Jurnal Teknik Mesin Univ. Muhammadiyah Metro
URL: http://ojs.ummetro.ac.id/index.php/turbo

## Analisa Teoritis Berat Jenis dan Panas Spesifik Gas
Pembakaran Pada Ketel Uap Mini Model Horizontal Di Tinjau Dari  Susunan Pipa (Tubes)

## Legisnal Hakim
Universitas Muhammadiyah Riau
Jalan Ahmad Dahlan No.88, Sukajadi, Kp. Melayu, Sukajadi, Kota Pekanbaru, Riau
28122
E-mail : legisnalhakim@umri.ac.id

## ABSTRAK
Pada rancangan ketel uap pipa api mini dari PDP 1 (2014) bahwa jumlah pipa api rencana  adalah  7  buah  dan  belum  dilakukan  analisa  teoritis,  untuk  itu  perlu  dilakukan analisa berat jenis dan panas spesifik gas pembakaran  berdasarkan susunan dan jumlah pipa  api.  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, jumlah tube 7 susunan sejajar parallel. 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, total laju perpindahaan panas untuk 7 buah tube 7,3 MW, kapasitas gas pembakaran 0,042 m 3 /s ( 42 kg/s), kecepatan gas dalam pipa api 3.415 m/s, berat jenis gas pembakaran 7,2 kg/m 3 , panas spesifik gas pembakaran untk 7 pipa api 0,23 kJ/kg. 0 C. Kata kunci : ketel uap,pipa api, berat jenis.

## PENDAHULUAN
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  ( sumber  PDP  1 ), temperature  dapur  980 0 C  dengan kapasitas panas 44 kW ( sumber PDP 2 ) yang disebut juga sebagai sumber energi, dengan  jumlah  pipa  api  7  buah,  maka panas  yang  ditransfer  menjadi  luas dengan  bertambahnya  lubang  aliran panas  untuk    perlu  dilakukan  analisa toeritis laju  perpindahan panas untuk 7 buah    pipa  api  tersebut.  Dengan  tujuan mengetahui laju perpindahan panas pada ketel  uap  multi  pipa  api  model horizontal.

