UJI PERFORMARSI SISTEM REFRIGERASI WATER-COOLED CONDENCER DAN AIR-COOLED CONDENCER MENGGUNAKAN HEAT EXCHANGER ALIRAN-SEARAH DAN ALIRAN-LAWAN- ARAH DENGAN MEMVARIASIKAN DEBIT FLUIDA PENDINGIN PADA CONDENCER Markus

UJI PERFORMARSI SISTEM REFRIGERASI

WATER-COOLED CONDENCER

_DAN

AIR-COOLED CONDENCER

MENGGUNAKAN

HEAT EXCHANGER

_{ALIRAN-SEARAH DAN}

ALIRAN-LAWAN-ARAH DENGAN MEMVARIASIKAN DEBIT FLUIDA PENDINGIN PADA

CONDENCER

Markus

Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung.

Abstrak

Pada kondisi yang sama sistem refrigerasi kompresi uap berpedingin air pada kondenser (water-cooled condencer) lebih baik dibanding dengan air-(water-cooled condenser. Laju aliran massa atau debit fluida pendingin pada condenser akan menentukan kinerja sistem. Secara umum dapat dikatakan bahwa debit aliran fluida yang besar akan menghasilkan peningkatan kinerja yang lebih besar pula, namun diperlukan daya pompa/fan yang meningkat pula. Alat uji berupa sistem refrigerasi training-unit jenis water-cool condencer dan air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-searah dan aliran-lawan-arah, penelitian dilakukan untuk mengkaji dan membandingkan pengaruh laju aliran fluida pada kondenser terhadap kinerja pada mesing-masing sistem. Debit air yang mengalir pada kondenser sebanyak 5 variasi, yaitu very low, low, medium, high, dan very high. Dari hasil pengujian, efek refrigersi untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah rata-rata turun 1.1 % terhadap penurunan debit air pendingin di condenser, sedangkan untuk air-cool condencer penurunan rata-rata adalah 0.6 %. Kerja kompresi untuk semua jenis pengujian relative konstan. Koefisien prestasi (COP) untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah rata-rata turun 4.2 % terhadap penurunan debit air pendingin di condenser, sedangkan untuk air-cool condencer penurunan rata-rata adalah 0.4 %. Efisiensi untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-arah terjadi penurunan rata-rata 2.9 %, dan untuk aliran-sealiran-lawan-arah turun rata-rata 1.6 %, sedangkan untuk air-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah, efisiensi relative konstan.

Kata kunci:_{Condenser, debit air, efek refrigerasi, kerja kompresi, COP}

PENDAHULUAN

Kalor yang diserap oleh evaporator akan dibuang melalui kondenser ke lingkungan. Kondisi lingkungan akan menentukan kinerja sistem. Bila temperatur lingkungan tinggi maka akan menurunkan kinerja, dan sebaliknya bila temperatur lingkungan rendah maka akan menaikkan kinerja. Pada negara tropis yang umumnya memiliki temperatur udara lingkungan relatif tinggi, tidaklah mungkin mengharapkan temperatur udara lingkungan yang rendah. Salah satu upaya agar temperatur lingkungan kondenser relatif rendah, maka digunakan air atau udara sebagai pendingin kondenser atau tempat pembuangan kalor dari

kondenser. Sistem berpendingin air sering disebut water-cooled condenser dan sistem berpendingin udara sering disebut air-cooled condenser.

Oleh karena temperatur udara lingkungan lebih tinggi dari temperatur air, maka kinerja

water-cooled condenser lebih baik dibanding denganair-cooled condenser.

kompresi (titik 1 ke 5), dan kenaikancoefficient of performance(COP).

Meskipun telah diketahui bahwa water-cooled condenser memilili kinerja lebih tinggi dari air-cooled condenser namun dalam penerapannya water-cooled condenser tidak praktis untuk sistem yang relatif kecil. Pemakaian water-cooled condenser akan memerlukan daya pompa dan air yang berkualitas. Penggunaan air yang berkualitas memerlukan biaya, namun bila air tidak berkualitas maka akan menyebabkan tingginya biaya perawatan pada kondenser.

