View
10
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
i
TUGAS AKHIR – TM 141585
RANCANG BANGUN MESIN WATER CHILLER
KAPASITAS 6 KILOWATT
SAMUEL PANJAITAN
NRP. 2115 105 022
DOSEN PEMBIMBING
Ary Bachtiar Krisna Putra, ST., MT., P.hD
JURUSAN TEKNIK MESIN
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya, 2018
ii
FINAL PROJECT - TM 141585
DESIGN OF A 6 KILOWATT WATER CHILLER
MACHINE
SAMUEL PANJAITAN
NRP. 2115 105 022
DOSEN PEMBIMBING
Ary Bachtiar Krisna Putra, ST., MT., P.Hd
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
Faculty of Industrial Technology
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2018
iii
iv
RANCANG BANGUN MESIN WATER CHILLER
KAPASITAS 6 KILOWATT
Nama Mahasiswa : Samuel Panjaitan NRP : 2115105022
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Dosen Pembimbing : Ary Bachtiar K P, ST., MT., Ph.D
ABSTRAK
Indonesia merupakan negara dengan iklim tropis, sehingga
lebih dibutuhkan sistem pendingin daripada sistem pemanas.
Sistem pendingin dan pengkondisian udara banyak diaplikasikan
dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu pengaplikasiannya bisa
kita temukan pada gedung-gedung bertingkat seperti mall, rumah
sakit dan perkantoran. Karena kebutuhan untuk pendinginan pada
gedung-gedung bertingkat jauh lebih besar daripada di rumah-
rumah maka gedung-gedung bertingkat umumnya tidak
menggunakan AC Split karena akan lebih banyak membutuhkan
energi. Oleh karena itu mesin water chiller banyak digunakan
karena lebih hemat energi dan sanggup untuk kebutuhan
pendinginan untuk gedung-gedung bertingkat tersebut.
Pada tugas akhir ini penelitian yang dilakukan adalah
merancang dan membangun mesin water chiller kapasitas 6 kW.
Mesin water chiller ini dirancang dengan menggunakan sistem
kompresi uap yang menggunakan kompressor, kondensor, katup
ekspansi dan evaporator sebagai komponen utama. Untuk mesin ini
kompressor yang digunakan adalah kompressor bristol, kondensor
tipe Circilar Tube – Continuous fin Compact Heat Exchanger
evaporator tipe hellical tube dengan diameter nominal ¼ inch dan
pipa kapiler TC-70 sebagai katup ekspansi. Air didinginkan dari
suhu 25oC sampai 18
oC dan menggunakan pompa untuk
mensirkulasi air dengan debit 700 l/jam dan fluida kerja yang
digunakan adalah R-22.
Dari penelitian ini hasil yang didapatkan adalah dimensi
dari evaporator dan pipa kapiler untuk kapasitas pendinginan
v
19900 Btu/hr. Dimensi evaporator memiliki panjang 20 meter
dengan diameter nominal ¼ inch dan jumlah lilitan 13 buah.
Sedangkan untuk pipa kapiler memiliki panjang 2 m dengan
diameter dalam 0,07 inch. COP rancangan adalah 2,6 sedangkan
COP kondisi aktual yang diperoleh adalah 3,3, nilai HRR
rancangan adalah 1,18 dan HRR kondisi aktual adalah 1,27 dengan
laju alir massa refrijeran ( ) = 0,025 dan besarnya arus listrik
yang dibutuhkan adalah 8,3 A dan volume air yang didinginkan
adalah 170 liter. Pengujian dilakukan pada tekanan kerja normal.
Kata kunci : Water Chiller, Evaporator, Pipa Kapiler, R-22,
COP, HRR
vi
DESIGN OF A 6 KILOWATT WATER CHILLER
MACHINE
Student Name : Samuel Panjaitan NRP : 2115105022
Department : Teknik Mesin FTI-ITS Academic Advisor : Ary Bachtiar K P, ST., MT., Ph.D
ABSTRACT
Indonesia is a country with a tropical climate, so more
needed cooling system than heating system. Cooling and air
conditioning systems are widely applied in everyday life. One of
the applications we can find in high rise buildings such as malls,
hospitals and offices. Because the need for refrigeration in multi-
storey buildings is much larger than in homes, multi-story
buildings generally do not use AC Split because it will require
more energy. Therefore, water chiller machine is widely used
because it is more energy efficient and able to cooling needs for the
high rise buildings.
In this final project the research is to design and build water
chiller machine with 6 kW capacity. This water chiller machine is
designed using a vapor compression system that uses a compressor,
condenser, expansion valve and evaporator as the main component.
For this machine the compressor used is a bristol compressor,
Circilar Tube type condenser - Continuous fin Compact Heat
Exchanger type hellical tube evaporator with ¼ inch diameter and
TC-70 capillary tube as expansion valve. Water is cooled from 25 °
C to 18 ° C and uses a pump to circulate water with a 700 l / hr
discharge and the working fluid employed is R-22.
From this research the results obtained are the dimensions
of evaporator and capillary pipe for cooling capacity of 19900 Btu
/ hr. Evaporator dimensions have a length of 20 meters with a
diameter of ¼ inch and the number of windings 13 pieces. As for
the capillary pipe has a
vii
0.025 and the magnitude of the required electrical current is 8.3 A
and the volume of water cooled is 170 liters. The test is carried out
at normal working pressure.
Keyword : Water Chiller, Evaporator, Capillary Tube, R-22,
COP, HRR
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang
Maha Esa yang telah memberikan berkat dan karunia-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan laoran Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana di bidang Konversi Energi Jurusan
Teknik Mesin FTI-ITS.
Penulis menyadari dalam penyusunan laporan dan penelitian
tugas akhir ini dapat terselesaikan tidak lepas dari bimbingan,
kerjasama, dukungan maupun doa dari berbagai pihak. Oleh karena
itu penulis ingin menyampaikan terima kasih dan penghargaan
setinggi-tingginya kepada :
1. Bapak Ary Bachtiar Krisna Putra, ST., MT., Ph.D selaku dosen
pembimbing Tugas Akhir yang dengan penuh kesungguhan,
kesabaran, dan banyak meluangkan waktu untuk memberikan
bimbingan, petunjuk, semangat kepada penulis dalam
menyelesaikan penelitian tugas akhir ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani., M.Eng, selaku dosen
penguji Tugas Akhir atas saran dan masukan yang telah
diberikan.
3. Bapak Prof. Ir. Sutardi., M.Eng, Ph.D selaku dosen penguji
Tugas Akhir atas saran dan masukan yang telah diberikan.
4. Bapak Dr. Bambang Sudarmanta., ST, MT selaku dosen
penguji Tugas Akhir atas saran dan masukan yang telah
diberikan.
5. Keluarga penulis, Ibu Mampe Roslina Marpaung, Nenek
Lukertina Sitorus dan sudara-saudara penulis kakak-kakakku
Betty Panjaitan, Meylina Panjaitan, dan adik-adikku
Christoffel Panjaitan, Erwin Panjaitan dan Dessy Panjaitan atas
ix
doa, perhatian dan dukungan baik moril maupun materil yang
telah diberikan.
6. Segenap Bapak/ Ibu Dosen Pengajar dan Karyawan di Jurusan
S1 Teknik Mesin ITS yang telah memberikan banyak ilmu.
7. Keluarga besar Lab. Pendingin Teknik Mesin FTI-ITS : Mas
Erdin, partner Tugas Akhir : Ibnu Wardoyo, Andi Pambudi dan
Ari Maulana terima kasih atas kerjasama dan bantuan yang
telah diberikan sehingga tugas akhir ini bisa terselesaikan
dengan baik.
8. Teman-teman seperjuangan LJ Teknik Mesin 2015
9. Keluarga-keluarga penulis yang tinggal di Surabaya, keluaraga
Bapak Jhonson Sibarani dan Ibu Marpaung.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih terdapat
kekurangan. Oleh karenanya penulis mengharapkan masukan dan
saran demi kesempurnaan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
Semoga Tuga Akhir ini dapat memberikan kontribusi bagi
pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di
bidang Rekayasa Konversi Energi.
Surabaya, Januari 2018
Penulis
x
DAFTAR ISI
JUDUL ...................................................................................... i
TITLE PAGE ............................................................................ ii
LEMBAR PENGESAHAN ....................................................... iii
ABSTRAK ................................................................................ v
ABSTRACT .............................................................................. vi
KATA PENGANTAR ............................................................... viii
DAFTAR ISI ............................................................................. x
DAFTAR GAMBAR ................................................................ xiv
DAFTAR TABEL ..................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang .............................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................ 2
1.3 Tujuan Penelitian .......................................................... 2
1.4 Batasan Masalah ........................................................... 3
1.5 Manfaat Penelitian. ....................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan ................................................... 3
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu ..................................................... 5
2.2 Chiller ........................................................................... 5
2.2.1 Water-Cooled Condensor....................................... 5
2.2.2 Air Cooled Condensor ........................................... 6
2.2.3 Evaporative Condensor .......................................... 6
xi
2.3 Refrigerasi dan Sistem Refrigerasi ............................... 7
2.3.1 Siklus Kompresi Uap Standar Ideal ....................... 8
2.3.2 Siklus Kompresi Uap Nyata ................................... 10
2.4 Komponen Utama Sistem Refrigerasi .......................... 11
2.4.1 Kompressor ............................................................ 11
2.4.2 Kondensor .............................................................. 12
2.4.3 Pipa Kapiler ............................................................ 13
2.4.4 Evaporator .............................................................. 14
2.5 Refrigeran ..................................................................... 15
2.6 Persamaan mencari kerja, daya input, efisiensi
kompresor dan temperatur rata-rata bodi kompresor ... 17
2.7 Persamaan mencari panas yang dilepaskan oleh
kondensor ke udara sekeliling ...................................... 19
2.8 Persamaan mencari kapasitas pendinginan pada
Evaporator .................................................................... 20
2.9 Persamaan-persamaan perhitungan analisis untuk
mengetahui penurunan tekanan didalam kapiler dan
mencari panjang pipa kapiler ....................................... 21
2.10 Heat Exchanger ........................................................... 23
2.10.1 Konsep Perpindahan Panas Secara Umum........... 23
2.10.2 Keseimbangan Energi Pada Heat Exchanger ....... 24
2.10.3 Perpindahan Panas Sisi Dalam (Internal Flow ..... 24
2.10.4 Perpindahan Panas Sisi Luar (Eksternal Flow) ... 25
2.10.5 Metode LMTD ..................................................... 26
xii
2.10.6 Koefisien Perpindahan Panas Total ..................... 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Analisis Energi Pada Mesin Water Chiller .................. 28
3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem............................... 30
3.3 Diagram Alir Perancangan Mesin Water Chiller ........ 31
3.4 Diagram Alir Perancangan Evaporator ........................ 33
3.5. Mesin Water Chiller ................................................... 35
3.6. Komponen dan Peralatan untuk merancang ............... 36
3.7. Jadwal dan Rencana Kegiatan .................................... 35
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Teknis .................................................................. 51
4.2 Data-data Rancangan ................................................... 52
4.3.Konversi Tekanan ........................................................ 52
4.4.Mencari properti refrigeran.......................................... 53
4.5 Analisis Rancangan dengan Termodinamika .............. 54
4.6 Perancangan Evaporator .............................................. 57
4.6.1 Analisa Termodinamika pada Evaporator dengan
Temperatur Air 25oC .............................................. 58
4.6.2 Karakteristik Permukaan Sisi Refrigeran 22
(Cold Side) ............................................................. 60
4.6.3 Perbandingan LMTD pada Evaporator ................ 60
4.6.4 Analisis Perpindahan Panas ................................... 61
4.6.4.1 Tipe Pipa Lurus ................................................ 61
4.6.4.2 Tipe Hellical ..................................................... 69
xiii
4.6.4.3 Kesimpulan Pemilihan ...................................... 76
4.7 Perancangan Kapiler .................................................... 77
4.8 Hasil Pengujian ............................................................ 82
4.9 Analisis Data Aktua ..................................................... 82
4.10 Analisis Termodinamika Rancangan Vs Hasil
Pengujian .................................................................... 86
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ................................................................. 87
5.2 Saran ........................................................................... 89
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
BIODATA PENULIS
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Water Cooled Condensor..................................... 6
Gambar 2.2 Air Cooled Condensor ......................................... 6
Gambar 2.3 Evaporative Condensor ....................................... 7
Gambar 2.4 Komponen-komponen dari Sistem Refrijerasi
Uap Standar Ideal ................................................ 9
Gamabr 2.5 T-s dan P-h Diagram Siklus Kompresi Uap
Standar Ideal ........................................................ 10
Gambar2.6 Daur kompresi uap nyata dibandingkan dengan
Daur Uap Standar ................................................. 10
Gambar 2.7 Kompresor refrigeran .......................................... 11
Gambar 2.8 Hermetic Compressor Tipe Reciprocating .......... 12
Gambar 2.9 Finned Tube Condensor ...................................... 12
Gamabar 2.10 Pipa Kapiler ..................................................... 13
Gambar 2.11 Hellical Tube Evaporator................................... 15
Gambar 2.12 Langkah Kompresi pada Kompresor ................. 18
Gamabar 2.13 Skema Termodinamika Kondensor ................. 19
Gambar 2.14 Skema Termodinamika Evaporator ................... 20
Gambar 2.15 Tipe Aliran Paralel pada Heat Exchanger ......... 26
xv
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Sistem ...................... 30
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Mesin Water
Chiller .................................................................. 32
Gambar 3.3 Diagram Alir Perancangan Evaporator ................ 35
Gambar 3.4 Mesin Water Chiller yang Dirancang .................. 36
Gambar 3.5 Kompressor dan kondensor ................................. 37
Gambar 3.6 Pipa Kapiler ......................................................... 38
Gambar 3.7 Evaporator ........................................................... 39
Gambar 3.9 Filter Dryer .......................................................... 39
Gambar 3.10 Sight Glass ......................................................... 40
Gambar 3.11 Low Pressure Gauge dan High Pressure
Gauge ................................................................. 41
Gambar 3.12 HLP ................................................................... 42
Gambar 3.13 Heater ................................................................ 42
Gambar 3.14 Hand Valve ........................................................ 43
Gambar 3.15 Flowmeter .......................................................... 44
Gambar 3.16 Tangki ................................................................ 44
Gambar 3.17 Pompa ................................................................ 45
Gambar 3.18 Termostat Digital ............................................... 46
Gambar 3.18 Termometer Air Raksa ...................................... 47
Gambar 3.19 Inverter .............................................................. 47
xvi
Gambar 3.20 Flowmeter Air ................................................... 48
Gambar 3.21 Data Akuisisi ..................................................... 49
Gambar 3.22 Pipa PVC ........................................................... 49
Gambar 3.33 Clamp on Ammeter Digital ............................... 50
Gambar 4.1 Diagram p-h dari data teknis kompresor ............. 52
Gambar 4.2 Rancangan Evaporator ......................................... 57
Gambar 4.3 Grafik Analisis Heat Balance Air dan
Refrigeran ............................................................ 58
Gambar 4.4 Diagram p-h data aktual rancangan ..................... 83
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat termofisik beberapa refrigeran ........................ 16
Tabel 3.1 Dasar Perancangan Sistem ...................................... 28
Tabel 3.2 Spesifikasi kompresor dan kondensor ..................... 37
Tabel 3.3 Spesifik filter dryer ................................................. 40
Tabel 3.4 Spesifik Sight glass ................................................. 40
Tabel 3.5 Spesifik High Low Pressure .................................... 42
Tabel 3.6 Spesifik heater......................................................... 43
Tabel 3.7 Spesifik hand valve. ................................................ 43
Tabel 3.8 Spesifik flowmeter ................................................... 44
Tabel 3.9 Spesifik tangki (bak) ............................................... 45
Tabel 3.10 Spesifik pompa ...................................................... 45
Tabel 3.11 Spesifik Termostat Digital..................................... 46
Tabel 3.12 Spesifikasi Inverter ................................................ 48
Tabel 3.13 Spesifikasi Flowmeter Air ..................................... 48
Tabel 3.14 Tabel Jadwal dan Rencana Kegiatan ..................... 50
Tabel 4.1 Data teknis kompressor ........................................... 51
Tabel 4.2 Suhu air dan refrijeran pada tiap zona .................... 59
Tabel 4.3 TLMTD Air dan Refrigeran .................................. 61
Tabel 4.4 Analisis termodinamika rancangan vs hasil
pengujian ............................................................... 86
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Peningkatan kebutuhan hidup manusia yang semakin tinggi
menyebabkan manusia meningkatkan kualitas hidupnya.
