RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN KONDENSOR
SIKLUS KOMPRESI UAP HYBRID DENGAN
DAYA KOMPRESOR 0,746 KW
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
JEFFRY OMS NIM. 070401034
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas
rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini yang berjudul
“RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN KONDENSOR SIKLUS KOMPRESI UAP HYBRID DENGAN DAYA KOMPRESSOR 0,746KW”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan
Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a dan bantuan baik materiil, moril,
maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk
itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati
penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST., MT. selaku Dosen pembimbing, yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada
penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin
Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
4. Kedua orang tua penulis, St. Ir. J. Simanjuntak dan Dra. M. Silitonga yang
tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih
5. Kepada saudara-saudara penulis, Joy Octavery M. Simanjuntak SST, Yessy
Octlyn M. Simanjuntak S.Farm, Apt., dan Joseph Owyth M.Simanjuntak yang
selalu saling membantu demi mencapai cita-cita.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis
kuliah.
7. Rekan-rekan satu tim kerja, Chandra TS, Lambok Manik, dan Jeffri RGS,
rekan-rekan sejawat, Hotdi Siahaan, Juliarto Siahaan ST, Januardi
Simanjuntak, yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan
kritik serta makian.
8. Rekan mahasiswa stambuk 2007 yang tidak mungkin disebutkan namanya
satu persatu yang selalu mendukung penulis.
9. Terkhusus kepada Anna Ria Silaban, S.Kep. Ns. Yang selalu setia menemani
dan mendukung penulis dengan kesabaran dan kasih sayang.
10.Kepada PT Seltech Utama yang telah membimbing serta mengarahkan dalam
pembuatan alat tim penulis
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran,
usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir
kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.
Terima kasih
Medan, 25 Oktober 2011
ABSTRAK
Mesin pendingin Siklus Kompresi Uap dengan pemanas air sudah
dirancang, dibuat, dan diuji. Pembuatan dan pengujian mesin pendingin diatas
untuk meningkatkan efisiensi dari mesin pendingin Siklus Kompresi Uap Biasa.
Meningkatkan efisiensi merupakan salah satu cara untuk membantu rencana
pemerintah Indonesia untuk mengurangi pemakaian energi fosil yang sumber
dayanya semakin menurun. Memanfaatkan panas buangan kondensor merupakan
salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi. Panas buangan kondensor dapat
memanaskan air serta mengurangi kerja kondensor dalam mendinginkan
refrigeran. Metode perhitungan analitik seperti perhitungan dimensi utama
kondensor dan pengujian kondensor dalam mendinginkan refrigeran tanpa dan
dengan pemanas air dapat membuktikan kerja kondensor lebih ringan dengan
adanya pemanas air dalam siklus kompresi uap tersebut. Hasil yang diperoleh dari
pembuatan dan pengujian mesin pendingin siklus kompresi uap dengan pemanas
air adalah temperatur panas buang kondensor 35oC, sedangkan siklus kompresi
uap tanpa pemanas air temperatur panas buang kondensor adalah 36oC.
Kesimpulan dari tulisan ini adalah kerja kondensor dengan pemanas air lebih
ringan daripada kerja kondensor tanpa pemanas air.
ABSTRACT
Vapor compression refrigeration cycle integrated with the water heater has been designed, fabricated and tested. The main objective of the fabrication and testing of the evaporator is to improve the efficiency of ordinary vapor compression refrigeration cycle. Improving efficiency is one of the solutions to help the Indonesian government in reducing the uses of fossil. Utilizing waste heat from condenser is proposed to improve the efficiency.The waste heat drawn from the condenser is not affecting the work of evaporator to condition the room. Analytical calculations such as cooling load calculation and the main dimensions of the evaporator have been performed. In addition the evaporator work in the testing room with and without cool water heaters proves that the cooling workis not disrupted by the evaporator heating water in the vapor compression cycle. The results obtained from this research are as follows. The average room temperature before the vapor compression refrigeration cycle installed is about 28oC, after the installation the average room temperature is 22oC. The main conclusion of this project is that the water heater does not affect the evaporator in conditioning the room temperature.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ...iii
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR TABEL ...vii
DAFTAR GAMBAR ... .viii
DAFTAR SIMBOL ...x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Tujuan Penelitian ...6
1.2.1 Tujuan Umum ...6
1.2.2 Tujuan Khusus ...6
1.3 Batasan Masalah ...6
1.4 Manfaat Penelitian ...7
1.5 Sistematika Penulisan ...7
1.6 Metode Penelitian ...9
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...10
2.1 Sistem Refrigerasi...10
2.1.1 Pendahuluuan ...10
2.1.2 Siklus Kompresi Uap ...12
2.2 Kondensor ...16
2.2.1 Pendahuluan ...16
2.2.2 Analisis Kondensor...19
2.3 Siklus Kompresi Uap dengan water heater ...22
2.3.1 Tabung Kapiler dan model Kompressor ...29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...35
3.1 Alat dan Bahan yang Digunakan ...35
3.1.1 Alat ...35
3.1.2 Bahan ...37
3.2 Variabel Riset ...37
3.3 Set-up Pengujian ...37
BAB IV ANALISA DATA ...41
4.2 Data Hasil Pengujian ...48
4.2.1 Pengujian Hari Pertama ... ..48
4.2.2 Pengujian Hari Kedua ... ..49
4.2.3 Pengujian Hari Ketiga ...50
4.2.4 Pengujian Hari Keempat ...51
4.2.4 Pengaruh water heater terhadap kondensor ...52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...65
5.1 Kesimpulan ...65
5.2 Saran ...65
DAFTAR PUSTAKA ...67
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Temperatur netral/nyaman dari berbagai etnis di Indonesia ...12
Tabel 2.2 Nilai COP dari beberapa jenis refrigeran ...16
Tabel 2.3 Perbandingan kondensor berpendingin udara dan air ...18
Tabel 4.1 Persamaan bilangan Nu untuk pipa ...43
Tabel 4.2 Faktor dan koefisien lapisan kerak ...46
Tabel 4.3 Data pengujian pipa keluar kompresor ...52
Tabel 4.4 Data pengujian di tengah pipa kondensor ...55
Tabel 4.5 Data pengujian pipa katub ekspansi ...57
Tabel 4.6 Data pengujian hembusan kipas kondensor ...59
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema Siklus kompresi uap ... 12
Gambar 2.2 Diagram T-s dan p-H siklus kompresi uap ... 13
Gambar 2.3 a) shell and tube heat exchanger sebagai kondensor (b) Profil temperatur kedua Fluida yang di idealkan. ... 19
Gambar 2.4 Mesin pendingin siklus kompresi uap hybrid ... 25
Gambar 2.5 Aplikasi Mesin pendingin SKU hybrid pada ruangan ... 26
Gambar 2.6 Diagram pH siklus kompresi uap hybrid ... 26
Gambar 3.1 Hobo Micro Station Data Logger ... 35
Gambar 3.2 Agilent dengan termokopel tipe T dan K ... 36
Gambar 3.3 Pengambilan data temperatur kondensor ... 39
Gambar 3.4 Diagram Alir Proses Pengerjaan Tugas Akhir ... 40
Gambar 4.1 Grafik udara lingkungan tanggal 04 Oktober 2011 ... 48
Gambar 4.2 Grafik temperatur kondensor tanggal 04 Oktober 2011 ... 49
