II- 1

BAB II

LANDASAN TEORI

Penggoreng keripik mangga yang dibuat merupakan prototipe yang dapat

langsung digunakan langsung oleh petani mangga dengan kapasitas produksi skala

panen harian dan buah mangga yang diolah yaitu buah mangga dengan tingkat

kematangan ±80% (mangga mengkal). Dalam pembuatan prototipe penggoreng

keripik mangga ini tidak terlepas dari bidang ilmu pengetahuan dan teknologi

(IPTEK) yang sedang berkembang. Pada bab ini akan dijelaskan mengenai landasan

teori yang mendukung dalam penyelesaian tugas akhir ini, yaitu yang berhubungan

dengan pengolahan keripik mangga saat ini, penelitian yang sudah dilakukan

sebelumnya atau produk yang telah dibuat, sistem fluida dan pompa dan penukar

kalor serta sensor suhu.

2.1 Pengolahan Keripik Mangga

2.1.1 Buah Mangga

Mangga merupakan komoditas pertanian hortikultura yang berasal dari

India. Tanaman mangga kemudian menyebar ke wilayah Asia Tenggara termasuk

Malaysia dan Indonesia. Beberapa jenis buah mangga (Mangifera indica L) yang

banyak ditanam di Indonesia adalah mangga Arumanis, Golek, Gedong, Manalagi

dan Cengkir. Klasifikasi botani tanaman mangga adalah sebagai berikut :

Divisi : Spermatophyta

Sub divisi : Angiospermae

Kelas : Dicotyledonae

Keluarga : Anarcadiaceae

Genus : Mangifera

Spesies : Mangifera spp.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 2

Gambar 2.1 Buah Mangga Arumanis

Gambar 2.1 memperlihatkan jenis buah mangga Arumanis. Buah mangga

mengandung vitamin C yang cukup tinggi dan dapat dikonsumsi dalam bentuk segar

maupun sebagai olahan. Mangga yang sudah masak mengandung air sekitar 82%,

vitamin C 41 mg, dan energi 73 Kal setiap 100 gram. Sebagian besar energi mangga

berasal dari karbohidrat berupa gula, yang membuatnya terasa manis. Kandungan

gula ini didominasi oleh sukrosa. Kandungan gula dalam mangga berkisar 7-12%

bahkan untuk jenis mangga manis dapat mencapai 16-18% (Dwina, 2009).

2.1.2 Keripik Mangga

Keripik adalah makanan ringan (snack food) yang tergolong jenis

makanan crackers, yaitu makanan yang bersifat kering, renyah (crispy). Keripik

mempunyai sifat renyah, tahan lama, praktis, mudah dibawa dan disimpan.

(Sulistyowati, 1999). Buah mangga dapat diolah menjadi produk keripik yang

mempunyai nilai jual yang lebih tinggi dari buah mangga segar. Sebagai produk

olahan, rasa khas dapat dinikmati setiap waktu karena sudah menjadi produk yang

awet. Salah satu contoh produk keripik mangga terlihat pada Gambar 2.2

Gambar 2.2 Salah Satu Jenis Keripik Mangga

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 3

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Ai Winarti (2000), yaitu

studi pengaruh suhu dan waktu penggorengan keripik mangga, pengamatan meliputi,

kadar air, kadar lemak dan vitamin C dengan mengambil sampel suhu 85°C, 90°C

dan 95°C, waktu penggorengan 15-35 menit dengan ketebalan rata-rata irisan mangga

2,13 mm diperoleh bahwa :

1. Kadar air rata-rata keripik mangga berkisar antara 1,93 - 2,86%. Peningkatan

suhu dan waktu penggorengan dapat menurunkan kadar air keripik mangga.

2. Kadar lemak rata-rata berkisar antara 32,58 - 39,98%. Peningkatan suhu dan

waktu dapat menaikkan kadar lemak keripik mangga.

3. Vitamin C rata-rata berkisar antara 1,841 - 3,457 mg/g. Peningkatan suhu dan

waktu penggorengan dapat menurunkan nilai vitamin C keripik mangga.

4. Produk yang dianggap paling baik adalah produk yang digoreng pada suhu 85°C

selama 35 menit. Pada kondisi ini keripik mangga yang dihasilkan lebih kering,

tidak gosong, lebih renyah dan nutrisinya dianggap baik.

2.1.3 Minyak Goreng

Minyak merupakan zat makanan yang penting untuk menjaga kesehatan

tubuh manusia. Selain itu minyak juga merupakan sumber energi yang lebih efektif

dibandingkan karbohidrat dan protein. Minyak, khususnya minyak nabati,

mengandung asam-asam lemak esensial seperti asam linoleat, lenolenat, dan

arakidonat yang dapat mencegah penyempitan pembuluh darah akibat penumpukan

kolesterol. Minyak juga berfungsi sebagai sumber dan pelarut bagi vitamin-vitamin

A, D, E dan K (Kateran, 1986). Dalam pengolahan bahan pangan, minyak berfungsi

sebagai media penghantar panas, seperti minyak goreng, mentega dan margarin.

Komposisi terbanyak dari minyak goreng yang mencapai hampir 100% adalah lemak

(Luciana, 2005). Standar mutu minyak goreng berdasarkan SNI - 3741- 1995

meliputi bau, rasa, warna, cita rasa, kadar air, asam lemak bebas, titik asap dan

bilangan iodin dapat dilihat pada Tabel 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 4

Tabel 2.1 Standar Mutu Minyak Goreng

Selama penggorengan, minyak goreng mengalami pemanasan pada suhu

tinggi yaitu pada suhu 170ºC – 180º C dalam waktu yang cukup lama. Hal ini akan

menyebabkan terjadinya proses oksidasi, hidrolisis dan polimerisasi yang

menghasilkan senyawa – senyawa hasil degradasi minyak seperti keton, aldehid dan

polimer yang merugikan kesehatan manusia. Proses – proses tersebut menyebabkan

minyak mengalami kerusakan. Kerusakan utama adalah timbulnya bau dan rasa

tengik, sedangkan kerusakan lain meliputi peningkatan kadar asam lemak bebas

(Free Fatty Acid), bilangan iodin IV (asam), timbulnya kekentalan minyak,

terbentuknya busa, kotoran dari bumbu yang digunakan dan bahan yang digoreng

(Ketaren, 1986). Penggunaan minyak berkali – kali dengan suhu penggorengan yang

cukup tinggi akan mengakibatkan minyak menjadi cepat berasap atau berbusa dan

meningkatkan warna coklat serta flavour yang tidak disukai pada bahan makanan

yang digoreng. Kerusakan minyak goreng yang berlangsung selama penggorengan

akan menurunkan nilai gizi dan mutu bahan yang digoreng (Ketaren, 1986 dan

Susinggih, dkk, 2005). Hasil penggorengan biasanya mengandung 5% - 40% minyak.

Konsumsi minyak yang rusak dapat menyebabkan berbagai penyakit seperti

pengendapan lemak dalam pembuluh darah (Artherosclerosis) dan penurunan nilai

cerna lemak. Namun jika minyak goreng bekas tersebut dibuang selain tidak

ekonomis juga akan mencemari lingkungan (Luciana, 2005 dan Nur, 2008).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 5

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa penggorengan pada

temperatur rendah dan produk yang digoreng tanpa bahan tambahan membuat

minyak menjadi awet dan dapat dipakai berkali-kali tanpa mengalami kerusakan.

Evan (2012) mengatakan bahwa dengan vacuum fryer minyak goreng dapat dipakai

sampai 60 kali proses penggorengan.

2.1.4 Penggorengan Keripik Buah

Penggorengan merupakan proses panas yang mempergunakan minyak

sebagai media pindah kalor (Lastriyanto, 2004). Proses penggorengan merupakan

proses menguapkan air yang terdapat pada bahan baku dengan mendidihkan media

penguap (minyak goreng) pada temperatur tertentu yang juga memerlukan sejumlah

kalor tertentu dalam proses penguapan tersebut (Ramdhani, 2004). Tujuan

penggorengan adalah untuk membentuk karakteristik warna, aroma dan cita rasa,

mengawetkan produk dan meningkatkan daya cerna (Lastriyanto, 2004). Selama ini

alat yang dipakai untuk menggoreng keripik buah dan sayur adalah vacuum fryer,

yaitu penggorengan dilakukan pada ruang vakum. alat ini berfungsi untuk mengolah

buah-buahan dan sayuran yang memiliki kadar air tinggi menjadi keripik buah dan

sayur yang kering dengan tetap mempertahankan warna, aroma, dan cita rasa alami

buah dan sayur. Adapun buah yang biasa diolah adalah nangka, apel, pepaya, nanas,

salak, waluh, pisang, rambutan, mangga, labu kuning dan melon. Jenis sayuran

seperti jamur tiram, buncis, kacang tanah, jagung, wortel dan kacang panjang.