Peningkatan tersebut terjadi di berbagai macam sektor slah
satunya adalah sistem pendingin. Peningkatan di sektor tersebut
menyebabkan evolusi teknologi pendingin yang semakin canggih.
Teknologi mesin pendingin saat ini sangat mempengaruhi
kehidupan dunia modern, tidak hanya terbatas untuk peningkatan
kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga sudah menyentuh
hal-hal esensial penunjang kehidupan manusia. Teknologi ini
dibutuhkan untuk penyiapan bahan makanan, proses kimia yang
memerlukan pendinginan, pengkondisian udara untuk
kenyamanan ruangan baik pada industri, perkantoran, transportasi
maupun rumah tangga.
Mesin refrigerasi pada saat ini telah menjadi kebutuhan
dasar bagi masyarakat baik khususnya di daerah perkotaan. Untuk
gedung – gedung bertingkat seperti mall, hotel, gedung
perkantoran, rumah sakit membutuhkan udara bersih dan segar
yang lebih banyak. Untuk mendapatkan udara bersih dan segar
yang lebih banyak itu maka dibutukan mesin pendinginan dengan
kapasitas yang sangat besar juga dan tetap mengutamakan prinsip
hemat energi. Mesin itu adalah water chiller. Water chiller adalah
mesin refrigerasi yang memiliki fungsi utama mendinginkan air
pada sisi evaporatornya. Air kemudian dialirkan ke AHU (Air
Handling Unit) untuk diambil dinginnya dan dihembuskan ke
ruangan. Penarikan panas atau kalor dimulai pada evaporator.
Pada penelitian kali ini peneliti akan merancang dan
membangun sebuah mesin water chiller kapasitas pendinginan
19900 Btu/hr dengan mengaplikasikan sistem kompresi uap.
Seperti yang kita ketahui sistem kompresi uap menggunakan
kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator sebagai
komponen utamanya. Mesin water chiller ini nantinya akan
2
mendinginkan air dari suhu 25oC menjadi 18
oC. Beberapa
komponen utama yang akan dirancang adalah evaporator dan pipa
kapiler . Evaporator yang didesain adalah tipe hellical tube
dengan mensirkulasikan air dengan debit pompa 700l /jam pada
sisi luarnya. Dalam merancang mesin water chiller ini peneliti
menggunakan data teknis kompressor sebagai dasar mengetahui
parameter dan operasi optimum untuk mendesain mesin water
chiller agar sesuai dengan sistem yang dibangun.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belaang tersebut maka dapat dirumuskan
beberapa permasalahan yang akan dikaji pada perancangan mesin
water chiller antara lain :
1. Bagaimana mengaplikasikan sistem kompresi uap agar
dapat merancang dan membangun sebuah mesin water
chiller
2. Bagaimana merancang dan membangun mesin water
chiller agar diperoleh Coefficient Of Performance (COP)
yang maksimum
3. Bagaimana perbedaan atara hasil rancangan dengan
kondisi aktual
1.3 Tujuan
Tujuan dari penelitian inia adalah sebagai berikut :
1. Mengaplikasikan sistem kompresi uap agar dapat
merancang dan membangun sebuah mesin water chiller
2. Merancang dan membangun mesin water chiller agar
diperoleh Coefficient Of Performance (COP) yang
maksimum
3. Membandingkan nilai-nilai dari parameter kondisi yang
dirancang dengan kondisi aktual
3
1.4 Batasan Masalah
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai
masalah yang dikaji dalam penulisan tugas akhir in, maka perlu
kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut :
1. Sistem yang digunakan adalah sistem dasar dari
Kompresi Uap dengan komponen utama yaitu
kompressor, kondensor, pipa kapiler dan evaporator.
2. Kondisi sistem dalam keadaan tunak (steady state)
3. Fluida kerja yang digunakan adalah R-22
4. Kompresor yang digunakan adalah kompresor bristol tipe
H24B24QABH
5. Perancangan menggunakan data-data teknis kompressor
6. Diasumsikan tidak terjadi penurunan tekanan di
sepanjang evaporator dan kondensor
7. Debit air 700 l/jam
8. Pengaruh perpindahan panas secara radiasi dari
lingkungan diabaikan
9. Perancangan tidak mengikutsertakan analisIS metalurgi
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang dapat diambil dari penelitian tugas
akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Memberikan informasi dan pengetahuan tentang sistem
Kompresi Uap
2. Dapat memeberikan informasi serta pengetahuan kepada
kita mengenai parameter-parameter apa saja yang
digunakan dalam merancang mesin water chiller
3. Sebagai pengembangan penelitian di Laboratorium
Pendingin Teknik Mesin ITS
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan disusun untuk memberikan gambaran
penjelas mengenai bagian-bagian tugas akhir, diantaranya :
4
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan secara singkat tinjauan secara umum
mengenai latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah,
tujuan, manfaat, dan sistematika penulisan dari tugas akhir ini.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
Bab ini menjelaskan beberapa teori penunjang yang
digunakan untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Dasar teori
digunakan sebagai referensi atau materi rujukan sebagai dasar
dalam melakukan rancang bangun maupun evaluasi u ujuk kerja
dari peralatan mesin pendingin.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini menjabarkan alur proses kegiatan tugas akhir ini
dimulai dari awal hingga akhir dan menjabarkan mengenai
prosedur atau langkah-langkah dalam melakukan rancang bangun
mesin water chiller, peralatan penelitian dan metode penelitian.
BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
Bab ini menjelaskan bagaimana perancangan dan evaluasi
mesin water chiller. Perancagan berdasarkan analisis
termodinamika dan perpindahan panas.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari pembahasan masalah serta
saran yang diberikan untuk pengembangan salanjutnya.
DAFTAR PUSTAKA
Berisi tentang referensi-referensi yang terkait dengan materi
pembahasan, berupa buku, jurnal tugas akhir terdahulu, maupun
website yang dijadikan acuan untuk menyelesaikan tugas akhir
ini.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu
2.1.1 Design of 12 kW air-cooled water chiller
“D kW -cooled water
” k k S Ay p
penelitian ini Samantha melakukan rancang bangun water chiller
dengan debit air 1000 l/jam untuk mendinginkan air dari suhu
20oC menjadi 10
oC dengan menggunakan R-134a. Samantha
menggunakan sistem kompresi uap untuk rancangan nya dimana
hellical double-pipe heat exchanger digunakan sebagai
evaporatornya, air mengalir disisi dalam dan refrigeran mengalir
di sisi luar pipa, kondensor yang digunakan adalah fin and tube
heat exchanger, dan katup ekspansi yang digunakan adalah jenis
pipa kapiler.
2.2 Chiller
Chiller adalah mesin refrigerasi yang berfungsi untuk
mendinginkan air pada sisi evaporatornya. Air kemudian
dialirkan ke AHU (Air HandlingUnit) untuk diambil dinginnya
dan dihembuskan ke ruangan. Jenis chiller menurut media
pendingin kondenser yaitu :
2.2.1 Water-Cooled Condensor
Water-Cooled Condensor merupakan jenis pembuangan
kalor pada refrigeran menggunakan air. Air ini dugunakan untuk
mendinginkan kondenser yang aliran airnya berasal dari cooling
water. Pada suatu chiller, jika temperatur air keluar kondenser
naik, maka temperatur dan tekanan refrigeran akan naik.
Sebaliknya, jika temperatur air keluar kondenser turun, maka
temperatur dan tekanan refrigeran akan turun. Perubahan
temperatur dan tekanan refrigeran ini akan mengakibatkan
perubahan kerja kompresor. Kondenser ini sensitif terhadap debit
air. Debit yang terlalu besar akan menghasilkan kecepatan air
6
yang besar, erosi, vibrasi, atau kebisingan. Debit yang terlalu
kecil akan mengurangi efisiensi pertukaran kalor dan
menyebabkan kinerja chiller menurun. Jadi, debit air kondenser
harus dipertahankan pada rentang tertentu (kecuali saat start-up).
Gambar 2.1 Water Cooled Condenser
2.2.2 Air Cooled Condensor
Air cooled condensor adalah kondenser berpendingin udara
sehingga tidak memerlukan air sebagai media pendinginan
kondenser, karena pembuangan kalor kondenser dilakukan
lengsung ke udara lingkungan. Kelebihan utama penggunaan air
cooled condensor adalah tidak adanya cooling tower dalam
sistem pendingin kondenser. Hal ini membuat perawatan chiller
akan menjadi lebih mudah, karena tidak diperlukan water
treatment, pembersihan pipa-pipa kondenser, perawatan mekanik
cooling tower, perlindungan terhadap temperatur ekstra rendah
(negara 4 musim), dan penyediaan air. Secara umum, hal ini juga
akan mengurangi biaya operasi.
Gambar 2.2 Air Cooled Condenser
7
2.2.3 Evaporative Condenser
Evaporative Condenser adalah kondensor berpendingin air
dan udara biasanya jenis pendinginan ini untuk sistem besar untuk
menurunkan temperatur yang tinnggi dari kondensor. Untuk
sistem ini konsumsi energi lebih besar di bandingkan
menggunakan Water Cooled Condensor dan Air Cooled
Condenser karna energi listrik digunakan untuk menggerakan fan
dan juga pompa.