Gambar 4.3 Grafik udara lingkungan tanggal 05 Oktober ... 49
Gambar 4.4 Grafik temperatur kondensor tanggal 05 Oktober 2011 ... 50
Gambar 4.5 Grafik udara lingkungan tanggal 07 Oktober 2011 ... 50
Gambar 4.6 Grafik temperatur kondensor tanggal 07 Oktober 2011 ... 51
Gambar 4.7 Grafik udara lingkungan tanggal 08 Oktober 2011 ... 51
Gambar 4.8 Grafik temperatur kondensor tanggal 08 Oktober 2011 ... 52
Gambar 4.10 Grafik pipa di tengah kondensor ... 56
Gambar 4.11 Grafik pipa katub ekspansi ... 59
Gambar 4.12 Grafik hembusan kipas kondensor ... 61
DAFTAR SIMBOL
A Luas total (m2)
C Kapasitas kecepatan (Kw / K), perbandingan Kapasitas kecepatan
Cmin/Cmax
Cp Panas spesifik (Kj/kg/K)
COP Koefisien Performansi
DP Penurunan tekanan total (kPa)
DPH Penurunan tekanan sisi tinggi (kPa)
DPL Penurunan tekanan sisi rendah (kPa)
DSH Derajat Superheat (0C)
f fraksi
Grd Bilangan grashof
g gravitasi (m/s2)
h Enthalpy (Kj/Kg), koefisien perpindahan panas (Kw/m2/K)
hasr enthalpy udara saturasi dievaluasi pada temperature refrigerant (Kj /Kg)
ħaswm enthalpy udara saturasi dievaluasi pada temperature fil air rata-rata (Kj
/Kg)
Le Bilangan Lewis
ṁ laju aliran massa (kg/s)
mw massa air didalam tangki air panas (kg)
N jumlah unit transfer
Nud Bilangan Nusselt
P tekanan refrigerant (kPa), daya (kW)
PCD Tekanan keluar kompresor (MPa)
PCS Tekanan masuk kompresor (MPa)
Pr Bilangan Prandtl
∆P Penurunan Tekanan (kPa)
q laju perpindahan panas (kW)
qhhtp laju penolakan panas dari koil pemanas dihitung dari perbedaan antara enthalpy masuk dankeluar bagian dua fasa (kW)
quhtp laju penolakan panas dari koil dalam permukaan dua fasa dievaluasi dari keseluruhan persamaan koefisien perpindahan panas (kW)
Ra Bilangan Rayleigh
t temperature (0C)
tatm temperature udara lingkungan (0C)
tws temperature air pada awal interval dalam satu menit (0C)
twb temperature udara bola basah (0C)
U koefisien perpindahan panas keseluruhan (Kw/m2/K)
Uww koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk permukaan basah berdasarkan perbedaan enthalpy (kg/m2/s)
w rasio kelembaban udara (kg air / udara kering)
w45 kerja masuk kompresor (Kj /Kg)
wswm rasio kelembaban udara dari udara jenuh yang dievaluasi pada rata-rata temperature film air (kg air / udara kering)
x kualitas refrigerant
Huruf Yunani
ß koefisien ekspansi thermal (K-1)
Ø Efisiensi sirip
Ɛ Efektivitas penukar panas
ηf Efisiensi motor listrik dari kompresor rotary
ηm Efisiensi mekanis dari kompresor rotary
μf Viskositas dynamis dari refrigerant jenuh (Pa.s)
v Viskositas air (m2/s)
Subskrip
a udara, percepatan
as sisi udara
c kondensor, kondensasi
cap Tabung kapiler
comp kompresor
d Kelembaban, titik embun, kering
dsh Bagian desuperheating
e evaporator,penguapan
f Cair jenuh, gesekan
fin Sirip
g Uap jenuh
h Koil Pemanas
i sisimasuk, didalam
ll garis cair
m rata-rata
max maksimum
o sisi keluar, diluar
r refrigerant
rb belokan kembali
rc penerima
rs sisi refrigerant
sc bagian subcooled
sh bagian superheated
st Tabung lurus
t Tabung
tp Bagian dua fasa
w basah, air
ABSTRAK
Mesin pendingin Siklus Kompresi Uap dengan pemanas air sudah
dirancang, dibuat, dan diuji. Pembuatan dan pengujian mesin pendingin diatas
untuk meningkatkan efisiensi dari mesin pendingin Siklus Kompresi Uap Biasa.
Meningkatkan efisiensi merupakan salah satu cara untuk membantu rencana
pemerintah Indonesia untuk mengurangi pemakaian energi fosil yang sumber
dayanya semakin menurun. Memanfaatkan panas buangan kondensor merupakan
salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi. Panas buangan kondensor dapat
memanaskan air serta mengurangi kerja kondensor dalam mendinginkan
refrigeran. Metode perhitungan analitik seperti perhitungan dimensi utama
kondensor dan pengujian kondensor dalam mendinginkan refrigeran tanpa dan
dengan pemanas air dapat membuktikan kerja kondensor lebih ringan dengan
adanya pemanas air dalam siklus kompresi uap tersebut. Hasil yang diperoleh dari
pembuatan dan pengujian mesin pendingin siklus kompresi uap dengan pemanas
air adalah temperatur panas buang kondensor 35oC, sedangkan siklus kompresi
uap tanpa pemanas air temperatur panas buang kondensor adalah 36oC.
Kesimpulan dari tulisan ini adalah kerja kondensor dengan pemanas air lebih
ringan daripada kerja kondensor tanpa pemanas air.
ABSTRACT
Vapor compression refrigeration cycle integrated with the water heater has been designed, fabricated and tested. The main objective of the fabrication and testing of the evaporator is to improve the efficiency of ordinary vapor compression refrigeration cycle. Improving efficiency is one of the solutions to help the Indonesian government in reducing the uses of fossil. Utilizing waste heat from condenser is proposed to improve the efficiency.The waste heat drawn from the condenser is not affecting the work of evaporator to condition the room. Analytical calculations such as cooling load calculation and the main dimensions of the evaporator have been performed. In addition the evaporator work in the testing room with and without cool water heaters proves that the cooling workis not disrupted by the evaporator heating water in the vapor compression cycle. The results obtained from this research are as follows. The average room temperature before the vapor compression refrigeration cycle installed is about 28oC, after the installation the average room temperature is 22oC. The main conclusion of this project is that the water heater does not affect the evaporator in conditioning the room temperature.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Dewasa ini, penggunaan mesin pengkondisian udara semakin marak sejak
pertama kali ditemukan oleh Carrier pada tahun 1902. Teknologi mesin
pengkondisian udara telah berkembang pesat sejak saat itu, dan mengalami
perbaikan dari waktu ke waktu. Berbagai system pengkondisian udara telah
dikembangkan mulai dari direct ekspansion sampai water chiller dan telah menjadi bagian yang tidak terpisahkan dalam kehidupan manusia saat
ini(Ambarita,2010).
Manusia dapat diibaratkan seperti motor bakar, manusia harus
mengeluarkan panas yang dihasilkannya sebagai akibat dari kerja yang
dilakukannya. Jika panas tersebut tidak dapat keluar dari badan manusia, misalnya
karena temperatur dan kondisi udara di sekelilingnya tidak memungkinkan hal
tersebut untuk terjadi dengan baik, maka ia akan merasakan suatu keadaan yang
tidak menyenangkan. Dan hasil penelitian tentang linkungan kerja menunjukan
bahwa didalam ruang kerja yang berudara segar, karyawan dapat bekerja lebih
baik dan jumlah kesalahan dapat dikurangi, sehingga effisiensi kerja dapat
ditingkatkan.
New York 22 September 2009, Perdana Menteri Jepang saat itu, Yokio
emisi yang dikeluarkannya tahun 1990, sejalan dengan yang diminta dunia sains
untuk menghentikan pemanasan global. Kalimat ini mendapat sambutan hangat
dari para kepala negara yang berada di ruangan tersebut. Pada kesempatan
berikutnya masih di momen yang sama, Presiden Perancis, Nicolas Sarkozy
berkata: “We are the last generation that can take action, We have a choice of catastrophe or a solution. Rarely has a choice been so crucial for the future of mankind…For the first time, we have to decide, not for our countries, not for our regions, not even for our continents, we have to decide for the planet”.