Agar dapat dilakukan penggorengan pada buah dan sayur, penggorengan

dilakukan pada tekanan dan temperatur rendah. Berbeda dengan penggorengan pada

umumnya yang dilakukan pada tekanan atmosfir dan temperatur diatas 175°C, proses

penggorengan vakum dilakukan pada tekanan 10 kPa (absolut) pada suhu 80 –90°C,

dan lama penggorengan 60 –100 menit (Lastriyanto 2004). Penggorengan vakum

merupakan cara pengolahan yang tepat untuk menghasilkan kripik buah dan sayur

dengan kualitas tinggi. Dengan teknologi ini, buah dan sayur yang harganya jatuh

pada musim panen dapat diolah menjadi keripik sehingga memiliki harga jual tinggi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 6

Penggorengan dengan vacuum fryer akan menghasilkan keripik dengan

warna dan aroma buah asli serta rasa lebih renyah. Kerenyahan tersebut diperoleh

karena proses penurunan kadar air dalam buah terjadi secara berangsur-angsur

(Lastriyanto, 2004). Gambar 2.3 adalah gambar vacuum fryer yang diambil dari

Laporan Akhir Penelitian Adaptif Teknologi Pasca Panen Buah-Buahan, IP2TP

Jakarta tahun 2000.

Gambar 2.3 Mesin Vacuum Friyer

Penjelasan dari Gambar 2.3 adalah sebagai berikut :

1. Pompa vakum water jet, berfungsi untuk menghisap udara di dalam ruang

penggoreng dan untuk menghisap uap air bahan.

2. Tabung penggoreng, berfungsi untuk mengkondisikan bahan sesuai tekanan yang

diinginkan. Di dalam tabung dilengkapi keranjang buah setengah lingkaran.

3. Kondensor, berfungsi untuk mengembunkan uap air yang dikeluarkan selama

penggorengan. Kondensor ini menggunakan air sebagai pendingin.

4. Unit pemanas, menggunakan kompor gas LPG.

5. Unit pengendali operasi (box control), berfungsi untuk mengaktifkan alat vakum

dan unit pemanas.

6. Bagian pengaduk penggorengan, berfungsi untuk mengaduk buah yang berada

dalam tabung penggorengan. Bagian ini perlu seal yang kuat untuk menjaga

kevakuman tabung.

7. Mesin pengering (spinner), berfungsi untuk meniriskan keripik.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 7

Adapun proses pengolahan keripik buah adalah sebagai berikut :

A. Persiapan Bahan.

Pilih buah-buahan dengan tingkat kematangan optimal dan daging buah

tidak terlalu tebal. Kemudian kupas kulitnya, tiriskan dan lakukan pemblansiran jika

diperlukan.

B. Penggorengan.

1. Isi bak air sampai ±3 cm dari permukaan bak sirkulasi.

2. Masukkan minyak goreng ke dalam tabung sampai dasar keranjang buah.

3. Pastikan tombol pengendali suhu pada posisi off sewaktu menghubungkan

regulator LPG dengan tabung.

4. Periksa kedudukan jarum penyetel suhu pada 85°C-95°C, kemudian

hubungkan steker boks pengendali suhu dengan listrik 220 volt, minimal

1300 watt.

5. Tekan tombol pengendali suhu pada posisi on dan nyalakan kompor gas.

6. Setelah tercapai suhu yang diset (ditandai nyala kompor mengecil),

masukkan bahan maksimum sebanyak 3,5 kg ke dalam keranjang penggoreng

kemudian tutup.

7. Pasang tutup tabung penggoreng dan kunci rapat-rapat, tutup keran pelepas

vakum, nyalakan pompa dengan menekan tombol besar dalam posisi on pada

boks pengontrol sambil membuka keran sirkulasi air di atas tabung jet,

tunggu hingga air keluar dari selang bagian atas kondensor.

8. Setelah vacuum meter menunjukkan angka 700 mmHg, turunkan keranjang

ke dalam minyak dengan memutar tuas pengaduk setengah putaran (180°).

Goyanglah tuas setiap 5 menit untuk meratakan pemanasan.

9. Pada saat bahan dimasukkan ke dalam minyak, suhu akan turun, jarum meter

vakum bergerak ke kanan, kaca pengintai menjadi berembun.

10. Setelah matang, buih pada tabung penggorengan akan hilang (dilihat dari

kaca pengintai dengan menekan tombol lampu ke posisi on) angkat bahan ke

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 8

atas minyak dengan memutar tuas pengaduk 180° dan kunci. Matikan pompa,

kompor, dan keran sirkulasi air, kemudian buka keran pelepas vakum (di atas

tutup), hingga vacuum meter menunjuk angka 0.

11. Buka tutup tabung dan keranjang penggoreng, angkat keripik buah dan

tiriskan pada mesin pengering. Spesifikasi mesin vacuum fryer seperti pada

Tabel 2.2

Tabel 2.2 Spesifikasi Mesin Vacuum Fryer

Kapasitas 3-3,5 kg/proses Kebutuhan gas LPG 0,2-0,3 kg/jam Daya pompa vakum 900 watt Daya sealer 300 watt Daya spinner (pengering) 300 watt Volume minyak goreng 30 - 35 It Ukuran mesin (120 x 120 x 60) cm

Kapasitas setiap kali proses kripik nangka atau pisang seperti pada tabel 2.3.

Tabel 2.3 Hasil Penggorengan Vakum

Bahan maksimal 3,5 kg Lama penggorengan 55-75 menit Susut minyak goreng ±0,7 liter Gas terpakai Rp 975 Listrik 0,75 kwh Tenaga kerja 2 orang Hasil kripik nangka 0,8 -1,2 kg Hasil kripik pisang 1,5 -1,6 kg

2.2 Penelitian Terdahulu

2.2.1 Penelitian Jujun Ramdhani dan Yanto Sitorus

Penelitian ini merupakan Tugas Akhir dalam menyelesaikan pendidikan

diploma 3 Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Mesin Politeknik Negeri

Bandung tahun 2004. Tugas Akhir ini berjudul “Rancang Bangun Alat Penggoreng

Keripik Buah dengan Proses Vakum”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 9

Dalam Tugas Akhirnya, Jujun merancang dan membuat Alat untuk

menggoreng keripik buah dengan ketentuan sebagai berikut :

Kadar air buah-buahan yang digoreng sebesar 60%-85% seperti apel, mangga

golek, nanas dan pisang raja.

Kapasitas maksimal tabung penggoreng 2 kg dengan kebutuhan minyak

goreng sebanyak 28 liter.

Temperatur penggorengan dibatasi 60-70ºC untuk menghindari perubahan

warna dan rasa.

Kevakuman yang di rencanakan sebesar -54,5 cm Hg. Dalam

perancangan alat ini digunakan dua buah pompa air yaitu pompa utama untuk sistem

vakum oleh ventury dan pompa untuk pendinginan pada kondensor. Spesifikasi

pompa yang digunakan seperti pada Tabel 2.4 berikut.

Tabel 2.4 Spesifikasi pompa yang digunakan

Spesifikasi Pompa utama Pompa pendingin

Daya pompa (P) 125 Watt 125 Watt Daya isap (Hs) 9 m 9 m Daya dorong (Hd) 15 m 20 m Diameter pipa (D) 1 in 1 in Debit pompa (Q) 30 lt/menit 42 lt/menit

Pemilihan pompa tersebut karena pompa mampu menghasilkan tekanan

yang diinginkan dan mudah ditemukan di pasaran. Sedangkan proses vakum

menggunakan ventury yang dibuat dari bahan kuningan. Gambar 2.4 menunjukkan

gambar ventury yang dibuat.

Gambar 2.4 Ventury buatan Jujun

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 10

2.2.2 Penelitian Benny D Leonanda

Karya tulis ini merupakan laporan akhir dari penelitian yang dilakukan

oleh Benny D Leonanda, Uyung GSD (dosen) dan Christian Sudiman (alumni),

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas yang berjudul “Studi

Terhadap Pompa Vakum Tipe Orifice”. Penelitian ini biayai oleh Lembaga Penelitian

UNAND tahun 2004. Tujuan yang hendak dicapai adalah menghasilkan suatu

peralatan yang mampu menghasilkan ruang vakum dengan memanfaatkan sisi isap

pompa yang memakai sebuah orifice sebagai tempat penyadapan untuk ruang vakum,

mencari sejauh mana tekanan vakum yang dapat dicapai oleh orifice. Manfaat dari

penelitian ini diharapkan didapatkan suatu peralatan baru yang dapat menghasilkan

ruang vakum dan karakteristik pemvakumannya.

