## Jurnal Asiimetrik: Jurnal Ilmiah Rekayasa Dan Inovasi
Terakreditasi “ Peringkat 4” oleh Kemenristek/BRIN, Nomor SK: 200/M/KPT/2020 Volume 3 Nomor 2 Tahun 2021, Juli 2021, Halaman 215-220.
Website : http://journal.univpancasila.ac.id/index.php/asiimetrik/
Pengaruh Laju Aliran Fluida Helical Coil Terhadap Efektivitas Kondensor Minyak Atsiri Cengkeh Berbasis Shell
Effect Flow Rate of Helical Coil on The Effectiveness of Shell-Based Clove Essential Oil Condenser
Cendy S.E Tupamahu * dan Sefnath J. E. Sarwuna Universitas Pattimura, Jln M. Putuhena, Fakultas Teknik Unpatti, Indonesia

## Informasi artikel
Diterima:
17/06/2021 Direvisi: 30/06/2021 Disetujui: 02/07/2021

## Abstract
One of the main tools in the process of making essential oils is a condenser. The simple use of condensers is still used for essential oil processing by small business groups of Clove essential oil in Suli Village, Central Maluku. This is what  encourages  this  research  to  be  carried  out.  This  research  includes designing  and  testing  the  condenser  model  using  COMSOL  Multiphysics  4.5 Software to determine the optimal efficiency of the condenser by varying the mass flow rate of cold fluid on the shell side. The condenser used in this study is a helical coil condenser where hot fluid flows on the tube side and cold  fluid  flows  on  the  shell  side.  Tube  and  shell  materials  are  made  of stainless steel 304, with a tube diameter of 1.905 cm, shell diameter 30 cm, shell height 57 cm, coil diameter 24 cm, coil height 50 cm. mass flow rate variations of 0.25, 0.51, 0.76, 1.01, and 1.26 kg / s. The results showed that the effectiveness of the condenser was effective at the mass flow rate m ̇ = 1.26 kg/s where the effectiveness ( ɛ ) was 91%.
Keywords: flow rate, helical coil, condenser, effectiveness.

## Abstrak
Salah satu alat utama dalam proses pembuatan minyak atsiri yaitu kondensor. Penggunanaan  kondensor  secara  sederhana  masih  digunakan  untuk pengolahan  minyak  atsiri  oleh  para  kelompok  usaha  kecil  minyak  atsiri Cengkeh  di  Desa  Suli,  Maluku  Tengah.  Hal  inilah  yang  mendorong  untuk dilakukan penelitian ini. Penelitian ini meliputi perancangan serta pengujian model  kondensor  menggunakan Software  Comsol Multiphysics 4.5,  untuk mengetahui  Efisiensi  Optimal  dari  Kondensor  dengan  memvariasikan  laju aliran  massa  fluida  dingin  pada  sisi shell .  Kondensor  yang  digunakan  pada penelitian ini adalah jenis kondensor helical coil dimana fluida panas mengalir pada sisi tube dan fluida dingin mengalir pada sisi shell . Bahan tube dan shell terbuat dari stainless steel 304, dengan diameter tube 1,905 cm, diameter shell 30 cm, tinggi shell 57 cm, diameter coil 24 cm, tinggi coil 50 cm. variasi laju  aliran  massa  0,25,  0,51,  0,76,  1,01,  dan  1,26  kg/s.  Hasil  penelitian mendapatkan efektivitas kondensor yang efektif pada laju aliran massa m ̇ = 1,26 kg/s yang mana efektivitasnya( ɛ ) sebesar 91%.
Kata Kunci: laju aliran fluida, helical koil, kondensor, efektifitas.
* Penulis Korespondensi. Tel: - ; Handphone: - email : tupamahucendy@gmail.com