Kedua kutipan pidato ini menggambarkan bahwa masalah pemanasan
global, yang awalnya hanya topik riset di kalangan ilmuwan, telah memasuki
domain utama para kepala negara di dunia, atau telah setara dengan isu perang, ekonomi, dan issu-issu politik yang rumit. Seperti kata Presiden Sarkozy, untuk
pertama kali, para pemimpin dunia harus memutuskan tidak untuk negaranya
masing-masing, tidak untuk daerah, bahkan tidak untuk benua, tetapi untuk planet
sebagai satu kesatuan. Pemanasan global adalah musuh bersama dan kita adalah
generasi terakhir yang dapat melakukan aksi apakah memilih tragedi atau solusi.
Pemanasan global (global warming) adalah kenaikan suhu rata-rata permukaan bumi yang diakibatkan oleh tinginya kandungan gas-gas rumah kaca
hasil dari pembakaran sumber energi berbasis fosil dan pembabatan hutan. Sejak
dimulainya revolusi industri, umat manusia telah sangat tergantung kepada
penggunaan sumber energi yang berasal dari fosil, selanjutnya di tulisan ini akan
diistilahkan dengan energi fosil. Energi fosil termasuk minyak bumi, gas alam,
dan batubara. Sebagai gambaran besarnya ketergantungan umat manusia terhadap
selama tahun 2007, konsumsi energi global bersumber dari minyak bumi sebesar
36%, batubara 27.4%, dan gas alam 23.0%. Total penggunaan energi fosil ini
adalah 86.4% dan sisanya dipasok oleh sumber energi lain seperti nuklir,
hydropower, geothermal, angin, surya dan lain-lain.
Sebagai gambaran, sejak Hatoyama mengucapkan pidato yang dikutip di
awal tulisan ini, masyarakat Jepang bangga karena adanya keberanian
pemerintahnya menetapkan batasan terukur, tetapi juga khawatir. Bagaimana
tidak, mereka harus mengurangi konsumsi bahan bakar energi fosil yang akan
membebani gerakan laju ekonominya dan dikhawatirkan akan berdampak pada
jumlah exportnya. Sejak pidato itu diluncurkan, banyak program televisi yang
mulai membahas langkah-langkah apa yang dilakukan untuk mencapai target
pengurangan emisi 25% itu. Di dunia bisnis atau kerja, perusahaan-perusahaan
mulai mengaudit penggunaan energinya supaya lebih efisien, salah satu contohnya
para pekerja lebih disarankan untuk tidak memakai dasi di musim panas, demi
mengurangi beban pendinginan. Para ibu rumah tangga juga turut menjadi sasaran
tembak program ini. Para ibu diminta untuk menggunakan energi di rumah
dengan lebih efisien, bahkan jam menonton televisi pun disarankan untuk
dikurangi beberapa jam per hari. Di dunia riset dan perguruan tinggi, pencarian
sumber-sumber energi alternatif mendapat dukungan penuh. Di industri otomotif,
pabrikan penguasa pasar dunia seperti Toyota dan Honda bertarung habis-habisan
untuk menghasilkan mobil yang paling hemat energi dan mobil hybrid. Dengan
kata lain semua sektor-sektor tempat-tempat penggunaan energi ditata ulang dan
Kondisi Indonesia, tidak jauh berbeda dengan kondisi global saat ini.
Sumber utama energinya masih disuplai oleh energi fosil. Sementara, efisiensi
konversi dan penggunaan energi fosil masih rendah. Menurut laporan statistik
yang dikeluarkan oleh BP, total konsumsi energi Indonesia selama tahun 2007
adalah sebesar 5,18 EJ. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM)
menyebutkan konsumsi energi ini berasal dari energi fosil sebesar 95%,
hidropower 3,4%, panas bumi 1,4%, lainnya 0,2% (data tahun 2003). Komposisi ini dengan jelas menunjukkan ketergantungan yang sangat tinggi pada energi
fosil. Perbedaan utama permasalahan enegi yang dihadapi pemerintah Indonesia
adalah ketergantungan yang besar kepada minyak bumi. Pemerintah, pada saat ini
fokus pada usaha untuk mengurangi ketergantungan ini. Efisiensi energi di
Indonesia juga sangat buruk. Menurut data, nilai elastisitas energi yang diolah
oleh ESDM dari BP, Indonesia berada pada angka 1,84, idealnya angka ini
dibawah 1. Elastisitas energi adalah perbandingan antara pertumbuhan konsumsi
energi dengan pertumbuhan ekonomi. Jika nilai elastisitas energi suatu negara
semakin tinggi, berarti pemakaian energi semakin tidak efisien. Sebagai
perbandingan elastisitas energi beberapa negara adalah sebagai berikut: Malaysia
1,69, Thailand 1,16, Singapura 0,73, Jepang 0,1. Kesimpulannya perlu usaha yang
serius untuk mengurangi nilai elastisitas energi ini.
Pemerintah Indonesia mempunyai komitmen yang jelas untuk mengelola
konsumsi energinya agar lebih bersahabat dengan lingkungan. Komitmen ini
dapat dilihat dari pidato Presiden Yudhoyono pada suatu pertemuan internasional
tentang lingkungan di Nusa Dua Bali, pada Februari 2010. Bahwa Indonesia
banyak kebijakan yang dibuat oleh pemerintah Indonesia yang tujuannya
meningkatkan penggunaan sumber energi terbarukan dan menggunakan energi
dari fosil dengan lebih efisien. Departemen Teknik Mesin USU, merasa terpanggil
untuk ikut berpartisipasi dalam mensukseskan kebijakan pemerintah ini. Sebagai
bentuk tanggung jawab, di DTM telah ada satu group riset yang disebut dengan
Sustainable Energy Research group. Tujuan dari group ini didirikan adalah untuk membuat arah riset lebih fokus, sehingga tujuan lebih mudah untuk dicapai.
Salah satu titik penggunan energi yang cukup besar di Indonesia adalah
penggunaan energi listrik untuk penggerak sistem pengkondisian udara atau AC.
Di masa yang akan datang diyakini akan terus meningkat seiring dengan
meningkatnya taraf hidup masyarakat dan pemanasan global yang telah
berlangsung. Untuk menggambarkan berapa besar penggunaan energi listrik untuk
AC di Indonesia, belum ditemukan laporan yang cukup lengkap. Tetapi sebagai
pembanding, dapat digunakan data-data yang didapat dari beberapa tulisan
berikut.
Ikatan Ahli Fisika Bangunan Indonesia melakukan survey pada 500
bangunan komesial dan hanya 10% bangunan yang mengkonsumsi energi listrik
sesuai standard nasional untuk bangunan komersial yaitu 246 kWh/m2/tahun. Dari
angka ini diperkirakan 72% digunakan untuk AC sistem sentral. Menurut
Soegijanto (1993), konsumsi energi listrik terbesar dalam suatu bangunan adalah
operasional untuk AC yang dapat mencapai 42,5% kebutuhan listrik. Dan dalam
suatu tulisan di majalah konstruksi, disebutkan untuk tata udara ruang suatu
gedung (termasuk AC) dibutuhkan energi listrik sebesar 55 % – 65 %. Meskipun
untuk AC sangatlah besar. Oleh karena itu tindakan penghematan energi pada
penggunaan AC sangatlah penting untuk penghematan energi dan mengurangi
emisi karbon.
1.2Tujuan Penelitian 1.2.1 Tujuan Umum
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk merancang sebuah mesin
pendingin yang bekerja berdasarkan siklus kompresi uap hybrid dimana panas
buangan kondensor digunakan sebagai sumber tenaga untuk memanaskan air
(water heater). Komponen-komponen utama siklus kompresi uap hybrid ini terdiri dari evaporator, kompresor, kondensor, dan water heater. Semua komponen ini akan dirancang, dipabrikasi, dan dirakit menjadi satu unit mesin pendingin,
kemudian melakukan penelitian terhadap masing-masing komponen mesin
pendingin.