## TINJAUAN PUSTAKA
Pipa  api  tersusun  seperti  garis lurus sejajar atau sejajar paralel. Seperti gambar 1 dan 2 :
Gambar 1. Pipa susunan sejajar segaris (in- line)
Gambar 2. Pipa susunan sejajar parallel.
Susunan  tabung  dalam  sisi  pipa ditandai dengan jarak melintang ( transverse  pitch ) S T ,  jarak  membujur ( longitudinal  pitch ) S L ,  dan  jarak diagonal  ( diagonal  pitch )    S D antara pusat  pipa.  Jarak  diagonal  ditentukan dari :
𝑆 𝐷 =   √𝑆 𝐿 2 +   ( 𝑆 𝑇 2 ⁄ ) 2 1)
Fluida memasuki sisi pipa, daerah aliran menurun dari A 1 = S T L untuk A T = (S T - D)  L antara  tabung,  dan  dengan demikian  kecepatan  aliran  meningkat. dalam  susunan sejajar paralel, kecepatan dapat  meningkatkan  lebih  lanjut  di wilayah  diagonal  jika  baris  pipa  sangat dekat  satu  sama  lain.  Di  sisi  pipa, karakteristik  aliran  didominasi  oleh kecepatan  maksimum  ν max yang  terjadi di  dalam  sisi  pipa  dari  pendekatan kecepatan  ν.  Kecepatan  maksimum ditentukan  dari  persyaratan  konservasi massa untuk aliran mampat stabil. Untuk susunan    in-line,  kecepatan  maksimum terjadi di daerah aliran minimum antara pipa ρ ν  A 1 =    ρ  ν max A T atau  ν  S T = ν Max (S T -    D). Maka  kecepatan maksimum menjadi:
𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 𝑆 𝑇 𝑆 𝑇 − 𝐷 𝑣 2)
Dalam  susunan  sejajar  parallel ( staggered ),  cairan  mendekati  melalui daerah  A 1 pada  Gambar  2,  melewati daerah A T dan kemudian melalui daerah 2A D seperti membungkus sekitar pipa di baris  berikutnya.  Jika  2A D >  A T , kecepatan maksimum masih akan terjadi di  A T antara  tabung,  dan  dengan demikian  v max hubungan  Persamaan  3 juga  bisa  digunakan  untuk  sisi  tabung sejajar paralel.
Tetapi jika 2A D < A T [Atau, jika 2  (S D -  D)  <  (S T -  D)],  kecepatan maksimum akan terjadi pada penampang diagonal,  dan  kecepatan  maksimum dalam hal ini menjadi:
Sejajar parallel dan S D < (S T + D)/2 :
𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 𝑆 𝑇 2 (𝑆 𝐷 − 𝐷) 𝑣 3) Dimana ρ ν A 1 = ρ ν Max (2A D ) atau ν S T =  2 ν Max (S D - D).
Koefisien  perpindahan  panas rata-rata  menyeluruh  sisi  pipa/tabung, tergantung  pada  jumlah  baris  tabung  di sepanjang  aliran  serta  susunan  dan ukuran  tabung/pipa.  Suhu  rata-rata aritmatika dari cairan, ditentukan dari :
𝑇 𝑚 = 𝑇 𝑖 + 𝑇 𝑒 2 4)
Dengan  T i dan  T e adalah temperatur fluida masuk dan keluar dari masing-masing sisi
tabung/pipa. menggunakan  perbedaan  suhu  yang sesuai ∆T. Dengan  menggunakan ∆T = Ts – Tm = Ts - (Ti + Te) / 2. Tapi  secara umum  ini,  lebih  memprediksi  tingkat perpindahan  panas.  Perbedaan  suhu yang  tepat  untuk  aliran  internal  (aliran lebih  dari  sisi  tabung  masih  aliran internal melalui shell ) adalah
logarithmic mean temperature difference (LMTD), ∆T ln didefinisikan sebagai :
∆𝑇 𝑙𝑛 = (𝑇 𝑠 − 𝑇 𝑒 )− (𝑇 𝑠 − 𝑇 𝑖 ) ln[ (𝑇𝑠− 𝑇𝑒) (𝑇𝑠− 𝑇𝑖) ] = ∆𝑇 𝑒 − ∆𝑇 𝑖 ln(∆𝑇 𝑒 ∆𝑇 𝑖 ⁄ ) 5)
Bahwa suhu keluar dari cairan Te dapat ditentukan dari :
𝑇 𝑒 =   𝑇 𝑠 −   (𝑇 𝑠 −   𝑇 𝑖 ) exp (− 𝐴 𝑠 ℎ 𝑚𝐶 𝑝 ) 6)
Dengan As = NπDL adalah luas permukaan  perpindahan  panas  dan  ṁ  = ρν  (N T S T L)  adalah  laju  aliran  massa fluida. Berikut N adalah jumlah total dari tabung  di  sisi,  N T adalah  jumlah pipa/tabung  dalam  bidang  melintang ( transverse plane ), L adalah panjang dari tabung,  dan  ν  adalah  kecepatan  fluida sebelum memasuki sisi tabung. Kemudian  panas  transfer  rate  dapat ditentukan dari
𝑄 = ℎ𝐴 𝑠 ∆𝑇 𝑙𝑛 =   𝑚 ̇ ̇ 𝐶 𝑝 (𝑇 𝑒 −   𝑇 𝑖 ) 7)
Hubungan  kedua  biasanya  lebih nyaman  untuk  digunakan  karena  tidak memerlukan perhitungan ∆T ln .