## 1. PENDAHULUAN
Cengkeh (Syzygium aromaticum)
merupakan tanaman asli Indonesiayang pada bagian  bunga,  batang  dan  gagangnya terdapat minyak atsiri yang dapat digunakan untuk  berbagai  keperluan,  misalnya  pada dunia  industri  seperti  industri  kosmetik, obat-obatan, makanan dan minuman (Grush dkk.,  2004).  Untuk  mendapatkan  minyak atsiri,  umumnya  diproses  secara  destilasi metode dikukus (water and steam distillation),  dimana  komponen-komponen destilasi terdiri dari ketel, kondensor, tangki pendingin,  separator,  dehidrator,  dan penampung  minyak  (Pratiwi,  dkk.,  2016) Kondensor  merupakan  salah  alat  yang digunakan  untuk  penukar  panas  (heat exchanger)  antara  fluida  panas  dan  fluida dingin  secara  terpisah  atau  tidak  saling bercampur.  Proses  perpindahan  panas  yang terjadi  diantara  fluida  panas  dan  fluida dingin  menyebabkan  terjadinya  kondensasi (Mafruddin,  dkk., 2017).
Beberapa  penelitian  terdahulu  telah membahas  sistem  destilasi  minyak  atsiri, antara lain; Analisis pengaruh masukan panas terhadap  karakteristik  proses  destilasi minyak  atsiri  cengkeh  (Titahelu,  2019). Penelitian tersebut diatas menggunakan pipa kondensor lurus, dimana temperatur kondensat  atau  minyak  atsiri  saat  keluar masih cukup tinggi dalam kisaran 35-45 oC. Penelitian  lain  yang  membahas  kondensor diantaranya rancang bangun kondensor pada sistem  destilasi  uap  minyak  atsiri  dengan metode  aliran  silang  berbahan  baku  daun serai wangi (Roiyan, 2018).
Penelitian  terkait  helical  coil  antara lain:  Numerical  investigation  of  vertical helically  coiled  tube  heat  exchangers (Mirgolbabaei,  2018)  dilakukan  metode simulasi dimana fluida air pada sisi tube dan fluida air pada sisi shell. Material tube yang digunakan  adalah  tembaga.  Mekanisme perpindahan panas pada penukar kalor pipa heliks didapati bahwa efektivitas perpindahan panas pada penukar kalor pipa
heliks  sangat  tinggi  karena  gerakan  aliran sekunder  yang  tegak  lurus  terhadap  aliran (Xu, dkk., 2018).
Penelitian  terkait  pengaruh  kecepatan dan sifat fluida pendingin terhadap koefisien perpindahan  kalor  pada  penukar  kalor  shell and  tube  (Lazim,  2013).  Hasilnya  dengan penambahan laju aliran fluida pendingin laju perpindahan  kalor  yang  terjadi  akan meningkat  sehingga  koefisien  perpindahan kalor  keseluruhan  juga  akan  meningkat (Lazim,  2013).  Permodelan  alat  distilasi untuk  penyulingan  minyak  nilam  telah dilakukan  menggunakan  software  Ansys Fluent R 14,5. Dengan kondisi temperatur air pendingin  masuk  25 o C,  air  pendingin  keluar 37 o C, suhu awal kondensat 100 o C, dan suhu akhir kondensar 25-30oC. data input berupa suhu steam 100 o C dan tekanan 2 bar (Turmizi dkk, 2018).
Berdasarkan  penelitian  terdahulu  dan survei sistem destilasi minyak atsiri Cengkeh di  desa  Suli,  Maluku  Tengah,  para  pelaku usaha  minyak  atsiri  cengkeh  masih menggunakan kondensor pipa lurus. Adapun kelemahan  dalam  menggunakan  kondensor pipa  lurus  yaitu  temperatur  keluaran (kondensat) masih sangat tinggi. Hal tersebut menunjukan  bahwa  efektivitas  kondensor pada sistem destilasi belum optimal, dimana efektivitas  merupakan  parameter  dari karakteristik destilasi.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengoptimalkan efektivitas kondensor sistem  destilasi  minyak  atsiri  cengkeh  salah satu parameter yang berpengaruh ialah laju aliran  massa.  Laju  aliran  massa  merupakan banyaknya  massa  fluida  yang  masuk  per satuan  waktu.  Pada  penelitian  ini  kita memvariasikan laju aliran massa fluida dingin 0,25, 0,51, 0,76, 1,01, dan 1,26 kg/s, untuk helical  coil  p/d  4  cm.  Komponen  destilasi didesain  mengikuti  komponen-komponen yang  beroperasi  di  lapangan  dan  akan  di simulasi-kan  dengan  menggunakan software COMSOL  Multiphysics untuk  mendapatkan efektifitas kondensor berbasis shell .

