BAB IV HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN
4.2 Perhitungan Siklus Kompresi Uap
4.2.1 P-h Diagram
Diagram P-h digunakan untuk mengetahui unjuk kerja mesin siklus kompresi uap pada mesin penghasil air aki. Untuk mengetahui nilai – nilai pada siklus kompresi uap, maka harus membuat skema siklus kompresi uap pada diagram P-h. Untuk menggambar diagram P-h bisa menggunakan nilai tekanan refrigeran masuk kompresor (low presssure) dan keluar kompresor (high presure), atau menggunakan nilai suhu kerja evaporator (Tevap) dan suhu kerja kompresor (Tkond). Pada penelitian ini akan dilakukan dengan menggunakan nilai tekanan refrigeran masuk kompresor (low presssure) dan keluar kompresor (high presure), Nilai – nilai yang akan didapatkan dari diagram P-h yaitu : nilai entalpi refrigeran saat keluar evaporator (h1), nilai entalpi refreigeran saat masuk kondensor (h2), nilai entalpi refrigeran saat keluar kondensor (h3), dan nilai entalpi refrigeran saat masuk evaporator (h4). Siklus kompresi uap dianggap ideal, maka tidak ada proses pemanasan lanjut dan proses pendinginan lanjut. Nilai – nilai yang diperoleh pada diagram P-h dapat dilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. merupakan perhitungan data salah satu variasi penelitian yang akan dijadikan contoh untuk proses perhitungan siklus kompresi uap pada diagram P-h. Penggambaran diagram P-h yang ditunjukan Gambar 4.1. menggunakan data pada variasi kecepatan kipas udara masuk 2000 rpm yang menghasilkan air aki terbanyak yaitu sebesar 4770 ml (4,77 liter). Pada variasi
Ga mbar 4.1. Di agr am P -h sala h satu va ria si d enga n ke ce p atan puta r kipa s u da ra masuk 20 00 rpm.
tersebut, diketahui nilai tekanan refrigeran masuk kompresor (Pevap / low
presssure) sebesar 0,896 MPa dan keluar kompresor (Pkond / high presure) sebesar 2,496 MPa, nilai entalpi h1 sebesar 424,4 kJ/kg, nilai entalpi h2 sebesar 450,1 kJ/kg, nilai entalpi h3 sama besar dengan nilai entalpi h4 sebesar 272,7 kJ/kg. Setelah didapatkan nilai Pevap, Pkond, h1, h2, h3, h4, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mengetahui unjuk kerja mesin siklus kompresi uap, yaitu energi kalor yang diserap evaporator (Qin), energi kalor yang dilepas kondensor (Qout), kerja kompresor (Win), COPideal, COPaktual, efisiensi (η), dan laju aliran massa refrigeran (ṁref).
a. Energi kalor yang diserap evaporator (Qin).
Energi kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada diagram P-h dari titik h4 ke titik h1 seperti ditunjukan pada Gambar 4.1. Energi kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran (Qin) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.1. Energi kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran (Qin) adalah nilai entalpi refrigeran ketika keluar evaporator (h1) dikurangi dengan nilai entalpi refrigeran ketika masuk evaporator (h4). Perhitungan energi kalor yang diserap evaporator yaitu :
Qin = h1 – h4
= 424,4 kJ/kg – 272,7 kJ/kg = 151,7 kJ/kg
b. Energi kalor yang dilepas kondensor (Qout).
Energi kalor yang dilepaskan kondensor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada diagram P-h dari titik h2 ke titik h3 seperti ditunjukan pada Gambar 4.1. Energi kalor yang dilepaskan kondensor persatuan massa refrigeran (Qout) dapat dihitung dengan Persamaan 2.2. Energi kalor yang dilepaskan kondensor persatuan massa refrigeran (Qout) adalah nilai entalpi refrigeran saat masuk kondensor (h2) dikurangi dengan nilai entalpi refrigeran ketika keluar kondensor (h3). Perhitungan energi kalor yang dilepaskan kondensor yaitu :
Qout = h2 – h3
= 450,1 kJ/kg – 272,7 kJ/kg = 177,4 kJ/kg
c. Kerja kompresor per satuan massa refrigeran (Win).
