## Analisa Teoritis Laju Aliran Kalor Pada Ketel Uap Pipa Api Mini Industri Tahu Di Tinjau Dari Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

## Legisnal Hakim
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Riau e-mail: legisnalhakim @umri.ac.id

## Abstrak
Ketel  uap  pada  industry  Tahu  merupakan  alat  pendukung  dalam  proses  pengolahan  tahu,  yang  secara tidak  langsung  menjadi  bagian  yang  terpenting  untuk  meningkatkan  produktivitas  pengolahan  Tahu  di dunia  industry  kecil,  menengah  dan  besar  pada  pabrik  Tahu.  Pada  rancangan  ketel  uap  pipa  api  mini dari  PDP  1  (2014)  bahwa  laju  aliran  kalor  pada  pipa  api  belum  dilakukan  analisa  teoritis,  untuk  itu perlu  dilakukan  penghitungan  laju  aliran  kalor    berdasarkan  panjang  pipa,  diameter  pipa  atau  tebal pipa, serta konduktivitas thermal pada bahan pipa dan juga koefisien perpindahan panas, dari ketel uap pipa api mini ini bahwa terjadi perpindahan panas secara radiasi, konduksi dan konveksi. Dari PDP 1 sudah dihasilkan spesifikasi ketel dan modelnya, yaitu ketel uap pipa api dan berbentuk horizontal, yang memiliki  spesifikasi diameter  drum 1000 mm, panjang drum 1200 mm, tebal plat drum 5 mm, diameter pipa api 125 mm, tebal 2,5 mm, tebal tubesheet 5 mm, jarak antara pipa api  203,2 mm, diameter pipa nosel  25,4  dan  50,8  mm,  tebal  pipa  nosel  1,1  mm  dan  1,24  mm.  untuk  sumber  kalor  yang  di  gunakan adalah sumber kalor yang dihasilkan oleh dapur dari hasil rancangan PDP 2 ( 2016 dengan temperature dalam dapur diambil 980 0 C, laju perpindahan panas dalam dapur adalah 44 kW.
Kata kunci : Ketel uap, pipa api