1.2.2 Tujuan Khusus
Penelitian ini dikerjakan oleh satu tim yang terdiri dari empat orang, termasuk penulis. Secara khusus penulis bertanggung jawab pada perancangan,
pabrikasi dan pengujian kondensor pada mesin Siklus Kompresi Uap Hybrid.
Tujuan khusus penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan
pemanas air terhadap kinerja kondensor untuk mengkondensasikan refrigeran.
1.3 Manfaat Penelitian
1. Pengembangan teknologi alternatif mesin pendingin yang dapat mendinginkan
ruangan sekaligus dapat memanaskan air.
2. Mengurangi pemakaian bahan bakar minyak bumi dan gas untuk memanaskan
air untuk kebutuhan sehari-hari.
3. Menambah variasi siklus kompresi uap di Laboratorium Pendingin Departemen
Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
1.4Batasan Masalah
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang
dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah
sebagai berikut :
1. Perhitungan beban kondensor setelah penambahan pemanas air pada daya
kompresor 0,746 kW
2. Perancangan dimensi utama kondensor
3. Setelah pemasangan di ruangan, akan dilakukan pengujian dengan
beberapa variasi yaitu tangki water heater tidak diisi air, diisi air setengah, diisi penuh, dan diisi penuh dan bersirkulasi
1.5 Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahai tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian yaitu:
ABSTRAK
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL
BAB I : PENDAHULUAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang
telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan
metodologi penulisan skripsi.
BAB II : DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas mengenai teori siklus kompresi uap,
perancangan dimensi kondensor, serta perhitungan beban kondensor pada siklus
kompresi uap hybrid. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya
berasal dari : buku - buku pedoman, jurnal, paper, skripsi, e-mail, e-book, dan
enews.
BAB III: METODOLOGI
Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk
menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai
langkah-langkah simulasi, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan
untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.
BAB IV: ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan skripsi dan saran-saran.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
1.6Metodologi penulisan
Metodologi merupakan tahapan-tahapan pengerjaan dalam pengerjaan
BAB II
STUDI LITERATUR 2.1 Sistem Refrigerasi
2.1.1 Pendahuluan
Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu
benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih
rendah dari temperatur lingkungannya. Sesuai dengan konsep kekekalan energi,
panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan.Sehingga refrigerasi
selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas.
Pada dasarnya sistem refrigerasi dibagi menjadi dua, yaitu:
1. Sistem refrigerasi mekanik
Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat mekanik
lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi
mekanik di antaranya adalah:
a. Siklus Kompresi Uap (SKU)
b. Refrigerasi siklus udara
c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah
d. Siklus sterling
2. Sistem refrigerasi non mekanik
Berbeda dengan sistem refrigerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan
mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk
a. Refrigerasi termoelektrik
b. Refrigerasi siklus absorbsi
c. Refrigerasi steam jet
d. Refrigerasi magnetic
e. Heat pipe
Dewasa ini, penerapan siklus-siklus refrigerasi hampir meliputi seluruh
aspek kehidupan kita sehari-hari.Industri refrigerasi dan tata udara telah
berkembang sangat pesat dan sangat variatif, demi memenuhi kebutuhan pasar
yang sangat bervariasi.
Pada daerah tropis seperti Indonesia, yang mempunyai temperatur dan
kelembaban udara yang relatif tinggi, sistem pengkondisian udara didominasi
dengan menurunkan temperatur dan kelembaban udara. Untuk melakukan tugas
ini, digunakan siklus kompresi uap yang digerakkan oleh kompresor dan
menggunakan listrik sebagai sumber utamanya. Pada dasarnya sistem ini
mengkonsumsi energi relatif besar untuk menghasilkan udara dingin. Konsumsi
ini akan terus meningkat dan jika dibiarkan terus akan ikut memberi andil yang
cukup signfikan pada pemanasan global. Oleh karena itu perlu dicari cara
mengurangi konsumsi listrik untuk pengkondisian udara di Indonesia.
Temperatur yang nyaman bagi manusia ini cukup relatif, seperti riset yang
diadakan oleh Tri Harso Karyono (1998) di Indonesia dikatehui bahwa suku
bangsa juga menyumbang perbedaan pada tingkat temperatur nyaman seseorang.
Tabel 2.1 Temperatur netral/nyaman dari berbagai etnis di Indonesia [Tri Harso
Karyono (1998)
Etnik Natural Temperatur
Ta To Teq
Aceh (n=6) 24.3 24.3 23.4
Tapanuli (n=23) 25.9 26.2 24.6
Minang (n=27) 26.9 27.4 25.7
Other Sumateran (n=16)
26.6 27.0 25.7
Betawi (n=23) 27.0 27.3 25.9
Sundanese(n=86) 26.4 26.6 25.0
Javanene (n=232) 26.4 26.4 25.2
Other Indonesian (n= 62)
26.9 27.4 26.2
2.1.2 Siklus Kompresi Uap
Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling
umum digunakan adalah refrigerasi dengan sistem kompresi uap.Komponen
utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah kompresor, evaporator, kondensor
dan katup expansi.
Kondensor
Kompresor
Evaporator
Katup expansi
1 2 3
4
Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigeran akan ‘menghisap’
panas dari lingkungan sehingga panas tersebut akan menguapkan refrigeran.
Kemudian uap refrigeran akan dikompres oleh kompresor hingga mencapai
tekanan kondensor, dalam kondensor uap refrigeran dikondensasikan dengan cara
membuang panas dari uap refrigeran ke lingkungannya. Kemudian refrigeran akan
kembali di teruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram P-h siklus kompresi uap
[image:30.595.169.493.289.729.2]ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini.
Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap seperti pada gambar
2.2 diatas adalah sebagai berikut:
a. Proses kompresi (1-2)
Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik adiabatik.
Kondisi awal refrigeranpada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh
bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap
bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka
temperatur ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan
massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
qw= h1– h2 (1)
dimana : qw = besarnya kerja kompresor (kJ/kg)
h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
h2= entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
b. Proses kondensasi (2-3)
Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan
bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang kalor sehingga
fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi
pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas
berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran
mengembun menjadi cair. Besar panas per satuan massa refrigeran yang
qc = h2 – h3 (2)
dimana : qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)
h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)
h3= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
c. Proses expansi (3-4)
Proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi
perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur, atau dapat dituliskan dengan:
h3 = h4 (3)
Proses penurunan tekanan terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler
atau orifice yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.
d. Proses evaporasi (4-1)
Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur
konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan
refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap
bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah
campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari gambar 2.2 diatas.
Qe = h1 – h4 (4)
dimana : qe= besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg)
h1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg)
h4= entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)
Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan
bersirkulasi lagi.Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.Untuk
menentukan harga entalpi pada masing-masing titik dapat dilihat dari tabel
sifat-sifat refrigeran. Setelah melakukan perhitungan untuk beberapa jenis refrigerant
yang sering dipakai di Indonesia, didapat nilai COP(Coefficient of Performance)
[image:33.595.120.474.446.618.2]sebagai fungsi temperatur kondensasi ditampilkan pada Tabel 2.1
Tabel 2.2 Nilai COP dari beberapa jenis refrigerant
T(oC)
Refrigerant
40 45 50 55 60 65 70
R12 5,58 4,75 4,21 3,65 3,22 2,84 2,48
R600 5,08 4,34 3,69 3,18 2,77 2,44 2,14
R134a 4,92 5,05 3,92 3,34 2,90 2,54 2,18
R22 5,47 4,75 4,98 3,97 3,26 2,78 2,44
2.2 Kondensor 2.2.1 Pendahuluan
Kondensor adalah APK (Alat Penukar Kalor) yang berfungsi mengubah
subcooled. Untuk mengingatkan kembali, ingat lagi diagram Ph, tugas dari kondensor adalah mengantar refrigeran dari titik 2 (setelah melalui kompressor)
sampai ke titik 3 (sebelum masuk ke katup expansi). Proses ini adalah proses
membuang panas pada tempertur kondensasi, Tc yang diasumsikan konstan. Medium pendingin yang biasa digunakan untuk melakukan tugas ini adalah udara
lingkungan, air, atau gabungan keduanya. Masing-masing medium ini mempunyai
kelebihan dan kekurangan. Pembagian kondensor berdasarkan medium yang
digunakan dapat dibagi atas 3 bagian, yaitu:
1. Kondensor berpendingin udara,
2. Kondensor berpendingin air, dan
3. Kondensor berpendingin gabungan (Evaporative Condenser).
Jika medium yang digunakan adalah udara, kelebihannya adalah tidak
diperlukan pipa untuk mengalirkannya dan tidak perlu repot untuk membuangnya
karena setelah menyerap panas bisa langsung dilepas ke udara lingkungan.
