## Analisis Pindah Panas Konduksi dan Konveksi pada Heat  Exchanger  Evaporator  Efek  Ganda  pada Pengolahan Nira Tebu
Analysis  of  Heat  Transfer  Conduction  and  Convection  on  Heat  Exchanger Double Effect Evaporator on Sugarcane Juice Processing
Khoirul Anam As Syukri 1* , Dony Perdana 1 , Moch. Izza Maulana Sulthon 1 , Sumardi Hadi Sumarlan 2
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Maarif Hasyim Latif, Sidoarjo, Indonesia.
2 Jurusan Keteknikan Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia. Email*): anam_assyukri@dosen.umaha.ac.id
Received:
8 November 2022
Revised: 10 August 2023 Accepted: 10 September 2023 Published: 27 September 2023 DOI: 10.29303/jrpb.v11i2.221 ISSN 2301-8119
e-ISSN 2443-1354
Tersedia online di http://jrpb.unram.ac.id/
Abstract: Heat transfer occurs due to differences in temperature contained in an object.  In  this  study  only  discussed  about  heat  transfer  by  conduction,  and  by convection  (inside  and  outside  the  tube).  The  purpose  of  this  study  was  to determine  the  value  of  conduction  and  convection  heat  transfer  in  the  heat exchanger of the sugarcane juice evaporation process using a dual effect evaporator and its effect on the rate of evaporation. The method used through observation and experimentation on the heat exchanger contained in the second tube evaporator. The materials used were 50 liters of sugar cane juice in the 1 effect tube and 26 liters of the effect tube 2. Experiments and data collection in the form of temperature, pressure, and volume were carried out 3 times. Each repeat process was carried out at  5.2  hours  under  vacuum.  The  temperature  and  pressure  data  were  recorded every  10  minutes.  In  addition,  the  plate  thickness,  plate  type,  material  contact surface  area  and  characteristics  of  the  processed  material  were  determined. Furthermore, the data is substituted in several heat transfer equations to get the value. Based on the results of the study, the overall heat transfer coefficient value of the convection heat transfer is 35.98 w / m2K. Meanwhile, the total heat transfer from convection and conduction to the heat exchanger is 4656.6 watts. This heat transfer value can cause the evaporation rate of sugarcane juice to effect 2 of 1.03 liters / hour.
Keywords: double effect evaporator; heat transfer; conduction; convection
Abstrak: Pindah panas terjadi karena perbedaan suhu yang terdapat pada suatu benda. Pada penelitian ini hanya dibahas mengenai pindah panas secara konduksi, dan  secara  konveksi  (dalam  dan  luar  tube).  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah mengetahui nilai pindah panas konduksi dan konveksi pada heat exchanger dari proses evaporasi nira tebu menggunakan evaporator efek ganda dan pengaruhnya terhadap  laju  penguapan.  Metode  yang  digunakan  melalui  pengamatan  dan eksperimen  pada  heat  exchanger  yang  terdapat  pada  evaporator  tabung  kedua. Bahan yang digunakan berupa nira tebu sebanyak 50 liter pada tabung efek 1 dan 26  liter  pada  tabung  efek  2.  Eksperimen  dan  pengambilan  data  berupa  suhu, tekanan, dan volume dilakukan sebanyak 3 kali ulangan. Setiap proses ulangan dilakukan pada waktu 5,2 jam dalam kondisi vakum. Pencatatan data suhu dan tekanan dilakukan setiap 10 menit. Selain itu dilakukan penentuan ketebalan plat, jenis plat, luas permukaan kontak bahan, dan karakteristik bahan yang diproses. Selanjutnya data tersebut disubtitusikan dalam beberapa persamaan pindah panas untuk  mendapatkan  besaran  nilainya.  Berdasarkan  hasil  penelitian  didapatkan nilai  overall  heat  transfer  coeficient  dari  pindah  panas  konveksi  sebesar  35,98 w/m2K.  Sedangkan  pindah  panas  total  dari  konveksi  dan  konduksi  pada  heat exchanger  adalah  sebesar  4656,6  watt.  Nilai  pindah  panas  tersebut  dapat menyebabkan laju evaporasi nira tebu pada efek 2 sebesar 1,03 liter/jam.
Kata kunci: evaporator double effect ; konduksi, konveksi; pindah panas;

