BAB IV ANALISA DATA
4.2 Analisa Potensi Groundcooling pada Siklus Kompresi Uap
4.2.2 Pengaruh Perubahan Temperatur Air Pendingin yang
Kondensor yang dibahas pada skripsi ini adalah jenis shell and tube heat exchanger karena media pendingin yang digunakan adalah air dengan memanfaatkan efek dingin tanah pada temperatur 25 oC – 26 oC. Dipilihnya air sebagai media pendingin dikarenakan sifat air lebih unggul daripada udara, ini dapat dilihat pada tabel 2.2. Selain itu air tanah juga cukup tersedia dalam jumlah besar di alam.
Perhitungan dimensi kondensor ini menggunakan pendekatan LMTD (Log Mean Temperature Difference) di mana dalam perhitungan, suhu keluaran media pendingin dari kondensor dimisalkan terlebih dahulu, setelah itu dilakukan iterasi hingga mendapatkan perbedaan temperatur yang kecil dan dianggap cukup untuk menghentikan iterasi. Variasi dari temperatur air pendingin yang masuk (Twi) divariasikan dari 38 oC (tidak memanfaatkan groundcooling) sampai dengan 25
o
C (memanfaatkan groundcooling). Sedangkan temperatur evaporasi (Te) dan temperatur kondensasi (Tk) dijaga konstan pada -10 oC dan 40 oC. Adapun contoh kasus dan prosedur perhitungan panjang kondensor dengan pendekatan LMTD ini adalah sebagai berikut.
a. Menentukan Sifat Refrigeran dan Air
Sifat refrigeran R-134a dievaluasi pada temperatur kondensasi yaitu 40 oC dan diperoleh :
- μf = 1,782 x 10-4 kg/ms - ρf = 1146,5 kg/m3 - kf = 0,081 W/mK - hfg = 163,23 kJ/kg
Sedangkan sifat air dievaluasi pada temperatur film menggunakan persamaan (2.16). Temperatur masuk kondensor diketahui 25 oC sedangkan temperatur keluar dianggap 29 oC sehingga temperatur filmnya :
Dan diperoleh sifat-sifat air adalah sebagai berikut :
- μw = 8,55 x 10-4 kg/ms - ρw = 997,01 kg/m3 - kw = 0,613 W/mK - cp = 4,179 kJ/kg - Pr = 5,83
Di mana sifat-sifat refrigeran R-134a dan air dapat dilihat pada lampran D dan E.
b. Laju perpindahan panas dari kondensor (Qk)
Ini sangat tergantung dari efek refrigerasi ruangan (Qe) yang akan dilayani sehingga laju aliran refrigeran (mr) dapat ditentukan. Namun karena ini merupakan contoh kasus dan untuk memudahkan perhitungan dianggap mr = 1 kg/s dan dengan menggunakan persamaan (2.8) diperoleh :
Qk = 169,96 kW
c. LMTD (Log Mean Temperature Difference)
Dengan menggunakan persamaan persamaan (2.11) diperoleh :
LMTD = 12,8968 oC
d. Laju aliran massa air pendingin (mw)
Dengan menggunakan persamaan (2.9) dan diketahui bahwa kalor yang diserap air adalah sama dengan kalor yang dilepas oleh kondensor (poin b) sehingga diperoleh :
Karena kondensor akan dibuat dengan 2 laluan dengan masing-masing laluan berjumlah 26 pipa maka laju aliran massa terbagi ke dalam 26 pipa sehingga diperoleh laju aliran massa tiap pipa menjadi :
e. Koefisien Perpindahan Panas Konveksi di Dalam Pipa (hi)
Sebelum mencari koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa dicari terlebih dahulu bilangan Reynold menggunakan persamaan (2.14) dan direncanakan diameter dalam pipa sebesar 15 mm sehingga diperoleh :
Re = 37.516,576
Karena bilangan Reynold diperoleh > 2300 maka dapat digunakan persamaan (2.13) untuk menghitung koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa dan diperoleh :
f. Koefisien Perpindahan Panas Konveksi di Luar Pipa (ho)
Untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi di luar pipa dapat menggunakan persamaan (2.15) namun sebelumnya perlu diasumsikan temperatur permukaan luar pipa rata-rata, misalnya pada kasus ini 34 oC. Temperatur permukaan luar pipa rata-rata ini nantinya akan terus dikoreksi secara iteratif hingga mendapatkan galat yang kecil. Dengan temperatur kondensasi sebesar 40 oC maka diperoleh ∆T sebesar :
∆T = Tk – Ts... (4.1)
∆T = (40 – 34) oC
Sehingga diperoleh harga koefisien perpindahan panas konveksi di luar pipa sebesar :
ho = 1.435,5 W/m2K
g. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (Uo)
Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat dicari menggunakan persamaan (2.12). Seluruh informasi telah diketahui di atas, namun ada beberapa yang perlu ditentukan lagi seperti :
- Rfi = satu asosiasi dagang menetapkan harga faktor pengotor air sebesar 0,000176 m2.oC/W (Sumber : “Buku Kuliah Alat Penukar Kalor” Karangan Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. , halaman 7)
- Rfo = untuk refrigeran yang termasuk golongan uap organik diambil 0,0002 m2.oC/W (“Buku Kuliah Alat Penukar Kalor” Karangan Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. , halaman 7)
- km = 401 W/m.K jika pipa terbuat dari tembaga (“Buku Kuliah Alat Penukar Kalor” Karangan Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT. , halaman 18)
Untuk data faktor pengotor dan nilai sifat-sifat logam selengkapnya dapat dilihat pada lampiran F dan G dan diperoleh :
Uo = 811,612 W/m2K
h. Luas Permukaan Total Pipa (Ao)
Luas permukaan total pipa dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.10) dan diperoleh :
Ao = 21,152557 m2
i. Pemeriksaan
Anggapan ∆T pada poin f harus diperiksa kembali jika anggapan ∆T
belum sesuai maka perhitungan harus diulang kembali dari poin f dan dilakukan iterasi hingga hasilnya sesuai. Hasil ini dapat diperiksa dengan menggunakan persamaan berikut.