## 1. Pendahuluan
Ketel  uap  pipa  api  ini  merupakan  ketel  uap yang diaplikasikan pada lokomotif dan menghasilkan  tekanan  paling  besar  10  kg/cm 2 , ketel  uap  ini  modelnya  adalah  horizontal  berarti panas  yang  mengalir  didalam  pipa  api  secara linier atau lurus horizontal, ketel juga merupakan alat  penukar  kalor,  sehinggan  prinsip  –  prinsip alat  penukar  kalor  juga  bisa  diaplikasikan  disini tentu laju aliran panas pada pipa horizontal pada saat panas mengalir dan mentransfernya kepermukaan pipa api bagian dalam yang terkena panas  mempengaruhi  waktu  perebusan  air didalam  drum  dan  juga  apakah  pemilihan  pipa dan  ukuran  diameter  pipa  sesuai  dengan pemakaian  atau  perancangan.  Dengan  diameter pipa  api  yang  direncanakan  125  mm,  tebal  2,5 mm dan temperature awal air 30 0 C, temperature uap  max.  150 0 C,  temperature  dapur  980 0 C dengan kapasitas panas 44 kW yang disebut juga sebagai  sumber  energi,    Apakah  pemilihan  pipa yang  belum  ditentukan  atau  penggunaan  pipa dapat  menghasilkan laju perpindahan panas pada pipa api dapat  diaplikasikan,  maka  untuk  perlu dilakukan  analisa  toeritis  perpindahan  panas untuk pemilihan pipa. Dengan tujuan mengetahui
laju  perpindahan  panas  pada  ketel  uap  pipa  api model horizontal.
Prinsip  –  prinsip  perpindahan  panas  pada ketel  uap  merupakan  prinsip  utama  dalam perancangan  dan  pengembangan  ketel  uap  dan juga  ketel  uap  merupakan  sebagai  alat  penukar kalor, karena ketel uap berfungsi mengubah fase media  cair  menjadi  fase  cair  jenuh,  fase  uap jenuh  dan  fase  uap  super  jenuh.  Dari  perubahan fase ini perlu energy untuk merubah enthalpy zat cair  untuk  menghasilkan  temperature  dan tekanan  dengan  meningkatkan  entalpi  melalui proses/siklus  tekanan  vs  volime  spesifik  dan temperature  vs  entropi  semua  bisa  dihasilkan melalui proses perpindahan panas. Ada beberapa prinsip perpindahan panas secara umum yaitu :
a. Konduksi
b. Konveksi
c. Radiasi
1.1. Konduksi.
Konduksi  adalah  perpindahan  kalor  melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan partikel- partikel zat, umumnya melalui zat padat. Faktor-
faktor  yang  mempengaruhi  laju  konduksi kalor : 1. Beda  suhu  antara  kedua  permukaan (∆T) makin  besar  beda  suhu,  makin  cepat perpindahan kalor.
2. Jarak  antara  kedua  permukaan  /tebal /panjang (l) ,  makin  tebal,  makin  lambat perpindahan kalor.
3. Luas permukaan (A) , makin luas permukaan makin cepat perpindahan kalor.
4. Konduktivitas  termal  zat (k) ,  merupakan ukuran  kemampuan  zat  menghantarkan kalor;  makin  besar  nilai  k,  makin  cepat perpindahan kalor.
Perpindahan panas konduksi steady state (tunak), koordinat satu dimensi meliputi antara lain :
 Bidang datar, koordinat kartesian (x,y,z)
 Selinder, koordinat selinder  (r, z, θ)
 Bola, koordinat bola (r, θ,  )
Laju  Konduksi  Kalor  dapat  dtuliskan  dengan persamaan menurut hukum Fourier :
( ) (1)
( )
Dimana : Q = Laju perpindahan panas per waktu ( W) k  = Konduktivitas thermal material (W/m. 0 C) A = Luas permukaan  bidang terkena panas (m 2 ) dT/dx  = Gradien suhu

## Konduktivitas Thermal (Daya Hantar Panas)
Adalah  sifat  bahan  yang  menunjukkan  seberapa cepat  bahan  itu  dapat  menghantarkan  panas konduksi Pada  umumnya  nilai  k  dianggap  tetap, namun sebenarnya nilai k dipengaruhi oleh suhu (T).  Konduktor  →  bahan  yang  mempunyai konduktivitas  yang  baik  Contoh  :  logam Isolator→bahan  yang  mempunyai  konduktivitas yang jelek Contoh : asbes
Perpindahan  Panas  Konduksi  pada  Silinder Berongga. Suatu  silinder  panjang  berongga dengan  jari-jari  dalam  r i ,  jari-jari  luar  r o dan panjang  L  dialiri  panas  sebesar  Q.  Suhu permukaan  dalam  T i dan  suhu  permukaan  luar T o .
Analogi listrik :
Gambar 1. Selinder dan analogi listrik
Aliran  panas  hanya  berlangsung  ke  arah  radial (arah  r)  saja.  Luas  bidang  aliran  panas  dalam system silinder ini adalah :
Ar = 2πrL
Sehingga hukum Fourier menjadi:
( )              ( ) (2)
Kondisi batas ( Boundary condition, BC) (i) r = r i T = T i (ii) r = r o T = T o
Dengan  kondisi  batas  di  atas,  persamaan  aliran panas untuk koordinat silinder adalah : (      ) ( ) (3) (4)
R th = Tahanan termal = ( ) ( ⁄ ) (5)
Jika D adalah diameter silinder maka :
Persamaan aliran panas dapat ditulis, (      ) (6)
Jika  diameter  dalam  silinder  (Di)  >  0,75 diameter  luar  (Do),  aliran  panas  bisa  dicari dengan :
(      ) ⁄ (      ) ⁄ (7)