## PENDAHULUAN Latar Belakang
Aktifitas mendasar pada proses evaporasi  adalah sistem termal untuk menghasilkan kalor dalam proses penguapan bahan. Hal tersebut disebabkan penguapan merupakan salah satu  proses  konversi  energi  menjadi  panas  untuk  menghasilkan  uap  air  melalui  proses perubahan fasa. Perubahan fasa yang terjadi, yaitu dari cair ke gas, perubahan entalpi sistem adalah panas laten, dalam kasusnya yang terkait dengan penguapan. Pada perubahan suhu sederhana, derajat variasi entalpi sesuai dengan kapasitas panas pada sistem tekanan konstan (Rodriguez et al., 2015). Sehingga salah satu item paling penting dalam proses penguapan menggunakan evaporator adalah perancancangan sistem termal yang baik, terutama pada heat  exchanger.  Item  tersebut  juga  sangat  mempengaruhi  besar  kecilnya  biaya  yang dibutuhkan dalam proses evaporasi (Ali et al., 2021), selain item jumlah efek (A. Sorour, 2015). Perancanaan  sistem  termal  melibatkan  proses pindah  panas  yang  perlu  diketahui  besaran nilainya.  Sehingga  analisis  pindah  panas  penting  dilakukan  untuk  mengetahui  seberapa efektif heat exchanger itu dapat bekerja dan berapa banyak uap air yang dihasilkan.
Jenis evaporator yang digunakan adalah evaporator efek ganda ( double effect ) dengan sistem vakum (Lppm & Soetedjo, 2009). Evaporator efek ganda memungkinkan penghematan dari sisi energi. Hal ini disebabkan karena uap atau steam yang dihasilkan dari efek 1 (ruang proses 1) dapat digunakan kembali untuk melakukan proses evaporasi pada bahan di efek 2. Sehingga terjadi recovery system dalam penggunaan energi (Riadi et al., 2021). Dalam konduksi (Wijaya et al., 2019), energi perlahan-lahan berdifusi melalui titik suhu yang lebih tinggi ke titik  suhu  yang  lebih  rendah  dengan  adanya  media  penghantar  dan  tanpa  adanya perpindahan partikel penyusun, sedangkan konveksi terjadi dengan adanya gerakan media transmisi (Holdsworth & Simpson, 2016).
Dari hasil analisis pindah panas dapat diketahui hubungannya dengan banyaknya uap yang dihasilkan dalam proses evaporasi. Besar kecilnya pindah panas dalam heat exchanger akan  berpengaruh  pada  sedikit  banyaknya  uap  yang  dapat  dihasilkan.  Sehingga  dapat diketahui seberapa efektif heat exchanger yang telah dirancang dan digunakan.
Penelitian serupa tentang analisis pindah panas dilakukan oleh Storia (2016), namun fokus  pada  pengaruh o Brix  terhadap  pindah  panas.  Penelitian  lain  juga  dilakukan  pada kondensor  (Fauziyyah,  2015),  pengaruh  perbedaan  material  terhadap  pindah  panas (Ma ’shum et al., 2012), Analisa Heat Exchanger Jenis Sheel and Tube Dengan Sistem Single Pass (Sutowo,  2012).  Beberapa  penelitian  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  tanpa menghubungkan antara hasil nilai pindah panas dengan pengurangan volume.

## Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui nilai pindah panas konduksi dan konveksi pada heat exchanger efek 2 yang dihasilkan oleh uap panas dari proses evaporasi efek 1.

## METODE PENELITIAN Alat dan Bahan
Alat yang digunakan untuk menunjang penelitian diantaranya unit mesin evaporator vakum double effect,  kompor YUNDAI YANG-5A, stopwatch, sensor termokopel digital, 2 boiler thermometer, heat exchanger, 2 manometer, mistar, jangka sorong, penggiling tebu, saringan nira, dan box steorofoam. Sedangkan bahan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya nira tebu hitam varietas BL (Bululawang), air, gas LPG (Liquified Petrolium Gas) 12 kg, natrium benzoat, dan kapur tohor (CaO).

## Unit Mesin Evaporator Efek Ganda
Spesifikasi mesin terdiri dari 2 tabung proses yaitu tabung efek 1 berdiameter 40 cm dan tinggi 50 cm, dengan kapasitas 50 liter. Efek 2 memiliki diamater dan tinggi yang sama dengan efek 1, namun di dalam efek 2 terdapat heat exchanger sehingg kapasitas dari efek 2 sebesar 30 liter. Heat exchanger pada efek 2 berdiameter 40 cm dengan tinggi  25 cm, memiliki  28 lubang tube sheet dengan diameter 2,54 cm. Tebal plat yang digunakan pada kontruksi mesin dan heat exchanger adalah steinless steel ketebalan 3 mm. Rancangan evaporator efek ganda yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1 dan Gambar 2.
Gambar 1. Kontruksi mesin evaporator efek ganda: (1) Valve input bahan, (2) Ruang proses/tabung efek 1, (3) Indikator volume bahan efek 1, (4) Kompor (pemanas), (5) Rangka, (6) Panel control, (7) Pipa saluran bahan efek 1 ke efek 2, (8) Valve output bahan, (9) Saluran udara dari ruang proses menuju pompa, (10) Ruang proses efek 2, (11) Manometer efek 2, (12) Chamber/wadah air sirkulasi pompa, (13) Water Jet , (14) Boiler Thermometer uap efek 2
Gambar 2. Kontruksi heat exchanger tampak bawah pada efek 2