Kelemahannya, udara tidak mempunyai sifat membawa dan menghantar panas
yang baik. Oleh karena itu diperlukan usaha yang lebih untuk mengalirkan lebih
banyak udara. Bisa dipastikan kondensor dengan medium pendingin udara
umumnya digunakan pada siklus refrigerasi dengan kapasitas pendinginan yang
kecil. Sementara jika medium pendigin yang digunakan adalah air, kelebihannya
adalah air mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih
baik daripada air. Oleh karena itu tidak dibutuhkan peralatan yang besar untuk
proses perpindahan panas. Tetapi air tidak boleh dibuang begitu saja ke
lingkungan. Misalnya setelah digunakan sebagai pendingin kondensor air akan
terapung semua nanti ikan yang ada di situ. Untuk menghindari efek lingkungan
ini, biasanya kondensor berpendingin air dilengkapi dengan cooling tower yang fungsinya mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor dengan
menjatuhkannya dari suatu ketinggian agar dapat didinginkan oleh udara. Oleh
karena itu biaya awal kondensor berpendingin air ini biasanya lebih besar tetapi
biaya operasionalnya lebih kecil, oleh karena itu sistem ini biasanya digunakan
pada SKU dengan kapasitas besar. Pada evaporative kondensor air dan udara
digunakan untuk mendinginkan kondensor. Air disiramkan ke pipa-pipa
kondensor dan udara juga ditiupkan. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya
penguapan di permukaan kondensor. Karena panas penguapan air sangat tinggi,
dan ini diambil dari refigeran melalui dinding pipa maka jenis ini akan
mempunyai koefisien perpindahan panas yang sangat baik. Hal-hal yang
disebutkan di atas adalah salah satu perbedaan utama dari kondensor berpendingin
[image:35.595.121.506.537.734.2]air dan berpendingin udara. Perbedaan lain dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel 2.3 perbandingan kondensor berpendingin udara dan air (Himsar
Ambarita,2011)
Parameter Pendingin Udara Pendingin Air
Temperatur,Tc-Tpendingin 6 s/d 220C 6 s/d 120C
Laju aliran pendingin per TR 12 s/d 20 m3/menit 0,007 s/d 0,02m3/menit
Luas perpindahan panas per
TR
10 s/d 15 m2 0,5 s/d 1 m2
Kwecepata fluida pendingin 2,5 s/d 6 m/s 2 s/d 3 m/s
TR = ton of refrigerasi (beban di evaporator) 1 TR = 3,5 kW
2.2.2 Analisis kondensor
Pada kondensorlah sebenarnya diaplikasikan semua ilmu perpindahan
panas. Pada dasarnya sangat banyak variasi kondensor yang mungkin jika dilihat
berdasarkan jenis fluida pendinginnya, metode perpindahan panasnya, dan
konfigurasi bidang perpindahan panasnya. Untuk memberikan gambaran
bagaimana merancang sebuah kondensor pada sebuah siklus pendingin, maka
dilakukan pembahasan pada kondensor yang berpendingin air dan jenisnya adalah
APK shell-and-tube heat exchanger (biasanya diterjemahkan sebagai APK pipa-cangkang). Pada APK ini, air pendingin mengalir di dalam tabung dan uap
refrigeran mengalir di luar tabung dan masih di dalam shell. Konfigurasi aliran fluida pada APK ini ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut ini. Pada gambar juga
ditampilkan profil temperatur kedua fluida yang diidealkan.
x
[image:37.595.230.418.80.305.2](b)
Gambar 2.3. (a) shell and tube heat exchanger sebagai kondensor (b) Profil
temperatur kedua Fluida yang di idealkan.(Ambarita,2011)
Laju perpindahan panas pada refrigeran dan air pendingin dapat dihitung dengang
persamaan berikut:
( 3) .
2 h
h m
QT = r − (5)
)
( ,
.
,o wi
w P W
W m c T T
Q = − (6)
Dimana h adalah entalpi refrigeran (dari diagram Ph) dan cp adalah kapasitas panas air. Laju perpindahan panas dari refrigeran ke air jika dihitung berdasarkan
luas bidang perpindahan panas di sisi luar pipa Ao, adalah:
LMTD A
U
Dimana LMTD adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (Log Mean Temperature Difference). Untuk kasus kondensor yang profil temperaturnya diidealkan seperti pada Gambar (2.4) dapat dihitung dengan persamaan:
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 ln 1 1 h R k r r r R r r h r r u f i o
fi + +
+ + = (8)
Dimana r0 dan riadalah jari-jari permukaan dalam dan luar pipa yang digunakan,
Rfi dan Rf0 tahanan termal akibat kerak pada permukaan dalam dan luar pipa, hi dan h0 koefisien konveksi di permukaan dalam dan luar pipa, dan k adalah koefisien konduksi bahan pipa. Dari semua parameter di persamaan (8) hidan h0 adalah besaran yang harus dicari dan mempunyai banyak sekali syarat untuk
menghitungnya. Misalnya jenis fluida, regime aliran (apakah laminar atau
turbulent, ditentukan dengan menggunakan bilangan Reynolds). Karena pada bab
ini yang dibahas secara spesifik adalah air yang mengalir di dalam pipa, maka
koefisien konveksi di dalam pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Dittus-Boelter: i w i d k x h 0,8 0,4
Pr Re 023 , 0 = (9)
Simbol f (kecil) pada semua persamaan ini menyatakan sifat refrigeran pada saat cair. N jumlah pipa kondensor tiap baris, fg h entalpi perubahan fasa (entalpi uap – entalpi cair jenuh) refrigeran. ∆T = Tc −Tx adalah perbedaan temperatur kondensasi dan temperatur permukaan luar pipa. Semua sifat pada fluida ini
2.3 Siklus Kompresi Uap dengan Water Heater
Di negara-negara tropis seperti Indonesia, AC type split ukuran kecil
umumnya digunakan pada perumahan dan bangunan komersial. Dalam
perusahaan, pemanas air listrik sering digunakan untuk menghasilkan air panas.
Keduanya AC dan pemanas air listrik pada umumnya mengkonsumsi banyak
energi pada suatu bangunan. Jumlah dari AC dan pemanas air listrik telah
meningkat selama bertahun-tahun, dan ini menimbulkan masalah serius pada
negara yang sangat tergantung pada energi yang dihasilkan. Panas buang dari AC
dapat digunakan untuk menghasilkan air panas. Manfaat dari melakukan hal ini
adalah dua kali lipat. salah satunya adalah pemanfaatan untuk sebuah pemanas air
listrik, dan yang lainnya adalah penghematan energi listrik jika tidak digunakan
dalam pemanas air listrik. Hal Ini dapat dicapai dan fungsi dari AC untuk
pendinginan tetap dipertahankan.