Penelitian yang dilakukan sebelumnya menggunakan pompa vakum tipe

ventury. Pada instalasi ini terjadi fenomena kavitasi dan surging, dimana adanya

fluktuasi ketinggian manometer data pengujian pada bacaan manometer. Laju aliran

di sini berubah-ubah secara periodik. Pada pengujian pertama (Gambar 2.5 a) katup

pengaturan debit dipasang pada posisi sebelum masuk ventury, hasilnya fluktuasi data

terjadi pada setiap titik pengujian. Hal ini disebabkan adanya perubahan tekanan dan

kecepatan yang besar pada aliran fluida sebelum melewati titik pengujian.

Gambar 2.5 pengujian beberapa instalasi pompa

katup

reservoar

venturi

pompa

Flow meter

Selang nilon

katup

reservoar

venturi

pompa

Flow meter

Selang nilon

(a) (b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 11

Pengembangan penelitian kemudian dilakukan seperti Gambar 2.5 b,

dengan menggunakan ventury yang sama, katup bola pengatur debit dipasang pada

sisi discharge pompa. Fluktuasi data disini mulai berkurang dan hanya terjadi pada

titik pengujian saat aliran fluida keluar dari ventury. Perbaikan instalasi sistem

dengan adanya penambahan, yaitu meliputi :

Tabung reservoir diantara sisi keluar orifice dan sisi isap pompa.

Pemasangan katup engsel searah (inlet valve) pada lubang masuk air.

Corong pemancingan pompa di luar pompa.

Penggunaan orifice sebagai penurun tekanan.

Perbaikan tap pembacaan tekanan pada sambungan selang manometer.

Sistem instalasi dari penelitian Benny diperlihatkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Instalasi Pengujian Pompa Vakum Orifice

Pada penelitian ini digunakan tiga buah orifice dengan diameter 6, 8 dan

10 mm. Diameter pipa yang dipakai adalah 25,4 mm. Ada lima buah tap pengukuran

tekanan dengan jarak tap pengukur tekanan vakum diberikan 0,5D; 1D; 2D; serta tap

pengukur tekanan sebelum masuk dan keluar pipa orifice 8D seperti ditunjukkan pada

Gambar 2.7 di bawah ini.

Gambar 2.7 Orifice yang di pakai dalam Pengujian

Tabung silinder

katup

reservoar

orifice

pompa

Flow meter

Corong pancingan

Selang nilon

Inlet valve

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 12

Setelah orifice, dipasang sebuah tabung dengan diameter 50 mm panjang

200 mm yang berfungsi mengurangi fluktuasi tekanan akibat sudu-sudu pompa.

Disamping itu, ditambahkan katup searah pada kaki pipa isap agar air yang telah

masuk ke dalam sistem tidak keluar dari sistem tanpa adanya usaha dari pompa.

Pembuatan corong pemancingan bertujuan untuk mempermudah penguji. Sementara

tap pembacaan tekanan pada sambungan selang manometer bertujuan untuk

menghindari kebocoran dan tertutupnya selang saat penguncian sambungan.

Pompa yang digunakan bermerek orange pump buatan Melbourne,

Australia. Model CP200 dengan daya 550 Watt, 3,5 Ampere, 220-230 Volt. Kapasitas

output yang dapat dihasilkan pompa ini adalah 120 lt/min dan head maksimum 23 m,

untuk mengukur perubahan tekanan pada masing-masing tap orifice digunakan lima

buah manometer air raksa 8 mm dengan diameter tabung 3 mm.

Hasil pengujian pada plat orifice diameter 10 mm dengan tiga besaran

laju aliran yaitu 12, 18 dan 23 lt/min dengan posisi pengukuran tekanan 0,5D

diperoleh bahwa tekanan vakum stabil setelah melewati 20 menit pertama. Tekanan

maksimum yang dapat dihasilkan untuk masing-masing debit 23, 18 dan 12 lt/min

berturut-turut adalah 63,08 ; 47,64 dan 18,89 kPa.

Dari hasil pengujian didapatkan beberapa karakteristik pompa vakum tipe

orifice, yaitu :

Perubahan debit aliran terhadap kenaikan vakum.

Perubahan posisi tap terhadap mampu vakum setelah aliran melewati orifice.

Perubahan ukuran diameter orifice terhadap kenaikan tekanan vakum.

Garis derajat energi dan hidrolik di dalam saluran orifice.

Selanjutnya dibandingkan antara orifice 6 mm dan 8 mm untuk debit 8

lt/min dan orifice 8 mm dan 10 mm untuk debit 12 lt/min. Hasilnya diperoleh tekanan

vakum maksimum sebesar 79,584 kPa pada diameter orifice 6 mm dan laju volume 8

lt/min posisi penempatan tap 0,5D.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 13

Dari penelitian yang telah dilakukan, Benny dkk menyimpulan bahwa

Tekanan vakum semakin besar diperoleh sesuai dengan bertambahnya debit aliran

yang melewati sebuah orifice. Semakin kecil diameter orifice yang digunakan pada

debit yang sama, tekanan vakum yang terjadi semakin besar. Tekanan vakum

maksimum yang dapat diperoleh yaitu sebesar 79,584 kPa pada dimeter orifice 6 mm

dan laju volume 8 lt/min posisi penempatan tap 0,5D.

2.2.3 Penelitian Udiana Bambang

Penelitian ini berjudul “Optimasi Rasio Diameter Masuk dan Diameter

Keluar pada Nosel terhadap Tingkat Kevakuman Sistem Pengering Bahan Makanan”.

Metoda penelitian yang dilakukan yaitu dengan cara menguji beberapa prototipe

nosel dimana masing-masing prototipe mempunyai rasio d1 dan d2 yang berbeda. d1

sebagai diameter masuk tidak berubah karena menyesuaikan dengan diameter keluar

pompa. d2 di buat bervariasi dimulai dengan rasio hasil perhitungan secara matematis.

Masing-masing percobaan diambil datanya dimana data yang diambil adalah tekanan

pada daerah d2. Nosel dibuat dari bahan ST 37 dengan kontruksi seperti Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Kontruksi Detail Nosel

Pompa yang digunakan yaitu pompa centrifugal dengan daya 11 kW dan

debit sebesar 15 m3/jam. Nosel dibuat dengan ukuran diameter masuk sebesar 59 mm

dan diameter keluar d2 bervasiasi. Diameter keluaran dibuat ukuran 10; 12; 14; 15;

16;17; 18; 23 dan 25,4 mm. Hasil yang menunjukkan peningkatan kevakuman adalah

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 14

pada arah diameter membesar yaitu diameter 15; 16 dan 17 mm. Hasil pengujiannya

dapat dilihat pada Tabel 2.5 berikut.

Tabel 2.5 Hasil Pengujian Nosel

Pengujian 1 2 3 4 5 6 7 8 9 d2 (mm) 10 12 14 15 16 17 18 23 25,4 P2 (cmHg) -58 -45 -50 -64 -64 -70,2 -68,6 -10 -10

Dari tabel diatas dibuat grafik tekanan-diameter seperti pada Gambar 2.9 berikut.

Gambar 2.9 Grafik Kevakuman Beberapa Nosel Uji

Dari hasil pengujian didapat diameter nosel yang optimum adalah 17 mm

dengan tingkat kevakuman sebesar -70,2 cmHg. Hasil percobaan menunjukkan

bahwa persamaan Bernoulli terbukti untuk diameter d2 antara 17 sampai 25 mm

dimana pada diameter d2 yang besar menghasilkan tekanan yang lebih tinggi di

banding dengan d2 yang lebih kecil. Namun antara diameter 17 sampai 10 rumus

Bernoulli tidak berlaku lagi karena d2 terlalu kecil sehingga nilai hambatan akibat

diameter kecil menjadi terlalu besar.

Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya hambatan pada diameter

kecil tersebut adalah bentuk saluran antara d1 dan d2 yang lurus dengan tingkat

kekasaran permukaan saluran tersebut. Sehingga diperoleh perbandingan diameter

inlet dan outlet yang optimum yaitu 59 : 17 atau disederhanakan menjadi 1 : 3,47.