## Metode Pengambilan Data
Metode  yang  digunakan  dalam  pengambilan  data  adalah  melalui  pengamatan  dan eksperimen pada heat exchanger yang terdapat pada evaporator tabung kedua. Pengambilan data dilakukan dengan 3 kali ulangan. Setiap proses ulangan dilakukan pada waktu 5,2 jam. Pencatatan data suhu dan tekanan dilakukan setiap 10 menit. Untuk bahan yang diproses digunakan  nira  tebu  yang  didapatkan  dari  proses  penggilingan  tebu  hitam.  Setiap  proses digunakan sebanyak 50 liter pada efek 1, dan rata-rata 26,5 liter pada efek 2. Dilakukan juga pencatatan terhadap tekanan vakum dari pompa vakum 1 HP setiap 10 menit sekali. Setelah beberapa data pendukung didapatkan, maka dapat dilakukan perhitungan melalui beberapa persamaan yang dijelaskan pada bagian selanjutnya.
Data  pendukung  yang  diperlukan  untuk  menunjang  penentuan  nilai  pindah  panas diantaranya  suhu  bahan,  suhu  uap,  suhu  lingkungan,  ketebalan  plat,  jenis  plat,  luas permukaan kontak bahan, dan  karakteristik bahan yang diproses. Pengambilan data suhu
digunakan  menggunakan  thermocouple  pada  titik  dalam  dan luar  tube   untuk  mengukur suhu  bahan  dan  material  plat.  Hasil  pengukuran  tertampil  pada  display  dari box  control . Selain itu digunakan 2 boiler thermometer analog. Pertama digunakan untuk mengukur uap input  pada heat  exchanger dan  kedua  ditempatkan  pada  luar tube  heat  exchanger untuk mengukur  besarnya  suhu  uap  yang  dihasilkan.  Sementara  untuk  pengambilan  data  suhu lingkungan  digunakan  termometer  ruangan.  Data  berupa  dimensi  dilakukan  pengukuran menggunakan mistar dan jangka sorong.
Berikut diagram alir dari satu kali proses/ulangan pengambilan data pada Gambar 3.

## Gambar 3. Diagram alir pengambilan data dalam satu kali proses

## Pindah Panas Pada Heat Exchanger (Efek 2)
Perpindahan panas atau kalor dapat  didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Pehitungan laju perpindahan panas membutuhkan perhitungan total pada area permukaan yang terkena panas. Oleh karena itu, dibutuhkan beberapa data, seperti data temperatur  fluida  yang  masuk  dan  keluar,  koefisien  perpindahan  panas  total,  laju perpindahan panas total, dan data-data lain yang mendukung untuk analisis. Ada tiga bentuk mekanisme  perpindahan  panas  yang  diketahui,  yaitu  konduksi,  konveksi,  dan  radiasi. Namun untuk pindah panas secara radiasi tidak dijelasakan pada penelitian ini.

## a. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Perhitungan  pindah  panas  secara  konduksi  dilakukan  untuk  menentukan  besarnya energi  yang  berhasil  ditransfer  dalam heat  exchanger. Persamaan  laju  perpindahan  panas konduksi satu dimensi pada dinding datar dengan arah pindah panas 90 o dikenal dengan persamaan (hukum) Fourier’s Law , yaitu (Darmanto et al., 2005):
𝑞𝑘  =   − 𝑘  𝑥 𝐴 𝑥 𝛥𝑇 𝑥 …………………………………………………………………………………...(1) dimana: q k :  laju perpindahan panas (watt) k   : konduktivitas panas (W/m o K) A : luasan penampang tegak lurus dengan arah perpindahan panas (m 2 ) ΔT 𝑥 : gradient temperatur
Tanda  minus  adalah  konsekuensi  bahwa  panas  berpindah  dari  lokasi  yang  bertemperatur tinggi  ke  yang  lebih  rendah.  Berikut  diagram  alir  penentuan  nilai  konduksi  terdapat  pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram alir perhitungan nilai pindah panas konduksi