## 2. METODOLOGI
Lokasi  Penelitian  Dan  Spesfikasi  Alat  dan Bahan
Penelitian  ini  dilaksanakan  pada  lab. Termodinamika  dan  Perpindahan  Panas, Fakultas  Teknik  Universitas  Pattimura. Survey  dilakukan  di  Desa  Suli,  Maluku Tengah. Desain sistem destilasi minyak atsiri dapat  diliat  pada  gambar  1.  Material tube dan shell yaitu stainless steel 304, parameter penelitian dapat dilihat pada tabel 1.
Gambar 1. Sistem destilasi minyak atsiri
Tabel 1. Parameter penelitian
Parameter Ukuran (cm) Diameter shell 30 Tinggi shell 57 Diameter tube 1,905 Diameter koil 24 Tinggi koil 50 Pitch 4
Gambar 2. Desain kondensor helical coil
Gambar  2  menampilkan  desain  dari kondensor helical coil yang digunakan dalam sistem destilasi minyak atsiri.

## Teknik Pengumpulan Data
Teknik  pengumpulan  data  melalui simulasi  menggunakan  COMSOL  Multiphysics 4.5,  dengan  variasi  laju  aliran  massa kemudian dilakukan iterasi hingga konvergen. Kemudian dilakukan perhitungan karakteristik  perpindahan  panas  untuk mendapatkan  efisiensi  kondensor  berbasis shell.

## Teknik Analisa Data

## Perhitungan Sisi Tube
a. Bilangan Rayleigh (Ra,t).
Transisi dari sebuah konveksi pada batas antar  lapisan  tergantung  dari  relavitas gaya  tarik  menarik  dari  gaya  buoyancy dan  kekentalan  di  dalam  fluida.  Hal  ini biasanya berkorelasi dan disebut bilangan Rayleigh (Ra). Menurut (Fernández-Seara, dkk.  2014)  bilangan  Rayleigh  (Ra)  dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Ra = !"($ ! %$ " )' # (² * $ ×, - (1)
b. Bilangan Nusselt (Nu,t).
Menurut  Hamdeh  (Hamdeh,  2020), bilangan Nusselt untuk helical koil adalah
𝑁𝑢 ! = 0.0779(𝑅𝑎) ".$%& - ' () . ".*+, - - () . ".$*$
- . () . ".*"+ (2)
c. Koefisien perpindahan panas konveksi. Koefisien  perpindahan  panas  konveksi didefinisikan sebagai,
ℎ = !" ! .  % & (3)