-58

-45-50

-64-64

-70,2-68,6

-10-10

-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10

-50

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26d2

(mm)

p 2(c

mH

g)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 15

Dari ketiga penelitian terdahulu dapat dibandingkan kelebihan dan

kekurangan sistem yang telah dibuat, yaitu seperti terlihat pada Tabel 2.6 berikut.

Tabel 2.6 Perbandingan ke-tiga penelitian terdahulu

No Aspek yang

di nilai

Penilaian

Penelitian Jujun

Ramdhani

Penelitian Benny D

Leonanda

Penelitian Udiana

Bambang

1 Tujuan

Penelitian

Merancang , membuat

alat penggoreng keripik

buah-buahan.

Mengamati

karakteristik pompa

vakum tipe orifice.

Mencari optimalisasi

tekanan vakum pada

diameter throat nosel

yang berbeda.

2 Metode

pemvakuman

Menggunakan ventury.

Kelebihannya adalah

kapasitas aliran cukup

besar, pengukuran

tekanan lebih baik

dibandingkan orifice,

dan tahan terhadap

gesekan. Sedangkan

kekurangannya adalah

Dimensi menjadi lebih

panjang, pembuatan

lebih sulit dan beda

tekanan menjadi lebih

kecil dari orifice.

Menggunakan orifice.

Kelebihannya adalah

konstruksi sederhana,

mudah dibuat, ukuran

pipa dapat dibuat sama

dengan ukuran pipa

sambungan. Sedangkan

kekurangannya adalah

Jika terdapat bagian

padat dari aliran fluida,

maka padat bagian

tersebut akan terkumpul

pada bagian pelat disisi

inlet, terjadi aliran

turbulen yang besar.

Menggunakan Nozzle.

Kelebihannya adalah

kapasitas aliran cukup

besar, mudah dalam

pemasangan, lebih

tahan terhadap gesekan

fluida, beda tekanan

yang diperoleh lebih

besar dari ventury.

3 Pencapaian

Vakum

Dalam perencanaan

vakum sampai -55,4

cmHg.

Mampu vakum sampai

-79,584 kPa atau -59,7

cmHg

Mampu vakum sampai

-70,2 cmHg.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 16

4 Waktu

Pemvakuman

Tidak disebutkan. Mulai stabil pada menit

ke-20. Menunjukkan

bahwa perlu waktu

pemvakuman lama.

Tidak disebutkan.

5 Daya Pompa Pompa rumahan

dayanya kecil(125 watt)

sehingga kecepatan

aliran fluida kecil dan

ketika penampang

dipersempit penurunan

tekanannya juga kecil.

Daya pompa relatif

sesuai (550watt) dengan

yang dimiliki rumahan.

Namun pada sistem ini

terdapat fluktuasi data

Daya pompa sangat

besar (1100 watt),

sehingga dapat

memvakumkan lebih

cepat dan tekanan

vakum lebih besar.

Namun tidak cocok

untuk dipakai untuk

skala rumahan

6 Kerugian

Head

Penampang ventury

yang mengecil dan

membesar secara

bertahap (tirus) dapat

mengurangi kerugian

head

Pengecilan luas

penampang mendadak

menyebabkan adanya

turbulensi yang besar

dan terjadinya vena

contracta sehingga

kerugian headnya juga

besar.

Pengecilan penampang

yang bertahap (tirus)

dapat menghindari

turbulensi. Namun pada

keluaran nozzle terdapat

pembesaran penampang

mendadak sehingga ada

potensi headloss besar.

7 Sistem

Instalasi

Menggunakan dua

pompa. Pompa pertama

untuk memvakumkan

dan pompa lainnya

untuk sirkulasi air

pendingin kondensor.

Menggunakan sebuah

pompa. Orifice

dipasang sebelum

pompa dan sesudahnya

dipasang tabung untuk

mengurangi fluktuasi

tekanan.

Menggunakan sebuah

pompa. Nosel di pasang

pada saluran discharge

pompa. Pengghisapan

udara di dalam vesel

melalui celah sempit

pada nosel.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 17

2.3 Sistem Fluida dan Pompa

2.3.1 Sifat-sifat Fluida Cair

Sifat-sifat fluida zat cair yang perlu diperhatikan pada sistem aliran

adalah viskositas, tekanan, massa jenis, berat jenis, volume jenis, grafitasi jenis,

kemampatan, tegangan permukaan, kapilaritas, tekanan uap, serta aliran laminer dan

turbulen. Untuk lebih jelasnya sifat-sifat fluida akan dibahas lebih lanjut.

a. Viskositas

Zat cair yang bergerak akan mengalami tahanan akibat variasi kecepatan

dalam fluida atau adanya kecepatan relatif diantara lapisan fluida yang berdekatan.

Sifat friksi pedalaman fluida disebut viskositas ( ). Viskositas dipengaruhi oleh

temperatur. Viskositas akan menurun dengan kenaikan suhu, dan sebaliknya akan

naik dengan turunnya suhu. Koefisien viskositas , sering juga disebut dengan

viskositas dinamik untuk membedakannya dengan viskositas kinematik , yang

didefinisikan sebagai = / , dimana adalah massa jenis. Semakin besar

viskositas, friksi dalam aliran pipa dan jumlah daya yang diperlukan oleh pompa

akan meningkat, sedangkan head, debit/kapasitas, dan efisiensi pompa akan

berkurang. Viskositas biasanya ditentukan dengan suatu alat yang disebut

viskometer. Beberapa jenis viskometer antara lain viskometer Redwood, viskometer

Stoke, dan viskometer tabung U.

b. Tekanan

Tekanan secara umum dapat didefinisikan sebagai gaya persatuan luas.

Tekanan bekerja pada permukaan fluida dalam arah normalnya. Fluida tidak

mempunyai tegangan normal tarik, hanya kompresi dan disebut sebagai tekanan.

Pada suatu titik dalam fluida yang diam, tekanan dalam semua arah adalah sama.

Ada beberapa istilah yang berhubungan dengan tekanan seperti tekanan atmosfer,

tekanan terukur (gauge), tekanan vakum, tekanan absolut, dan tekanan absolut nol

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 18

(tekanan hampa). Hubungan antara tekanan tersebut dapat ditunjukkan dengan

diagram pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Representasi Tekanan

Selanjutnya dalam Tugas Akhir ini di buat kesepakatan agar tidak terjadi

kesalahan dalam memaknai nilai tekanan. Satuan kevakuman menggunakan cmHg

(gauge) dimana perbandingan 1 atm sama dengan 0 cmHg (gauge) dan tekanan 0

absolut sama dengan -76 cmHg. Jadi kevakuman adalah tekanan negatif. Semakin

mendekati -76 cmHg (gauge) berarti semakin vakum.

c. Massa jenis, berat jenis, volume jenis, gravitasi jenis

Massa jenis adalah massa suatu zat dalam satu satuan volume (m3). Nilai

massa jenis setiap zat adalah tetap pada temperatur yang sama. Massa jenis dapat

dibuat persamaan, yaitu :

𝜌 =𝑚

𝑣 (1)

dimana ρ = massa jenis (kg/m3), m = massa (kg) , dan V = volume (m3)

Berat jenis didefinisikan sebagai berat per satu satuan volume atau

perkalian antara massa jenis zat dengan perceptan grafitasi. Berat jenis dapat

dirumuskan :

Tekanan Atmosfer (Patm=1 atm abs) Tekanan terukur negatif (Pvac)

Tekanan terukur positif (Pg)

Tekanan absolut nol (Pabs=0)

Tekanan absolut (Pabs)

Tekanan vakum absolut

Patm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 19

𝛾 = 𝜌𝑔 (2)

Dimana 𝛾 adalah berat jenis dalam satuan N/m3 dan g adalah percepatan gravitasi

bumi (9,81 m/s2).

Volume jenis adalah volume tiap satu satuan massa zat. Volume jenis

merupakan kebalikan dari massa jenis, sehingga dapat dirumuskan sebagai :

𝑣 =1

𝜌 (3)

Gravitasi jenis (Specific Gravity) yaitu perbandingan antara massa jenis

zat terhadap massa jenis air. Nilai gravitasi jenis tanpa satuan.