Gambar 2.3 Evaporative Condenser
Evaporative Condenser adalah kondensor berpendingin air
dan udara biasanya jenis pendinginan ini untuk sistem besar untuk
menurunkan temperatur yang tinnggi dari kondensor. Untuk
sistem ini konsumsi energi lebih besar di bandingkan
menggunakan. Water Cooled Condensor dan Air Cooled
Condenser karna energi listrik digunakan untuk menggerakan fan
dan juga pompa.
2.3 Refrigerasi dan Sistem Refrigerasi
Refrigerasi merupakan proses penyerapan kalor dari
ruangan bertemperatur tinggi dan memindahkan kalor tersebut ke
suatu medium tertentu yang memiliki temperatur lebih rendah
8
serta menjaga kondisi tersebut sesuai dengan yang dibutuhkan.
Pada sistem ini sebuah kompresor akan mengkompresi refrigeran
sehingga tekanan dan temperaturnya meningkat.
Refrigeran yang telah dikompresi kemudian
dikondensasikan dengan kondensor menjadi cairan dengan
melepaskan kalor latennya. Setelah itu refrigerant memasuki alat
ekspansi, cairan tersebut diturunkan tekanannya sehingga
temperaturnya menurun dan kemudian dilanjutkan ke dalam
evaporator yang akan menghasilkan efek refrigerasi dengan
menyerap kalor dari suatu ruangan.
Sistem refrigerasi adalah kombinasi komponen, peralatan,
dan perpipaan yang dihubungkan dalam suatu urutan tertentu
untuk menghasilkan efek pendinginan sehingga dapat menjadikan
kondisi temperatur suatu ruangan berada di bawah temperatur
semula (menjadikan temperatur di bawah temperatur siklus). Pada
prinsipnya kondisi temperatur rendah yang dihasilkan oleh suatu
sistem refrigerasi diakibatkan oleh penyerapan panas pada
reservoir dingin (low temperatur source) yang merupakan salah
satu bagian sistem refrigerasi tersebut. Panas yang diserap
bersama-sama energi (kerja) yang diberikan kerja luar dibuang
pada bagian sistem refrigerasi yang disebut reservoir panas (high
temperatur source).
Sistem refrigerasi secara garis besar dapat diklasifikasikan
menjadi beberapa sistem refrigerasi, diantaranya yaitu sistem
refrigerasi kompresi uap, sistem refrigerasi absorpsi, sistem
refrigerasi ekspansi gas, sistem refrigerasi termoelektrik, dan
sistem refrigerasi magnetic. Pada penelitian ini akan digunakan
sistem refrigerasi kompresi uap, sehingga bahasan selanjutnya
akan terfokus pada sistem refrigerasi kompresi uap.
2.3.1 Siklus Kompresi Uap Standar Ideal
Siklus kompresi uap adalah sistem dimana fluida kerja
mengalami proses penguapan dan pengembunan, serta proses
kompresi dan ekspansi secara terus menerus. Siklus kompresi uap
standar yang diaplikasikan pada sistem pendingin udara standar
9
terdiri dari empat komponen utama, komponen-komponen
tersebut bekerja secara bersama-sama membentuk suatu proses
yang berulang (siklus) dengan refrijeran sebagai media yang
digerakkan. Siklus kompresi uap standar bisa digambarkan
sebagai beikut :
Gambar 2.4 Komponen-komponen Dari Sistem Refrijerasi Uap
Standar Ideal
Proses-proses yang membentuk daur kompresi uap standar-ideal
adalah sebagai berikut :
Proses 1-2 : Kompresi adiabatik dan reversibel, dari uap menuju
tekanan kondensor
Proses 2-3 : Pelepasan kalor reversibel pada tekanan konstan
menyebabkan penurunan panas.
Proses 3-4 : Ekspansi tidak reversibel pada entalpi konstan, cairan
jenuh menuju tekanan evaporator.
Proses 4-1 : Penambahan kalor reversibel pada tekanan tetap,
yang menyebabkan penguapan menuju uap jenuh.
10
Berikut ini merupakan bentuk T-s dan P-h diagram dari daur
kompresi uap standar ideal :
Gambar 2.5 T-s dan P-h Diagram Siklus Kompresi Uap Standar
Ideal
2.3.2 Siklus Kompresi Uap Nyata
Daur kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi
dibandingkan dengan daur standar. Perbedaan penting antara daur
nyata dan standar terletak pada penurunan tekanan di dalam
kondensor dan evaporator, dalam kondisi subcooling cairan yang
meninggalkan kondensor, dan dalam pemanasan lanjut uap yang
meninggalkan evaporator, hal tersebut dapat dilihat dalam gambar
berikut :
Gambar 2.6 Daur Kompresi Uap Nyata Dibandingkan Dengan
Daur Standar
11
2.4 Komponen Utama Sistem Refrigerasi Komponen utama secara umum agar sistem refrigerasi
dapat bekerja dengan baik adalah sebagai berikut:
a) Kompresor
b) Kondensor
c) Expansion valve
d) Evaporator
Sebagaimana yang diketahui pada empat komponen utama
sistem refrigerasi kompresi uap standar tidak akan dapat bekerja
dengan sesuai fungsinya jika salah satu komponen tersebut tidak
ada atau tidak berfungsi dengan baik.
2.4.1 Kompresor
Kompresor berfungsi untuk menghisap uap refrigeran
bertekanan rendah dari evaporator dan mengkompresinya menjadi
uap bertekanan tinggi sehingga uap akan tersirkulasi. Dengan
adanya proses kompresi maka terjadi perbedaan tekanan tekanan
antara sisi hisap (suction) dan sisi keluar (discharge) yang
menyebabkan refrigeran dapat mengalir dalam sistem.
Berdasarkan konstruksinya, maka kompresor dapat dibagi
menjadi lima macam, yaitu kompresor torak (reciprocating),
kompresor putar (rotary), kompresor sekrup (screw), kompresor
gulung (scroll), dan kompresor sentrifugal (centrifugal).
Gambar 2.7 Kompresor refrigeran, (a) reciprocating, (b) rotary,
(c) scroll, (d) screw
12
Tipe kompressor yang digunakan pada eksperimen kali ini adalah
tipe kompresor reciprocating dan jenisnya adalah hermetic
reciprocating
Gambar 2.8 Hermetic Compressor Tipe Reciprocating
2.4.2 Kondensor
Kondensor merupakan alat penukar kalor yang berada pada
daerah tekanan tinggi dari sistem refrigerasi. Kondensor berfungsi
sebagai pembuang panas (heat rejection) dari dalam sistem ke
luar sistem. Pada saat refrigeran memasuki kondensor, maka
refrigeran akan mengalami perubahan fase dari gas menjadi cair
(terkondensasi). Kondensor yang digunakan adalah tipe finned-
tube kondensor
Gambar 2.9 Finned-tube Kondensor
13
2.4.3 Capillary tube (pipa kapiler)
Pipa kapiler merupakan pipa berdiameter kecil, yang
ditempatkan antara bagian sistem bertekanan tinggi, dan bagian
sistem bertekanan rendah. Fungsinya adalah untuk menurunkan
tekanan refrigeran sehingga terjadi penurunan temperatur di
evaporator. Pipa kapiler biasanya digunakan pada sistem yang
kecil, dimana beban pendinginannya tidak banyak beruah, seperti
kulkas rumah tangga. Ciri khas dari sistem yang menggunkan
pipa kapiler adalah jumlah refrigeran di dalam sistem dibatasi,
dengan demikian liquid receiver dan akumulator harus diisolir
dari aliran. Pengisian refrigeran pada sistem ini dilakukan secara
bertahap, apabila isi refrigeran tetap cukup, maka refrigeran pada
saat meninggalkan evaporator telah menjadi uap jenuh. Hal ini
ditandai dengan terbentuknya salju pada permukaan evaporator.
Bila pembentukan salju terlalu jauh sampai mendekati kompresor
maka berarti jumlah refrigeran di dalam sistem terlalu sedikit dan
bila tidak seluruh permukaan evaporator terliputi oleh salju
berarti jumlah refrigeran di dalam sistem terlalu banyak. Pada
eksperimen ini menggunakan expansion valve jenis capillary tube
dengan biaya yang ekonomis tetapi mempunyai fungsi yang sama
dengan alat ekspansi lainnya.
Gambar 2.10 Pipa kapiler
14
2.4.4 Evaporator
Komponen ini berfungsi untuk menyerap panas dari
ruangan. Panas tersebut diserap dan dialirkan melalui heat
exchanger kemudian dipindahkan ke refigeran. Pada saat
refrigeran menyerap panas, maka entalpi refrigeran akan
meningkat. Semakin banyak kenaikan entalpi pada refrigeran
selama di evaporator maka semakin baik pula kinerja perangkat
pendinginan udara yang terpasang. Jenis evaporator berdasarkan
fluida yang didinginkan
a. Air Cooling Evaporator
Evaporator jenis air cooling, adalah evaporator yang
mendinginkan produk dengan udara dingin yang telah melawati
evaporator tersebut, udara yang telah didinginkan didistribusikan
untuk mendinginkan benda atau udara yang akan dikondisikan,
penggunaan evaporator jenis ini biasanya seperti AC split, Cold
storage room dan lemari es.
b. Liquid Chilling Evaporator
Liquid chilling evaporator mendinginkan fluida cair
biasanya berupa air atau larutan ari dengan garam. Air yang telah
didinginkan nantinya akan didistribusikan pada wadah yang
dinamakan AHU (khusus untuk AC) untuk mendinginkan
ruangan, atau didistribusikan ke dalam pipa ganda yang
memiliki dua lubang untuk mendinginkan produk cair seperti
susu. Penggunaan liquid chilling evaporator biasanya pada AC
central, pabrik susu dan pabrik es komersial. Tipe evaporator
yang digunakan pada eksperimen ini adalah tipe hellical tube
eavaporator.
15
Gambar 2.11 Hellical Tube Evaporator
2.5 Refrigeran
Refrigeran atau bahan pendingin adalah suatu zat yang
mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya,
dan juga sebagai media pemindah panas dari evaporator
kemudian di pindah ke kondensor. Bahan pendingin banyak
sekali macamnya, tetapi tidak satupun yang dapat dipakai untuk
semua keperluan. Kita perlu mendinginkan dalam beberapa
tingkat temperatur yang berbeda-beda, maka bahan pendingin
hanya dapat dikatakan tepat atau sesuai untuk satu keperluan saja.
Untuk unit refrigerasi hendaknya dapat dipilih jenis refrigeran
yang sesuai dengan jenis kompresor yang dipakai, dan
karakteristik termodinamika antara lain meliputi temperatur
penguapan dan tekanan penguapan serta temperatur pengembunan
dan tekanan pengembunan. Tipe refrigeran yang digunakan pada
penelitian ini adalah R-22.
2.5.1 Macam-macam refrigeran
Refrigeran ada dua macam yaitu refrigeran primer dan
sekunder. Adapun pengertian refrigeran primer adalah refrigeran
yang digunakan dalam sistem kompresi uap. Dan refrigeran
sekunder adalah cairan-cairan yang digunakan untuk membawa
energi kalor bertemperatur rendah dari satu lokasi ke tempat lain.
Nama lain dari sekunder adalah cairan anti beku atau brines
(larutan garam).
16
Klasifikasi refrigeran berdasarkan jenis fluida yang digunakan
yaitu:
1. Fluorocarbon terhidrogenasi (HFC) Refrigeran yang terdiri atas hidrogen, fluorin, dan karbon.
Refrigeran ini tidak merusak lapisan ozon karena tidak
menggunakan atom klor yang digunakan dalam sebagian besar
refrigeran. Namun menimbulkan efek GWP (Global Warming
Potential). Contoh : R134A, R404A, R407C, R507.
2. Terhidrogenasi klorofluorokarbon (HCFC) Refrigeran yang terdiri atas hidrogen, klorin, fluorin, dan
karbon. Refrigeran ini mengandung klorin dan fluorin tapi dalam
jumlah yang sedikit, sehingga tingkat GWP dan ODP (Ozone
Depletion Potential) rendah. Contoh R22, R123, R401A, R403A,
dan R408A.
3. Chlorofluorocarbon (CFC) Refrigeran yang mengandung klorin, fluorin dan karbon.
Refrigeran ini memiliki ODP dan GWP yang tinggi. Contoh R11,
R12, R13, R113, R500, dan R502.
4. HydroCarbon (HC) Refrigeran ini jenis organik karena hanya terdiri atas
hidrogen dan karbon. Sehingga tidak membahayakan lingkungan
namun sangat berbahaya bagi pengguna, sebab mudah terbakar.
Contoh : propana, ethana, dan isobutana.