## 1.2. Konveksi.
Konveksi    (aliran)  adalah  perpindahan  kalor melalui  zat  perantara,  diikuti  perpindahan partikel-partikel  zat.  Umumnya  melalui  fluida, misal : udara, air Macam konveksi :
1. Konveksi  alami,    contoh  :  angin  darat, angin  laut,  aliran  udara  melalui  ventilasi  / cerobong asap.
2. Konveksi  paksa,  contoh  :  konveksi  udara pada  hair  dryer,  sistem    pendingin  mesin mobil lemari es, AC.
Manfaat  konveksi  kalor:  Proses  pemanasan air  dalam  suatu  panci.  Partikel  air  pada  dasar panci  menerima  kalor  dan  menjadi  panas. Pertikel yang telah panas bergerak ke atas karena berat  jenisnya    mengecil,  Sedangkan  air  dingin turun  menempati  tempat  yang  ditinggalkan  air panas  yang  naik.Demikian  ini  terjadi  selama  air dipanaskan, sehingga air masak secara merata.
Faktor-faktor yang mempengaruhi laju kalor konveksi :
 Luas  permukaan  benda  (A),  semakin  luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida, semakin cepat kalor dipindahkan.
 Perbedaan  suhu  (∆T),  semakin  besar  beda suhu  benda  dengan  permukaan  fluida, semakin cepat  kalor dipindahkan
 Koefisien  konveksi  (h),  bergantung  pada bentuk, kedudukan permukaan dan diperoleh dengan  percobaan. Misal h tubuh manusia adalah  7,1 Js -1 m -2 K -1
Laju kalor konveksi dapat dituliskan dalam persamaan :
(8)
Dimana : Q/t = Laju perpindahan panas konveksi (J/s) h   = Koefisiesn perpindahan panas konveksi (W/m 2 . 0 C) A   = Luas permukaan kena panas ( m 2 ) ∆T = Perbedaan suhu ( temperature dinding T w – temperature fluida T ∞ ), 0 C
Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( Overall Heat Transfer Coefficient , U) Adalah  merupakan  aliran  panas  menyeluruh sebagai  hasil  gabungan  proses  konduksi  dan konveksi.
Koefisien
perpindahan panas menyeluruh dinyatakan dengan W/m 2 . o C (Btu/h.ft 2 . o F)

## Koefisien  Perpindahan  Panas  Menyeluruh Pada Silinder
Suatu  silinder  berongga  terkena  lingkungan konveksi  dipermukaan  bagian  dalam  dan  luar oleh fluida A dan fluida B. Suhu kedua fluida, T A danT B .  Zat  alir  mengalir  melalui  pipa  pada  suhu T A . Perpindahan panas dari zat alir ke pipa secara konveksi  diteruskan  lewat  pipa  secara  konduksi dan selanjutnya  ke zat alir  yang ada di luar pipa pada suhu T B secara konveksi.
Gambar 2. selinder dengan lingkungan konveksi.
Perpindahan  panas  menyeluruh  dari  zat  alir didalam pipa ke zat alir diluar pipa adalah
( ⁄ ) (9)
Luas  permukaan  untuk  perpindahan  panas  zat alir :
 Di dalam pipa, A i = 2 π r L.
 Di luar pipa, A o = 2 π r L.
Sehingga,
( ⁄ ) (      ) ( ⁄ )
(10)
Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas bidang dalam atau bidang luar tabung.
 Bidang dalam, (
) ( ⁄ )
( ) ( ⁄ ) ( )
(11)
 Bidang luar,
( ) ( ⁄ ) ( ) ( ⁄ ) ( )
(12)
Radiasi , pancaran ≅ sinaran ≅ ilian Radiasi  thermal  → radiasi  elektromagnetik  yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Radiasi  selalu  merambat  dengan  kecepatan cahaya,  3  x  10 10 cm/s.  Kecepatan  ini  sama dengan  hasil  perkalian  panjang  gelombang dengan frekuensi radiasi : C = λ.v dimana: c = kecepatancahaya λ= panjanggelombang( = 10 -8 cm) ν= frekuensi
Perambatan  radiasi  thermal  berlangsung  dalam bentuk kuantum dan setiap kuantum mengandung energy sebesar : E = h.v h = konstanta Planck, 6,625 x 10 -34 J.s Setiap  kuantum  dianggap  sebagai  suatu  partikel yang  mempunyai  energi,  massa  dan  momentum seperti  molekul  gas  →photon.  Sehingga,  pada hakekatnya  radiasi  merupakan  pancaran  yang disebabkan  oleh  gas  photon  yang  mengalir  dari satu  tempat  ke  tempat  lain.  Dengan  teori relatifitas  dan  thermodinamika  statistic  maka akan diperoleh suatu rumus yang disebut Hukum Stefan-Boltzmann  dimana  energy  total  yang dipancarkan  oleh  suatu  benda  sebanding  dengan pangkat empat suhu absolut:  E b = ε.σ.A.T 4
Dilihat dari daya emisinya, benda terbagi ke dalam 3 macam : 1.Benda putih sempurna ( absolutely white )  → menyerap sinar, tanpa mengemisikan kembali. Emisivitas (ε) = 0 2.Benda abu-abu ( gray body )   0 < ε< 1 3.Benda hitam ( blackbody ) → menyerap100%, mengemisikan100%. Emisivitas (ε) = 1
2. Metodologi
Perlu  dilakukan  langkah  –  langkah  analisa teoritis  laju  perpindahan  panas  dengan  model koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh  pada ketel  uap  pipa  api  mini  model  horizontal.  Untuk itu  perlu  disiapkan  instrument  untuk  analisa tersebut,  adapun  instrument  tersebut  adalah pengumpulan  data  sekunder  atau  primer,  analisa kuantitatif atau kualitatif. Untuk metode penelitian  ini  menggunakan  data  sekunder  yang didapat  dari  literature  dan  hasil  penelitian sebelumnya  (PDP  1,  legisnal  Hakim  -  2014  dan PDP  2,  legisnal  Hakim  -  2016)    dan  analisa kuantitatif  (dengan  persamaan  perpindahan panas).