Kerja kompresor per satuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada diagram P-h dari titik h1 ke h2 sepeerti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Kerja kompresor per satuan massa refrigeran (Win) dapat dihitung dengan Persamaan 2.3. Kerja kompresor per satuan massa refrigeran (Win) adalah nilai entalpi refrigeran ketika masuk kondensor (h2) dikurangi nilai entalpi refrigeran ketika keluar evaporator (h1). Perhitungan energi kalor yang dilepaskan kondensor yaitu :
Win = h2 – h1
= 450,1 kJ/kg – 424,4 kJ/kg = 25,7 kJ/kg
d. Coefficient of Performance aktual (COPaktual).
Coefficient of Performance aktual merupakan perbandingan antara besar
energi kalor yang diserap evaporator dengan energi kerja kompresor. Coefficient
of Performance aktual (COPaktual) dapat dihitung dengan Persamaan 2.4.
Coefficient of Performance aktual (COPaktual) adalah nilai energi kerja kompresor per satuan massa refrigeran (Win) dibagi nilai energi kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran (Qin). Perhitungan Coefficient of Performance aktual yaitu :
COPaktual = Qin / Win = (h1 – h4) / (h2 – h1) = 151,7 kJ/kg / 25,7 kJ/kg = 5,9
e. Coefficient of Performance ideal (COPideal).
Coefficient of Performance ideal dapat dihitung dengan Persamaan 2.5.
Coefficient of Performance ideal (COPideal) adalah suhu mutlak evaporator (Tevap) dibagi dengan hasil pengurangan antara suhu mutlak kondensor (Tkond) dikurangi suhu mutlak evaporator (Tevap). Perhitungan Coefficient of
Performance ideal yaitu :
COPideal = Te / (Tc – Te)
=280,2 K / ( 315,9 K – 280,2 K ) = 7,84
f. Efisiensi mesin siklus kompresi uap (η).
Efisiensi mesin siklus kompresi uap dapat dihitung dengan Persamaan 2.6. Efisiensi mesin siklus kompresi uap (η) adalah nilai Coefficient of Performance
aktual (COPaktual) dibagi dengan Coefficient of Performance ideal (COPideal) lalu dikali 100%. Perhitungan Efisiensi mesin siklus kompresi uap yaitu :
η = (COPaktual / COPideal) x 100 = ( 5,9 / 7,84 ) x 100
= 75,21 %
g. Laju aliran massa refrigeran (ṁref).
Laju aliran massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan 2.7. Laju aliran massa refrigeran (ṁref) adalah nilai daya listrik (Watt) dibagi nilai energi kerja kompresor per satuan massa refrigeran (Win). Perhitungaan laju aliran massa refrigeran yaitu :
ṁref = Daya / Win = ( I x V ) / ( h2 – h1 ) = 440 W / 25,7 kJ/kg
= 440 W / 25700 J/kg = 0,0171 kg/s
Tabel 4.6. Hasil perhitungan P-h diagram.
4.2.2 Psychrometric chart
Psychrometric chart merupakan sebuah gambaran situasi yang terjadi pada
udara dalam proses – proses ketika mesin penghasil air aki beroperasi. Dalam pembuatan psychrometric chart diperlukan data berupa suhu kerja evaporator (Tevap), suhu kerja kondensor (Tkond), suhu udara kering (Tdb), suhu udara basah (Twb). Berikut ini berturut – turut merupakan data yang ambil : (1) Suhu udara lingkungan (TA) diambil Tdb dan Twb, (2) Suhu udara setelah melewati kipas udara masuk (TB) diambil Tdb dan Twb, (3) Suhu udara sebelum masuk evaporator (TC) diambil Tdb dan Twb, (4) Suhu udara setelah melewati evaporator (TD) diambil Tdb, (5) Suhu udara setelah melewati kondensor (TE) diambil Tdb.
