Abstrak—Pengeringan yang dilakukan pada batu bara dengan memanfaatkan udara panas menggunakan konsep heat exchanger. Salah satu heat exchanger  yang sering digunakan adalah heat exchanger  dengan tipe single row-fin tube  yaitu radiator. Radiator ini akan  dimanfaatkan sebagai penghasil udara panas dari air panas yang mengalir dan dihembuskan oleh kipas radiator.  Penelitian ini difokuskan pada  effectiveness  dari komponen radiator fungsi dari kecepatan udara mulai dari kecepatan 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s dan 5 m/s dan fungsi jumlah radiator yang digunakan. Prinsip dari radiator yang digunakan adalah mengalirkan fluida panas berupa air ke dalam tube-tube radiator kemudian didinginkan oleh udara yang dihembuskan oleh fan  yang melewati fin sehingga air yang keluar dari tube menjadi dingin dan udara yang melewati fin  menjadi panas. Hasil yang didapatkan dari eksperimen ini diantaranya kecepatan udara yang optimal terhadap proses pengeringan batu bara yang dipakai pada alat pengering batu bara adalah sebesar 5 m/s dengan menggunakan 2 radiator.  q hot untuk penggunaan 2 radiator dengan kecepatan udara sebesar 5 m/s adalah 30121.17 Watt. Effectiveness  pada penggunaan 2 radiator dengan kecepatan udara sebesar 5 m/s adalah 0.65. Efisiensi fin  yang terjadi pada kecepatan  udara 5 m/s dengan menggunakan 2 radiator sebesar 0.93
Kata Kunci—compact heat exchanger, effectiveness, efisiensi fin, kecepatan udara, udara panas.

## I. PENDAHULUAN
alah satu cara untuk menghasilkan listrik secara optimal dan efisien, maka suatu PLTU batubara didesain untuk menggunakan batubara dengan kadar air ( moisture ) dan nilai kalor ( heating value ) tertentu. Kadar air pada batubara yang dihasilkan oleh oleh tambang di Indonesia sangat tinggi (termasuk dalam kategori low rank coal ). Untuk produksi batubara dengan kadar air yang rendah ( high rank coal ) sudah banyak diekspor sehingga PLTU harus menggunakan batubara tipe low rank coal . Tetapi saat ini sudah banyak dikembangkan teknologi untuk meningkatkan nilai kalor dari batubara yang semula tergolong  batubara dengan nilai kalor rendah menjadi batubara dengan nilai kalor tinggi.
Oleh karena itu, batubara harus di- treatment terlebih dahulu untuk mengurangi kadar airnya dengan alat pengering batubara ( coal dryer ) yang salah satu teknologinya menggunakan  sistem cyclone . Coal dryer sistem cyclone memanfaatkan aliran udara panas melewati
Gambar 1 . Foto instalasi peralatan
Keterangan gambar:
1. Kipas radiator
2. Radiator
3. Pengarah udara
4. Drying chamber
5. Centrifugal blower
6. Valve utama
7. Pompa air
8. Heater blade yang digunakan untuk mengeringkan batubara yang bergerak karena udara yang berputar melewati blade . Aliran udara panas tersebut diperoleh dari udara luar yang dipanaskan oleh air yang mengalir di dalam tube dalam konsep heat exchanger [1].
Konsep dari compact heat exchanger adalah mengalirkan fluida panas berupa air ke dalam tube-tube kemudian didinginkan oleh udara yang dihembuskan oleh fan yang melewati fin sehingga air yang keluar dari tube menjadi dingin dan udara yang melewati fin menjadi panas. Udara panas inilah yang selanjutnya dimanfaatkan oleh sistem coal dryer untuk mengeringkan batubara.