## 3. Analisa dan Pembahasan
Pengumpulan  data  sekunder  dari  Penelitian dosen pemula (PDP) yaitu :
Ketel uap pipa api mini dari  PDP 1, (Legisnal Hakim, 2014) :
Diameter drum ketel (D drum ) = 100 cm Panjang drum (P drum ) = 120 cm Tebal drum (t drum ) = 0.06 cm Diameter dalam pipa api (D i, pipa api ) =  12,5cm
( 0,125 m) Tebal pipa api ( t pipa api ) = 0,025 cm ≈ 0,03
Diameter luar pipa api (D o , pipa api )   =  13,1  cm (0,131 m) Panjang pipa api ( P pipa api ) = 120 cm Jarak antara pipa api = 20,32 cm Kapasitas panas (Q) = 44 kW Temperatur awal air = 30 0 C
Dapur  ketel  uap  pipa  api  mini  dari  PDP  2, (legisnal Hakim, 2016) :
Panjang dapur (P dapur ) = 100 cm Lebar dapur (L dapur ) = 43,5 cm Tinggi dapur (T dapur ) = 78 cm Tebal dinding dapur (t dapur ) = 7 cm Diameter lubang garangan = 3,5 cm Jumlah lubang garangan = 97 lubang
Pengumpulan data sekunder dari literature yaitu : Temperature dapur  =  ( 540 – 980 ) 0 C ; 600 0 C diambil  (tungku  suhu  rendah  Tabel  2,  UNEP 2006 ).
Konduktivitas    air  (perpindahan  kalor  tabel  B3, Donald R. Pitts)
T, 0 C k,  (W/m. 0 C) T, 0 C k, (W/m. 0 C) T, 0 C k, (W/m. 0 C) 0 0.55187 60 0.65048 120 0.68508 20 0.59685 80 0.66778 140 0.68335 40 0.62799 100 0.67989 160 0.67989 Konduktivitas termal air 30 0 C = 0,61244 W/m. 0 C Koefisien perpindahan panas konveksi air = h o = 9,35 w/m 2 0 C r i = D i /2 =  0.0625 m r o = D o /2 = 0.0655 m
Koefisien perpindahan panas konveksi gas pembakaran, h i Q = hA(T ∞ - T w ) ( ) (        )
⁄
Pipa  api  yang  digunakan  untuk  ketel  ini  adalah seamless carbon steel SA 53 Grade B untuk ketel uap pada ASME Section IV. Dimana
konduktivitas  thermal  untuk  baja  karbon  adalah
Tabel A-2 Sifat – sifat metal ( JP Holman), baja karbon  0,5%  C,  Temperatur  800 0 C,  k  =  31 W/m. 0 C.
Gambar 3. Perpindahan panas pada pipa api dan Analogi listrik
Laju  perpindahan  panas  pada  pipa  api  dari koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah :
∑ ⁄ ( ) ( ⁄ ) ⁄ ⁄ ∑ (               )  (                         ) ⁄
Q = U o A ∆T = 18,66 x 0.5 x (600 -30) = 5318 W
∑
(                         )
⁄
Q = U i A i ∆T = 19,57 x 0,5 x (600 -30) = 5577,5 W
Laju perpindahan panas konduksi untuk panjang pipa L :
Dari  hasil  perhitungan  diatas  berdasarkan koefisien  perpindahan  panas  menyeluruh  laju perpindahan  panas  pada  bagian  dalam  pipa adalah  5577,5  W  dan  bagian  luar  pipa  5318  W, dan  laju  perpindahan  panas  konduksi  dengan panjang pipa 1,2 m adalah 1048512 W, dari hasil laju  perpindahan  panas  dapat  diperkirakan  besar efisiensi  yang  terjadi  pada  pipa  api  ketel  uap untuk satu lubang yaitu :