## b. Perpindahan Panas Secara Konveksi
Penentuan  pindah  panas  secara  konveksi  dilakukan  dengan  2  perhitungan,  yaitu konveksi dalam tube dan konveksi luar tube.
1. Pindah panas dalam tube (h i )
Untuk  menghitung  nilai  koefisien  perpindahan  panas  secara  konveksi  didalam tube dapat dilakukan dengan Persamaan 2 (Bonan, 2019):
ℎ𝑖  = 𝑁𝑢 𝐷 +𝑘 𝑓 𝐷 𝑖 ……….…………………………………………………………………………………(2) dimana: h i : koefisien konveksi luar tube (W/m 2 .K) Nu D : nusselt number K : konduktifitas thermal (W/m.K) D i : diameter dalam tube (m)
Sebelum  disubtitusikan  pada  Persamaan  2,  dilakukan  penentuan  jenis  aliran  yaitu laminar  dan  turbular.  Aliran  laminar    terjadi  jika  nilai  dari  Re D <2300  sedangkan  aliran turbulen terjadi jika nilai ReD ≥ 2300. Untuk membedakan kedua aliran tersebut, digunakan batasan dengan menggunakan Reynold Number dengan menggunakan Persamaan 3:
Re = 𝐷 𝑥 𝑣 𝑥 𝜌 µ ……...……………………………………………………………………..……………(3) dimana:
Re D : Reynold Number 𝜌 : massa jenis aliran (kg/m 3 ) v : kecepatan aliran (m/s)
D : diameter dalam tube (m)
µ : viskositas absolut (Ns/m 2 ) Pada aliran laminar, berlaku untuk Nusselt Number didapat dari Persamaan 4a :
Nu D = ℎ𝑖 𝑥 𝐷 𝑘 = 4.36 (q” = konstan) .................................................................................................(4a)
Jika pada seluruh permukaan perpindahan panas sama :
Nu D = ℎ𝑖 𝑥 𝐷 𝑘 = 3.66 (T s = konstan) ..................................................................................................(4b)
Pada aliran turbulan untuk nusselt number didapatkan dari Persamaan 5 :
Nu D = 0,023 𝑥 𝑅𝑒 4/5 𝑥 𝑃𝑟 𝑛 ................................................................................................................(5) Nu D : Nusselt Number
Re D : Reynold Number
Pr : Prandtl Number n : 0.4 untuk proses heating (Ts > Tm) dan 0.3 untuk proses cooling (Ts < Tm)
Setelah  ditentukan  nilai  dari  nusselt  number,  konduktivitas  thermal,  dan  diameter dalam,  maka  dapat  disubtitusikan  pada  persamaan  (2)  untuk  nilai  koefisien  perpindahan panas secara konveksi didalam tube.
2. Pindah panas luar tube (h o ) Tahapan pertama adalah menentukan nilai persamaan Reynold Number (Persamaan 3) dan Prandtl  Number. Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  untuk  menentukan  nilai Nusselt Number dengan Persamaan 6 (Frank P. Incropera’s et. al., 2017) :
Nu D = 𝐶1𝑥 𝑅𝑒 𝑚 𝑥 𝑃𝑟 0,36 𝑥 ( 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑠 ) 1/4 ....................................................................................................(6) Dengan ketentuan, (N L > 20 ; 0,7 < Pr < 500 ; 1000 < Re D,max < 2 x 10 6 ) Nu D = 𝐶1𝑥 𝑅𝑒 𝑚 𝑥  ( 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑠 ) 1/3 .......................................................................................................(7)
Dengan ketentuan, (N L > 10 ; Pr < 0,7 ; 2000 < Re D,max < 40000) Pada  tahap  selanjutnya adalah  dilakukan  perhitungan  untuk  menentukan nilai Jacob Number (Ja) Kalor Laten Penguapan (h ’ fg ). Penentuan Jacob Number menggunakan Persamaan 8 :
Ja = 𝐶𝑝 𝑓 x (Tsat – Ts) ℎ 𝑓𝑔 ...............................................................................................................................(8)
Hasil nilai Jacob Number digunakan untuk menentukan nilai kalor laten penguapan (h ’ fg ). Setelah mendapatkan beberapa hasil diatas, dapat dihitung nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi diluar tube , dengan Persamaan 9 : h o = 𝑁𝑢 𝑥 𝑘
𝐷𝑜 ..............................................................................................................................................(9)
h i = koefisien konveksi di luar tube (W/m 2 .K) Nu = nusselt number k
= konduktifitas thermal (W/m.K) D o = diameter luar tube (m)

## 3. Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan
Koefisien  pindah  panas  keseluruhan  merupakan  hasil  perhitungan  dari  koefisien konveksi  dalam  (h i )  dan  luar  (h o ) tube. Persamaan  umum  untuk  menghitung overall  heat transfer coefficient yaitu (Saputra & Ferdian, 2020):
U = 1 1 ℎ𝑜 +𝑅 ′′ 𝑓,𝑜 + 𝑟𝑜 𝑘 𝑙𝑛( 𝑟𝑜 𝑟𝑖 )+ ( 𝑟𝑜 𝑟𝑖 ) 𝑥  𝑅 ′′ 𝑓,𝑖 +( 𝑟𝑜 𝑟𝑖 )𝑥( 1 ℎ𝑖 ) .......................................................................................(10) r o = jari-jari luar (m) r i = jari-jari dalam (m) R f.o = Konstanta retensi fouling factor
Tahap  terakhir  adalah  mensusbtitusikan  hasil  dari  beberapa  variabel  diatas  pada persamaan berikut :
q konveksi = U x A x ΔT .........................................................................................................................(11)
Berikut diagram alir dari proses penentuan nilai pindah pindah panas konveksi pada Gambar 5.
Gambar 5. Diagram alir proses penentuan nilai konveksi keseluruhan (q konveksi )