## Perhitungan Sisi Shell
a. Bilangan Reynold (Re,s). Menurut  Hamdeh  (Hamdeh,  2020), bilangan Reynold untuk helical coil adalah
𝑅𝑒 = . ! ' ! , ! (4)
b. Bilangan Nusselt (Nu,s).
Menurut  Tuncer  (Tuncer,  dkk.,  2021), bilangan  Nusselt  pada  sisi shell dapat dihitung menggunakan persamaan berikut
𝑁𝑢, ' = 0.6(𝑅𝑒, 𝑐) (.) (𝑃𝑟) (.*+ (5)
c. Koefisien  Perpindahan  Panas  Konveksi (h, s). Koefisien  perpindahan  panas  konveksi pada  sisi  shell  (ho),  Menurut  Fernández- Seara (Fernández-Seara, dkk. 2014) dapat didefinisikan sebagai berikut:
ℎ , = -. ,# .  % & (6)
Koefisien  Perpindahan  Panas  Menyeluruh (U)
Menurut  Ali  (Ali,  1994),  koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) menggu- nakan persamaan berikut:
+ / $ = 0 %$ 0 %% 1 % + 0 %$ 23(5 $ 5
% ⁄ ) 89% & + + 1 $ (7)
Beda  Temperatur  Rata-rata  Logaritma (LMTD).
Menurut  Sheeba  (Sheeba,  dkk.,  2019), besarnya beda temperatur rata-rata logaritma (LMTD) menggunakan persamaan:
𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆;8<∆;+ =>?∆;8 ∆;+ @ A = (;BC<;DE)<(;BE<;DC) =>((;BE<;DE)⁄(;BE<;DC)) (8)
Efektivitas ( ɛ )
Perhitungan  kinerja  adalah  salah  satu masalah khusus dalam analisis penukar kalor. Rasio  perpindahan  panas  actual  terhadap perpindahan  panas  maksium  yang  mungkin terjadi  didefinisikan  sebagai  efektivitas penukar  kalor  ( ε )  dan  pada  umumnya digunakan sebagai pendekatan untuk menganalisis  kinerja  penukar  kalor  (Yan, dkk., 2020)
𝜀 = F '(!)'* F +', (9)
• Laju Perpindahan Panas Aktual (Q Actual ):
𝑄 G%H"G2 = UA D &IJK (10)
• Laju  Perpindahan  Panas  maksimum (Q Maz ):
𝑄 LGM =   𝐶 LN3 ( 𝑇 1,N3 − 𝑇 1,P"H ) (11)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  komponen  kondensor helikal koil dengan memvariasikan laju aliran massa memperlihatkan data point temperatur masuk dan keluar fluida pada sisi shell dan sisi tube yang disajikan dalam tabel 2.
Tabel 2. Data point simulasi komponen kondensor helikal koil 𝒎̇ (kg/s) Thi (K) Tho (K) Tci( K) Tco (K) 1.26 373.15 294.569 293.2 300.053 1.01 373.15 294.929 293.2 297.085 0.76 373.15 295.527 293.2 295.585 0.51 373.15 297.030 293.2 294.987 0.25 373.15 299.998 293.2 294.627
Hasil  perhitungan  karakteristik  per- pindahan  panas  konveksi  pada  komponen kondensor  helikal  koil  untuk  kelima  variasi laju  aliran  massa  dilakukan  terhadap; bilangan  Rayleigh  (Ra),  bilangan  Reynold (Re),  bilangan  Nusselt  (Nu),  koefisien konveksi  (h),  koefisien  perpindahan  panas menyeluruh (U), efektivitas ( ɛ ).
Tabel 3. Hasil perhitungan Rayleigh (Ra) m (kg/s) Ra Nu,t hi (W/m^2.K) 0,25 23375 8,648 2,67 0,51 23720 8,683 2,68 0,76 24186 8,730 2,69 1,01 25210 8,840 2,73 1,26 27828 9,073 2,80 Tabel 4. Hasil perhitungan Reynold (Re) Re Nu,s ho (W/m^2.K) 235,433  16,964 17,963 466,164  23,830 25,244 687,857  28,864 30,599 881,125  32,429 34,445 1022,0 34,4 36,677
Tabel 5. Hasil perhitungan Efektivitas ( ɛ ) m (kg/s) Ra Nu,t 0,25 23375 8,648 0,51 23720 8,683 0,76 24186 8,730 1,01 25210 8,840 1,26 27828 9,073
Hasil analisis simulasi kelima variasi laju aliran  massa  fluida  dingin  menunjuk-kan bahwa  terjadi  kenaikkan  pada  nilai efektivitas  ( ɛ )  seiring  dengan  meningkatnya laju aliran massa, dengan nilai efektivitas ( ɛ ) tertinggi  yakni  0,91  (91%)  ditunjukan  pada variasi laju aliran massa = 1,26 kg/s dan nilai efektivitas  ( ɛ )  terendah  yakni  0,78  (78%) ditunjukan pada variasi 𝑚̇ = 0,25 kg/s seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Kenaikkan nilai efektivitas  diakibatkan  oleh  semakin  besar laju  aliran  massa  ( 𝑚̇ )  dengan  temperatur masuk  fluida  dingin  (Tci)  kontasn  273,15  K, maka  terjadi  kenaikkan  pada  keseluruhan nilai karakteristik perpindahan panas Ra, Re, Nu, h, U dan ɛ. Hal ini juga sesuai dengan data point  yang  ditunjukan  tabel  2  untuk  plot temperatur  masuk  dan  keluaran,  dan  hasil perhitungan  pada  tabel  3,  4  dan  5  Hal  ini mengindikasikan  bahwa  nilai  laju  aliran massa 𝑚̇ mempengaruhi efektivitas kondensor.
Gambar 3. Grafik Efektivitas
Sebagai  pembanding  penelitian  ini dengan  penelitian  terdahulu,  digunakan parameter  yakni  bilangan  Nusselt  pada  sisi shell yang  ditunjukkan  pada  Gambar  4.
Dimana penambahan  laju  aliran  fluida pendingin  laju  perpindahan  kalor  yang terjadi  akan  meningkat  sehingga  bilangan Nusselt  dan  berdampak  pada  kenaikkan koefisien  perpindahan  kalor  keseluruhan (Lazim, 2013).
Trend  grafik  bilangan  Nusselt  yang dilakukan  secara  eksperimen  oleh  Lazim (Lazim,  2013)  memiliki  kesamaan  yakni kenaikkan  nilai  bilangan  Nusselt  semakin meningkat seiring dengan meningkatnya nilai laju  aliran  massa  yang  dapat  dilihat  pada table 3 dan 5.
Gambar 4. Grafik laju aliran massa vs Nu (Lazim,
2013)