Tabel 2.1 Sifat termofisik beberapa refrigeran
Parameter R-12 R-22 R-114 R-500 R-502 R-717 R-718
Simbol
kimia CCl2F2 CHClF2 CClF2 - - NH3 H20
Berat
molekul 120.9 86.5 170.9 99.29 112 17 18
Titik didih -29.8 -40.8 3.6 -33.3 -45.6 -33.3 100
17
(0C, 1
atm)
Titik beku
(0C, 1
atm)
-157.8 -160.0
-77.8
Cp/Cv (g) 1.13 1.18
1.31 1.40
Suhu kritik
(0C) 112.2 96.1
132.8
Tekanan
kritik
(kPa)
4115.7 4936.1
1423.4
Panas laten
penguapan
(kJ/kg)
161.7 217.7
1314.2
2.6 Persamaan mencari kerja, daya input, efisiensi
kompressor dan temperatur rata-rata bodi kompresor
Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2. Pada
siklus teoritis diasumsikan refrigeran tidak mengalami
perubahan kondisi selama mengalir di jalur hisap. Pada proses
ini uap refrigeran pada tekanan evaporasi di kompresi sampai
pada tekanan kondensasi. Proses kompresi diasumsikan
isentropik sehingga pada diagram tekanan entalpi, titik 1 dan
titik 2 berada pada satu garis entropi konstan. Pada titik 2 uap
refrigeran berada pada kondisi superheat. Proses kompresi
memerlukan kerja luar, entalpi uap naik yaitu dari h1 ke h2.
Besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja
mekanis yang dilakukan pada uap refrigeran. Dan besarnya
energi yang diperlukan untuk proses kompresi pada siklus
refrigerasi adalah :
18
Gambar 2.12 Langkah kompresi pada kompresor
a. Besarnya laju dari masukan daya (kerja) kompressor
adalah :
( ) (2.1)
Ket: = kerja thermodinamika kompresor (kW)
= laju aliran massa (kg/s)
= entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
= entalpi refrigeran masuk kompresor (kJ/kg)
b. Kerja kompresor juga dapat diketahui dari daya listrik
yang kita berikan ke kompresor, dengan rumus:
(2.2)
Ket: Ẇin = kerja yang masuk ke outdoor (kW)
V = tegangan listrik masuk ke outdoor unit (Volt)
I = kuat arus yang masuk ke outdoor unit (Amper)
φ = faktor daya (asumsi = 0,98)
c. Untuk efisiensi yang dimiliki oleh sebuah kompresor
dapat dirumuskan sebagai berikut:
( ) (2.3)
( )
( ) (2.4)
Ket: = efisiensi isentropi kompresor
= kerja kompresor aktual (kW)
= kerja kompresor ideal (kW)
= entalpi ideal refrigeran masuk mondensor (kJ/kg)
19
= entalpi actual refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
= entalpi refrigeran masuk kompresor (kJ/kg)
Untuk mendefinisikan kompresor yang baik adalah dengan
cara mengetahui nilai effisiensi kompresor tersebut harus
mendekati 1 (satu).
d. Untuk mencari temperatur rata-rata bodi kompresor
adalah dengan cara mengetahui yang dialami
kompresor dapat dirumuskan sebagai berikut :
Ẇmotor =
+ Ẇuseful (2.5) (2.5)
Ẇin =
+ Ẇc (2.6) (2.6)
= Ẇin – Ẇc (2.7) (2.7)
2.7 Persamaan mencari panas yang dilepaskan oleh
kondensor ke udara sekeliling
Proses 2 – 3 terjadi dikondensor. Uap panas refrigeran
yang keluar dari kompresor didinginkan sampai pada temperatur
kondensasi dan kemudian di kondensasikan. Titik 2 adalah
kondisi refrigeran yang keluar dari kompresor. Pada proses 2-3
ini refrigeran mula-mula berada pada kondisi uap jenuh pada
tekanan dan temperatur kondensasi yang selanjutnya akan
mengalami proses kondensasi uap di dalam kondensor. Proses
kondensasi terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas yang
dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara 2 –3.
Panas total ini berasal dari panas yang diserap oleh refrigeran
yang menguap di dalam evaporator dan panas yang masuk
karena adanya kerja mekanis pada kompresor.
Gambar 2.13 Skema thermodinamika kondensor
20
Besarnya laju perpindahan kalor yang dilepas kondensor adalah :
( ) (2.8) (2.8)
Ket: = laju perpindahan kalor yang dilepaskan kondensor (kW)
= laju aliran massa (kg/s)
= entalpi refrigeran masuk kondensor (kJ/kg)
= entalpi refrigeran keluar kondensor (kJ/kg)
2.8 Persamaan mencari kapasitas pendinginan pada
evaporator
Proses 4 – 1 adalah proses penguapan refrigeran pada
evaporator. Proses ini berlangsung pada temperatur dan tekanan
tetap. Pada titik 1 seluruh refrigeran berada pada kondisi uap
jenuh. Selama proses 4 – 1 entalpi yang diserap adalah beda
entalpi antara titik 1 dan titik 4 disebut efek refrigerasi
Gambar 2.14 Gambar sistem pada evaporator
Besarnya efek refrigerasi atau perubahan entalpi pada
proses evaporasi adalah:
( ) (2.9)
Ket: = energi panas yang diserap oleh evaporator (kW)
= laju aliran massa (kg/s)
(2.9)
= entalpi refrigeran masuk kompresor (kJ/kg)
= entalpi refrigeran masuk evaporator (kJ/kg)
21
2.9 Persamaan- persamaan perhitungan analisis untuk
mengetahui penurunan tekanan di dalam kapiler dan
mencari panjang pipa kapiler
Persamaan-persamaan yang mengaitkan antara keadaan dan
kondisi suatu pipa kapiler akan ditulis dengan menggunakan
notasi-notasi berikut :
A = luas penampang pipa bagian dalam,
D = diameter dalam pipa, m
f = faktor gesekan, tak berdimensi
h = entalpi, kJ/kg
= entalpi cairan jenuh, kJ/kg
= entalpi uap jenuh, kJ/kg
= panjang ruas pipa, m
p = tekana, kPa
Re = bilangan Reynolds =
= volume spesifik, m3/kg
= volume spesifik cairan jenuh, m3/kg
= volume spesifik uap jenuh, m3/kg
V = kecepatan refrijeran, m/det
= laju alir massa, kg/det
x = fraksi uap dalam campuran cairan-uap
= viskositas, Pa.det
= viskositas cairan jenuh, Pa.det
= viskositas uap jenuh, Pa.det
Persamaan konversi massa merumuskan bahwa
(2.10)
Rumus tentang konversi energi adalah
(2.11)
Dengan anggapan bahwa perpindahan kaor ke dalam dan ke luar
pipa diabaikan. Persamaan momentum dalam kata-kata
menyatakan bahwa perbedaan gaya-gaya yang bekerja pada
elemen, yang disebabkan oleh pengurangan kecepatan (drag), dan
22
perbedaan tekanan pada ujung-ujung elemen, sama dengan yang
diperlukan untuk mempercepat fluida.
[( )
] ( ) (2.12)
Pada saat refrijeran mengalir melalui pipa kapiler, tekanan dan
suhu jenuhnya turun secara bertahap, dan fraksi uap (x) naik
secara kontinu. Pada setiap titik,
( ) (2.13)
( ) (2.14)
Untuk mencari V rata-rata digunakan persamaan berikut :
(2.15)
Persamaan yang dipakai untuk faktor gesekan f adalah
( ) (2.16)
Viskositas untuk refrijeran dua-fasa pada suatu posisi tertentu di
dalam pipa adalah fungsi dari fraksi uap, x
( ) (2.17)
Faktor gesekan rata-rata (fm) yang cocok untuk panjang ruas
kapiler adalah :
(2.18)
Semua persamaan telah diketahui kecuali x, yang dapat
diselesaikan dengan persamaan kuadrat
√
(2.19)
Dimana :
( ) (
)
(2.20)
( ) ( ) (
) (2.21)
( ) (
)
(2.22)
23
2.10 Heat Exchanger
Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) merupakan sebuah
alat yang berfungsi untuk menurunkan dan atau meningkatkan
temperatur sebuah sistem dengan memanfaatkan suatu media
pendingin atau pemanas sehingga kalor dapat berpindah dari
temperatur tinggi ke temperatur rendah.
2.10.1 Konsep Perpindahan Panas Secara Umum
a. Konduksi
Konduksi merupakan perpindahan panas yang melalui zat
perantara tanpa disertai dengan perpindahan bagian-bagian zat
tersebut. Jika pada suatu benda terdapat gradien temperatur,
perpindahan panas akan terjadi dari bagian temperatur yang tinggi
ke temperatur yang lebih rendah. Persamaan 2.7 merupakan
persamaan perpindahan panas secara konduksi.
(2.23)
keterangan:
q = laju perpindahan kalor (kW)
k = konduktivitas termal (W/mK)
A = luas penampang (m)
= gradian suhu ke arah perpindahan panas
b. Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan energi antara sebuah
objek dengan lingkungannnya karena adanya pergerakan fluida.
Persamaan umum perpindahan panas secara konveksi adalah :
( ) (2.24)
keterangan :
q = laju perpindahan kalor (kW)
h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K)
A = luas penampang (m2)
= temperatur pada permukaan benda (K)
= temperatur ambient (K)
24
Koefisien perpindahan panas konveksi yang terjadi pada
aliran internal maupun eksternal dipengaruhi oleh enam variabel
yaitu diameter yang dilalui fluida (Dt dan Ds), konduktivitas
termal fluida (Kf), kecepatan aliran fluida (V), kerapatan massa
ρ k μ p p k p k k
(Cp). Keenam variabel tersebut akan mempengaruhi angka
Reynolds, angka Prandtl, dan angka Nusselt.
2.10.2 Keseimbangan Energi Pada Heat Exchanger
Di dalam menganalisis alat penukar kalor digunakan
hukum pertama termodinamika, dimana menyatakan bahwa
perpindahan kalor rata-rata antara fluida panas sama dengan
perpindahan kalor rata-rata pada fluida dingin.
(2.25)
Dimana :
( ) dan
( ) (2.26)
keterangan :
= laju aliran massa (kg/s)
= panas spesifik (kJ/kgoC)
= temperatur masuk (oC)
c dan h = fluida panas dan dingin
Untuk mempermudah analisis penukar kalor diperlukan
kombinasi laju aliran massa dengan panas spesifik fluida
sehingga menjadi satu kuantitas yang disebut kapasitas panas
rata-rata.
dan (2.27)
2.10.3 Perpindahan Panas Sisi Dalam (Internal Flow)
Perpindahan panas di sisi tube tergantung pada kondisi
aliran yaitu laminar atau turbulen. Kondisi aliran dapat diketahui
dari bilangan reynolds yang digunakan adalah sebagai berikut :
(2.28)
25
Sedangkan, untuk menghitung koefisien konveksi di dalam tube
untuk zona saturated dan superheated dapat dirumuskan sebagai
berikut oleh Dittus-Boelter :
(2.29)
Dimana : n = 0,4 untuk fluida dalam tube mengalami pemanasan
(Ts>Tm)
n = 0,3 untuk fluida dalam tube mengalami
pendinginan (Ts<Tm) dan untuk zona evaporasi dirumuskan
dengan film pool boiling yaitu :
[
( )
( ]
(2.30)
Koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi dalam tube dapat
dirumuskan sebagai berikut :
(2.31)
keterangan :
Re = Reynolds number sisi internal tube
h = koefisien konveksi sisi internal tube (W/m2K)
Nu = Nusselt number sisi internal tube
= laju alir massa sisi internal tube (kg/s)
μ k internal tube
k = konduktifitas thermal (W/K)
Pr = Prandtl number sisi internal tube
2.10.4 Perpindahan Panas Sisi Luar (Eksternal Flow)
Perpindahan panas di sisi eksternal juga tergantung pada
kondisi aliran air pemanas yaitu laminar atau turbulen
berdasarkan debit air yang dipompakan dan propertis air pemanas
berdasarkan temperatur air pemanas. Kondisi aliran dapat
diketahui dari bilangan reynolds yang digunakan adalah sebagai
berikut :
(2.32)
Sedangkan, untuk menghitung koefisien konveksi sisi
eksternal dapat dirumuskan sebagai berikut oleh Churchill dan
Beinstein k y ≥ y :
26
[ ( ) ] [ (
)
]
(2.33)
2.10.5 Metode LMTD (Log Mean Temperature Diference)
Metode yang sering digunakan untuk perancangan alat
sebuah alat penukar panas adalah dengan metode LMTD (Log
Mean Temperature Difference). Persamaan laju perpindahan
panas dengan metode LMTD adalah sebagai berikut :
(2.34)
Dimana :
q = kalor yang dipindahkan (kW)
U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2K)
A = luas permukaan perpindahan (m2)
= beda temperatur rata-rata (K)
Beda temperatur rata-rata aliran paralel adalah :
( ) ( )
( ) ( ) (2.35)
Gambar 2.15 Tipe Aliran Paralel pada Heat Exchanger
27
2.1 Koefisien Perpindahan Panas Total (Heat Exchanger
Coefficient)
Dengan mengabaikan faktor pengotor pada tube, nilai
overall heat transfer coefficient (U) didapatkan dengan
persamaan :
( )
( )
( )
( ) (2.36)
keterangan :
Uc = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin
(W/m2K)
Uh = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas
(W/m2K)
hc = koefisien perpindahan panas konfeksi sisi dingin (W/mK)
hh = koefisien perpindahan panas konfeksi sisi dingin (W/mK)
28
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Analisis Energi Pada Mesin Water Chiller Dasar dari perancangan mesin water chiller ini adalah
sistem kompresi uap dimana data teknis kompressor digunakan
sebagai parameter utama dalam merancang mesin ini. Adapun
parameter utamanya adalah sebagai berikut :
Tabel 3.1 Dasar Perancangan Sistem
No. Parameter Nilai
1 Evaporating temperature 7,2oC
2 Condensing temperature 54,4oC
3 Liquid temperature 46,1oC
4 Return gas temperatur 18,3oC
5 Air yang didinginkan dari 25oC - 18
oC
6 Kapasitas mesin water chiller 6 kW
Dari data-data parameter di atas kita dapat menngetuhui
temperatur dan tekanan di setiap titik dari sistem. Akan tetapi
data-data tersebut masih merupakan data-data asumsi. Analisa
pada tiap komponen pada sistem Kompesi Uap ini menggunakan
hukum Termodinamika I dan kesetimbangan massa yang
digunakan mencari output yang berupa kerja dan panas yang
dikeluarkan maupun yang diterima oleh sistem ini. Persamaan
yang digunakan adalah :
Hukum Kesetimbangan Energi
{
} {
} (3.1)
Hukum Kesetimbangan Massa
(3.2)
29
Dengan menggunagan hukum kesetimbangan di atas maka untuk
memperoleh kapasitas rancangan mesin water chiller adalah :
Dengan kapasitas pendinginan (Qevaporasi) = 19900 Btu/hr = 5,8
kW, maka:
( )
Dengan kata lain kapasitas mesin water chiller adalah sama
dengan kapasitas pendinginan sistem dimana kalor yang
dilepaskan oleh evaporator = kalor yang diserap oleh air.