## c. Pengukuran laju Penguapan
Laju penguapan pada alat evaporator menunjukkan laju kuantitas air  yang  berhasil dievaporasi  (diuapkan)  menjadi  uap persatuan  waktu  (jam).  Pengukuran  didapat  dengan pengamatan  pada  ruang  evaporasi,  yaitu selisih  volume  bahan  masuk  dengan  bahan tersisa.   Selisih bahan ini  merupakan jumlah bahan yang berhasil  dievaporasi.  Penguapan tersebut  menghasilkan steam yang  dapat  digunakan  pada  proses  pemanasan.  Perhitungan laju evaporasi dapat menggunakan Persamaan 12 (Tyas et al., 2017) (Supriatna, 2008) : 𝛿𝑀 𝛿𝑇 = 𝑚1−𝑚2
𝜃 .....................................................................................................................................(12) Di mana: 𝛿𝑀 𝛿𝑇 = laju  evaporasi, m1 = kadar  air  awal  bahan
m2    = kadar air akhir bahan θ = lamanya/waktu proses evaporasi

## d. Properties Nira Tebu
Propertis  dari  nira  sangat  bergantung  pada  konsentrasi (B) dan temperatur (t). Dalam (Storia, 2016) memberikan Persamaan 13, 14 dan 15 di bawah ini . Density
𝜌  = 1000  (1 + 𝐵(𝐵+200) 54000 ) [1 − 0,036  ( 𝑡−20
160−𝑡 )] ..............................................................................(13)

## Spesific Heat Capacity
𝐶𝑝 = 4,1868 − 𝐵 (0,0297 − 4,6𝑥10 −5𝑃 ) +  7,5𝑥10 −5𝑃 𝐵𝑡 .............................................................(14)

## Thermal Conductivity
𝑘  = (1 − 0,54𝐵). [0,561 + 0,206  ( 𝑡 100 ) − 0,0943  ( 𝑡 100 ) − 0,007746  ( 𝑡 100 ) 3 ] ............................(15)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Pindah panas ( heat exchanger )
Perhitungan  pindah  panas  pada  penelitian  ini  ditujukan  pada  bagian heat  exchanger. Karena analisis yang digunakan adalah pindah panas secara konveksi dan konduksi. Pada analisis pindah panas secara konveksi akan dianalisis dari dalam dan luar tube heat exchanger yang  sumber  panasnya  berasal  dari  aliran  uap  panas  hasil  evaporasi  efek  1.  Sedangkan analisis pindah panas konduksi, dilakukan pada area heat exchanger yang kontak langsung dengan bahan.
a. Luas permukaan area heat transfer pada heat exchanger Tipe Heat  exchanger yang  digunakan  adalah  tipe shell  and  tube seperti  yang  telah dijelaskan pada pembahasan awal. Berdasarkan pengamatan dan pengukuran dari HE yang digunakan, didapatkan dimensi dari HE sebagai berikut :
1. R besar
= 40 cm ; 2. Tinggi = 25 cm ;
3. r kecil atau r dalam = 1,27 cm ; 4. r besar atau r luar = 1,57 cm 5. Tebal plat HE = 3 mm
Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  pada  luas  permukaan  dari  HE  dengan  bentuk  seperti pada  Gambar  6.  Hasil  perhitungan  dari  luas  permukaan  dari  area  pindah  panas  adalah sebesar 1,507 m 2 .
(a) (b)
Gambar 6. (a) kontruksi HE dalam efek 2 (b) kontruksi dan skema dimensi heat exchanger