Saat ini, pemanas air menggunakan panas buang dari pendingin udara tipe
split kecil yang banyak tersedia di Indonesia dan umumnya dibuat khusus untuk
kebutuhan pengguna. Meskipun AC Split dengan pemanas air berhasil digunakan,
kinerja mereka dan desain sistem untuk aplikasi di Indonesia belum sepenuhnya
diselidiki, terutama ketika pendinginan dan efek pemanasan diperlukan. Studi
pompa panas pemanas air yang beroperasi di negara-negara subtropis dan dingin
telah muncul dalam literatur. Beberapa karya tersebut termasuk orang-orang Ji et
al. (2003) dan Baek dkk.(2005).
Pompa panas dan model AC telah banyak dipelajari. Pompa panas model
komputer pertama dikembangkan oleh Hiller dan Glicksman (1976). Sejumlah
juga model kepemilikan yang tidak tersedia untuk diperiksa di literatur. Beberapa
pompa panas model yang tersedia melalui literatur terbuka adalah model
MARKIII yang dikembangkan di laboratorium nasional oleh Fischer dkk (1988),
model HPSIM dikembangkan di NBS oleh Domanski dan Didion (1983) dan
Model pompa panas pengeringan gabah lainnya oleh Theerakulpisut (1990).
Semua model ini adalah dari udara ke udara panas pompa. System pemodelan
(RACMOD) pada ruangan ber AC yang dikembangkan oleh Mullen (1994) juga
tersedia. Model ini didasarkan pada persamaan yang Diatur model pompa panas
ORNL yang dikembangkan oleh Fisher dan Rice (1983) dan dimodifikasi oleh
O'Neal dan Penson(1988).
Semua model pompa panas dan AC digunakan untuk mempelajari fenomena
perpindahan panas antar udara. Tidak ada model percobaan diatas dibuat untuk
mempelajari kasus di mana panas buang harus di recover dari sistem AC. Ini
adalah keuntungan besar untuk memahami pengaruh dari penambahan pemanas
air ke dalam sistem yang melakukan tugas ganda yaitu pendinginan dan
pemanasan.
Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk membangun sebuah model
matematika pada sebuah AC sekaligus sebagai pemanas air untuk tujuan studi
sistem. Hal ini diharapkan bahwa model ini akan cukup akurat untuk mempelajari
kinerja sistem saat ini dan dirancang untuk melakukan tugas tambahan pemanas
air di samping sebagai alat pendinginaan. Studi parametrik dari sistem juga dapat
dilakukan untuk memahami parameter utama yang akan mempengaruhi kinerja
sistem. Model ini akan divalidasi dengan melakukan eksperimen untuk
Model ini dikembangkan dari Model Theerakulpisut (1990). Perbedaan
antara model dan ini Theerakulpisut Model terletak pada fakta bahwa Model
Theerakulpisut itu berisi kompresor reciprocating dan submodels katup ekspansi
termostatik, sedangkan penelitian ini mengusulkan untuk pemodelan sistem yang
menggunakan kompresor rotary dan tabung kapiler. Sebagai hasil dari
dimasukkannya tangki air panas antara kompresor dan kondensor, program
komputer penelitian ini juga lebih rumit karena kondisi refrigeran pada kondensor
inlet dapat superheated, dua fase atau subcooled. Pemodelan sistem berikutnya diuraikan.
Water heater di letakan di antara setelah bagian kompresor dan sebelum kondensor karena proses pemanasan air pada water heater tersebut menggunakan
panas buangan dari kondensor dimana pada umumnya suhu Freon yang keluar
dari kompresor AC dibuang pada kondensor.
Dengan adanya water heater, aliran panas itu dibelokkan dulu kedalam
tangki air dingin sebelum masuk ke kondensor terjadi kontak perpindahan panas
dari pipa AC dan air di dalam tangki. Pipa AC yang keluar dari kompresor
langsung di alirkan dahulu ke dalam heat exchanger berupa pipa spiral dalam tangki dan air yang semula dingin pun memanas, begitupula sebaliknya suhu
Freon yang panas menurun, setelah melewati pipa spiral dalam tangki barulah
kemudian pipa AC kembali diarahkan ke kondensor. Untuk memperoleh air panas
AC harus menyala dulu, bila ingin mendapat air panas pagi hari, AC dinyalakan
Adapun manfaat dari water heater adalah:
Hemat Uang
Daya Tahan lebih lama Aman
[image:42.595.181.443.235.468.2] Air panas yang diperoleh stabil.
Gambar 2.5 Aplikasi mesin pendingin SKU hibrid pada ruangan
[image:43.595.131.493.393.677.2]Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap hybrid seperti pada
gambar 2.5 diatas adalah sebagai berikut:
1-1’= proses berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur
konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh
cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga refrigerant berubah
fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigerant saat masuk
evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.
1’-2= proses berlangsung di antara evaporator dan compressor, dimana tekanan
konstan (isobar).
2-3= proses berlangsung dilakukan oleh compressor dan berlangsung secara
isentropik adibatik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam
compressor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami
kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses
ini berlangsung secara isentropic, maka temperature ke luar kompresor pun
meningkat.
3-4= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat. Dimana uap refrigerant dari kompressor akan di kompres hingga mencapai
tekanan kondensor.
4-.5= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat. dimana panas refrigerant yang telah di kompres oleh compressor
dibelokkan ke dalam koil pemanas di dalam tangki sebelum masuk ke
5-6= proses berlangsung di antara water heater dan kondensor dengan tekanan konstan (isobar). Dimana panas refrigerant sudah menurun, karena sudah
diserap oleh air di dalam tangki water heater.
6-.7=Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan
tinggi dalam kondisi superheat yang berasal dari water heater akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti
bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran
dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran
ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun
menjadi cair.
7-8= proses berlangsung di antara kondensor ke katup expansi, dimana tekanan
dan temperature sudah menurun.
8-9= proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini tidak terjadi
perubahan entalpi tetapi tejadi drop tekanan dan penurunan temperatur.
9-1= proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan,
temperature konstan) di dalam evaporator. Dimana panas dari lingkungan
akan di serap oleh cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga
refrigerant berubah fasa menjadi uap bertekan rendah. Kondisi refrigerant
saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.
Skema dari sistem pendingin udara sekaligus pemanas air yang diuraikan
dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar.2.4, dan siklus operasi ditunjukkan
pada Gambar. 2.6 Sistem terdiri dari komponen utama dari AC, yaitu kompresor,
yang juga berfungsi sebagai tangki penyimpanan air. Perlu dicatat bahwa selama
operasi normal, air panas diharapkan akan ditarik dari tangki, dan tangki disuplai
dengan air. Pada tahap penelitian, diasumsikan bahwa air tidak ditarik dari tangki.
Namun, model ini akan diperpanjang untuk menutupi daerah di mana air panas
ditarik dari tangki. Model matematika dari setiap komponen dapat dijelaskan
sebagai berikut.
2.3.1. Tabung kapiler dan model kompresor
Model tabung kapiler dikutip dari persamaan ASHRAE (1997). Dalam
metode ini, teorema pi Buckingham diaplikasikan pada faktor fisik dan sifat
cairan yang mempengaruhi aliran pada pipa kapiler. Hasil dari analisis ini adalah
sebuah kelompok terminology pi dengan dimensi delapan.
Proses dalam tabung kapiler dianggap adiabatik. Kondisi pada saat
refrigerant masuk dapat subcooled atau campuran cairan dan uap. Efek melingkar tabung kapiler akan dihitung. Koil dari tabung kapiler akan mengurangi laju aliran
massa refrigeran sebesar 5% bila dibandingkan dengan tabung lurus (1996). Oleh
karena itu, persamaan terminology pi dengan dimensi delapan dikalikan dengan
0,95 seperti yang ditunjukkan pada Persamaan. (10). Prosedur untuk menentukan
π8 dapat ditemukan di ASHRAE (1997).
f cap cap
r d
m , = 0,95
π
8µ
(10)
Model kompresor diperoleh dengan kurva data fitting produsen (Siam
Compressor Industry Co.,2002) untuk memberikan Persamaan. (11) untuk laju
[
t
t
m
rcop tc c e2 , . 0069 . 0 31674 . 1 12950 . 130 3600
1 − +
=
(
t
ct
c)
t
e2 00194 . 0 23284 . 0 90989 .