Dalam tugas akhir ini penulis juga membuat diagram alir
yang digunakan untuk perancangan sistem, diagram alir dalam
merancang dan membuat mesin water chiller dan khususnya
diagram alir dalam merancang alat pemindah panas yaitu
evaporator. Untuk menjadikan mesin itu sebagai sebuah sistem
perancang menyimpulkan hal-hal apa saja yang menjadi paramter
utama dalam sisem tersebut, sedangkan untuk menjadikan mesin
tersebut tidak cukup hanya mengikuti teori yang ada tetapi
banyak hal yang perlu diperhatikan dan ditambahkan berdasarkan
pengalaman di lapangan dan untuk merancang evaporatornya
perancang mengikuti teori-teori yang sudah ada di dalam buku
perpindahan panas dan termodinamika. Diagram alir ini
merupakan rangkaian dari proses untuk merancang yang dibuat
secara berurutan.
30
3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem
Gambar 3.1 Diagram Alir Perancangan Sistem
START
Perumusan Masalah
Studi Literatur
Desain Sistem Kompresi Uap
Input data-data teknis kompresor ke software coolpack
Analisis Termodinamika Tiap Parameter Utama Tekanan, dan Temperatur di tiap titik, dan Laju Alir
Massa Refrigeran
Karakteristik Evaporator (Panjang Evaporator dan Jumah Lilitan) dan
Karateristik Pipa Kapiler
END
Suhu air dari 25o
C menjadi 18o
C
Debit pompa 700 l/jam
VolumAir +
-
31
3.3 Diagram Alir Perancangan Mesin Water Chiller
Berikut ini akan dijelaskan bagaimana tahapan-tahapan
dalam pembuatan mesin water chiller kapasitas 6 kW, sehingga
alat ini nanti bisa bekerja dan dilakukan pengujian.
Mulai
Menentukan Kapasitas Rancangan
Identifikasi dan Analisis Kebutuhan
Pembatasan Permasalahan
Studi
Literatur
Membuat konsep desain awal
Analisis Desain Awal
Bisa
Digunakan
Membuat Desain Akhir
Inventarisasi Komponen
A
Ya
Tidak
32
Sambungan
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Mesin Water Chiller
Pembuatan Urutan Pengerjaan
Pengadaan Komponen
Pembuatan Alat
Trial Alat
Alat
Bekerja ?
Pengambilan Data
Analisis Kinerja Alat
Selesai
A
Analisis Kegagalan
dan Tindakan Perbaikan
Perlu
penambahan komponen
Ya
Tidak
Kesimpulan
33
3.4 Diagram Alir Perancangan Evaporator
Menghitung Laju Perpindahan Panas Tiap
Region q123
= 𝑚 𝐶𝑝 (𝑇 𝑜 𝑇 𝑖)
Q = A . V
START
Input data-data teknis kompressor
ke software coolpack
Dari software diperoleh grafik
yang menunjukkan : T1, P1; T2, P2; T3, P3; dan T4, P4
Dimensi Evaporator : Dout tube
Temperatur Air = 25o
C Debit Air : Qwater = 700 l/jam
Perencanaan sisi Pemanas (eksternal)
convection untuk : Twater = 25o
C didapatkan
Cp, 𝜇 𝐾 𝑃𝑟 𝑑𝑎𝑛 𝜈
Q T
34
Sambungan
𝑖 𝑁𝑢
𝐷 𝐾
𝐷𝑜 𝑖
𝑁𝑢 𝐷 𝐾
𝐷𝑜 𝑖
𝑁𝑢 𝐷 𝐾
𝐷𝑜
𝑁𝑢 𝐷 𝑅𝑒𝐷
𝑃𝑟 𝑁𝑢 𝐷 𝐶
(𝜌𝑙 𝜌𝑣) 𝑓𝑔𝐷
𝜈𝑣𝐾𝑣(𝑇𝑠 𝑇𝑠𝑎𝑡)
𝑁𝑢
𝐷 𝑅𝑒𝐷 𝑃𝑟
A
Perencanaan Region I (Tm =
6,6o
C) Didapatkan harga
𝜌 𝐶𝑝 𝜇 𝐾 𝑃𝑟
Perencanaan Region II (Tm =
7,2o
C) Didapatkan harga
𝜌 𝐶𝑝 𝜇 𝐾 𝑃𝑟
Perencanaan Region III (Tm =
12,6o
C) Didapatkan harga
𝜌 𝐶𝑝 𝜇 𝐾 𝑃𝑟
𝑅𝑒𝐷 ��𝑐
𝜋 𝐷𝑜 𝜇
𝑅𝑒𝐷 ��𝑐
𝜋 𝐷𝑜 𝜇 𝑅𝑒𝐷
��𝑐
𝜋 𝐷𝑜 𝜇
𝑅𝑒 𝑉 𝐷𝑖𝜈
𝑁𝑢 𝐷
𝑅𝑒 𝑃𝑟
( 𝑃𝑟)
𝑅𝑒𝐷
𝑜 𝑁𝑢
𝐷 𝐾
𝐷𝑜
35
Sambungan
Gambar 3.3 Diagram Alir Perancangan Evaporator
3.5 Mesin Water Chiller
𝑈
𝑜
𝑖
𝐿 𝑞
𝑈 𝜋 𝐷𝑜 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷
𝑈
𝑜
𝑖
𝐿 𝑞
𝑈 𝜋 𝐷𝑜 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷
𝑈
𝑜
𝑖
𝐿 𝑞
𝑈 𝜋 𝐷𝑜 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷
Hasil Perancangan Bare Spiral Tube Evaporator : Panjang tube ,dan Jumlah lilitan
END
36
Gambar 3.4 Mesin Water Chiller yang Dirancang
3.5.1 Prinsip Kerja Mesin Water Chiller
Mesin ini menggunakan sistem kompresi uap dimana
komponen utama yang digunakan adalah komprsor, kondensor,
pipa kapiler dan evaporator. Untuk evaporator tipe yang
dgunakan adalah hellical tube yang ditaruh di dalam tangki.
Fungsi dari evaporatornya adalah untuk mendinginkan air yang
disirkulasikan dari bak di sebelahnya menggunakan pompa
dengan debit 700 l jam. Tangki 1 berisi evaporator dan tangki 2
berisi air yang akan didinginkan dari suhu 25oC – 18
oC.
3.6 Komponen dan peralatan untuk merancang
3.6.1 Kompresor dan kondensor
Kompresor merupakan salah satu komponen utama dari
refrigerasi kompresi uap yang berfungsi untuk menghisap gas
refrigeran bertekanan rendah dan temperatur rendah yang berasal
dari evaporator masuk ke kompresor melalui saluran suction dan
kemudian menekan / memampatkan gas tersebut sehingga
37
menjadi gas bertekanan tinggi dan temperatur tinggi, lalu
dialirkan melaui saluran discharge ke kondensor. Kompresor
yang digunakan adalah kompresor bertipe Reciprocating.
Pada kondenser, uap refrigeran yang berasal dari
kompresor dengan tekanan dan temperatur tinggi akan melepas
kalor ke lingkungan sehingga terjadi proses kondensasi.Kalor
yang dilepas di kondenser merupakan kalor yang diserap di
evaporator dan kalor dari akibat kerja kompresi.Karena kalor dari
uap refrigeran dilepas ke lingkungan sehingga refrigeran berubah
fasa dari uap menjadi cair saat keluar dari kondenser.Kondenser
yang digunakan adalah kondenser bertipe air colled condenser.
Gambar 3.5 Kompresor dan kondensor
Tabel 3.2 Spesifikasi kompresor dan kondensor
Merek outdor General
Merek kompresor Bristol
Nomor model H24B4QABHA
Fase 1
Voltase 265 V~
Frekuensi 50 Hz
Refrigeran R-22
38
3.6.2 Pipa Kapiler
Pipa kapiler merupakan komponen sistem refrigerasi yang
berfungsi untuk menurunkan tekanan merubah fase dari gas
menjadi fase cair untuk mengatur cairan refrigran yang berasal
dari kondensor. Pipa kapiler yang dipakai adalah pipa kapiler
dengan diameter dalam 0,07 inch
Gambar 3.6 Pipa Kapiler
3.6.3 Evaporator
Evaporator merupakan komponen sistem refrigerasi yang
berfungsi untuk menyerap kalor dari udara sekitar atau beban
kalor yang berada disekitarnya dan menggunakan kalor tersebut
untuk mengubah fasa refrigeran dari cair menjadi uap jenuh
dengan tekanan konstan. Di evaporator, terjadi proses
pendinginan (cooling). Tube yang dipakai untuk merancang
evaporator adalah tube dengan diameter nominal ¼ inch type K.
39
Gambar 3.7 Evaporator
3.6.4 Komponen-komponen Pendukung
Komponen-komponen pendukung sistem refrigerasi
kompresi uap diantaranya adalah:
1. Filter dryer
Filter dryer berfungsi untuk menyaring kotoran yang
mungkin terdapat pada sistem dan juga berfungsi untuk
mengeringkan uap air. Filter dryer ditempatkan pada sisi tekanan
tinggi dari sistem, yaitu saluran liquid line. Pada umumnya filter
dryer dipasang secara non-permanen yang dapat diganti apabila
bahan pengeringnya telah dalam keadaan jenuh.
Filter dryer berisi silica gel yang berfungsi sebagai
penyerap uap air dan screen yang terdiri dari kawat-kawat yang
sangat halus yang berfungsi sebagai penyaring kotoran.
Gambar 3.8 Filter Dryer
40
Tabel 3.3 Spesifik filter dryer
2. Sight Glass
Sight glass berfungsi untuk melihat apakah refrigeran yang
melewati sight glass benar-benar cair atau untuk melihat cukup
tidaknya refrigeran yang mengalir dalam sistem. Alat ini dipasang
setelah filter drier pada liquid line. Sight glass juga berfungsi
sebagai alat indicator yang dapat mengetahui keadaan refrigeran
yang mengalir dalam sistem. Jika sight glass berwarna kuning
berarti refrigeran tidak mengandung uap air, sedangkan jika
berwarna hijau berarti refrigeran mengandung uap air.
Gambar 3.9 Sight Glass
Tabel 3.4 Spesifik Sight glass
Merk Danfos
Tipe Hermatic filter dryer
Range -40°C /+70°C
Inlet dan outlet 1/4 '' dan
1/4 ''
Merk Danfos
Inlet dan outlet 1/4 '' dan
1/4''
41
3. Pressure Gauge
Pressure gauge adalah alat bantu mekanik yang berfungsi
sebagai penunjuk tekanan kerja pada sistem, namun tekanan yang
diukur bukan tekanan absolute melainkan adalah tekanan gauge.
Manifold gauge ini terdiri dari 2 jenis, yaitu high pressure gauge
dan low pressure gauge.
Gambar 3.10 Low Pressure Gauge dan High Pressure Gauge
4. High Low Pressure Stat
High Low Pressure Stat berfungsi untuk menjaga tekanan
berlebih dalam sistem (tekanan terlalu tinggi atau terlalu rendah).
Dapat digunakan juga sebagai pengatur jalannya fan kondensor
ataupun kompresor, jenis dari Pressurestat antara lain:
a. High Pressure Stat (HP)
b. Low Pressure Stat (LP)
c. High and Low Pressure Stat (HLP)
Sedangkan komponen pendukung kelistrikan adalah alat
yang prinsip kerjanya menggunakan daya listrik sebagai power
penggeraknya. Alat kontrol ini nantinya hanya akan mengunakan
sistem kelitrikan.