𝑠𝑔 =𝜌𝑧𝑎𝑡

𝜌𝐻2𝑂 (4)

d. Kemampatan (compressibility)

Kemampatan adalah perubahan volume karena adanya perubahan

tekanan, yang ditunjukan oleh perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan

volume terhadap volume awal. Perbandingan tersebut dikenal dengan modulus

elastisitas (k). Nilai k untuk zat air sangat besar yaitu 2,1 x 109 N/m, sehingga

perubahan volume karena perubahan tekanan akan sangat kecil dan dapat diabaikan,

sehingga zat cair merupakan fluida yang tidak dapat termampatkan (incompressible).

e. Tegangan Permukaan (Surface Tension)

Molekul-molekul pada zat cair akan saling tarik menarik secara

setimbang diantara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa dan

berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat massa. Jika zat cair

bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik menarik antara molekul

tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair

melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan

oleh molekul-molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan tegangan

permukaan (σ). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan

besarnya sama di semua titik.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 20

f. Kapilaritas (Capillarity)

Kapilaritas adalah peristiwa naik dan turunnya zat cair pada pipa kapiler.

Kapilaritas terjadi akibat adanya gaya kohesi dan adhesi antar molekul, jika kohesi

lebih kecil dari adhesi maka zat air akan naik dan sebaliknya bila kohesi lebih besar

dari adhesi maka zat cair akan turun seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Kenaikan dan Penurunan Zat Cair pada Pipa Kapiler

g. Tekanan Uap

Di permukaan bebas yang terbentuk oleh zat cair, molekul-molekul zat

mempunyai energi yang cukup untuk melepaskan diri dari ikatannya menuju udara

bebas. Sebaliknya molekul-molekul yang lepas dapat juga kembali ke dalam bentuk

molekul zat cair. Ketika molekul dalam kesetimbangan, jumlah molekul-molekul

yang keluar masuk akan cenderung konstan. Molekul-molekul tersebut

mengakibatkan tekanan yang disebut dengan tekanan uap.

Tingkat pergerakan aktifitas molekul-molekul akan bertambah dengan

meningkatkan suhu disekitarnya. Sehingga tekanan uap akan bertambah pula. Proses

mendidih akan terjadi ketika tekanan uap sama dengan tekanan diatas fluida. Dengan

menurunkan tekanan uap, proses mendidih terjadi pada suhu yang lebih rendah.

h. Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran fluida dalam pipa ada dua macam, yaitu aliran laminar dan

turbulen yang dapat ditentukan dengan menghitung bilangan Reynoldnya. Aliran

fluida dikatakan laminar bila bilangan Reynoldnya kurang dari 2300 dan turbulen bila

lebih dari 2300 (Ali Mahmudi, 2010). Untuk menghitung bilangan Reynold

digunakan persamaan 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 21

Re =𝜌 .𝑣.𝑑

𝜇 (5)

Dimana ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

v = kecepatan fluida (m/s)

d = diameter pipa (m)

μ = viskositas dinamik (Ns/m2)

Pola aliran laminar dan turbulen dalam pipa ditunjukkan pada Gambar 2.12 berikut.

Gambar 2.12 Pola aliran laminar (bawah) dan turbulen (atas) dalam pipa

2.3.2 Fluida Dinamis

a. Kekekalan Massa dan Persamaan Kontinuitas

Energi dan massa dapat keluar masuk volume kendali dan menyebrangi

permukaan kendali suatu sistem. Pada aliran tunak, berdasarkan hukum kekekalan

massa dapat dinyatakan bahwa massa fluida dalam volume kendali setiap saat selalu

konstan. Ini berarti pada selang waktu tertentu, massa total yang masuk ke volume

kendali harus sama dengan massa total yang mengalir keluar dari volume kendali.

ṁ𝑖𝑛 = ṁ𝑜𝑢𝑡 = 𝐶 (6)

Gambar 2.13 Aliran Fluida di dalam Pipa

ṁin ṁout

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 22

Pada Gambar 2.13, jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang

lintang aliran tiap satu satuan waktu disebut debit aliran dan diberi notasi Q. Debit

aliran biasanya diukur dalam volume zat cair tiap satuan waktu. Laju aliran Q

merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan v dari cairan yang mengalir lewat pipa,

yakni:

𝑄 = 𝐴 𝑉 (7)

𝑚 = 𝜌 𝑉 (8)

𝑚 = 𝜌 𝐴 𝑙 (9)

ṁ =𝜌 𝐴 𝑙

𝑡 (10)

ṁ = 𝜌 𝐴 𝑣 (11)

ṁ1 = ṁ2 (12)

𝜌1𝐴1𝑉1 = 𝜌2𝐴2𝑉2 (13)

Karena 𝜌1 = 𝜌2 maka secara matematis persamaannya adalah : 𝐴1 𝑣1 = 𝐴2 𝑣2 (14)

𝑄1 = 𝑄2 (15)

Dimana A1 = luas penampang pada titik 1

A2 = luas penampang pada titik 2

v1 = kecepatan aliran pada titik 1

v2 = kecepatan aliran pada titik 2

b. Hukum Bernoulli dan Persamaan Energi

Hukum Bernoulli adalah hukum kekekalan energi mekanis didalam fluida

ideal. Penurunan persamaan Bernoulli untuk aliran sepanjang garis arus didasarkan

pada hukum Newton II tentang gerak (F = m . a). Persamaan ini diturunkan

berdasarkan anggapan bahwa :

zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi

akibat gesekan adalah nol).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 23

Zat cair adalah homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair adalah

konstan).

Aliran adalah kontinyu dan sepanjang garis arus.

Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang.

Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.

Gambar 2.14 Aliran Fluida dengan Perbedaan Luasan Penampang dan Ketinggian

Dari Gambar 2.14 dapat dituliskan persamaan energi, yaitu :

𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝑇𝑒𝑘𝑎𝑛 + 𝐸𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑘 + 𝐸𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑙 (16)

𝐸𝑇 = 𝑃 𝑉 +𝑚 𝑣2

2 + 𝑚 𝑔 𝑧 (17)

Karena 𝐸𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = 𝐸𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 maka

𝑃1 𝑉1 +𝑚 𝑣1

2

2+ 𝑚1 𝑔1 𝑧1 = 𝑃2 𝑉2 +

𝑚 𝑣22

2+ 𝑚2 𝑔2 𝑧2 (18)

Bila dibagi dengan berat maka menjadi energi persatuan berat (H)

𝐸 = 𝑚 𝑔 𝑧 (19) 𝐸

𝑚 𝑔= 𝑧 (20)

Maka menjadi 𝑃1

𝜌 𝑔 +

𝑣12

2𝑔 + 𝑧1 =

𝑃2

𝜌 𝑔 +

𝑣22

2𝑔 + 𝑧2 (21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 24

Dimana P1= tekanan pada titik 1 (Pa)

P2= tekanan pada titik 2 (Pa)

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

g = percepaan grafitasi (m/s2)

v = kecepatan fluida (m/s)

z1 = ketinggian titik 1 dari datum (m)

z2= ketinggian titik 2 dari datum (m)

c. Kerugian Energi dalam Jaringan Pipa

Kerugian energi dalam jaringan pipa disebabkan oleh :

1. Gangguan pada sebuah aliran normal akibat belokan atau perubahan luas

penampang aliran yang mendadak yang dikenal dengan kerugian minor (minor

losses). Persamaan 22 adalah besarnya kerugian akibat belokan dan perubahan

luas penampang.

𝐻𝑚 = 𝐾 𝑣2

2𝑔 (22)

Dimana Hm = head minor (m)

K = koefisien belokan (fitting factor)

v = kecepatan aliran (m/s)

g = percepatan grafitasi (9,81 m/s2)

Nilai “K” akibat perubahan luas penampang dapat dilihat pada Gambar

2.15 berikut.

(a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 25

(b) (c)

Gambar 2.15 nilai fitting factor : (a) mendadak, (b) reducer, (c) expancer

Tabel 2.7 adalah daftar koefisien rerugi K. Fitting kecil biasanya

menggunakan sekrup dalam dan fitting besar disambung dengan kerah (flange). Nilai

K menurun dengan semakin besarnya ukuran pipa sesuai dengan naiknya bilangan

Reynold dan menurunnya nisbah kekasaran bila pipanya semakin besar.

Tabel 2.7 Koefisien Hambatan Katup Terbuka, Siku dan Sambungan

2. Gesekan dengan solid boundary sepanjang aliran pipa yang biasa disebut dengan

kerugian mayor (mayor losses). Gambar 2.16 adalah gambar kerugian mayor.

Gambar 2.16 kerugian mayor akibat gesekan pipa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 26

𝐻𝑓 =𝑓 𝐿

𝐷 𝑣2

2 𝑔 (23)

Dimana Hf = head mayor (m)

f = koefisien gesek

L = panjang pipa (m)

Nilai “f” pada aliran laminer adalah 64

𝑅𝑒 sedangkan pada aliran turbulen

nilai “f” dilihat pada diagram Moody dengan diketahui nilai kekasaran relatif = 𝜀𝑑 dan

bilangan Reynoldnya dimana 𝜀 adalah kekasaran absolut pipa yang digunakan dan d

adalah diameter dalam pipa. Diagram Moody ditunjukkan pada Gambar 2.17 berikut.