9 − −
+
(
t
ct
c2)
]
015 00 . 0 01524 . 0 43826 .
0 − −
+
(11)
[
ct
ccomp t
P 389.81950 9.84761 0.06207 2
1000
1 + +
=
(
t
ct
c)
t
e2 332 00 . 0 63628 . 0 09224 .
18 + −
− +
(
t
ct
c2)
]
068 00 . 0 06466 . 0 37331 .
1 − −
+
(12)
Persamaan (11) digunakan untuk menghitung laju aliran massa refrigeran untuk
membandingkan dengan nilai yang diperoleh dari Persamaan. (12) sampai
kesepakatan dalam toleransi yang ditentukan tercapai. Daya Input refrigeran
selama proses kompresi (w45) dapat dihitung dari Persamaan. (13). Efisiensi
kompresor rotari diberikan oleh Ozu dan Itami (1981), efisiensi mekanik (ɳm)
dan efisiensi motor listrik (ɳf) keduanya direkomendasikan menjadi 0,85.
τ
η
η
. 45m
p
W
=
m f comp
(13)
Kemudian, entalpi refrigeran pada pintu keluar kompresor (h5) dapat dihitung dari
s
s h h
h = 4 + 4
(14)
dimana entalpi refrigeran pada saluran masuk kompresor (h4) ditentukan dari
2.3.2 Model kondensor
Model kondensor terdiri dari banyak persamaan. Sejauh ini cukup rumit,
persamaan itu tidak semua akan disajikan di sini dan hanya persamaan utama
yang akan dijelaskan. Perpindahan panas pada kondensor dimodelkan
menggunakan metode NTU-e. Daerah Perpindahan panas pada kondensor dibagi
menjadi tiga zona, yaitu desuperheating, dua fase dan zona subcooled. Setelah melalui pemanas air,kondisi refrigeran masuk kondenser superheated, dua fase
atau subcooled. Strategi Pemodelan kondensor adalah sebagai berikut. a. Zona Desuperheating
Jika kondisi refrigeran pada sisi masuk kondensor adalah superheated, bagian dari daerah kondensor berada dalam zona desuperheating. Metode Newton-Raphson digunakan untuk memecahkan persamaan. (10) untuk jumlah
unit transfer (Ndsh), dan desuperheating (fdsh) dihitung dari Persamaan. (16).
Keseluruhan koefisien perpindahan panas di zona desuperheating (Udsh) dihitung
dengan Persamaan. (17), sedangkan efisiensi sirip (θ) dievaluasi dari persamaan
yang digunakan oleh Charters dan Theerakulpisut (1989). koefisien perpindahan
Panas refrigeran (hrs) dihitung dari terkenal Dittus-Boelter persamaan, dan sisi
udara koefisien perpindahan panas (telah) persamaan dihitung dari persamaan
Webb (1990),
(
)
(
)
[
(
)
]
− − − = − − 1 exp exp1 0.78
22 . 0 8 min 8 dsh dsh aci c rdsh CN C t t C t t C
N
(15) c dsh dsh dsh A U C Nf = min
(
)
as fin to as rs ti C dsh h A A h h A A u 1 1 1 + + − + = φ φ (17)Laju perpindahan panas pada bagian desuperheating (qdsh) dan suhu udara keluar
di zona desuperheating, yang sama dengan suhu udara inlet pada dua fasa (tatpi)
dihitung dari Pers. (18) dan (19), yaitu :
) (8 c r dsh C t t
q = −
(18) a dsh aci atpi
C
q
t
t
=
+
(19)
b. Zona Dua fase
Metode perhitungannya sama dengan yang ada di zona The
desuperheating, tetapi koefisien perpindahan panas pada refrigerant di wilayah dua fasa dievaluasi dari persamaan yang diusulkan oleh Traviss dkk.(1973).
Prosedur untuk menghitung fraksi dua tahap adalah sebagai berikut:
tp N tp
e
−−
=
1
ε
(20)(
)
(
)
(
(
c atpi)
)
atpi atpo atpi c atpi atpo a tp t t t t t t C t t C − − = − − = min ε (21) c tp tp
A
A
f
=
(22) a c tp tp tp tp tp C A f U C A UN = =
min (23)
− − = atpo c atpi c c tp a tp t t t t A u c f ln (24)
Perhitungan (ftp) oleh Pers. (24) membutuhkan (tatpo), yang dapat dihitung dari
pers. a fg r atpi atpo C h t t
m
. + = (25)Perhatikan bahwa persamaan (25) ini hanya berlaku jika refrigeran masuk ke
dalam tahap dua fase sebagai uap jenuh dan keluar sebagai cair jenuh. Laju
perpindahan panas untuk bagian dua fasa dapat dihitung dengan pers.
fg r tp
m
h
q
.
=
(26)
Zona subcooled mungkin tetap berada di kondensor, dan fraksi subcooled (fsc)
dapat dihitung dari
(
)
, 11− + + ≤
= tp dsh tp dsh
sc f f f f
f
(27)
Atau fsc = ftp + fdsh >1
(28)
Jika zona subcooled tidak ada,maka i.e Fsc = 0, fraksi dua fase harus ditentukan
dari
dsh sc
f
f
=
1
−
(29)
dan laju perpindahan panas dari pers ,
(
c atpi)
tp
tp
c
t
t
q
=
ε
min−
(30)
Suhu udara keluar pada dua fasa (tatpo), ,dihitung dari pers.
a tp atpi atpo
c
q
t
t
=
+
c. Subcooled zona
Jika fraksi subcooled lebih besar dari nol, perpindahan panas untuk wilayah subcooled dalam kondensor dievaluasi dari persamaan berikut. Prosedur perhitungan hampir mirip dengan bagian desuperheating.
min
c A f U
N sc sc c
sc = (32)
(
)
[
]
− − −=1 exp exp 0.78 1
22 . 0 scv sc sc CN C N ε (33)
(
)
rsc atpo c sc c c t t c tt9 = −ε min −
(34)
Catatan Bahwa keseluruhan koefisien perpindahan panas dalam zona
subcooled (Usc) sama dengan Persamaan. (18) Digunakan untuk mengevaluasi
Udsh. Laju perpindahan panas untuk zona subcooled dapat dihitung dari pers.
(
t t9)
c
qsc = rsc c −
(35)
dan suhu udara keluar kondensor,
a sc atpo aco c q t
t = +
(36)
Total laju perpindahan panas pada kondensor diperoleh dari jumlah laju
perpindahan panas dari tiga zona.
sc tp dsh
c q q q
q = + +
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian dan Waktu Penelitian 3.1.1 Tempat penelitian
Tempat penelitian dilakukan di beberapa tempat, yaitu Hotel Sapadia
Siantar, Hotel Danau Toba Internasional, RS Columbia Asia dan Laboratorium
Pendingin Departemen Teknik Mesin, FT-USU.
3.1.2 Waktu Penelitian
Waktu Penelitian dimulai tanggal 01 Juli – 08 Oktober 2011
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan
Penelitian ini akan menggunakan bahan-bahan untuk pengukuran dan
beberapa alat seperti alat produksi dan alat ukur.