Gambar 1. Diagram tekanan-enthalpi (Ph)

untuk Water-cooled condenser dan air-cooled condenser

Temperatur dan kuantitas air sangat menentukan kinerja sistem. Sistem dengan debit air yang besar akan memerlukan kuantitas air yang banyak dan daya pompa yang relatif tinggi. Sehingga walaupun kinerja sistem meningkat dengan penggunaan debit air yang tinggi, namun akan diikuti biaya pengadaan air dan biaya listrik pompa.

Untuk sistem air-cooled condenser, walaupun kinerjanya tidak sebaikwater-cooled condenser, namun untuk sistem yang relative kecil akan lebih praktis dan mudah perawatannya. Instalasi yang sederhana dan biaya operasional yang lebih murah, menjadikan sistem air-cooled condenser lebih banyak dipilih.

Heat exchanger (penukar-kalor) akan melepas kalor refrigerant-cair tekanan-tinggi yang mengalir keluar dari condenser dan diserap oleh uap-refrigeran tekanan-rendah yang mengalir keluar dari evaporator. Pelepasan kalor refrigerant-cair tekanan-tinggi sebelum ekspansi akan menurunkan temperature refrigerant (sub-cool), sehingga akan menaikkan efek-refrigerasi. Sedangkan penyerapan kalor oleh uap-refrigeran

tekanan-rendah akan menaikan temperature refrigerant (super-heat), sehingga akan menurunkan kerja kompresi sedangkan efek-refrigerasi akan naik.

Untuk penggunaan penukar-kalor pada sistem yang sama, penukar-kalor aliran- lawan-arah lebih efektif dibandingkan dengan penukar-kalor aliran-searah (Holman 2010).

Pada penelitian ini akan dikaji pengaruh debit air terhadap kinerja sistem refrigerasi

water-cooled condenser menggunakan

penukar-kalor aliran-searah dan aliran-lawan-arah, dan pengaruh debit udara terhadap kinerja sistem refrigerasi air-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-searah dan aliran-lawan-arah.

Penurunan debit air dari very high

(maksimum) hinggavery lowakan menurunkan efek-refrigerasi rata-rata 2.5%, dan kerja kompresor akan naik sebesar 0.48 kJ/kg (Tandi, Markus 2011)

Kinerja Sistem

Terdapat beberapa parameter kinerja pada mesin refrigerasi. Antara lain yaitu: efek refrigerasi (qe), kerja kompresi (Wk), koefisien prestasi COP (coefficient of performance), dan efisiensi.

Berdasarkan Gambar 1, efek refrigerasi untuk air-cooled condenser dinyatakan dengan persamaan,

)

1

(

)

(

_{1 4}

1

h

h

q

_e

_

_

Sedangkan efek refrigerasi untuk water-cooled condenserdinyatakan dengan persamaan,

)

(

_{1 7}

1

h

h

q

_e

_

_

(2)

Persamaan kerja kompresi untuk

air-cooled condenser dinyatakan dengan

persamaan,

)

3

(

)

(

_{2 1}

1

h

h

q

_k

_

_

Persamaan kerja kompresi untuk

water-cooled condenser dinyatakan dengan

persamaan,

)

(

_{5 1}

2

h

h

q

_k

_

_

Persamaan COP untuk air-cooled

condenser dan water-cooled condenser

dinyatakan dengan persamaan (5) dan (6), yaitu,

Persamaan efisiensi mesin refrigerasi dinyatakan dengan persamaan (7)

Efisiensi =

Jumlah refrigeran yang bersirkulasi

Jumlah refrigeran yang bersirkulasi pada sistem adalah jumlah refrigeran yang dimasukkan dan diuapkan di dalam evaporator. Kapasitas refrigerasi merupakan hasil kali antara jumlah refrigerant yang bersirkulasi per satuan waktu dengan efek refrigerasi, dan dapat dihitung dengan persamaan:

Qe=

di mana: Qe = Kapasitas refrigerasi (kW)

qe = Efek refrigerasi, selisih entalpi keluaran dengan masukan evaporator (kJ/kg )



m

= Jumlah refrigeran yang bersirkulasi (kg/s)

Untuk mencari daya kompresor digunakan persamaan :

qw = kerja kompresi, selisih entalpi keluaran dengan masukan kompresor (kJ/kg )

Koefisien prestasi ( COP)

Di dalam siklus pendinginan kompresi uap, unjuk kerja mesin dapat dinyatakan dalam bentuk perbandingan antara manfaat yang diperoleh yaitu penarikan kalor (qe) dengan energi yang harus dibayar berupa kerja kompresi (qw). Perbandingan ini lazim disebut koefisien prestasi atau coefficient of performance disingkat COP. Maka secara umum COP mesin pendingin dapat dinyatakan sbb:

COP mesin pendingin air-cooled condenser

adalah:

Dan COP mesin pendingin water-cooled condenseradalah:

Untuk sistem refrigerasi, berdasarkan pengalaman COP berkisar 2 – 5 tergantung pada jenis refrigerant yang digunakan dan kondisi kerja sistem.

METODE PENELITIAN

Gambar 2.Alat uji sistem refrigerasi training-unit kapasitas ¼ PK

Pengujian yang dilakukan meliputi:

1. Pengujian sistem water-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-searah 2. Pengujian sistem water-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah

3. Pengujian sistem air-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-searah 4. Pengujian sistem air-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah

Setiap pengujian pada poin di atas dilakukan dengan memvariasikan debit fluida pendingin pada condenser, dari very low, low,

medium,high, hinggavery high.

Gambar 3.Diagram pemipaan alat uji

sistem-refrigerasi training unit

1. Pengujian sistem water-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-searah; fan air-cool dimatikan, water pump dihidupkan, katup sv3, sv4, hv1, hv2, dan hv5 ditutup. 2. Pengujian sistem water-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah;

fan air-cooldimatikan,water pumpdihidupkan, katup sv3, sv4, hv1, hv3, dan hv4 ditutup. 3. Pengujian sistem air-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-searah; fan air-cooldihidupkan,water pumpdimatikankan, katup sv1, sv2, hv1, hv2, dan hv5 ditutup. 4. Pengujian sistem air-cooled condenser

menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah;

fan air-cool dihidupkan, water pump

dimatikankan, katup sv1, sv2, hv1, hv3, dan hv4 ditutup.

Dimana, sv = solenoid valve dan hv = hand valve

Data-data diambil setelah kerja sistem stedy (relatif stabil).

Data-data yang diperlukan pada setiap pengujian mesin refrigerasi dilakukan untuk mengetahui gambaran unjuk kerja sistem secara keseluruhan yang meliputi kerja compresor, condenser, exspansi, evaporator dan control lainnya. Pada pengujian ini dilakukan pengukuran–pengukuran besaran tekanan discharge, sucton line, temperatur discharge, temperatur suction, temperatur masuk exspansi, arus dan tegangan listrik.

Dengan mengetahui besaran-besaran tersebut diatas diperoleh unjuk kerja sistem yang meliputi kerja kompresor, kalor yang dibuang dikondenser, kalor yang diserap dievaporator, COP dan effisiensi sistem.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari pengolahan data yang diperoleh, hasilnya ditabelkan sebagai berikut:

Tabel 1. Kinerja sistem refrigerasi pada

berbagai kondisi pengujian

HX very low low

mediu m high

very high

qe

(kJ/kg) Wat

er cool

Lawan

-arah 185.0 187.1 189.1 190.0 193.7

Searah 183.3 187.2 188.4 189.2 192.4

Air cool

Lawan

-arah 172.0 172.7 174.0 175.0 176.3

Searah 172.0 172.5 173.4 173.9 174.6

qk

(kJ/kg) Wat

er cool

Lawan

-arah 227.0 229.0 232.0 231.0 231.0

Searah 231.4 236.5 237.2 238.0 240.9

Air cool

Lawan

-arah 227.1 228.0 229.5 230.4 232.4

Searah 229.0 229.4 230.2 231.0 231.7

qw

(kJ/kg) Wat

er cool

Lawan

-arah 42.6 41.8 43.2 41.5 37.1

Searah 48.4 49.4 49.1 48.8 48.5

Air cool

Lawan

-arah 55.1 55.3 55.5 55.4 55.7

Searah 57.0 56.9 56.8 57.1 57.1

COPact ual

Wat er cool

Lawan

-arah 4.34 4.48 4.38 4.58 5.22

Air cool

Lawan

-arah 3.12 3.12 3.14 3.16 3.17

Searah 3.02 3.03 3.05 3.05 3.06

COPcar

-arah 5.16 5.12 5.12 5.46 5.49

Searah 5.10 5.08 5.06 5.04 5.00

Air cool

Lawan

-arah 3.98 3.99 4.03 4.03 4.04

Searah 3.90 3.90 3.92 3.92 3.92

Efisien

-arah 84.1 87.5 85.6 83.8 95.1

Searah 74.3 74.6 75.9 77.0 79.4

Air cool

Lawan

-arah 78.4 78.2 77.9 78.4 78.5

Searah 77.4 77.7 77.8 77.8 78.1

Dari tabel kinerja sistem refrigerasi dapat dibuat beberapa grafik yang dapat menjelaskan perbandingan unjuk kerja masing-masing pengujian.

Berikut ini adalah grafik qk (kalor yang buang di kondenser), qe (kalor yang diserap di evaporator), qw (kerja kompresi), COP, dan efisiensi terhadap debit fluida pendingin condenser.

Perubahan debit fluida pada kondensor dari posisi very low, low, medium, high, dan very high mempengaruhi waktu pencapaian temperatur pada kabin dari keadaan sistemcut in ke cut off. Semakin besar debit fluida yang dialirkan ke kondenser maka semakin cepat sistem mengalamicut off.

Gambar 4. Grafik qeterhadap variasi debit air

pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian

Berdasarkan gambar 4, terbukti bahwa penukar kalor aliran-lawan-arah lebih efektif dibanding aliran-searah (Holman 2010). Efek refrigerasi pada water cool condencer HX aliran-lawan-arah rata-rata lebih besar dibanding yang lain, ini dikarenakan fluida refrigerant yang akan masuk evaporator telah melepas lebih banyak energy kalor di heat exchanger dibanding tiga kondisi pengujian yang lain sehingga kondisi refrigerant lebih

sub-cool, dan refrigerant yang akan masuk kompresor telah menyerap lebih banyak energy kalor dari refrigerant yang akan masuk evaporator sehingga kondisi refrigerant lebih

super-heat. Variasi debit fluida pendingin condenser ikut mempengaruhi efek refrigerasi, semakin kecil debit fluida pendingin maka kalor yang mampu diserap refrigerant semakin kecil sehingga suhu refrigerant masuk evaporator lebih tinggi.

Gambar 5.Grafik qkterhadap variasi debit air

pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian

Dari gambar 5, efek kondensasi pada

water cool condencer HX aliran-lawan-arah, rata-rata lebih besar dibanding yang lain, dan semakin kecil debit fluida pendingin condenser, semakin kecil pula energy kalor yang mampu diserap refrigerant sehingga akan menurunkan kerja kondenser.

Berbeda dengan efek refrigerasi dan kerja condenser, kerja kompresi terhadap debit fluida pendingin condenser pada semua jenis pengujian relative konstan. Namun kerja 160

Debit fluida pendingin kondenser Water-cool-con_HX Lawan-arah

kompresi pada water cool condencer HX aliran-lawan-arah rata-rata lebih kecil dibanding dengan tiga pengujian yang lain, hal ini dikarenakan refrigerant yang masuk sisi hisap (section) memiliki suhu lebih tinggi setelah menyerap energy kalor di heat exchanger, sehingga akan menurunkan kerja kompresi.