## METODE PENELITIAN

## Gambar 3. Diagram alir metode penelitian

## 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 Data  dari  PDP  2  (Legisnal  Hakim, 2016) dan Draft jurnal surya teknika umri, Legisnal Hakim
Temperatur awal air = 30 0 C Temperature dapur =  (  540  – 980  ) 0 C  ;  600 0 C  diambil (tungku  suhurendah  Tabel  2, UNEP 2006 ). 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
Koefisien  perpindahan  panas  konveksi gas pembakaran, h i = 6286  𝑊 𝑚 2 𝐶 ⁄
Laju  perpindahan  panas  pada  pipa  api dari  koefisien  perpindahan panas menyeluruh adalah untuk satu pipa api : Q = U o A ∆T = 18,66 x 0.5 x (600 -30) =
5318 W
Laju  perpindahan  panas  konduksi  QL untuk  panjang  pipa  L,  untuk satu pipa api: 1048512 W
Laju  perpindahan  panas    dengan  tujuh buah pipa api dengan panjang pipa  120  cm  adalah  7  x 1048512  =  7339598  W  = 7,3MW Mulai Studi Literatur Studi Lapangan Pengumpulan Data Data Primer dan Sekunder 1. Laporan PDP 2014 2. Laporan PDP 2016 Pengolahan Data Analisa dan Pembahasan Laju perpindahan panas berdasarkan susunan pipa api ketel uap mini
Kesimpulan Selesai
Gambar 4. Ketel uap pipa api
Gambar 5. Susunan pipa api ketel uap mini.(laporan PDP 2014
Kapasitas    panas  yang  masuk didalam  pipa  dengan  susunan    sejajar parallel  pada  ketel  uap  pipa  api  adalah dari Tabel 5.2 Analisa volume gas asap,
(laporan  PDP  1,  Legisnal  Hakim), Volume gas asap kering = 12,47 m 3 /kgbb dan kebutuhan bahanbakar 12 kgbb/jam. Jadi kebutuhan gas panas adalah
Q = 12,47 x 12 = 149,64 m 3 /jam : 3600 = 0.04157 ≈ 0,042 m 3 /s Kecepatan  gas  didalam  pipa  untuk  satu pipa adalah
𝑣 = 𝑄 𝐴 m/s 𝐴 = 𝜋 𝑥 𝐷 2 4 = 𝜋 (0.125) 2 4 = 0,0123 𝑚 2 𝑣 = 0,042 0.0123 = 3.415  𝑚 𝑠 ⁄
Luas  jarak susunan pipa sejajar parallel :
A 1 = S T x L = 20,32 x 120 = 2438.4 cm 2
A T =  (S T –  D)    L  =  (20,32  –  12,5) 120  = 938.4 cm 2
A D = (S D – D) L = (20,32 – 12,5) 120
= 938.4 cm2 Luas  permukaan  panas  A S dari  7  pipa adalah N π D  L = 7 x π x 12,5 x 120 = 32987 cm 2
Kecepatan maksimum gas pembakaran : 𝑣 𝑆 𝑇 = 2 𝑣 𝑚𝑎𝑥 (𝑆 𝐷 −  𝐷) 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 𝑣 𝑆 𝑇 2 (𝑆 𝐷 −  𝐷) = 3.415 𝑥 20,32 2 (20,32 − 12,5) = 69,4 15,64 = 4,44  𝑚 𝑠 ⁄
Laju  aliran  massa  gas  pembakaran  : 0,042 m 3 /s = 42 kg/s
Berat  jenis  gas  asap  berdasarkan  laju aliran massa gas pembakaran :
ṁ = ρν (N T S T L) 𝜌 = 𝑚̇ 𝑣 (𝑁 𝑇 𝑆 𝑇 𝐿) 𝜌 = 42 𝑘𝑔 𝑠 3.415 𝑚 𝑠 ( 7 𝑥 0,2032𝑚 𝑥 1,2 𝑚) = 42 5.83 = 7,2 𝑘𝑔 𝑚 3 ⁄
Temperatur keluar T e diujung pipa api :
𝑇 𝑚 = 𝑇 𝑖 −   𝑇 𝑒 2 600 = 980 −   𝑇 𝑒
2
𝑇 𝑒 =   (600 𝑥 2) −  980 = 1200 − 980 = 226 𝐶
Temperatur  Permukaan  Pipa  api  T S bagian dalam : ∆T = T S - T m T S = ∆T + T m = (600 – 226 ) + 600 = 974 0 C Panas Spesifik tekanan C p konstan :
𝑄 =   𝑚 𝐶 𝑝 (𝑇 𝑒 −   𝑇 𝑖 ) ̇ ̇
𝐶 𝑃 = 𝑄 𝑚 ( 𝑇 𝑒 −   𝑇 𝑖 ) = 7,3 𝑀𝑊 42 𝑘𝑔 𝑠 𝑥 (226 𝐶 − 980 𝐶 ) = 7300 𝑘𝐽/𝑠 31668 𝑘𝑔 𝐶 𝑠 ⁄ = 0,23 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝐶

## KESIMPULAN DAN SARAN
Kemampuan  gas  pembakaran untuk laju perpindahan panas ( konveksi,konduksi  dan  radiasi  ),  bahwa nilai berat jenis 7,2 kg/m 3 , panas spesifik gas  pembakaran  1.23  kJ/kg. 0 C,  dan kecepatan  gas  pembakaran  3,415  m/s simpulan sementara bisa menjadi
parameter  mengukur  laju  peprpindahan panas.  Susunan  pipa  juga  bisa  jadi pertimbanagan untuk mentransfer panas ke  fluida.  Untuk    mendapatkan  hasil yang komplek dan menghasilkan rancangan ketel uap pipa api mini  yang baik  perlu  dilakukan  pengkajian  yang lebih  dalam  tentang  pengaruh  susunan pipa  terhadap  gas  panas  pembakaran dengan  waktu  yang  dibutuhkan  untuk mendidihkan air.

## 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