebut konveksi bebas. Dan jika gerakan fluida itu disebabkan oleh suatu alat dari

luar seprti pompa atau kipas maka prosesnya disebut konveksi paksa (Anonim, 2000; Kays,

dkk.,1993,Kreith, F., 1991)

Kalor penguapan mengalami penurunan dari putaran mesin 1600 rpm kalor penguapan

0,044 kJ/s, putaran mesin 1800 rpm kalor penguapan 0,019 kJ/s, putaran mesin 2000 rpm

kalor penguapan 0,016 kJ/s sedangkan pada putaran mesin 2200 kalor penguapan naik

menjadi 0,023 kJ/sdan putaran mesin 2200 kalor penguapan naik menjadi 0,028 kJ/s.Hasil

perhitungan serta grafik 7 nampak bahwa kadar air basis kering menurun seiring dengan

bertambahnya putaran mesin yaitu pada putaran 1600 rpm kadar air basis kering 35,9%, pada

putaran 1800 rpm kadar air basis kering 33,39%, pada putaran 2000 rpm kadar air basis

kering 32,22%, pada putaran 2200 rpm kadar air basis kering 31,20%, dan pada putaran

maksimum 2400 kadar air basis kering 29,68%

DAFTAR PUSTAKA Anonim. (2011). EDUCATION. Pengeringan Ikan.

http://kuliahitukeren.blogspot.com/2011/12/pengeringan-ikan.html. Diakses Nopember 2011.

Anonim. (2000). PENGOLAHAN PANGAN. Ikan Asin Cara Penggaraman Basah.

http://www.warintek.ristek.go.id/pangan kesehatan/pangan/piwp/ikan_asin_kering.pdf. Diakses Maret 2000.

Ekadewi A. Handoyo, dkk. (2012). Disain dan PengujianSistem Pengering Ikan Bertenaga

Surya. http://fportfolio.petra.ac.id/user files/91-021/Pengering%20Ikan.pdf. Diakses pada tanggal 15 Maret 2012.

Hasan, Achmad. (2010). Penelitian Pemanfaatan Langsung Sumber Energi Panas Bumi

Untuk Pengeringan Kakao (Cokelat). (www.google.com, diakses pada tanggal 15 Maret 2011)

Heywood J.B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill. New York Holman.J.P. (1997).Perpindahan Kalor. Erlangga. Jakarta Kakac, S. and Liu.H. (1998). Heat Exchangers Selection, Rating, and Thermal Design.CRC

Press. Boca Raton Boston London New York Washington,D.C. Kays, W.M. and Crawford. M.E. (1993). Convective Heat and Mass Transfer. McGraw-

Hill,Inc., New York Kreith, F. (1991). Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas. Erlangga. Jakarta Nurhabibi,Ihsan. (2010) Pemanfaatan Energi Batok Kelapa Untuk Pengeringan Kakao

(Theobroma Cacao L) pada Alat Pengering Tipe Rak (Tray Dryer). http://repository.unand.ac.id/5740/1/Tesis.pdf., Diakses pada tanggal 15 Maret 2011.

Ozisik, M.N. (1980). Heat Conduction. John Wiley & Sons, New York Pinem, Muhammad Daud. (2004). Rancang Bangun Alat Pengering Ikan Teri

Kapasitas 12 kg/jam http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/15829/1/sim-des2004-%20(10).pdf. Diakses Desember 2004.

Thamrin, Ismail. (2010). Rancang Bangun Alat pengering Ubi Kayu Tipe Rak dengan

Memanfaatkan Energi Surya. http://eprints.unsri.ac.id/109/1/Pages_from_PROSIDING_AVOER_2011-6.pdf. Diakses pada tanggal 15 Maret 2011.

Yani, Endri and Abdurrachim, Abdurrachim and Pratoto, Adjar (2009).. Analisis Efisiensi Pengeringan Ikan Nila Pada Pengering Surya Aktif Tidak Langsung. http://repository.unand.ac.id/1141/1/_26-33_endri_yani.pdf. Diakses pada bulan April 2009.

LAMPIRAN

Tabel 1. Hasil Pengujian dengan Putaran Mesin 2000 Rpm dimana untuk Satu Kali

Pengujian 6 Sampel

No Berat Sampel

(gram)

Sampel Jumlah

1 2 3 4 5 6 7

1 Awal 140,1 128,5 146,3 134,4 137,6 114,9 801,8

2 Akhir 134,9 119,8 140,5 127,1 132,7 110,1 765,1