42
Gambar 3.11 High Low Pressure
Tabel 3.5 Spesifik High Low Pressure
5. Heater
Heater berfungsi untuk memanaskan air di dalam drum
atau bak sebagai beban pendigninan buatan.
Gambar 3.12 Heater
Merk Danfos
Settingan range high pressure 8 bar – 30 bar
Settingan range low pressure 0 bar – 7,5 bar
Inlet 1/4''
43
Tabel 3.6 Spesifik heater
6. Hand Valve
Hand Valve berfungsi untuk membuka dan menutup aliran
refrijeran
Gambar 3.13 Hand Valve
Tabel 3.7 Spesifik hand valve
7. Flowmeter
Flowmeter berfungsi untuk mengetahui laju aliran dari
refrigran dibutuhkan untuk data perhitungan dalam percobaan.
Merk water wasser
daya 2000 watt
Made in Germany
Merk Danfos
Inlet dan outlet 1/4 '' dan
1/4''
44
Gambar 3.14 Flowmeter
Tabel 3.8 Spesifik flowmeter
8. Tangki
Tangki berfungsi untuk menyimpan air dan tempat
evaporator. Drum 1 berisi air panas yang berasal dari heater
sebagai beban buatan yang akan disirkulasikan ke drum 2 yang
berisi evaporator untuk mendinginkan beban air panas yang
berasal dari drum 1
Gambar 3.15 Tangki
Merk Rota
Range 0 – 0,07 L/s
45
Tabel 3.9 Spesifik tangki (bak)
9. Pompa
Pompa pada sistem Water Chiller berfungsi untuk
mensirkulasikan air di dalam drum (bak) agar beban pendinginan
yang terjadi tetap konstan.
Gambar 3.16 Pompa
Tabel 3.10 Spesifik pompa
Volume tangki (bak) 200 liter
Tinggi 90 cm
Merk DAB vista
Nomer model AQUA-125C
Maksimal kapasitas 42 Liter/menit
Suction head 9 meter
Discharge head 24 meter
Total head 33 meter
Daya 125 watt
voltase 220 V~
46
10. Thermostat Digital
Thermostat digunakan untuk mengukur suhu air di dalam
tangki sekaligus sebagai indikator untuk mematikan kompressor
secara otomatis.
Gambar 3.17 Thermostat Digital
Tabel 3.11 Spesifik Termostat Digital
Front panel size 75 x 34,5 mm
Mounting size 71,29 mm
Sensor Length 1 m (include the probe)
Temperature measurung range -50 – 99oC
Resolution 0,1oC
Accuracy 1oC (-50 – 70oC)
Ambient temperature 0 – 60oC
Storage temperature -30 – 75oC
Frekuensi 50 Hz
fase 1
RPM 2850
47
Sensor error delay 1 minute
Power suply 220VAC 10%, 50/60
Hz
11. Termometer Air Raksa
Termometer air raksa juga digunakan untuk mengukur
suhu air
Gambar 3.18 Termometer Air Raksa
12. Inverter
Inverter disini digunakan untuk merubah daya pompa
agar dihasilkan debit air pada 700 l /jam
Gambar 3.19 Inverter
48
Tabel 3.12 Spesifikasi Inverter
Part Number ACS 150-01E-04A7-2
Input curent 11,4 A
Input Voltage 200/240V single phase +-10%
at 50/60Hz
13. Flowmeter
Digunakan untuk mengukur debit air agar sesuai dengan
parameter rancangan.
Gambar 3.20 Flowmeter Air
Tabel 3.13 Spesifikasi Flowmeter Air
Type Panel Mount
Merk TKS M-20
Minimum Reading 2 GPM atau 8 LPM
Maximum Reading 10 GPM atau 40 LPM
Lubang Koneksi / ”
49
14 Data akuisi
Digunakan untuk mendapatkan nilai-nilai temperatur di
tiap-tiap titik pengukuran
Gambar3.21 Data Akuisisi
14. Pipa PVC
Pipa ini digunakan usebagai sambungan pompa untuk
mentransportasikan air. Pipa yang digunakan berdiameter 1 inch,
type AW dengan ketebalan pipa 2,1 mm
Gambar 3.22 Pipa PVC
50
16. Clamp-on Ammeter Digital
Clamp-on Ammeter merupakan alat ukur yang berfungsi
untuk mengukur tegangan dan arus listrik yang mengalir pada
sistem.
Gambar 3.23 Clamp-on Ammeter Digital
3.7 Jadwal dan Rencana Kegiatan
Tabel 3.14 Tabel Jadwal dan Rencana Kegiatan
Minggu
Kegiatan
Agustus
2017
Kegiatan
Septembe
r 2017
Kegiata
n
Oktobe
r 2017
Kegiata
n
Novem
ber
2017
Kegiatan
Desembe
r 2017
Mggu 1 Studi
Literatur
dan
Analisis
data
Rancanga
n
Belanja
kompone
n dan
peralatan
yang
diperluka
n
Rancang
Bangun
Alat
Pengujia
n Mesin
Pengambi
lan Data Mggu 2
Mggu 3 Membuat
Laporan Mggu 4
51
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Teknis
Dari data teknis kompressor di bawah ini :
Tabel 4.1 Data teknis kompresssor
Diperoleh data-data seperti evaporating temperature,
condensing temperature, ambient temperature, liquid temperature
dan return gas temeperature, dari data-data tersebut penulis mulai
merancang mesin water chiller dengan terlebih dahulu meng-
input data-data tersebut ke software coolpack untuk mempeoleh
data-data lain yang diperlukan. Data-data tersebut merupakam
data-data asumsi yang digunakan untuk merancang.
52
a
Gambar 4.1 Diagram p-h dari data teknis kompresor
4.2 Data-data Rancangan
Berikut adalah data – data asumsi yang digunakan untuk
merancang mesin water chiller yang diperoleh dari diagram p-h
data teknis kompresor :.
Tekanan keluar evaporator (P1) = 6,2 bar
Tekanan masuk kondensor (P2) = 22 bar
Tekanan keluar kondensor (P3) = 22 bar
Tekanan masuk evaporator (P4) = 6,2 bar
Temperatur keluar evaporator (T1) = 15 0C
Temperatur masuk kondensor (T2) = 85 0C
Temperatur keluar kondensor (T3) = 46 0C
Temperatur masuk evaporator ( T4) = 6 0C
Tegangan = 220 V
Cos phi = 0,98
4.3 Konversi Tekanan
Konversi satuan tekanan dilakukan untuk memudahkan
dalam pencarian properti refrijeran.
53
Tekanan keluar evaporator (P1)
P1 = 6,2 bar = 89.92 psi
Tekanan masuk kondensor (P2)
P2 = 22 bar = 319,083 psi
Tekanan keluar kondensor (P3)
P3 = 22 bar = 319,083 psi
Tekanan masuk evaporator (P4)
P4 = 6,2 bar = 89,92 psi
4.4 Mencari properti Refrigerant
Untuk menghitung semua yang telah disebutkan
sebelumnya, membutuhkan properti refijeran di berbagai titik :
Titik 1 (keluar evaporator / masuk kompresor )
T1 = 15 oC
P1 = 6,2 bar
Dengan nilai T1 = 15 oC dan nilai P1 = 6,2 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h1 = 418 kJ/kg
s1 = 1,77 kJ/kg.K
Titik 2 (keluar kompresor / masuk kondensor)
T2 = 85 oC
P2 = 22 bar
Dengan nilai T2 = 85 oC dan nilai P2 = 22 bar maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h2 = 448 kJ/kg
s2 = 1,77 kJ/kg.K
Titik 3 (keluar kondensor / masuk pipa kapiler)
T3 = 46 oC
P3 = 22 bar
Dengan nilai T3 = 46 oC dan nilai P3 = 22 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h3 = 258 kJ/kg
s3 = 1,18 kJ/kgK
Titik 4 (keluar pipa kapiler / masuk evaporator )
T4 = 6 oC
54
P4 = 6,2 bar
Dengan nilai T4 = 6 oC dan nilai P4 = 6,2 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h3 = h4 = 258 kJ/kg
s4 = 1,21 kJ/kg.K
4.5 Analissis Rancangan dengan Termodinamika
4.5.1 Laju aliran massa refrigeran ( )
Pada sistem, pemgkondisian udara yang tela h dimodifikasi
ini diasumsikan steady flow sehingga laju aliran massa refrigeran
selalu konstan. Untuk mendapatkan laju aliran massa refrigeran
( ) dapat menggunakan rumus:
4.5.2 Evaporator ( )
Besarnya panas yang diserap refrigeran pada evaporator
dapat diketahui dengan mengalikan laju aliran massa refrigeran
dengan selisih entalpi pada evaporator. Besarnya panas yang
diserap oleh evaporator ini disebut juga sebagai kapasitas
pendinginan yaitu
55
4.5.3 Daya input Kipas ( )
Besarnya daya input kipas ( ) adalah 90 Watt = 0,09
kW
5.5.4 Kerja Kompresor ( )
Kerja kompresor dihitung berdasarkan perkalian besarnya
tegangan dan arus listrik yang mengalir pada saat kompresor
k k φ
besarnya kerja kompressor adalah :
= Motor input – daya input kipas ( )
= 2,190 kW – 0,09 kW
= 2,1 kW
4.5.5 Kondenser ( )
Laju perpindahan kalor dari refrigeran per satuan massa
dari aliran refrigeran adalah :
( ) ( )
4.5.6 Kerja Pompa ( )
Besarnya kerja /daya yang dibuthkan oleh pompa untuk
mensirkulasikan air dengan debit 700l/h adalaha :
= 220 V x 0,16 A x 0,98
= 34,732 Watt = 0,0347 kW
4.5.7 Efisiensi Kompresi Kompresor ( )
Dengan mengasumsikan effisien kompresor sebesar 80%
maka
56
=
0,80 (448– 418 ) = – 418
24 = – 418
=
4.5.8 Heat Rejection Ratio (HRR)
Heat Rejection Ratio adalah perbandingan antara panas
yang dibuang oleh sistem dengan panas yang diserap oleh sistem.
Dalam hal ini, panas dibuang oleh kondensor dan diserap oleh
evaporator.Nilai dari Heat Rejection Ratio diperoleh dengan
membandingkan nilai Q kondensor dengan nilai Q evaporator.
1,18
4.5.9 Coeffecient of Performance (COP)
Nilai COP yang dihitung pada penelitian ini adalah nilai
COP ideal yang diperoleh dengan membagi antara panas yang
diserap oleh refrigeran pada evaporator ( ) dengan hasil
penjumlahan kerja nyata kompresor pada sistem refrigerasi ( )
dan kerja pompa ( ) .
57
(
)
4.6 Perancangan Evaporator
Kondisi evaporator yang dirancang adalah sebagai berikut :
Gambar 4.2 Rancangan Evaporator
Gambar di atas menunjukkan bahwa evaporator yang
dirancang akan dikondisikan tercelup dalam sebuah tangki
dengan volume 200 l. Fluida kerja akan mengalami perubahan
fasa sepanjang evaporator, sehingga analisa untuk mendapatkan
dimensi dari evaporator dibagi menjadi 3 region. Region I adalah
zona cair jenuh dimana refrijeran akan mengalami pemanasan
sensibel dari kondisi awal yaitu 6oC hingga mencapai temperatur
7,2oC pada tekanan kerja 6,2 bar.
58
Region II adalah zona evaporasi dimana refrigeran akan
mengalami pemanasan laten sehingga akan berubah dari kondisi
cair jenuh menjadi uap jenuh. Region III adalah zona superpanas
dimana refrigeran mengalami pemanasan lanjut hingga
temperatur 18oC. Dimana tiap zona tidak terdapat penurunan
tekanan dan bekerja pada tekanan 6,2 bar. Dengan membagi tiga
zona, maka untuk mengetahui tingkat kondisi dapat dilakukan
analisa termodinamika yakni analisa kesetimbangan energi.
4.6.1 Analisa Termodinamika Pada Evaporator Dengan
Temperatur Air 25oC
Analisa heat balance digunakana untuk menentukan
temperatur keluar fluida air pada tiap zona dengan menggunakan
hukum termodinamika I. Berikut kondisi temperatur masuk
maupun keluar pada tiap zona dengan temperatur air 25oC.