## II. METODE PENGUJIAN

## A. Metode Penelitian
Berikut berupa skema penelitian yang digunakan secara

## Studi Eksperimen Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Terhadap Performa Heat Exchanger Jenis Compact Heat Exchanger (Radiator) Dengan Susunan Tube Inline Sebagai Pemanas Pada
Irvan Paramananda, Prabowo
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : prabowo@me.its.ac.id
S
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)                                                  B-92
Tabel 1. Data spesifikasi radiator tipe 4K No Data Nilai 1. Tipe radiator Compact heat exchanger circular tube continuous fin 2. Volume radiator PxLxT = 467  mm x 50 mm x 330 mm 3. Diameter tube 10 mm 4. Panjang tube 330 mm 5. Jumlah baris tube 2 6. Jumlah tube tiap baris 22 7. Jarak antar tube 11 mm 8. Jumlah tube arah trasversal 2 9. Jumlah tube arah longitudinal 22 10. Tebal fin 0.3 mm 11. Panjang fin 440 mm 12. Lebar fin 50 mm 13. Jumlah fin
165
Gambar 2. Skema titik pengukuran pada uji performa radiator
Keterangan gambar :
1. Reservoir untuk menampung air hasil sirkulasi.
2. Heater untuk memanaskan air.
3. Flowmeter untuk mengukur debit air.
4. Pompa untuk mensirkulasikan air panas menuju radiator.
5. Valve untuk memvariasikan debit air.
6. Anemometer untuk menghitung kecepatan angina.
7. T1 : Thermocouple 1, mengukur temperatur air masuk radiator pertama.
8. T2 : Thermocouple 2, mengukur temperatur air keluar radiator pertama.
9. T3 : Thermocouple 3, mengukur temperatur air masuk radiator kedua.
10. T4 : Thermocouple 4, mengukur temperatur air keluar radiator kedua.
11. T5 : Thermocouple 5, mengukur temperatur udara masuk radiator kedua.
12. T6 : Thermocouple 6, mengukur temperatur udara keluar radiator kedua.
13. T7 : Thermocouple 7, mengukur temperatur udara keluar radiator pertama.
keseluruhan ditunjukkan pada gambar 1.
Cara kerja alat pada gambar 1 adalah air dipanaskan oleh heater dan kemudian disirkulasikan oleh pompa air menuju ke radiator. Valve utama dibuka fully open kemudian kipas radiator dinyalakan dan disesuaikan untuk variasi yang akan dilakukan (1  m/s, 2  m/s, 3  m/s, 4  m/s dan 5  m/s), fan berfungsi untuk mengalirkan udara ke radiator agar membawa panas dari air yang mengalir di radiator melewati pengarah udara. Untuk penggunaan 1 radiator, kipas yang digunakan yaitu radiator yang di belakang (dekat dengan
Gambar 3. Sket untuk menunjukkan titik-titik pengukuran pada fin
pengarah udara). Udara panas tersebut dihisap oleh centrifugal blower dan dimanfaatkan untuk mengeringkan batubara di dalam drying chamber . Dalam hal ini, penulis hanya akan membahas performa radiator dan efisiensi fin dengan variasi kecepatan udara untuk penggunaan 1 dan 2 radiator.
Spesifikasi radiator yang dipakai untuk penelitian ini ditunjukkan dalam tabel 1.
Penelitian kali ini dikhususkan pada pengujian performa radiator sebagai compact heat exchanger dan efisiensi fin yang didapat sehingga dapat menghasilkan udara panas pada sistem pengeringan. Titik –  titik pengukuran pada pengujian performa radiator seperti dijelaskan pada gambar 2 dan 3.

## B.  Perhitungan Compact Heat Exchanger
Berikut merupakan rumus yang digunakan dalam perhitungan compact heat exchanger [1] :
Laju aliran massa sisi udara ( ṁ udara ) : ṁ udara = ρ V Afr ..................................................... (1) Mencari mass velocity (G):
G = ρ x v x 𝐴 𝑓𝑟 𝐴 𝑓𝑓 ......................................................... (2)
Reynold Number sisi udara (Re c ) : Re c = G D h µ ................................................................ (3)
Nusselt Number (Nu) : N u = 0.332 Pr 1 / 3 Re 1 / 2 .................................................... ( 4) Mencari Stanton Number (St) :
S t = N u P r R e .................................................................. (5)
Koefisien konveksi sisi udara (h cold ) : h cold = 𝑆 𝑡 G cp ......................................................... (6) Laju perpindahan panas konveksi sisi udara (q cold ) : q cold = h cold A cold ( T c in − T c out ) . ..................... (7) Effectiveness radiator ( ε ) : ε = q cold q maks =
Ch ( Thi−Tho ) Cmin ( Thi−Tci ) = Cc ( Tco−Tci ) Cmin ( Thi−Tci ) .......... (8)
Efisiensi fin ( ƞ f ) ƞ f = q f q max = ℎ𝐴 𝑓 ( 𝑇−𝑇 ~ ) hA f ( T b −T ~ ) ............................................... (9)
Fin Effectiveness ( ε f ) ε f = q f q wf = q f hA wf ( T b −T ~ ) .............................................................................. (10)
Gambar 4.  Distribusi temperatur air dan udara keluar radiator terhadap kecepatan udara
Gambar 5. q hot dan q cold terhadap kecepatan udara