Pada psychrometric chart seperti pada Gambar 4.2. dilakukan beberapa perhitungan antara lain laju aliran massa air yang diembunkan (Vair), pertambahan kandungan air dalam udara (ΔW), laju aliran massa udara (ṁudara), dan debit aliran udara (Q).
Ga mbar 4.2 . Ps yc hrome tric c hart sa lah sa tu var ia si denga n ke ce pa tan puta r kipa s uda ra m asuk 20 0 0 rpm.
a. Kelembaban spesifik udara setelah melewati pencurah air (W1) dan kelembaban spesifik udara setelah melewati evaporator (W2).
Kelembaban spesifik udara didapatkan dengan psychrometric chart. Kelembaban spesifik udara setelah melewati pencurah air (W1) diperoleh dari garis kelembaban spesifik pada titik C dan kelembaban spesifik udara setelah melewati evaporator (W2) diperoleh dari garis kelembaban spesifik pada titik E. Untuk variasi kecepatan putar kipas udara masuk 2000 rpm melalui Gambar 4.2 diperoleh nilai kelembaban spesifik udara setelah melewati pencurah air (W1) sebesar 0,0191 kgair/kgudara dan kelembaban spesifik udara setelah melewati evaporator (W2) sebesar 0,0158 kgair/kgudara.
Tabel 4.7. Data kelembaban spesifik yang didapatkan dari psychrometric chart.
No. Variasi W1 W2
(kgair/kgudara) (kgair/kgudara) 1 Kecepatan putar kipas udara masuk 0 rpm 0,0188 0,0162 2 Kecepatan putar kipas udara masuk 2000
rpm 0,0191 0,0158
3 Kecepatan putar kipas udara masuk 3800
rpm 0,0188 0,0162
4 Kecepatan putar kipas udara masuk 4900
rpm 0,0186 0,0162
b. Laju aliran volume air yang diembunkan (Vair).
Laju aliran massa air yang diembunkan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.7. Laju aliran volume air yang diembunkan (Vair) adalah jumlah air yang diembunkan (Vair) dibagi dengan lama waktu yang diperlukan (Δt). Perhitungan Laju aliran massa air yang diembunkan yaitu :
Vair = Vair / Δt
= 4,77 liter / 2 jam = 2,385 liter/jam
c. Pertambahan kandungan air dalam udara (ΔW).
Pertambahan kandungan air dalam udara dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.8. Pertambahan kandungan air dalam udara (ΔW) adalah nilai kelembaban spesifik udara saat masuk evaporator (W1) dikurangi nilai kelembaban spesifik udara saat keluar evaporator (W1). Perhitungan pertambahan kandungan air dalam udara yaitu :
ΔW = W1 – W2
=0,0191 kgair/kgudara – 0,0158 kgair/kgudara
= 0,0033 kgair/kgudara
d. Laju aliran massa udara (ṁudara).
Laju aliran massa udara dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.9. Laju aliran massa udara (ṁudara) adalah laju aliran volume air pengembunan (Vair) dibagi dengan pertambahan kandungan air dalam udara (ΔW). Perhitungan laju aliran massa udara yaitu :
ṁudara = Vair / ΔW
= 2,385 liter/jam / 0,0033 kgair/kgudara = 0,03975 liter/menit / 0,0033 kgair/kgudara
e. Debit aliran udara (Qudara).
Debit aliran udara dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.10. Debit aliran udara (Qudara) adalah laju aliran massa udara (ṁudara) dibagi dengan massa jenis udara (ρudara) sebesar 1,2 kg/m3. Perhitungan debit aliran udara yaitu :
Qudara = ṁudara / ρudara
= 12,045 kgudara/menit / 1,2 kg/m3 = 10,038 m3/menit
Tabel 4.8. Data hasil perhitungan psychrometric chart.
No. Variasi Vair ΔW ṁudara Qudara
(liter/jam) (kgair/kgudara) (kgudara/menit) (m3/menit) 1 Kecepatan putar kipas 0 rpm 2,29 0,0026 14,692 12,244 2 Kecepatan putar kipas 2000 rpm 2,385 0,0033 12,045 10,038 3 Kecepatan putar kipas 3800 rpm 2,36 0,0026 15,115 12,596