Gambar 4.3 Grafik Analisa Heat Balance Air dan Refrigeran
REGION I
REGION II REGION III
7,2oC
6oC
25oC Sisi Air
Sisi Refrigeran
18oC
15oC
59
*Garis merah = temeperatur air
*Garis biru = temperatur refrigeran
Dari gambar distribusi temperatur diatas terlihat ada
kenaikan temperatur pada sisi refrijeran dan penurunan suhu pada
sisi air. Adapun besar laju perpindahan panas pada fluida kerja
(refrijeran) tiap zona dapat dihitung sebagai berikut :
Pada zona saturated
= 0,036 kg/s . 1,185 kJ/kgK . (7,2oC – 6
oC)
= 51,192 W
Pada zona evaporasi
= 0,036 kg.s . 150000 J/kg
= 5400 W
Pada zona super panas
= 0,036 kg/s . 0,79859 kJ/kgK . (18oC – 7,2
oC)
= 310,491 W
Hasil perhitungan tiap zona di atas di tampilkan dalam bentuk
tabel di bawah ini
Tabel 4.2 Suhu air dan refrijeran pada tiap zona
Refrigeran 22
Saturated
water Evaporasi Superheat
Tin [oC] 6 7,2 7,2
Tout [oC] 7,2 7,2 18
60
Q [Watt] 51,192 5400 310,491
Air Pemanas
Saturated
Water Evaporasi Superheat
Tin [oC] 25 - -
Tout [oC] - - 18
Dari tabel untuk air pada temperatur 25oC digunakan properties
dari software refprop sebagai berikut :
Massa jenis, = 997,00 kg/m3
Viskositas, = 0,00089004 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,60715 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 4,1816 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 6,1299
4.6.2 Karakteristik Permukaan Sisi Refigeran R22 (Cold
Side)
Material tube yang digunakan untuk perancangan
evaporator ini adalah tembaga (copper) dengan ukuran nominal ¼
inch type K.
Diameter luar, do = 3/8 inch = 0,0095 m
Diameter dalam, di = 0,305 inch = 0,007 m
4.6.3 Perbandingan TLMTD pada Evaporator
Dalam menghitung beda temperatur rata-rata logaritmik
terlebih dahulu menentukan tipe aliran. Tipe aliran pada bare tube
spiral evaporator yang dirancang adalah tipe paralel flow. Untuk
mendefinisikan besarnya TLMTD untuk setiap region maka
diperlukan perhitungan untuk angka melalui persamaan balans
energi untuk masing-masing region. Dari gambar diatas maka
61
harga TLMTD untuk masing-masing region dapat diketahui
pada tabel perhitungan di bawah ini :
Tabel 4.3 TLMTD Air dan Refrijeran
Region I
(Saturated)
Region II
(Evaporasi)
Region III
(Superheat)
Tci [oC] 6 7,2 7,2
Thi [oC] 25 25 25
Tco [oC] 7,2 7,2 18
Tho [oC] 25 25 25
Δ – Tci) 19 17,8 17,8
Δ –
Tco) 17,8 17,8 7
TLMTD 18,4 17,8 11,57
4.6.4 Analisis Perpindahan Panas
Untuk rancangan evaporator ada 2 tipe evaporator ada yang
akan dimodelkan yaitu tipe pipa lurus dan hellical tube, dari
kedua model ini akan dipilih salah satu tipe untuk dijadikan
evaporator rancangan, sebelum menentukan tipe yang akan
dipilih terlebih dahulu dilakukuan analisis terhadap masing-
masing tipe.
4.6.4.1 Tipe Pipa Lurus
a. Analisis Perpindahan Panas Sisi Eksternal (Hot Side)
Properti Fluida
Dari data temperatur dan tekana kondisi masuk dan keluar
evaporator pada fluida pendingin telah ditetapkan. Dengan
menggunakan software Refrop pada kondisi temperatur yakni
didapatkan propeties sebagai berikut :
62
Massa jenis, = 998,46 kg/m3
Viskositas, = 0,0010396 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,59572 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 4,1855 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 7,3038
Viskositas Kinematik, ν = 1,0412 x 10-6
m2/s
α = 1,4255 x 10-7
m2/s
Menghitung Koefisien konfeksi Sisi Eksternal dengan debit
pompa (Q) pompa 700 liter/jam = 11,67 liter / menit = 0,194 kg/s
yang disirkulasikan dengan menggunakan pompa di dalam tangki
berdiameter D = 0,57 m dan tinggi 0,9 m . Dan dengan
mengasumsikan perpindahan panas terjadi melalui tube tembaga
berdindinding tipis maka terlebih dahulu mencari kecepatan aliran
air yang mengalir di dalam tangki dengan cara sebagai berikut :
Volume Tangki Kosong = 200 l = 0,2 m3
Volume Koil ( )
Volume Tangki Tanpa Koil
= Volume Tangki Kosong – Volume Koil
Volume Tangki Tanpa Koil = A x H ( )
63
Dari persamaan Laju alir massa air ( ) maka
laju aliran air (V)
( )
Diameter hydraulic ( )
( ) (
)
Bilangan Reynolds
=
= 476,376
Bilangan Nusselt
( )
=
[ ( ) ] [ (
)
]
= 25,883
Koefisien Konveksi
=
= 27,387 W/m
2K
64
b. Analisis Perpindahan Panas Sisi dalam Tube (Cold
Side)
Perencanaan Region I (Zona Saturated)
Properti Fluida
Dengan menggunakan software refrop didapatkan
properties fluida kerja pada kondisi
, P =
6,2 bar sebagai berikut :
Massa jenis, = 1258,7 kg/s
Viskositas, = 0,00020100 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,091776 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 1,1885 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 2,6030
Bilangan Reynolds
=
= 32577,557
Bilangan Nusselt
= 137,484
Koefisien Konveksi
65
=
= 1802,533 W/m2K
Koefisien Perpindahan Panas Total
= 26,977 W/m2K
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas total zona
saturaed
=
= 15,186 m
Perencanaan Region II (Zona Evaporasi)
Properti Fluida
Dengan menggunakan software refrop didapatkan
properties fluida kerja pada kondisi , P = 6,2 bar
sebagai berikut :
Massa jenis, = 1256,6 kg/m3 dan = 26,504 kg/m
3
Viskositas = 0,00019970 Ns/m2 dan = 0,000011674
Ns/m2
66
Konduktivitas thermal, = 0,091506 W/mK dan =
0,0099080 W/mK
Prandtl number, = 2,5978 dan = 0,90899
= 199,09 kJ/kg
Viskositas kinematik, = 1,5892 x 10-7
m2/s dan = 4,406 x
10-7
m2/s
= 210076,017 kJ/kg
Bilangan Reynolds
=
= 32789,629
Bilangan Nusselt
( )
(
( ) ( )
( )
= 201,650
Koefisien Konveksi
=
= 2636,026 W/m2K
67
Koefisien Perpindahan Panas Total
= 27,105 W/m2K
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas total zona
saturated :
=
= 508,95 m
Perencanaan Region III (Zona Superheat)
Properti Fluida
Dengan menggunakan software refrop didapatkan properties
fluida kerja pada kondisi
, P = 6,2 bar
sebagai berikut :
Massa jenis, = 31,114 kg/m3
Viskositas, = 0,000011915 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,010309 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 0,79859 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 0,92304
68
Bilangan Reynolds
=
= 341936,767
Bilangan Nusselt
= 595,624
Koefisien Konveksi
=
= 877,183 W/m2K
Koefisien Perpindahan Panas Total
= 26,557 W/m2K
69
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas total zona
superheat
=
= 47,20 m
Dari perhitungan panjang untuk tiap region dengan beban
pendinginan T = 25oC dan debit pompa (Q) pompa =11,67 l/menit
diperoleh panjang total evaporator adalah Ltotal = 15,186 m +
508,95 m+ 47,20 m = 571,33 m. = 572 m
Dengan menambahkan safety factor sebesar 15% dari
panjang total maka panjang tube yang dibutuhkan untuk
evaporator adalah 657,8 m dibulatkan menjadi 658 m.
4.6.4.2 Tipe Hellical
a. Analisis Perpindahan Panas Sisi Eksternal (Hot Side)
Properti Fluida
Dari data temperatur dan tekana kondisi masuk dan keluar
evaporator pada fluida pendingin telah ditetapkan. Dengan
menggunakan software Refrop pada kondisi temperatur yakni
didapatkan propeties sebagai berikut :
Massa jenis, = 998,46 kg/m3
Viskositas, = 0,0010396 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,59572 W/mK
70
Kalor spesifik, Cp = 4,1855 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 7,3038
Viskositas K k ν = 1,0412 x 10-6
m2/s
α = 1,4255 x 10-7
m2/s
Menghitung Koefisien konfeksi Sisi Eksternal dengan debit
pompa (Q) pompa 700 liter/jam = 11,67 liter / menit = 0,194 kg/s
yang disirkulasikan dengan menggunakan pompa di dalam tangki
berdiameter D = 0,57 m dan tinggi 0,9 m . Dan dengan
mengasumsikan perpindahan panas terjadi melalui tube tembaga
berdindinding tipis maka terlebih dahulu mencari laju alir massa
air yang mengalir di dalam tangki dengan cara sebagai berikut :
Q = A x V
/ π x 2 x V
1,94 x 10-4
m3/s = 0,228 m
2 x V
V = 8,508 x 10-4
m/s
Laju alir massa air ( )
Bilangan Reynolds
=
= 441,252
Bilangan Nusselt
( )
71
=
[ ( ) ] [ (
)
]
= 24,915
Koefisien Konveksi
=
= 2120,337 W/m
2K
b. Analisis Perpindahan Panas Sisi dalam Tube (Cold Side)
Perencanaan Region I (Zona Saturated)
Properti Fluida
Dengan menggunakan software refrop didapatkan
properties fluida kerja pada kondisi
, P =
6,2 bar sebagai berikut :
Massa jenis, = 1258,7 kg/s
Viskositas, = 0,00020100 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,091776 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 1,1885 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 2,6030
Bilangan Reynold
=
= 32577,557
72
Bilangan Nusselt
= 137,484
Koefisien Konveksi
=
= 1802,533 W/m2K
Koefisien Perpindahan Panas Total
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas total zona
saturaed
=
73
Perencanaan Region II (Zona Evaporasi)
Properti Fluida
Dengan menggunakan software refrop didapatkan
properties fluida kerja pada kondisi , P = 6,2 bar
sebagai berikut :
Massa jenis, = 1256,6 kg/m3 dan = 26,504 kg/m
3
Viskositas, = 0,00019970 Ns/m2 dan = 0,000011674
Ns/m2
Konduktivitas thermal, = 0,091506 W/mK dan =
0,0099080 W/mK
Prandtl number, = 2,5978 dan = 0,90899
= 199,09 kJ/kg
Viskositas kinematik, = 1,5892 x 10-7
m2/s dan = 4,406 x
10-7
m2/s
= 210076,017 kJ/kg
Bilangan Reynolds
=
= 32789,629
Bilangan Nusselt
( )
(
( ) ( )
( )
= 201,650
74
Koefisien Konveksi
=
= 2636,026 W/m2K
Koefisien Perpindahan Panas Total
= 1175,112 W/m2K
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas total zona
saturated :
=
= 11,739 m = 12m
Perencanaan Region III (Zona Superheat)
Properti Fluida
75
Dengan menggunakan software refrop didapatkan properties
fluida kerja pada kondisi
, P = 6,2 bar
sebagai berikut :
Massa jenis, = 31,114 kg/m3
Viskositas, = 0,000011915 Ns/m2
Konduktivitas thermal, k = 0,010309 W/mK
Kalor spesifik, Cp = 0,79859 kJ/kg K
Prandtl number, Pr = 0,92304
Bilangan Reynolds
=
= 341936,767
Bilangan Nusselt
= 595,624
Koefisien Konveksi
=
= 877,183 W/m2K
76
Koefisien Perpindahan Panas Total
= 620,487 W/m2K
Perhitungan dimensi panjang tube perpindahan panas
total zona superheat
=
= 2,02 m = 3m
Dari perhitungan panjang untuk tiap region dengan beban
pendinginan T = 25oC dan debit pompa (Q) pompa =11,67 l/menit
diperoleh panjang total evaporator adalah Ltotal = 0,15 m + 12
m+ 3 m = 15,15 m. = 16 m
4.6.4.3 Kesimpulan Pemilihan
Dari hasil analisis perpindahan panas untuk tiap-tiap tipe,
maka penulis memilih tipe hellical untuk dijadikan evaporator
melihat panjang tube untuk tipe hellical jauh lebih pendek
daripada tipe lurus. Hal ini disebabkan nilai Koefisien
Perpindahan Panas Total ( ) pada tipe pipa lurus jauh lebih
kecil nilainya daripada tipe hellical. Karena panjang tube tipe
hellical jauh lebih pendek daripada tipe pipa lurus otomatis biaya
perancangan menjadi lebih murah
77
Dengan menambahkan safety factor sebesar 15% dari
panjang total maka panjang tube yang dibutuhkan untuk
evaporator adalah 18,4 m dibulatkan menjadi 19 m.