## b. Perhitungan Pindah panas Konduksi pada Heat Exchanger
Variabel  perhitungan  meliputi  konduktivitas  termal,  luas  permukaan,  dan  gradien suhu. Besar konduktivitas termal dari steinless steel adalah 45 w/m o C, luas permukaan 1,507 m 2 , dan  gradien suhu sebesar 2 o C. Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan, besar pindah panas konduksi pada heat exchanger adalah sebesar 4521 watt. Artinya pindah panas yang terjadi secara konduksi di dalam sistem heat exchanger sebesar 4521 watt.
Perhitungan  pindah  panas  pada  penelitian  ini  hanya  dilakukan  pada  kontruksi heat exchanger karena memungkinkan untuk dilakukan perhitungan pindah panas konveksi dan konduksi.  Hal  tersebut  membuat  luasan  area  permukaan  dari  pindah  panas  konduksi menjadi lebih kecil dari seluruh kapasitas evaporator. Sehingga nilai pindah panas konduksi yang  didapatkan  tergolong  masih  rendah  (Sasmita  et  al.,  2018).  Dalam  (Michaleris,  2014) menyebutkan  bahwa  faktor  terbesar  yang  mempengaruhi  nilai    pindah  panas  adalah  luas permukaan.  Ketika luas  permukaan besar,  maka  nilai  pindah  panas  yang  dihasilkan  akan semakin besar. Faktor lainnya adalah kecilnya selisih suhu dari heat exchanger . Ketika selisih suhu rendah, maka peningkatan suhu menjadi tidak signifikan, yang berarti bahwa hanya terjadi pindah panas konduksi dalam jumlah yang rendah. Selain itu, ketebalan dari material
yang digunakan untuk shell akan mempengaruhi laju pindah panas yang terjadi pada heat exchanger. Ketebalan  dari  pipa  untuk shell mewakili  jarak  yang  ditempuh  panas  sebelum mencapai  bahan  yang  akan  dipanaskan.  Ketika  laju  panas  lebih  lama,  maka  panas  yang diterima  bahan  akan  lebih  kecil  dan  lebih  rendah.  Sehingga  perbaikan  kontruksi  dan pemilihan  material  dari  perancangan heat  exchanger perlu  dilakukan  kajian  ulang  untuk mencapai nilai optimalnya.
c. Perhitungan pindah panas Konveksi
- Perhitungan Nilai panas Konveksi dalam Tube (hi)
Laju perpindahan panas konveksi didapat dengan menggunakan (hukum) newton’s law of  cooling atas  dasar  kasus  perpindahan  panas  pada  evaporator double  effect menggunakan sistem aliran paksa. Karena steam hasil penguapan di efek 1 ditarik secara paksa melewati tube pada heat  exchanger menggunakan  pompa  vakum.  Sehingga steam akan  membawa  energi panas  melewati tube pada heat  exchanger dan  menimbulkan  panas  pada heat  exchanger. Selanjutnya  akan  memanaskan  bahan  pada  efek  2.  Laju  aliran steam pada heat  exchanger bergerak secara vertikal sesuai dengan kontruksi dari mesin. Berikut merupakan skema pola aliran dalam tube dijelaskan pada Gambar 7.
Gambar 7. Pola aliran steam dalam tube heat exchange
Berdasarkan  perhitungan  yang  telah  dilakukan besar  nilai  koefisien  konveksi  dalam tube rata-rata adalah sebagai berikut:
Tabel 1. Hasil perhitungan pindah panas dalam tube pada HE
T i
( o C) T o ( o C) Reynolds Number ( Re ) Nusselt Number (Nu) h i (w/m 2 . o C) 62 61,7  4167,56 15,65 514,6
Berdasarkan  hasil  pada  Tabel  1 dapat  dilihat  bahwa  suhu  dalam tube (T i )  rata-rata sebesar 62 o C dan suhu diluar tube rata-rata 61,7 o C. Diasumsikan bahwa kecepatan udara penyedotan pompa vakum adalah 3 m/s. Selanjutnya ditentukan bilangan Reynolds Number dan  didapatkan  sebesar  4167,56.  Bilangan Reynold diatas  2300  (Re>2300)  sehingga  aliran termasuk turbulen. Penentuan Reynolds Number menggunakan persamaan 3. Penentuan jenis aliran  akan  menentukan  persamaan  yang  digunakan  dalam  melakukan  perhitungan selanjutnya. Tahapan selanjutnya adalah menentukan Nusselt Number dan didapatkan nilai sebesar 15,65. Persamaan untuk aliran turbulen seperti pada persamaan 5. Setelah diketahui nilai dari Nusselt Number maka dapat dilakukan perhitungan besarnya pindah panas konveksi didalam tube (h i ).  Perhitungan  pindah  panas  dalam tube menggunakan  persamaan  2,  dan didapatkan nilai pindah panas konveksi sebesar 514,6 w/m 2 . o K.
- Perhitungan pindah panas konveksi luar tube (h o )
Pindah  panas diluar tube merupakan laju panas yang terjadi di ruang proses efek 2. Panas dari heat exchanger akan diterima oleh bahan berupa fluida ketika dipanaskan dalam ruang proses efek 2. Konveksi pada bagian ini adalah bentuk pindah panas yang terjadi antara heat exchanger dengan fluida (nira tebu). Pada perhitungan h o sangat ditentukan oleh besarnya
tekanan pada ruang proses. Tekanan tersebut akan digunakan dasar dalam penentuan suhu penguapan (T sat. ) dari nira tebu.
Berdasarkan  pengamatan  yang  dilakukan  dari  tekanan  rata-rata  pada  efek  2  adalah sebesar -57,85 CmHg. Tekanan tersebut menghasilkan nilai suhu penguapan sebesar 64,2 o C Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  beberapa  variabel  pendukung  lainnya,  diantaranya Massa jenis (𝜌 ), Spesific heat (Cp f ), dan Thermal Conductivity (k) (Persamaan 11,12,13).
Tabel 2. Nilai variabel pendukung perhitungan h o Variabel Nilai Kalor laten (H fg ) 2351,4 kJ/kg Massa jenis (𝝆 ) 985,67 kg/m 3 , Spesific heat (Cp f ) pada suhu 62,94 o C 4,1827 KJ/kg.K Thermal Conductivity (k) pada suhu 62,94 o C 0,66094 w/m 2 .K Prandtl (Pr) pada suhu 62,94 o C 2,86 Absolute  viscocity  (µ f )  pada  suhu  62,94 o C 450,344 x 10 -6
N.s/m 2
Dari  beberapa variabel pada  Tabel 2 dapat digunakan untuk menentukan nilai Jacob Number (Ja) Kalor Laten Penguapan (h ’ fg ). Hasil perhitungan Jacob number didapatkan sebesar 0,00421. Hasil nilai Jacob Number digunakan untuk menentukan nilai kalor laten penguapan (h ’ fg ) yang menunjukkan kalor laten penguapan sebesar 2358,21 kJ/kg.
Perhitungan  selanjutnya  menentukan  nilai Nusselt  number seperti  menggunakan persamaan 7. Besar nusselt number dari perhitungan adalah 2713,65. Hasil dari perhitungan menunjukkan bahwa nilai konveksi diluar tube adalah sebesar 4569,57 w/m 2 .K. Maka dapat diketahui bahwa besarnya koefisien konveksi yang terjadi di luar tube (didalam ruang proses efek 2) adalah sebesar 4569,57 w/m 2 .K.
- Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient (U)
Variabel pendukung seperti koefien konveksi dalam tube (h i ) dan luar tube (h o ) telah ditentukan, maka dapat dilakukan perhitungan untuk menenentukan Overall Heat Transfer Coefficient (U). Penentuan nilai U didasarkan pada persamaan 9. Pada perhitungan diketahui bahwa fouling  factor ( 𝑅 ′′ 𝑓,𝑜 )  untuk organic  solvent =  0,009.  Hasil  perhitungan  menunjukkan bahwa nilai Overall Heat Transfer Coefficient rata-rata dari semua ulangan adalah sebesar 35,983 w/m 2 .K. Nilai tersebut selanjutnya disubtitusikan pada persamaan pindah panas konveksi keseluruhan (q konveksi ). Hasil menunjukkan nilai q sebesar 135,6 watt.
Nilai  pindah  panas  konveksi  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor  diantaranya  dimensi dari tube termasuk besar diameter dan panjang serta banyaknya jumlah lubang. Faktor lain yang juga dapat mempengaruhi besarnya heat transfer adalah kecepatan fluida yang mengalir dalam  sistem heat  exchanger. Semakin  cepat  udara  yang  mengalir  akan  mempengaruhi kecepatan rambat panas dalam material. Selain itu akan mempengaruhi kelembapan udara yang ada dalam ruang proses. Ketika kecepatan udara meningkat dalam kondisi udara jenuh, kelembapan  akan  menurun  dan  dapat  meningkatkan  laju  pengeringan,  meskipun  dalam porsi yang rendah (Burmester & Eggers, 2010).