## 4. Kesimpulan
Dengan menggunakan koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  (  konveksi dan  konduksi  )  dapat  dibuat  simpulan sementara  dengan  ketebalan  pipa,  pemilihan pipa  dan  material  pipa  dapat  mentransfer panas  dengan  selisih  laju  kalor  panas  yang terjadi dalam pipa api dan air adalah 5577,5 – 5318  =  259,5  W  dengan  efisiensi  laju perpindahan panasnya 95%. Laju peprpindahan panas konduksi dengan
panjang  pipa  1,2  m  adalah  1048512  W  Jadi kemampuan  material  pipa  sangat  baik  untuk mentransfer  panas  ke  air.  Tapi  untuk mendapatkan  hasil  yang  komplek  dan
menghasilkan  rancangan  ketel  uap  pipa  api mini  yang  baik  perlu  dilakukan  pengkajian yang  lebih  dalam  tentang  pengaruh  radiasi dari  gas  panas  pembakaran  dari  tungku  ke pipa api.

## Daftar Pustaka
Donald  R.  Pitts,  1997, “heat  transfer ”, (Schaum’s outline series), McGraw-Hill
Frank Kreith, Raj. M. Manglik, Mark S.  2011,” Principles  of  Heat  Transfer ”,  7 th ed.  Cengage Learning
Holman  J.P  ,  2009,” Heat  Transfer ,”    10 th ed. Mcgraw-Hill series in mechanical engineering)
Legisnal Hakim, Purwo Subekti, 2014,” Rancang Bangun  Ketel  Uap  mini  dengan  Pendekatan Standar  SNI  Berbahanbakar  Cangkang  Sawit untuk Kebutuhan Pabrik Tahu Kapasitas 200 kg kedelai/hari ”, .Jurnal APTEK, Vol 7 ISSN 2085- 2630.
Legisnal  Hakim,  Sunaryo,  2016,” Rancang Bangun Dapur Ketel Uap Pipa Api Mini  Model Horizontal  Alat  Pendukung  Industri  Tahu Dengan  Jenis  Bahanbakar    Biomassa ”,  laporan PDP 2, kemenristekdikti
Myer Kutz, “2006, “ Heat Transfer Calculation ”, Copyright  ©  2006  by  The  McGraw-Hill Companies.
Yunus  A.  Cengel,2002,  “Heat Transfer  A Practical Approach ”, 2 th ed.