Dengan panjang tube 19 m maka jumlah lilitan yang dibuat
adalah :
4.7 Perancangan Kapiler
Material yang digunakan untuk membuat perancangan
kapiler adalah tembaga (copper) Part No. TC-70 dengan inside
diamter 0,07inch = 0,001778 m
Data-data yang diperoleh dari pada titik 3 dan titik 4 yaitu :
Tekanan keluar kondensor (P3) = 22 bar
Tekanan masuk evaporator (P4) = 6,2 bar
Temperatur keluar kondensor (T3) = 46 0C
Temperatur masuk evaporator ( T4) = 6 0C
Kondisi di titik 3 dengan T3 = 46oC dan P3 = 22 bar diperoleh
dari software refrop :
= 0,00093245 m3/kg
= 0,011045 m3/kg
= 266,05 kJ/kg
= 417,56 kJ/kg
= 0,00011992 Pa.s
= 0,000014219 Pa.s
= 0,037 kg/s
78
Kondisi di titik 4 dengan T4 = 6oC dan P4 = 6,2 bar diperoleh dari
software refrop :
= 0,00079313 m3/kg
= 0,039125 m3/kg
= 207,09 kJ/kg
= 407,20 kJ/kg
= 0,00020232 Pa.s
= 0,000011621 Pa.s
= 0,037 kg/s
Diameter dalam pipa kapiler adalah 1,7788 x 10-3
m, dengan
begitu luas penampang pipa kapiler adalah :
( )
Untuk mencari panjang lilitan pipa kapiler dengan menggunakan
persamaan :
( ) [ ( ) ]
79
Dengan :
√
Dimana :
( )
( )
=163395,441
( ) ( )
(
) + 0,00079313 m
3/kg (0,039125
m3/kg - 0,00079313 m
3/kg)(
)
= 206871,675
( )
(
)
( )
Maka diperoleh nilai x :
√
80
( )
( )
( )
( )
( )
( )
=20,821m/s
Bilangan Reynolds
= 221098,388
81
Faktor Gesekan
Dengan menggunakan persamaan di bawah ini :
( )
( )
[( )
(
)
]
( )
82
Dibulatkan menjadi 2 meter.
4.8 Hasil Pengujian
Setelah mesin water chiller dibangun, peneliti mencoba
mengambil data untuk menegetahui performa dari mesin tersebut.
Dimana pengambilan data dilakukan setiap 5 menit. Pengambilan
data dilakukan selama setengah jam karena data untuk air sudah
tidak mengalami perubahan mulai dari menit ke 15 sampai menit-
menit selanjutnya.Data diambil pada saat mesin bekerja normal
pada tekanan kerja AC Split pada umumnya yaitu pada tekanan
masuk kompressor (P1) =70 psi dan arus listrik 8,3 A. Terlihat
adanya perbedaan dari data-data rancangan sebelumnya. Dimana
pada keadaan aktual penurunan tekanan yang terjadi pada
kondensor (titik 2 - 3 ) dan evaporator (titik4 -1) masing-masing
adalah 10 psi dan 12 psi . Temperatur sistem aktual di setiap titik
berubah dari temperatur rancangan begitu juga dengan laju alir
massa refrigeran ( ) dan volume air yang didinginkan
adalah 170liter.
4.9 Analisis Data Aktual
Dari data-data aktualdi-input ke dalam software coolpack
untuk mengetahui diagram p-h nya.
83
Gambar 4.4 Diagram p-h data aktual rancangan
Dari data-data average rancangan aktual diatas diperloeh
properti refijeran di berbagai titik :
Titik 1 (keluar evaporator / masuk kompresor )
T1 = 23,3 oC
P1 = 4,826 bar
Dengan nilai T1 = 23,3 oC dan nilai P1 = 4,826 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h1 = 422,05 kJ/kg
s1 = 1,813 kJ/kg.K
Titik 2 (keluar kompresor / masuk kondensor)
T2 = 108,64 oC
P2 = 18,56 bar
Dengan nilai T2 = 108,64 oC dan nilai P2 = 18,56 bar
maka didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h2 = 472,92 kJ/kg
s2 = 1,847 kJ/kg.K
84
Titik 3 (keluar kondensor / masuk pipa kapiler)
T3 = 29,28 oC
P3 = 17,909 bar
Dengan nilai T3 = 29,28 oC dan nilai P3 = 17,909 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h3 = 235,66 kJ/kg
s3 = 1,1203 kJ/kgK
Titik 4 (keluar pipa kapiler / masuk evaporator )
T4 = 4,78 oC
P4 = 5,613 bar
Dengan nilai T4 = 4,78 oC dan nilai P4 = 5,613 bar, maka
didapatkan dari diagram p-h nilai sebagai berikut:
h4 = 235,99 kJ/kg
s4 = 1,231 kJ/kg.K
4.9.1 Evaporator ( )
( )
( )
4.9.2 Daya input kompresor ( )
( )
( )
4.9.3 Daya input Kipas ( )
Besarnya daya input kipas ( ) adalah : 90 Watt = 0,09
kW
4.9.4 Perhitungan Kondenser ( )
Laju perpindahan kalor dari refrigeran per satuan massa
dari aliran refrigeran adalah :
85
( )
( )
4.9.5 Heat Rejection Ratio (HRR)
1,27
4.9.6 Coeffecient of Performance (COP)
Nilai COP yang dihitung pada penelitian ini adalah nilai
COP aktual yang diperoleh dengan membagi antara panas yang
diserap oleh refrigeran pada evaporator ( ) dengan hasil
penjumlahan kerja nyata kompresor pada sistem refrigerasi ( )
ditambah kerja kipas ( )dan kerja pompa ( ) .
(
)
86
4.10 Analisis Termodinamika Rancangan Vs Hasil
Pengujian
Berikut ditabelkan analisis termodinamika rancangan vs
hasil pengujian
Tabel 4.4 Analisis termodinamika rancangan vs hasil pengujian :
No Rancangan Aktual
1 = 0,036 kg/s = 0,025 kg/s
2 = 5,8 kW = 4,65 kW
3 = 2,1 kW = 1,27 kW
4 = 6,84 kW = 5,93 kW
5 HRR = 1,18 HRR = 1,27
6 COP = 2,6 COP = 3,33
87
BAB V
PENUTUP
2.1 Kesimpulan
Pembahasan rancang bangun mesin water chiller kapsitas
6 kW telah menghasilkan data-data aktual hasil pengujian.
Berdasarkan data-data aktual tersebut dapat diperoleh kesimpulan
sebagai berikut:
1. Dengan evaporator sepanjang 20 m terjadi penurunan
tekanan sebesar 12 psi dari titik 4 menuju titik 1 dan
penurunan tekanan sebesar 178 psi dari titik 3 ke titik 4
dengan menggunakan pipa kapiler diameter dalam 0,07
inch dan panjang 2 m.
2. Dari hasil analisis termodinamika terlihat bahwa
perpindahan kalor ke refrijeran melalui evaporator hanya
mencapai 4,65 kW untuk mendinginkan air dari temperatur
25oC menjadi 18
oC dengan volume 170 l dan debit pompa
700 l/jam
3. Nilai rancangan sangat signifikan berbeda dengan
hal ini dikarenakan pengujian dilakukan pada tekanan
kerja AC Split normal. Kompresor tidak dapat bekerja
secara maksimal mengingat kompressor yang digunakan
bukanlah kompressor baru.
88
4. Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan
bahwa semakin besar yang ingin dicapai maka semakin
sedikit volume air yang mampu untuk didinginkan dengan
debit pompa yang sama.
5. Data Spesifikasi Evaporator
Dengan besar laju perpindahan panas Evaporator yang
didesain yakni 5,8 kW, maka ditentukan dimensi dan
kondisi Heat Exchanger tipe Hellical Tube sebagai berikut
:
Kondisi Operasional
Jenis Fluida Refrigeran -22
Mass Flowrate 0,036 kg/s
Temperatur Kerja 6oC – 18
oC
Temperatur Air 25oC
Konstruksi Tube
Bahan Tembaga
Do x t 0,0095 m x 0,0025 m
Jarak Pitch 0,04 m
Jumlah lekukan (N) 13
Panjang tube 20 m
Tinggi tube 0,62 m
Detail Konstruksi
Panjang total 20 m
89
Panjang subcool 0,15 m
Panjang evaporasi 12 m
Panjang superheat 3 m
Diameter evaporator 0,57 m
5.2 Saran
Berdasarkan hasil rancangan yang dilakukan terdapat
beberapa hal yang perlu diperbaiki untuk mendapatkan hasil
penelitian yang lebih baik pada penelitian selanjutnya. Beberapa
saran yang dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan antara
lain:
1. Perlu diperhatikan data-data asumsi yang dipakai
untuk merancang harus seakurat mungkin untuk
menghindari terjadinya kesalahan dalam merancang
2. Komponen-komponen dan peralatan yang digunakan
untuk merancang sebaiknya menggunakan bahan-
bahan berkualitas bagus
3. Alat ukur yang dipakai sebaiknya dikalibrasi terlebih
dahulu agar mendapatkan hasil pengujian yang akurat
4. Sebaiknya perlu menambahkan komponen-komponen
safety dalam rancangan agar tidak terjadi hal-hal
yang diinginkan, seperti kebocoran atau bahkan
sampai kerusakan pada sistem
90
5. Saat merancang perlu melengkapi diri dengan APD
dan disarankan untuk tidak bekerja di malam hari.
91
DAFTAR PUSAKA
Incropera, F.P & Dewitt, D.P, (1990), Fundamental of Heat
and Mass Transfer, John Willey and sons, New York
Kays, W.M., & London, A.L., 1984., Compact Heat
Exchanger, 3rd ed, Mcgraw-Hill, New York
Kuppan Thulukkman (2013), Heat Exchanger Design
Handbook, 2rd edition, CRC Press, Taylor & Francis Group
Willbert F.Stoecker., Jerold W. Jones & Supratman Hara,
Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi kedua, Penerbit
Erlangga, Jakarta
Michael J, & Howard N. Saphiro, Termodinamika Teknik, edisi
keepat, Penerbit Erlangga, Jakarta
Donald Pitts & Leighton Sissom, Perpindahan Kalor, edisi
kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta
Khairil Anwar, Effendy Arif & Wahyu H. Piarah., 2010 Efek
Temperatur Pipa Kapiler Terhadap Kinerja Mesin
Pendingin, Teknik Mesin Universitas Hassanudin Makssar,
Sulawesi Selatan
92
Ashkan Alimoradi, & Farzad Veysi .,2017 Optimal and Critical
Values of shell and helically coiled tube heat exchangers.,
Journal of Case Studies in Thermal Engineering 10 (2017)
93
Lampiran 1. Data Hasil Pengujian
n
Pressure (psi)
Ti
n
(o
C)
Tout (oC)
Temperatur
sistem (oC)
I
(A
mp
)
P
1 P2 P3 P4 25
At
as
Ten
gah
Ba
wa
h
T
1 T2 T3
T
4
0 6
8 265 258 78 25 21 20 18
2
2,
3
103
,2
28
,5
3,
8 8,3
0,
02
5
1 7
0 270 260 82 23 20 19 17
2
2,
9
105
,8
28
,3
4,
1 8,3
0,
02
5
2 7
2 270 260 82 22 19 17 15
2
3,
3
109
,9
30
,4
5,
3 8,3
0,
02
5
3 7
0 270 260 82 20 18 15 13
2
3,
8
110
,8
29
,1
5,
5 8,3
0,
02
5
4 7
0 270 260 82 20 18 15 13
2
3,
5
110
,3
29
,4
4,
7 8,3
0,
02
5
5 7
0 270 260 82 20 18 15 13
2
3,
9
110
,7
29
,8
5,
2 8,3
0,
02
5
6 7
0 270 260 82 20 18 15 13
2
3,
4
109
,8
29
,5
4,
9 8,3
0,
02
5
A
v
g
7
0
269
,28
259
,71
81
,4
2
21
,2
8
18
,8
5
16,
57 102
2
3,
3
108
,64
29
,2
8
4,
7
8
8,3
0,
02
5
94
Lampiran 2. Tabel Sifat Refrigeran Jenuh 22 (Uap-Cair):
Tabel Temperatur
95
Lampiran 3. Tabel Sifat Refrigeran Jenuh 22 (Uap-Cair) :
Tabel Tekanan
96
Lampiran 4. Tabel Sifat Uap-Panas Lanjut Refrigeran 22
97
Lanjutan
98
Lanjutan
99
Lanjutan
100
BIODATA PENULIS
Penulis lahir di Medan, 19 Oktober
1991, merupakan anak ketiga dari
enam bersaudara. Riwayat
pendidikan formal yakni telah
menempuh pendidikan di TK
Gajah Mada Medan, SD St
Antonius VI Medan, SMP St Maria
Medan, SMA N 5 Medan dan lulus
pada tahun 2009. Penulis
mengikuti SPMB dan diterima di
jurusan D3 Teknik Mesin
Politeknik Negeri Medan dan mengambil bidang Perawatan
dan Perbakan. Pada tahun ketiga penulis melaksanakan kerja
praktek di PT GAPURA ANGKASA Medan selama 1
bulan. Setelah lulus D3 penulis bekerja di PT AKR
Corporindo, Tbk selama 2 tahun. Setelah itu penulis resign
dan melanjutkan kuliah Lintas Jalur di Teknik Mesin FTI-
ITS. Di jurusan Teknik Mesin ini, Penulis mengambil
Bidang Studi Konversi Energi, Laboratorium Sistem
Pendingin.
Recommended