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada penelitian pengaruh variasi kecepatan udara terhadap performa heat exchanger jenis compact heat exchanger (radiator) dengan susunan tube inline sebagai pemanas pada sistem pengeringan batubara yang ditunjukkan oleh grafik dari tiap variasi kecepatan udara seperti pada gambar berikut ini
Pada gambar 4  T ho merupakan Temperature hot out (temperatur air keluar radiator) dan T co merupakan Temperature cold out (temperatur udara keluar radiator). Trendline grafik dapat dilihat bahwa semakin besar kecepatan udara maka semakin besar temperatur yang terjadi. Temperatur air keluar untuk 1 radiator lebih besar dibandingkan dengan temperatur air keluar untuk 2 radiator. Sedangkan temperatur udara keluar untuk 2 radiator lebih besar dibandingkan dengan temperatur udara keluar untuk 1 radiator.
Semakin meningkatnya kecepatan udara dengan debit air yang sama dengan menggunakan 2 radiator maka partikel air yang membawa energi panas akan menurun, akibatnya energi panas yang dipindahkan ke udara semakin tinggi dibandingkan dengan menggunakan 1 radiator.
Pada gambar 5, q hot merupakan laju perpindahan  panas sisi air sedangkan q cold merupakan laju perpindahan panas sisi udara. q hot dan q cold meningkat seiring bertambahnya kecepatan udara. q hot dan q cold untuk penggunaan 2 radiator lebih besar daripada q hot dan q cold untuk penggunaan 1 radiator pada kecepatan udara yang sama.  Perbedaan q hot maupun q cold untuk penggunaan 2 radiator dan 1 radiator
Gambar 6. Koefisien konveksi sisi udara terhaap re sisi udara
Gambar 7. Effectiveness fungsi ṁ udara
kemungkinan disebabkan karena perbedaan temperatur air dan temperatur udara. Untuk penggunaan 2 radiator, perbedaan temperatur air lebih besar dibandingkan dengan perbedaan temperatur air untuk penggunaan 1 radiator. Serta disebabkan karena luasan perpindahan panas dengan menggunakan 2 radiator yang lebih besar dibandingkan dengan pemakaian 1 radiator.
Pada gambar 6,  h merupakan koefisien konveksi sisi udara,  dari grafik di atas dapat dilihat bahwa koefisien konveksi udara naik dengan semakin besarnya Reynold udara.  Hal ini terjadi karena semakin besarnya Reynold udara, maka energi yang dipindahkan oleh udara ke permukaan alat penukar panas akan semakin besar. Dengan semakin besarnya kecepatan udara maka potensi perpindahan panasnya juga akan  semakin besar, akibatnya temperatur udara keluar radiator naik yang membuat harga properties udara akan semakin besar sehingga koefisien konveksi juga semakin besar.  Secara teori semakin besar kecepatan udara dengan rho konstan maka G juga akan semakin besar sehingga Re  akan semakin besar. Semakin besar Re cold , Nu juga akan mengalami kenaikan karena Nu sebanding dengan Re maka jika nilai Re tinggi maka nilai Nu akan tinggi pula. Oleh karena itu semakin besar nilai G ( mass velocity ), semakin besar pula nilai h cold . Sehingga dapat disimpulkan semakin besar nilai Re cold maka nilai h cold juga akan semakin besar.
Gambar 7  dari pengamatan grafik di atas dapat dilihat trendline dari grafik yaitu semakin tinggi nilai ṁ udara maka effectiveness dari radiator juga semakin tinggi, secara teori semakin  besar  kecepatan  udara  maka  ṁ udara juga akan semakin besar sehingga menyebabkan nilai effectiveness
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 1 2 3 4 5 6 Tho dengan 1 radiator
Tho dengan 2 radiator Tco dengan 1 radiator
Tco dengan 2 radiator Kecepatan Udara (m/s) T em p er at u r ( o C) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 0 1 2 3 4 5 6 q hot dengan 1 radiator q cold dengan 1 radiator q hot dengan 2 radiator q cold dengan 2 radiator Kecepatan Udara (m/s) q ( w att) q = f (Kecepatan Udara) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 0 20 40 60 80 100120140160 h dengan 1 radiator h dengan 2 radiator Re Sisi Udara h ( W/ m 2 K) h = f (Re Sisi Udara) 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Radiator 2 Radiator ṁ udara E ff ect iv en es s Effectiveness = f ( ṁ udara ) Temperatur = f (Kecepatan udara)
Gambar 8. Effectiveness (ɛ) fungsi NTU untuk berbagai cr dengan m enggunakan 2 radiator
Gambar 9. Efisiensi fin ( η f ) terhadap kecepatan udara
akan semakin naik. Jika ṁ udara semakin tinggi akan mengakibatkan nilai dari q actual akan naik begitu juga dengan nilai q max semakin ṁ udara tinggi maka nilai C min akan naik. Gambar  8  di atas adalah grafik effectiveness terhadap NTU untuk berbagai nilai Cr. Dari pengamatan grafik di atas dapat dilihat trendline dari grafik yaitu semakin besar nilai NTU dan semakin kecil nilai Cr maka nilai effectiveness juga semakin besar.  Dimana dengan bertambahnya kecepatan udara maka  nilai overall heat transfer koefisien akan mengalami kenaikan  sehingga, dengan luasan perpindahan panas yang sama dan perubahan nilai Cmin yang relatif tinggi, nilai dari NTU akan naik yang mengakibatkan naiknya nilai effectiveness radiator.
Dari pengamatan grafik di atas dapat dilihat trendline dari grafik yaitu semakin tinggi kecepatan udara maka efisiensi fin ( η f ) semakin turun. Secara teori semakin besar kecepatan udara maka temperatur rata-rata fin tersebut akan turun. Semakin rendah kecepatan udara yang diberikan maka temperatur rata-rata fin akan besar sehingga perbedaan temperatur antara permukaan fin dengan udara akan besar juga begitu pula sebaliknya jika kecepatan udara besar maka temperatur rata-rata fin akan turun, jadi perbedaan temperatur antara permukaan fin dengan udara akan kecil sehingga perbandingan dari 𝑞 𝑓 𝑞 𝑚𝑎𝑘𝑠 semakin turun seiring bertambahnya kecepatan udara.
Gambar 10. Pengaruh kecepatan udara terhadap fin effectiveness
Efektivitas Fin merupakan rasio perpindahan panas dari sirip ke perpindahan panas jika sirip itu tidak ada ( without fin ).  Dari trendline pada gambar 9 effectiveness mengalami penurunan,    semakin cepat kecepatan udara maka laju perpindahan panas pada fin akan meningkat dan temperatur rata-rata pada permukaan fin menjadi tinggi, sehingga perbedaan temperatur antara permukaan fin dengan udara akan besar. Tetapi di sisi lain dengan meningkatnya laju perpindahan panas fin , laju perpindahan panas tanpa fin (q wf ) juga mengalami peningkatan, sehingga perbandingan dari laju perpindahan panas fin (q f ) terhadap laju perpindahan panas tanpa fin (q wf ) akan semakin turun dengan semakin besarnya kecepatan udara. Tetapi dari hasil yang didapatkan dapat disimpulkan bahwa fin meningkatkan perpindahan panas sebagaimana mestinya karena fin effectiveness > 2 [1].