## d. Pengaruh Pindah Panas terhadap proses penguapan
Nilai pindah panas yang dihasilkan dalam seluruh luasan heat exchanger adalah sebesar 4656,6  watt.  Besarnya  pindah  panas  yang  dihasilkan  dari heat  exchanger akan  digunakan dalam  melakukan  proses  evaporasi  di  tabung  efek  2  ditambah  dengan  aktifitas  pompa vakum.  Berikut  grafik  dari  laju  pengurangan  volume  nira  yang  terjadi  pada  efek  2 ditunjukkan pada gambar 8 .
Gambar 8. Grafik laju pengurangan Volume efek 2
Berdasarkan  grafik  diatas  menunjukkan  terjadi  pengurangan  volume  nira  selama proses evaporasi berlangsung. Volume awal pada proses evaporasi di efek 2 rata-rata sebesar 26,5 liter dan setelah selesai proses volume akhir rata-rata sebesar 21,2 liter. Sehingga dapat diketahui  laju  penurunan  rata-rata nira  yang  diproses  dalam  efek  2  sebesar  1,03  liter/jam pada  tekanan  -59,5  CmHg.  Hasil  tersebut  sejalan  dengan  peneliti  sebelumnya  yang memaparkan hasil penelitian bahwa terdapat hubungan linieritas berupa tingginya pindah panas mempengaruhi besaran dan kecepatan laju penguapan (Syakdani et al., 2019).
Pada  dasarnya  dari  hasil  tersebut,  peneliti  ingin  mengetahui  kinerja  kondisi  operasi desain dari hasil analisis pindah panas terhadap laju penguapan. Dari hasil yang dipaparkan, dengan nilai pindah panas sebesar 4656,6 watt dapat menguapkan air dari proses evaporasi nira tebu sebesar 1,03 liter/jam pada kondisi vakum. Melalui analisis  pindah panas dapat digunakan  untuk  mengetahui  seberapa  efektif  mesin  tersebut  dapat  bekerja  dan  menjadi dasar dalam proses perancangan.

## KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  penelitian  dari  pindah  panas  yang  terjadi  pada heat  exchanger evaporator efek ganda didapatkan nilai pindah panas konduksi sebesar 4521 watt, dan nilai pindah panas konveksi 135,6 watt pada tekanan rata-rata -59,5 CmHg. Pada kondisi vakum nilai pindah panas tersebut dapat menyebabkan laju evaporasi nira tebu pada efek 2 sebesar 1,03 liter/jam.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih  kepada  KEMENRISTEK  DIKTI  dan  Universitas  Brawijaya  yang  telah memberikan dukungan dana dan sarana sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini .

## PENDANAAN
Penelitian ini tidak menerima pendanaan eksternal.

## CONFLICT OF INTEREST
Penulis  menyatakan  tidak  ada  konflik  kepentingan  dengan  pihak  mana  pun. Pendanaan  dilakukan  secara  mandiri  sehingga  dalam  desain  penelitian,  dalam pengumpulan,  analisis,  atau  interpretasi  data,  dalam  penulisan  naskah,  atau  dalam keputusan untuk mengumumkan hasil penelitian dilakukan secara bersama antara penulis dengan tim peneliti.
15 18 21 24 27 30 0 60 120 180 240 300 320 vol ume ( li ter ) waktu (menit) efek 2 ulangan 1 efek 2 ulangan 2 efek 2 ulangan 3

## DAFTAR REFERENSI
A. Sorour, M. (2015). Optimization of Multiple Effect Evaporators Designed for Fruit Juice Concentrate. American Journal of Energy Engineering , 3 (2), 6.
https://doi.org/10.11648/j.ajee.s.2015030201.12
Ali, E., Orfi, J., AlAnsary, H., Soukane, S., Elcik, H., Alpatova, A., & Ghaffour, N. (2021). Cost analysis  of multiple effect evaporation and membrane distillation hybrid desalination system. Desalination , 517 (June), 115258. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.115258
Bonan, G. (2019). Fundamentals of Energy and Mass Transfer. In Climate Change and Terrestrial Ecosystem Modeling . https://doi.org/10.1017/9781107339217.004
Burmester, K., & Eggers, R. (2010). Heat and mass transfer during the coffee drying process. Journal of Food Engineering . https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2009.12.021
Darmanto, P. S., Dwi, D., & Ismail, M. (2005). Kaji Numerik Dan Eksperimental Perpindahan Panas Pada Evaporator Untuk Mendinginkan Udara. Mesin , 20 (1), 24 – 31.
Frank P. Incropera’s, David P. Dewitt, Theodore L. Bergman, A. S. L. (2017). Fundamentals of Heat  and  Mass  Transfer  8th  Edition (8th  ed.).  John  Wiley  and  Son. https://www.wiley.com/engb/Incropera%27s+Principles+of+Heat+and+Mass+Trans fer%2C+8th+Edition%2C+Global+Edition-p-9781119409090
Holdsworth,  S.  D.,  &  Simpson,  R.  (2016).  Heat  Transfer.  In Food  Engineering  Series . https://doi.org/10.1007/978-3-319-24904-9_2
Michaleris,  P.  (2014).  Modeling  metal  deposition  in  heat  transfer  analyses  of  additive manufacturing processes. Finite Elements in Analysis and Design . https://doi.org/10.1016/j.finel.2014.04.003
Riadi,  I.,  Putra,  Z.  A.,  &  Cahyono,  H.  (2021).  Thermal  integration  analysis  and  improved configuration  for  multiple  effect  evaporator  system  based  on  pinch  analysis. Reaktor ,
21 (2), 74 – 93. https://doi.org/10.14710/reaktor.21.2.74-93
Saputra,  M.,  &  Ferdian,  A.  (2020).  Analisis  Perpindahan  Panas  Pada  Heat  Exchanger  Di Furnace Boiler Circulating Fludizing Bed Unit 1 Pltu Nagan Raya 2 X 110 Mw. Jurnal Mekanova: Mekanikal, Inovasi Dan Teknologi , 4 (1), 1 – 13. https://doi.org/10.35308/jmkn.v4i1.1576
Sasmita, S., Jamaluddin P, J. P., & Syam, H. (2018). Laju Pindah Panas Secara Konduksi Dan Penguapan Air Selama Proses Pengeringan Gabah Menggunakan Cabinet Dryer. Jurnal Pendidikan Teknologi Pertanian , 1 (1), 77. https://doi.org/10.26858/jptp.v1i1.6221
Storia,  E.  A.  (2016).  Pengaruh O Brix  Terhadap  Karakteristik  Effect  on  Heat  Transfer Characteristic  of  Robert  Evaporator  Quintuple-Effect  System  in  Gempolkrep  Sugar Factory. Underthesis. Surabaya : ITS
Syakdani, A., Purnamasari, I., & Necessary, E. (2019). Prototype Of Vacuum Evaporator (The
Effectiveness  of  Temperature  and  Evaporating  Time  on  The  Evaporation  Rate  and Vacuum  Pressure  in  Mengkudu  (Morinda  Citrifolia  L.)  Fruits  Syrup. Jurnal  Kinetika , 10 (2), 29 – 35. https://jurnal.polsri.ac.id/index.php/kimia/index
Tyas, M. W., Sutan, A. T., & Ruslan, H. (2017). Analisis Nomografi Suhu , Laju Penguapan Dan Tekanan Udara Pada Alat Desalinasi Tenaga Surya Dengan Pengaturan Vakum The Nomographic Analysis Against Temperature , Evaporation Rate and Air Pressure For A Solar  Powered  Desalination  Device  with  Vacuum  Contr. Jurnal  Sumberdaya  Alam  Dan Lingkungan , 02 , 55 – 61. https://jsal.ub.ac.id/index.php/jsal/article/view/271
Wijaya, R., Hariono, B., & Fk, W. (2019). Analysis of Heat Transfer Evaporation Process for Making Ants Sugar Made From Fresh Raw Neera. Proceedings of The Second International on Food and Agriculture , 2 , 426 – 435.