3.2.1 Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :
1. Alat ukur temperatur udara, kecepatan angin, intensitas cahaya dan
kelembaban (Station data logger HOBO Micro Station)
Dengan spesifikasi :
a. Skala Pengoperasian : 200 – 500C dengan baterai alkalin
400 – 700C dengan baterai litium
b. Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring
c. Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
d. Berat : 0,36 kg
e. Memori : 512Kb Penyimpanan data nonvolatile flash.
f. Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)
g. Akurasi waktu : 0 - 2 detik
2. Alat ukur temperatur / termokopel (AGILENT)
Gambar 3.2 Agilent dengan termokopel tipe T dan K
Spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah saluran termokopel 20 buah
c. Tegangan 250 volt
e. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
g. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, RTD dan termistor,
arus listrik AC
3.2.2 Bahan
Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :
a. Kabel termokopel
b. Pipa pembungkus (PVC 1,5 inch)
c. Perekat
d. Dll
3.3 Variabel Riset
Adapun variabel input dari pengujian yang akan dianalisa antara lain adalah
sebagai berikut :
a. Temperatur evaporator dan kondensor
b. Temperatur ruangan
Di mana akan dihasilkan data simulasi berupa variabel output yang
diharapkan, yaitu :
a. Kerja kompresor
b. Beban pendingin
c. COP
d. Dimensi kondensor
3.4 Set-up Pengujian
Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini sesuai dengan tanggung jawab
kondensor dengan media udara dan air yang dikombinasikan dengan siklus
kompresi uap. Penulis menghitung secara analitik pengaruh perubahan temperatur
kondensor terhadap kerja kompresor, beban pendingin maksimum yang dapat
dilayani, COP siklus, dan dimensi kondensor minimum yang dapat diperoleh.
Penulis memulai skripsi ini dengan mencari referensi yang sesuai. Lalu
dilakukan proses pengumpulan data yang berkaitan seperti temperatur udara
harian, intensitas cahaya, kecepatan angin, dan kelembaban udara menggunakan
alat Station data logger HOBO Micro Station selama 3 bulan. Setelah itu diambil juga data temperatur kondensor dari tidak menggunakan air, setengah pengisian
air, serta pengisian air penuh dengan menggunakan alat ukur temperatur dan
termokopel Agilent. Proses dilanjutkan dengan perhitungan analitik dan membuat
perbandingan temperatur kondnsor tiap titik termokopel saat water heater bekerja maupun tidak bekerja
Salah satu gambar pengambilan data temperatur kondensor dan diagram
Gambar 3.4 Diagram Alir Proses Pengerjaan Skripsi Ya
Tidak
Mulai LiteraturStudi Buku referensi, jurnal, paper,
internet,dll
Perhitungan beban kondensor Pengambilan data temperatur kondensor
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai Perhitungan analitik pengaruh perubahan temperatur kondensor
Perhitungan temperatur kondensor dengan air tangki setengah penuh
Pengambilan data temperatur udara harian, intensitas cahaya, kecepatan
angin, dan kelembaban udara
Pennghitungan dimensi kondensor
Perlu modifikasi?
Perhitungan temperatur kondensor dimana water heater tidak bekerja
Perhitungan temperatur kondensor dengan air tangki penuh
BAB IV
ANALISA DATA
4.1 Perhitungan dimensi utama kondensor
Dari data yang diperoleh dalam perancangan kapasitas pendingin di
ruangan yang terdapat di Gedung Pascasarjana Departemen Teknik Mesin,
FT-USU lantai 2 sebesar 5,12 kW dan daya kompresor yang digunakan sebesar 0,746
kW, maka dirancang dimensi utama dari kondensor yang akan digunakan sebagai
pendingin refrigeran. Dimensi utama dari kondensor adalah perhitungan panjang
pipa tembaga. Untuk mencari panjang pipa tembaga, terlebih dahulu dicari luas
dari pipa tembaga dengan menggunakan persamaan (7).
Kondensor yang akan dirancang menggunakan refrigeran R22 dengan
berpendingin udara. Udara yang digunakan sebagai media pendingin adalah udara
lingkungan dengan suhu 30oC dan direncanakan keluar dari APK adalah 35oC.
Pipa yang digunakan adalah pipa tembaga dengan diameter 6,4 mm dan
diasumsikan pipa tembaga sangat tipis. Dari suhu rata-rata sebesar 32,5oC, maka
didapat sifat termofisika R22 (lampiran A) sebagai berikut :
• µf = 1,8 x 10-4 kg/ms
• kf = 0,779 W/mK
• ρf = 1118,9 kg/m3
• hfg = 160,9 kJ/kg
Sifat-sifat udara pada temperatur 32,5 oC
• ρu = 1,140 kg/m3
• µu = 1,331E-05 Ns/m2
• ku = 2,670E-02 W/mK
• Pru = 0,705
Langkah pertama dalam perancangan kondensor adalah menentukan nilai
ho dan nilai hi sesuai dari data termofisika dari R22 dan udara.
Pada umumnya, bentuk penampang pipa adalah lingkaran. Ada kalanya
penampang pipa bukan lingkaran, tetapi berbentuk lain seperti ellips, persegi 4,
dll. Untuk pipa dengan penampang seperti ini, persamaan umum berikut dapat
digunakan.
n m
CRe Pr
Nu= (38)
Syarat menggunakan persamaan ini adalah sifat fisik fluida dianalisa pada
temperatur film. Konstanta C, m, dan n pada persamaan tersebut telah disusun oleh Zukauskas (1972) dan Jakob (1949), untuk masing-masing kasus ditampilkan
Tabel 4.1. Persamaan bilangan Nu untuk pipa (Himsar Ambarita, 2011)
Penampang Syarat Re Nu
Fluida: Gas dan Cair
0,4 – 4 0,330 13
Pr Re 989 , 0 Nu=
4 – 40 0,335 13
Pr Re 911 , 0 Nu=
40 – 4000 0,466 13
Pr Re 683 , 0 Nu=
4000 – 40000 0,618 13
Pr Re 193 , 0 Nu= 40000 – 400000 3 1 805 , 0 Pr Re 027 , 0 Nu= Fluida: Gas
5000-100.000 0,675 13 Pr Re 102 , 0 Nu= D Fluida: Gas 5000 –
100.000 0,588 13
Pr Re 246 , 0 Nu= D Fluida: Gas 5000 –
100.000 0,638 13
Pr Re 153 , 0 Nu= D Fluida: Gas
5000 – 19.500
3 1 638 , 0 Pr Re 160 , 0 Nu= 19.500-100.000 3 1 782 , 0 Pr Re 0385 , 0 Nu= D Fluida: Gas
4000 – 15.000 0,731 13 Pr Re 228 , 0 Nu= D Fluida: Gas
Bilangan Reynold dan bilangan Nu akan didefenisikan dengan diagonal (D) sebagai pengganti panjang karakteristik. Maka defenisi bilangan Reynolds dan
bilangan Nusselt menjadi:
µ ρUD
=
Re (39)
L hD
Nu= (40)
Dari sifat-sifat refrigeran dan udara yang telah didapat, maka dihitung ho dengan
menggunakan persamaan (40), dengan terlebih dahulu menghitung bilangan
Reynold dengan menggunakan persamaan (39). Diasumsikan kecepatan desain U
sebesar 1,5 m/s
Re = 835,566
Pada Tabel 4.1, persamaan bilangan Nu pada gambar penampang pertama yang
digunakan dalam perhitungan, maka dengan bilangan Reynold pada rentang
40-4000 didapat bilangan Nussel,
Nu = 13,897
Dengan persamaan (40), didapat nilai ho sebagai berikut
ho = 57,979 W/m2K
Setelah nilai ho diperoleh, dihitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi di
kondensor. Dalam menghitung laju perpindahan panas kondensor, dapat dicari
dengan menggunakan bantuan COP,
,
Maka, Qc = Qe + Wk = 5,12 kW + 0,746 kW = 5,866 kW
Kemudian, dihitung laju aliran massa udara dengan menggunakan persamaan (6),
5,866 kW = ṁu x 1,005046 kJ/kg.K ( 35 – 30) oC ṁu = 1,1673 kg/s
Setelah didapat laju aliran massa udara, maka dapat dihitung bilangan Reynold
dari persamaan (41) berikut,
(41)