## 4. SIMPULAN
Dari hasil penelitian dengan variasi laju aliran massa 𝑚̇ = 0,25; 0,51; 0,76; 1,01; 1,26 kg/s  dengan  temperatur  masuk  fluida konstan, dapat disimpulkan bahwa
efektivitas  kondensor  helical  coil  semakin optimal apabila nilai 𝑚̇ semakin besar. Hal ini ditunjukan dengan nilai efektivitas tertinggi terjadi  pada 𝑚̇ =  1,26  kg/s,  dimana efektivitas  kondensor  helical  coil  dapat mencapai nilai 0,91 (91 %).

## DAFTAR PUSTAKA
Fernández-Seara,  J.,  Piñeiro-Pontevedra,  C.  dan Dopazo, J.A., 2014. On the performance of a vertical  helical  coil  heat  exchanger. Numerical model and experimental validation. Applied thermal engineering , 62 (2), hal. 680-689. Grush, J., Noakes, D.L.G. dan Moccia, R.D., 2004. The efficacy of clove oil as an anesthetic for the zebrafish, Danio rerio
(Hamilton). Zebrafish , 1 (1), hal. 46-53.
Hamdeh,  Abu,  N.H.,  Bantan,  R.A.  dan  Tlili,  I., 2020. Analysis of the thermal and hydraulic performance of the sector-by-sector helically  coiled  tube  heat  exchangers  as  a new type of heat exchangers. International Journal of Thermal Sciences , 150 , hal.106229. Lazim,  M.,  2013.  Pengaruh  Kecepatan  Dan  Sifat Fluida Pendingin Terhadap Koefisien Perpindahan Kalor Pada Penukar Kalor Shell And Tube. Jurnal Desiminasi Teknologi , 1 (1). hal. 50-58.
Mafruddin,  M.,  Dharma,  U.S.  dan  Nuryanto,  A., 2017.  Pengaruh  Geometri  Pipa  Kondensor Terhadap  Perpindahan  Panas  Pada  Destilasi Minyak Plastik. Turbo: Jurnal Program Studi Teknik Mesin, 6(2). hal. 193-197 Mirgolbabaei, H., 2018. Numerical investigation of vertical helically coiled tube heat exchangers  thermal  performance. Applied thermal engineering , 136 , hal. 252-259. Pratiwi, L., Rachman, M.S. dan Hidayati, N., 2016.
Ektraksi  minyak  atsiri  dari  bunga  cengkeh dengan  pelarut  etanol  dan  N-Heksana.
In University Research Colloquium. Universitas Muhammadiyah, Surakarta . Titahelu,  N.  2019.  Analisis  Pengaruh  Masukan Panas Terhadap Karakteristik Proses Destilasi Minyak Atsiri
Cengkeh (Syzygium aromaticum). Prosiding  Seminar  Nasional
ALE ke-2 tahun 2019 . hal. 70-75.
Tuncer,  A.D.,  Sözen,  A.,  Khanlari,  A.,  Gürbüz, E.Y.  dan  Variyenli,  H. İ .,  2021.  Analysis  of thermal  performance  of  an  improved  shell and helically coiled heat exchanger. Applied Thermal Engineering , 184 , hal.116272.
Turmizi  dan  Hamdani.,  2018.  Permodelan  alat Distilasi  Untuk  Penyulingan  Minyak  Nilam. Jurnal  Inovtek  POLBENG ,  Vol.8,  No.1,  hal. 10-14.
Xu, X., Zhang, Y., Liu, C., Zhang, S. dan Dang, C., 2018.  Experimental  investigation  of  heat transfer  of  supercritical  CO2  cooled  in helically  coiled  tubes  based  on  exergy analysis. International Journal of Refrigeration , 89 , hal.177-185.
Yan, S.R., Moria, H., Pourhedayat, S., Hashemian,
M., Assadi, S., Dizaji, H.S. dan Jermsittiparsert,  K.,  2020.  A  critique  of effectiveness  concept  for  heat  exchangers; theoretical-experimental study.
International  Journal  of  Heat  and  Mass Transfer , 159 , hal.120160.