Gambar 2.17 Diagram Moody

2.3.3 Pompa

Pompa berfungsi mengkonversikan energi mekanis poros dari penggerak

mula menjadi energi potensial atau tekanan fluida (zat) cair. Pompa digunakan untuk

mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi atau

mengalirkan cairan ke tempat yang menghasilkan tekanan atau ketinggian tertentu,

dimana tidak dimungkinkannya cairan tersebut mengalir secara alami. Pompa juga

dapat digunakan untuk mensirkulasikan cairan, misalnya air pendingin atau pelumas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 27

yang melewati mesin-mesin dan peralatan. Secara sistematis, pompa dapat

diklasifikasikan seperti pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Klasifikasi Pompa (sumber:Pompa dan Kompresor,Ali Mahmudi hal 3)

Pompa centrifugal merupakan salah satu pompa jenis turbo/dynamic.

Daya mekanik dari luar diberikan kepada poros untuk memutarkan impeller didalam

zat cair sehingga zat cair yang ada didalam impeller akan ikut berputar akibat

dorongan dari sudu-sudu. Karena timbul gaya centrifugal maka zat cair mengali dari

tengah impeller keluar melalui saluran diantara sudu-sudu. Disini head tekanan zat

cair menjadi lebih tinggi, demikian pula dengan head kecepatannya karena zat cair

mengalami percepatan. Pompa centrifugal dan bagian-bagiannya ditunjukkan pada

Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Kontruksi Pompa Centrifugal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 28

Zat cair yang keluar dari impeller ditampung dan diarahkan oleh saluran

berbentuk volute disekeliling impeller dan disalurkan keluar pompa melalui diffuser.

Didalam diffuser ini sebagian head kecepatan aliran dirubah menjadi head tekanan.

Jadi pompa centrifugal dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros

menjadi energi fluida. Energi inilah yang menyebabkan pertambahan head tekanan,

head kecepatan, head potensial, pada fluida kerja yang mengalir secara kontinyu.

Ciri-ciri dan karakteritik pompa centrifugal adalah sebagai berikut :

Mampu bekerja pada putaran tinggi karena dapat langsung dikopling dengan

motor penggerak mulanya.

Bentuk lebih kecil dan bobot lebih ringan dibanding dengan pompa jenis

torak.

Keausan yang terjadi cukup kecil karena sedikit sekali komponen yang

bergesekan.

Biasanya beroperasi pada kapasitas yang besar namun pada head yang rendah

hingga sedang. Untuk mendapatkan head yang tinggi, maka digunakan pompa

centrifugal bertingkat banyak.

Energi yang diciptakan oleh gaya centrifugal adalah energi kinetik.

Jumlah energi yang diberikan kepada cairan adalah proporsional terhadap kecepatan

di tepi atau ujung baling-baling impeller. Semakin cepat impeller berputar atau

impeller yang lebih besar, maka semakin tinggi kecepatan cairan di ujung baling-

baling dan semakin besar energi diberikan kepada cairan. Energi kinetik cairan yang

keluar dari impeller dimanfaatkan dengan menciptakan suatu resistensi terhadap

aliran. Hambatan pertama adalah dibuat oleh volut pompa (casing) yang menangkap

cairan dan memperlambat ke bawah.

Tekanan diperlukan untuk memompa cairan melewati sistim pada laju

tertentu. Tekanan ini harus cukup tinggi untuk mengatasi tahanan sistim, yang disebut

“head”. Head total merupakan jumlah dari head statik dan head gesekan/ friksi (head

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 29

loss). Head statik merupakan perbedaan tinggi antara sumber dan tujuan dari cairan

yang dipompakan.

Head statik merupakan perbedaan ketinggian antara sumber dan tujuan

dari cairan yang dipompakan (Gambar 2.20). Head statik pada tekanan tertentu

tergantung pada berat cairan dan dapat dihitung dengan persamaan 24 berikut:

𝑕𝑠 =𝑃

𝜌 𝑔 (24)

Dimana Hs = head statik (m)

P = tekanan kerja (Pa)

ρ = massa jenis fluida kerja (kg/m3)

g = percepatan grafitasi (9,81 m/s2)

Gambar 2.20 Karakteristik Head Static

Head statik terdiri dari head isap statik (static suction head, hs) dan head

keluaran statik (static discharge head, hd). Head isap statik adalah jarak vertikal dari

garis tengah pompa hingga ketinggian fluida yang dipompa. Sedangkan head

keluaran statik adalah jarak vertikal antar garis datar pompa dengan garis permukaan

fluida cair pada sisi keluaran (discharge). Gambar 2.21 menunjukkan head statik di

sebuah sistem pemompaan dimana pompa terletak lebih tinggi dari sisi permukaan

isap (a) dan sistem pemompaan dimana pompa terletak di bawah permukaan isap (b).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 30

(a) (b)

Gambar 2.21 Instalasi pompa

Head Tahanan/Gesekan (Friction Head), adalah head yang diperlukan

untuk mengatasi hambatan aliran pada pipa dan fitting. Hal ini tergantung pada

ukuran, kondisi dan jenis pipa, jumlah dan tipe fitting, kecepatan aliran, dan sifat

dari fluida yang mengalir. Head gesekan sebanding dengan kuadrat debit aliran,

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.22.

Gambar 2.22 Karakteristik Head Gesekan

Besarnya head sistem, yaitu head yang diperlukan untuk mengalirkan zat

cair melalui sistem pipa, adalah sama dengan head untuk mengatasi kerugian gesek

ditambah head statis sistem. Titik perpotongan antara kurva sistem pompa dan kurva

sistem pipa merupakan titik kerja/operasi pompa dan sistem. Pada titik ini head yang

diperlukan oleh sistem sama dengan head yang dapat diberikan oleh pompa pada laju

aliran yang sama. Kurva karakteristik pompa ditunjukkan pada Gambar 2.23.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 31

Gambar 2.23 Titik Operasi Pompa

Pada penggunaan pompa untuk sistem sirkulasi dimana air dikembalikan

ke tangki sumber, tidak ada perbedaan ketinggian permukaan cairan sehingga head

statiknya adalah nol (Gambar 2.24). Sehingga kurva mulai dari debit nol dan kurva

sistem hanya dipengaruhi kurva sistem dari rugi head gesekan. Kapasitas fluida dapat

diatur dengan katup throttling.

Gambar 2.24 Kurva sistem pemompaan tanpa head statik

Persamaan Head Pompa (Hp) yaitu :

𝐻𝑝 = 𝑃2−𝑃1

𝛾+ 𝑧2 − 𝑧1 +

𝑣22−𝑣1

2

2𝑔+ 𝐻𝐿 (25)

Jika P1= P2 dan V1 = V2, maka :

Hp = (z2 − z1) + HL = Hs + HL (26)

Dimana Hs = head statik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 32

Perhitungan daya pompa (Np)

𝑁𝑝 =𝜌 .𝑔.𝑄.𝐻𝑝

𝑝 .100% (27)

dimana Np = daya pompa (Watt),

Q = debit (m2/s],

Hp = head (m),

p = efisiensi pompa (%)

Ada beberapa fenomena yang tidak diinginkan pada pompa yaitu kavitasi,

Surging dan water hammer. Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang

mengalir karena tekanan berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. Air pada

tekanan 1 atm akan mendidih pada suhu 100oC, namun jika tekanan lebih rendah,

maka air akan menguap pada suhu yang lebih rendah. Fenomena kavitasi terjadi pada

pompa. Jika tekanan hisap pompa rendah, air pada suhu kamar dapat menguap.

Fenomena ini terjadi apabila terdapat fraksi uap yang masuk ke dalam sistem aliran,

membentuk gelembung yang terbawa ke daerah bertekanan lebih tinggi, lalu tiba-tiba

pecah. Kavitasi menyebabkan pelepasan logam, getaran, kebisingan, melemahnya

aliran, dan berkurangnya efisiensi pompa.