Gambar 6.Grafik qwterhadap variasi debit air

pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

Gambar 7. Grafik COP terhadap variasi debit

air pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

Lihat gambar 7, Dengan meningkatnya efek refrigerasi terhadap peningkatan debit fluida pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian, sedangkan kerja kompresi relative konstan, maka COP actual akan ikut meningkat. Pada setiap kondisi pengujian, COP

rata-ratapun ikut naik dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser. Pada kondisi yang sama, water cool condencer HX aliran-lawan-arah memiliki nilai COP rata-rata lebih tinggi dibanding dengan tiga pengujian yang lain.

Lihat gambar 8, efisiensi meningkat dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser, hal ini dikarenakan semakin rendahnya suhu kondensasi akibat penyerapan energy kalor oleh debit fluida pendingin yang semakin meningkat, sedangkan suhu evaporasi relative konstan. Pada tiap kondisi pengujian, efisiensi rata-ratapun ikut naik dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser, dan pada kondisi yang sama, water cool condencer HX aliran-lawan-arah memiliki nilai efisiensi rata-rata lebih tinggi dibanding dengan tiga pengujian yang lain.

Gambar 8. Grafik efisiensi terhadap variasi

debit air pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

KESIMPULAN

1. Pengujian menggunakan water-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-lawan-arah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser:

Efek refrigerasi turun rata-rata 1.1 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.4 %, COP turun rata-rata 4.2 %, dan efisiensi turun rata-rata 2.9 %, sedangkan kerja kompresi relative konstan.

2. Pengujian menggunakan water-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-searah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser:

Efek refrigerasi turun rata-rata 1.1 %, efek kondensasi turun rata-rata 1.5 %, COP

Debit fluida pendingin kondenser Water-cool-con-HX Lawan-arah

Debit fluida pendingin kondenser Water-cool-con_HX Lawan-arah

rata-rata 1.6 %, sedangkan kerja kompresi relative konstan.

3. Pengujian menggunakan air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-lawan-arah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser:

Efek refrigerasi turun rata-rata 0.6 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.6 %, COP turun rata-rata 0.4 %, dan efisiensi serta kerja kompresi relative konstan.

4. Pengujian menggunakan air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-searah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser:

Efek refrigerasi turun rata-rata 0.6 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.3 %, COP turun rata-rata 0.4 %, dan efisiensi serta kerja kompresi relative konstan.

Secara keseluruhan sistem refrigerasi water-cool condencer dengan

heat-exchanger aliran-lawan-arah

mempunyai efek refrigerasi paling tinggi sebesar 193.7 kJ/kg, dan yang terendah adalah sistem refrigerasi air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-searah mempunyai efek refrigerasi sebesar 174.6 kJ/kg. Kerja kompresi tertinggi terjadi pada air-cool condencer dengan

heat-exchanger aliran-searah sebesar 55.7 kJ/kg, dan yang terendah terjadi pada

water-cool condencer dengan

heat-exchanger aliran-lawan-arah sebesar 37.1 kJ/kg.

DAFTAR PUSTAKA

1. Althouse, Andrew D,et all, 1992, Modern Refrigeration an Air Conditoning, The Goodhera-Willcox Company, Inc, Illinois.

2. ASHARE Hand booK Of Refrigeration

2002, American Society of Heating Refrigeration And Air Conditioning Engineer, Atlanta

3. Dossat, RJ. 1981, Prinsiples of refrigeration, john Wiley and Sons, New York

4. Holman, JP. 2002, Ninth Edition, Heat Transfer, McGraw-Hill Compaines, New York.

5. Tandi, Markus, 2011, Uji Performansi Sistem Refrigerasi dengan Variasi Debit Air pada Water-cool Condencer, Race, Volume 5 No.2, Politeknik Negeri Bandung

6. The Trane Company, 1994, Trane

Reciprocating Refrigeration, La