... (4.2)
∆T = 7,3286 oC
j. Pengulangan Perhitungan
∆T yang diperoleh pada poin i sebesar 7,3286 oC tidak sama dengan
∆T anggapan pada poin f yaitu sebesar 6 oC sehingga perhitungan perlu diulang dari poin f hingga poin dengan cara yang sama. Hasil iterasi ini dapat dilihat pada tabel 4.5 di bawah ini.
Tabel 4.5 Luas Permukaan Minimum Pipa Kondensor
Iterasi ∆T (0 C) Ao (m2) I∆T1-∆ToI 1 6 21.152557 - 2 7.328670 21.623248 1.32867000E+00 3 7.486324 21.674728 1.57654400E-01 4 7.503030 21.680127 1.67056000E-02 5 7.504779 21.680693 1.74880000E-03 6 7.504960 21.680752 1.81200000E-04 7 7.504979 21.680758 1.90000000E-05 8 7.504982 21.680758 2.76000000E-06 9 7.504982 21.680759 2.10000001E-07
Dapat dilihat bahwa setelah 9 kali iterasi didapatkan harga ∆T yang hampir tidak berubah (< 10-6) kemudian iterasi dapat dihentikan dan
perhitungan telah dianggap sesuai. Temperatur permukaan luar pipa rata-rata kemudian dapat ditentukan dengan :
Ts = Tk - ∆T
Ts = (40 – 7,504982) oC Ts = 32,495 oC
Jadi dianggap temperatur rata-rata permukaan luar pipa kondensor yang menjadi penghantar panas adalah sebesar 32,495 oC. Temperatur rata-ratapermukaan luar pipa kondensor ini sebenarnya identik dengan temperatur air yang keluar dari kondensor (Two’). Dengan kata lain dapat dikatakan bahwa sebenarnya Two ≈ Ts. Jadi dapat disimpulkan pula bahwa temperatur air keluar kondensor sebenarnya sebesar 32,495 oC.
k. Perhitungan Panjang Pipa Minimum (L)
Setelah diperoleh harga ∆T sebesar 7,504982 oC dan luas permukaan (Ao) sebesar 16,680759 m2maka panjang pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut.
... (4.3) Di mana :
n = Jumlah Pipa (52 buah)
Diperoleh :
L = 7,81 m ≈ 8 m.
Sehingga diperoleh panjang pipa kondensor minimum adalah sebesar 7,81 m atau dalam perancangan akan dibuat sebesar 8 m.
Di atas telah diperlihatkan prosedur menghitung panjang kondensor menggunakan pendekatan LMTD. Dengan metode yang sama seperti di atas akan dihitung panjang minimum pipa kondensor yang dibutuhkan jika temperatur air masuk (Twi) terus diturunkan. Asumsi dari temperatur air keluar (Two) disesuaikan dengan temperatur air masuk (Twi) sedangkan temperatur kondensasi (Tk) dan
syarat lainnya dijaga konstan seperti prosedur di atas. Tabel 4.6 berikut menampilkan pengaruh penurunan temperatur air masuk (Twi) terhadap panjang minimum pipa kondensor (L) yang dibutuhkan.
Tabel 4.6 Pengaruh Penurunan Twi terhadap L
No Temperatur Air Masuk (Twi) Temperatur Air Keluar (Two) Temperatur Kondensasi (Tk) Panjang Pipa Minimum (L) [oC] [oC] [oC] [m] 1 38 39 40 45.957 2 37 38.5 40 32.899 3 36 38 40 26.026 4 35 37.5 40 21.750 5 34 37 40 18.811 6 33 36.5 40 16.657 7 32 36 40 15.005 8 31 35.5 40 13.695 9 30 35 40 12.628 10 29 34.5 40 11.742 11 28 34 40 10.992 12 27 33.5 40 10.349 13 26 33 40 9.792 14 25 32.5 40 9.303
Pada gambar 4.10 berikut dapat dilihat grafik perubahan temperatur air yang masuk kondensor (Twi) terhadap panjang pipa minimum sebuah kondensor.
Gambar 4.10Pengaruh Penurunan Twi terhadap L
Dari tabel dan grafik di atas dapat dilihat bahwa temperatur air masuk (Twi) sangat berpengaruh terhadap dimensi panjang dari kondensor. Semakin rendah temperatur air masuk membuat panjang minimum pipa kondensor (L) semakin rendah pula. Namun dapat dilihat pula bahwa temperatur air masuk (Twi) mulai dari 30 oC hingga 25 oC tidak mengalami perubahan yang signifikan. Penurunan temperatur air pendingin yang masuk (Twi) dari 38 oC menjadi 30 oC saja sudah dapat mengurangi kebutuhan panjang minimum pipa kondensor sebesar 72,52%. Ini akan membuat biaya produksi dan perawatan menjadi lebih murah dan efisien. Dengan kata lain groundcooling memiliki potensi yang baik dalam penghematan biaya produksi sebuah mesin pendingin dengan siklus kompresi uap khususnya pada kondensor.