2.3.4 Instalasi Pipa

a. Standar pipa

Spesifikasi pipa ditunjukkan dengan kode alpanumerik yang didalamnya

tercantum standard pembuatan dan pemakaian. Beberapa standard pipa yang

digunakan antara lain ASTM (American Society for Testing and Materials), ANSI

(American National Standard Institute), ASME (American Society Mechanical

Engineer), API (American Petroleum Institute), ANWA (American Nations Work

Association), BS (British Standard), JIS (Japanese Industrial Standard) dan DIN

(Deufche Normen). Bahan pipa yang banyak ditemukan di pasaran adalah pipa baja

karbon, baja tahan karat, baja paduan, besi cor, aluminium, PVC dan fiber glass.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 33

Nominal Pipe Size (NPS) adalah istilah yang dipakai untuk menyatakan

ukuran dasar pipa, hampir semua standar penulisan ukuran dasar pipa mengacu pada

sistem NPS. Diameter nominal pipa adalah diameter yang dipilih untuk keperluan

instalasi atau penjelasan perdagangan. Rentang ukuran diameter nominal pipa mulai

dari ½ in sampai 36 in atau lebih. Ukuran yang tertera tidak selalu mencerminkan

ukuran diameter luar pipa (OD = outside diameter) pipa. Ukuran pipa dimulai dari

diameter yang terkecil sampai dengan 12 in dimana inside diameter pipa, ID = NPS.

Sedangkan ukuran 14 in sampai ukuran terbesar outside diameter pipa, OD = NPS.

Ketebalan dinding pipa (WT = wall thickness) yang dipakai tergantung

dari tekanan dan temperatur operasi yang dibutuhkan sistem. Ketebalan dinding pipa

yang banyak variasinya berasal dari standar ANSI dan sebagian lainya dari ASME

dan ASTM, wall thickness ini diklasifikasikan dengan tanda nomor. Outside diameter

ditetapkan sama walaupun ketebalannya berbeda untuk setiap schedule, sedangkan

inside diameter ditetapkan berbeda untuk setiap schedule. Dimensi wall thickness dan

schedule sangat berkaitan erat, karena wall thickness pipa tergantung dari schedule

pipa itu sendiri. Standar schedule menurut standard ANSI dikelompokkan menjadi

Schedule 5, Schedule 10, Schedule 20, sampai Schedule 160.

Kemudian ASME dan ASTM untuk menandai wall thickness memberi

istilah dengan Schedule STD (Standard), Schedule XS (Extra-strong), Schedule XXS

(Double Extra-strong) dan Schedule Special. Perbedaan ketebalan dinding pipa untuk

masing-masing ukuran ini dibuat untuk menahan internal pressure aliran, kekuatan

dari material itu sendiri (Strength of material), mengatasi karat dan mengatasi

kegetasan pipa.

b. Fitting

Fitting berfungsi untuk percabangan atau mengubah diameter aliran dan

menyatukan dua pipa atau lebih. Pada semua jenis pipa dapat dilakukan proses

penyambungan sesuai dengan spesifikasi dan kegunaan yang tepat. Gambar 2.25

menunjukkan berbagai jenis fitting yang sering digunakan dalam instalasi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 34

Gambar 2.25 Berbagai Jenis Fitting

c. Valve

Valve merupakan salah satu komponen perpipaan yang digunakan

sebagai penutup atau pengatur aliran fluida. Valve dapat dikendalikan secara manual

ataupun secara otomatis. Desain valve dibuat dengan tujuan untuk menjaga tekanan,

temperatur dan desakan pada sistem perpipaan. Ada empat jenis valve, yaitu gate

vale, globe valve, ball valve dan check valve.

Gate valve mudah dikenali karena mempunyai body yang panjang. Gate

valve biasanya digunakan untuk pengaturan membuka atau menutup saja (ON/OFF).

Gambar 2.26 merupakan contoh katup jenis gate valve.

Gambar 2.26 Gate Valve

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 35

Globe valve adalah katup yang didesain untuk mengontrol aliran.

Disamping itu valve ini juga digunakan untuk menghentikan atau mengatur aliran

fluida tetapi biasanya digunakan untuk mengatur aliran. Perubahan arah aliran fluida

yang menembus valve menyebabkan aliran turbulen dan penurunan tekanan. Globe

valve ditunjukkan pada Gambar 2.27.

Gambar 2.27 Globe Valve

Ball valve merupakan alat penutup yang bahan penyumbatnya berbentuk

bola atau kerucut yang diputar sehingga tertutup. Badan penyumbat tersebut

mempunyai lubang tembus sebesar diameter dudukan lubang pada kerangan. Ball

valve tidak dibatasi untuk bahan fluida tertentu. Ball valve digunakan untuk uap, air,

minyak, gas, udara, fluida korosif, slurry (partikel kasar) dan bahan bubuk kering.

Gambar 2.28 adalah konstruksi detail ball valve.

Gambar 2.28 Ball Valve

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 36

Check valve didesain tersendiri untuk mencegah kembalinya aliran

sepanjang pipa. Operasinya otomatis dan menjaga aliran dalam satu arah mengikuti

arah aliran. Check valve disebut juga degan katup searah. Konstruksi check valve

ditunjukkan pada Gambar 2.29.

Gambar 2.29 Check Valve

2.4 Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Kondensor merupakan Heat Exchanger atau penukar kalor yang akan

mengubah fasa uap menjadi cair dengan cara menyerap panas uap mengunakan

sirkulasi fluida pendingin seperti diperlihatkan Gambar 2.30.

Fluida panas akan melepaskan kalor dan diserap oleh fluida dingin dan

membawa panas / kalor keluar sistem. Berdasarkan media pendinginnya, kondensor

dibagi menjadi tiga jenis yaitu Air Cooled Condenser yang menggunakan udara

sebagai media pendinginnya, Water Cooled Condenser yang menggunakan air

sebagai media pendinginnya, dan Evaporatif Condenser yang menggunakan

kombinasi udara dan air sebagai media pendinginnya.

Gambar 2.30 Skema Kerja Kondensor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 37

Dari ketiga jenis kondensor tersebut, yang paling banyak digunakan di

dunia industri adalah jenis Water Cooled Condenser, yaitu jenis selongsong dan

tabung (shell and tube), di mana salah satu fluidanya mengalir didalam tabung,

sedangkan fluida lainnya dialirkan melalui selongsong melintas luar tabung. Untuk

menjamin bahwa fluida di sebelah selongsong mengalir melintasi tabung dan dengan

demikian menyebabkan perpindahan kalor lebih tinggi, maka di dalam selongsong

dipasang sekat-sekat (buffles). Gambar 2.31 merupakan jenis penukar shell and tube.

Gambar 2.31 Penukar kalor shell and tube

Ada dua jenis aliran pada penukar kalor shell and tube, yaitu jenis aliran

sejajar (paralel flow) dan jenis lawan arah (counter flow). Gambar 2.32 menunjukkan

distribusi suhu yang terjadi pada jenis aliran sejajar dan jenis lawan arah.

Gambar 2.32 distribusi suhu pada penukar kalor sejajar dan lawan arah

Persamaan-persamaan pada penukar panas tersebut dapat dituliskan

sebagai berikut :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 38

Laju perpindahan kalor, q, yang terjadi pada penukar panas adalah :

𝑞 = 𝐹 𝑈 𝐴 ∆𝑇𝑚 (28)

di mana U = koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C)

A = luas permukaan perpindahan panas (m2)

Tm = beda suhu rata-rata logaritma (LMTD)

F = Faktor koreksi pada penukar panas

𝑞 =𝑇𝐴−𝑇𝐵

1

𝑕𝑖 𝐴𝑖+

𝑙𝑛 𝑟0

𝑟𝑖

2 𝜋 𝑘 𝐿+

1

𝑕𝑜 𝐴𝑜

(29)

Di mana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar

tabung. Koefisien perpindahan-kalor menyeluruh bisa didasarkan atas luas dalam atau

luas luar tabung, menurut selera perancang.

𝑈𝑖 =1

1

𝑕𝑖+𝐴𝑖 𝑙𝑛

𝑟𝑜𝑟𝑖

2 𝜋 𝑘 𝐿+

𝐴𝑖𝐴𝑜

1

𝑕𝑜

(30)

𝑈𝑜 =1

𝐴𝑜𝐴𝑖

1

𝑕1+𝐴𝑜 𝑙𝑛

𝑟𝑜𝑟1

2 𝜋 𝑘 𝐿+

1

𝑕𝑜

(31)

Walaupun rancangan akhir penukar kalor dibuat atas dasar perhitungan

yang teliti mengenai U, nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh berbagai

kondisi dapat dilihat pada Tabel 2.8.