## I. KESIMPULAN
Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan dalam menguji  performa radiator dan efisiensi fin  dapat disimpulkan:
1. Laju perpindahan panas aktual ( q act ) meningkat seiring bertambahnya debit air. Pada debit 2100L/h dengan kecepatan udara 1 m/s, q act untuk penggunaan 1 radiator adalah 2289.47 W dan q act untuk penggunaan 2 radiator adalah 5348.2 W. Pada debit 2100L/h dengan kecepatan udara 5 m/s, q act untuk penggunaan 1 radiator adalah 20.948 KW dan q act untuk penggunaan 2 radiator adalah 29.447 KW . 2. Effectiveness (ɛ)  meningkat  seiring  bertambahnya kecepatan udara. Pada kecepatan udara 1 m/s, effectiveness 1 radiator adalah 0.24 dan penggunan 2 radiator adalah 0.58. Untuk penggunaan 2 radiator effectiveness sekitar 0.65 dibandingkan effectiveness pada penggunaan 1 radiator sebesar 0.45 untuk kecepatan udara 5 m/s.
3. Temperatur udara keluar untuk 2 radiator dengan kecepatan 5 m/s lebih besar yaitu sebesar 65.13 o C dibandingkan dengan temperatur udara keluar untuk 1 radiator yaitu sebesar 54 o C jadi kecepatan udara yang optimal untuk proses pengeringan yang dipakai pada alat pengering adalah sebesar 5 m/s.
4. Efisiensi fin (ƞ f ) pada compact heat exchanger ini pada kecepatan 1 m/s sebesar 0.99 dan pada kecepatan 5 m/s sebesar 0.93
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 cr 0,064 cr 0,128 cr 0,191 cr 0,255 cr 0,318 NTU E ff ect iv en es s Effectiveness = f (NTU) 0.84 0.86 0.88 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 0 1 2 3 4 5 6 Ef is ie ns i fin Kecepatan Udara  (m/s) Efisiensi Fin = f (Kecepatan Udara) 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 0 1 2 3 4 5 6 E ff ect iv en es s fin Kecepatan Udara (m/s) Effectiveness Fin = f (Kecepatan Udara)
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Bapak Prof. Dr. Eng. Ir. Prabowo, M. Eng. Sebagai dosen pembimbing dan  laboratorium  Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara  Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali dan semua pihak yang membantu.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Incropera, Frank P., DeWitt, Bergman, Lavine. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6 th Edition. John Wiley & Sons Inc. New York.
[2] Kays, W. M., A. L. London. Compact Heat Exchangers second edition. McGraw – Hill Book Company.