Tabel 2.8 Nilai Kira-kira Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 39

Beda suhu rata-rata logaritma,

∆𝑇𝑚 = 𝑇𝑕2−𝑇𝑐2 − 𝑇𝑕1−𝑇𝑐1

𝑙𝑛 𝑇𝑕2−𝑇𝑐1 / 𝑇𝑕1−𝑇𝑐1 (32)

Panjang pipa

𝐿 =𝐴

𝑛 𝜋 𝑑 (33)

dimana d adalah diamter pipa atau tabung dan n adalah jumlah lintas pipa

Jumlah satuan perpindahan atau NTU, adalah:

𝑁𝑇𝑈 =𝑈 𝐴

𝐶𝑚𝑖𝑛 (34)

NTU = jumlah satuan transfer (number of transfer unit)

Cmin adalah yang terkecil dari Ch = ṁh Ch dan Cc = ṁc Cc

Semua persamaan efektivitas penukar kalor mendekati persamaan sederhana

𝜀 = 1 − 𝑒−𝑁𝑇𝑈 (35)

Untuk menentkan efektifitas penukar panas, metoda NTU (number of

transfer unit) mempunyai kelebihan dibandingkan dengan metoda Tm. Pada

metoda Tm diperlukan penentuan data temperatur masuk dan keluar sehingga

analisisnya akan melibatkan prosedur iterasi, sehingga metode ini lebih mudah

digunakan untuk data temperatur yang sudah diketahui masuk dan keluarnya,

sedangkan metoda NTU-efektifitas hanya memerlukan salah satu data temperaturnya.

Shell and tube heat exchanger pada umumnya menggunakan pipa

tembaga. Pemilihan dengan pipa tembaga ini karena pipa tembaga mempunyai

kelebihan, yaitu :

Ekonomis, pipa tembaga mudah untuk diperlakukan, dibentuk, dan

disambung sehingga akan mengurangi biaya instalasi, material dan waktu.

Ringan, pipa tembaga lebih ringan dibandingkan pipa ferros karena itu mudah

untuk dipindahkan dan menghemat tempat.

Mudah dibentuk, pipa tembaga mudah diarahkan dan dibentuk, sehingga bisa

mengurangi sambungan pipa dan elbow.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 40

Mudah disambung, penyambungan pipa bisa menggunakan adapter,

soldering, brazing dan welding.

Aman, pipa tembaga tidak terbakar atau pemicu terbakar, dan tidak bereaksi

menjadi gas beracun kecuali untuk campuran organik yang mudah menguap,

seperti amoniak (NH3) tidak diperbolehkan memakai pipa tembaga.

Resistansi korosi, Pipa tembaga memiliki angka resistansi korosi yang cukup

tinggi.

2.5 Sensor Temperatur

Sensor adalah jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah besaran

mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor

sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau

pengendalian. Ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan, yaitu :

2.5.1 Thermocouple Thermocouple terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin

yang disambungkan dan dilebur bersama, dimana terdapat perbedaan yang timbul

antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai

pembanding. Tipenya terdiri dari berbagai macam, antara lain : Tipe B, R, S, K, E, J,

T yang disesuaikan dengan kebutuhan dunia industri. Disamping itu material

protection tubenya pun tersedia dalam berbagai ukuran dan jenis material dari SUS

304, SUS 316, SUS 310, Sandvik P4, Inconel 600, Inconel 800, Titanium, UMCO 50,

Alsint 99.7%, Pythagoras, Silicon Nitride, dan Silicon Carbide. Sedangkan untuk

kabel dari thermocouple ke transmitter umumnya dibuat 1 pair cable (2 kabel).

Adapun beberapa kelebihan yang dimiliki oleh Thermocouple, antara lain :

Spesifikasi lebih beragam.

Biaya rendah dan kisaran temperatur luas sehingga dapat disesuaikan sampai

temperatur tinggi.

Waktu respon cepat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 41

Sedangkan kekurangannya yaitu :

Sensitivitasnya rendah.

Membutuhkan suhu referensi.

Nonlinearity.

Terbatasnya akurasi sistem kesalahan kurang dari 1º C yang sulit dicapai.

Bentuk fisik sensor thermocouple dtunjukkan pada Gambar 2.33 di bawah ini.

Gambar 2.33 Thermocouple

2.5.2 Resistance Temperature Detector (RTD) Resistance Temperature Detector (RTD) atau dikenal dengan Detektor

Temperatur Tahanan adalah sebuah alat yang digunakan untuk menentukan nilai atau

besaran suatu temperatur dengan menggunakan elemen sensitif dari kawat platina,

tembaga, atau nikel murni, yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk

masing-masing temperatur di dalam kisaran suhunya. Semakin panas benda tersebut,

semakin besar atau semakin tinggi nilai tahanan listriknya, begitu juga sebaliknya.

RTD yang paling populer yang digunakan di industri adalah PT100. PT100 dapat

digunakan pada kisaran suhu -200°C sampai dengan 650ºC. Gambar 2.34 adalah

sensor RTD PT100.

Gambar 2.34 RTD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 42

2.5.3 Thermistor Thermistor adalah salah satu jenis sensor suhu yang mempunyai

koefisien temperatur yang sangat tinggi. Fungsi utama dari komponen ini dalam suatu

rangkaian elektronik adalah untuk mengubah nilai resistansi karena adanya

perubahan temperatur dalam rangkaian tersebut. Karakteristik yang demikian ini

memungkinkan kita untuk dapat mengatasi beberapa masalah yang sederhana, seperti

misalnya yang berkaitan dengan sensor temperatur, kompensasi temperatur, atau

masalah sistem pengaturan yang lain. Gambar 2.35 adalah gambar bentuk fisik

thermistor.

Gambar 2.35 Thermistor

Thermistor ini dibedakan dalam tiga jenis, yaitu thermistor yang

mempunyai koefisien temperatur negatif atau NTC (Negative Temperature

Coefficient), thermistor yang mempunyai koefisien temperatur positif atau PTC

(Positive Temperature Coefficient), dan thermistor yang mempunyai tahanan

temperature kritis atau CTR (Critical Temperature Resistance).

Ketiga jenis thermistor ini masing-masing mempunyai kegunaan yang

berbeda, karena karakteristik dari ketiga jenis thermistor tersebut berbeda antara yang

satu dengan yang lain. Akan tetapi, pada umumnya, bila kita menyebut

kata thermistor, maka thermistor yang dimaksud adalah thermistor NTC.

NTC (Negative Temperature Coefficient)

NTC adalah resistor yang mempunyai koefisien temperatur negatif

yang sangat tinggi. Thermistor jenis ini dibuat dari oksida logam yang

terdapat dalam golongan transisi. Oksida-oksida ini sebenarnya mempunyai

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 43

resistansi yang tinggi, tetapi dapat diubah menjadi bahan semi konduktor

yaitu dengan menambahkan beberapa ion lain sebagai doping yang

mempunyai valensi yang berbeda. Sedangkan perubahan resistansinya karena

pengaruh perubahan temperatur diberikan dalam bentuk kurva resistansi

sebagai fungsi temperatur.

PTC (Positive Temperature Coefficient)

PTC merupakan resistor dengan koefisien temperatur positif yang

sangat tinggi. Koefisien temperatur dari thermistor PTC benilai positif hanya

dalam interval temperatur tertentu, sehingga di luar interval tersebul, koefisien

temperaturnya bisa bernilai nol atau negatif dan harga mutlak dari koefisien

temperalur dari thermistor PTC jauh lebih besar dari pada thermistor NTC.

CTR (Critical Temperature Resistance)

Thermistor CTR dibuat dari V2O3 yang dipanaskan dengan serbuk

oksida Ba atau oksida Si dan sebagainya, yang hasilnya dalam bentuk kaca.

Thermistor jenis ini merupakan resistor yang mempunyai koefisien temperatur

negatif yang sangat tinggi. Penurunan resistansi yang drastis karena adanya

pengaruh suhu tersebut terjadi pada transisi logam-semikonduktor dan

berubah-ubah tergantung (sebagai fungsi) dari konsentrasi dopan, yaitu oksida

logam, seperti Ge, Ni, W, atau M.

2.5.4 Integrated Circuit Temperature Sensor (IC Sensor)

IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang

menggunakan chip silikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi

output tegangan dan arus yang sangat linear. Ada beberapa jenis IC yang sering

digunakan sebagai sensor suhu seperti LM135, LM235, LM335. Ketiga jenis IC ini

memilki karakter yang berbeda-beda dan penggunaannya disesuaikan dengan

kebutuhan. Gambar 2.36 adalah IC sensor jenis LM135.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II - 44

Gambar 2.36 IC Sensor jenis LM135

Perbedaan dari keempat jenis sensor temperatur dapat dilihat pada Tabel

2.9 berikut.

Tabel 2.9 Perbedaan Umum Sensor Temperatur