ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PENGERING PAKAIAN SISTEM POMPA KALOR ABSTRACT PENDAHULUAN

Volume 05, Nomor 01, 2018, 1 – 7 ISSN : 2540-8389

ANALISIS ENERGI DAN EKSERGI PENGERING PAKAIAN SISTEM POMPA KALOR

Indra Hermawan¹

1Program Studi Mesin Otomotif, Politeknik LP3I Medan HP: 081370845227

*E-mail: indra98031@gmail.com

ABSTRACT

Heat pump is a tool that can be used as a dryer, which has the potential as an energy-efficient dryer.

This study aims to analyze energy and exergy in the process of drying clothes by using a heat pump system with polyester clothing material. The results showed that the drying rate in the process of drying clothes using a heat pump system with polyester clothing material was 1.72 g / min. The average drying energy is 0.14 kW with an efficiency of 88.09%, while the average exergy drying rate is 0.0014 kW with an efficiency of 72.93%.

Keywords: Heat Pump, energy, exergy

PENDAHULUAN

Energi yang di hasilkan dari panas sangat banyak dimanfaatkan di kehidupan sehari-hari terutama dalam proses pengeringan, salah satunya adalah kegiatan pengeringan pakaian yang umumnya dilakukan dengan cara konvensional yaitu dengan menjemur langsung di bawah sinar matahari diluar ruangan. Seiring dengan perkembangan teknologi maka proses pengeringan pakaian tidak lagi hanya dilakukan dengan cara konvensional tersebut, tetapi dengan membuat mesin yang dapat menghasilkan panas sebagai pengganti sinar matahari. Pemakaian mesin ini mempunyai keuntungan, yaitu tidak bergantung kepada cuaca.

Heat pump atau pompa kalor merupakan salah satu sistem yang dapat dimanfaatkan sebagai mesin pengering pakaian. Pompa kalor sebagai pengering berpotensi menghemat energi (Denkenberberg, Calwell, Beck, Trimboli, & Driscll, 2013). Pompa kalor untuk pengeringan pakaian atau Heat Pump Clothes Dryers (HPCDs) dapat menghemat energi sebesar 50% daripada pengering pakaian listrik konvensional, dan karenanya memiliki potensi menyimpan energi yang besar (Meyers, Franco, Lekov, Thompson, & Sturges, 2010).

Penelitian ini bertujuan melakukan analisis energi dan eksergi pada proses pengeringan pakaian dengan sistem pompa kalor.

METODE PENELITIAN

Pompa kalor yang akan diuji terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, katup ekspansi dan ruang pengering. Dimensi ruang pengering adalah (1 x 1 x 1)m, sedangkan dimensi dari duct udara ruang pengering menuju evaporator dan dari evaporator menuju ke kondensor adalah panjang 0,78 m dan lebar 0,52 m. Jenis pakaian yang di uji adalah pakaian berbahan polyester 100%. Objek penelitian dan pompa kalor yang digunakan diperlihat pada gambar 1.

Gambar 1. Objek Penelitian

Peubah yang diamati/diukur adalah kecepatan udara, kelembaban udara dan temperatur udara.

Pada tabel 1 berikut diperlihatkan peubah beserta alat ukur yang digunakan.

Tabel 1. Peubah yang diamati

Peubah Indikator Deskriptor Instrumen

Kecepatan Udara Aliran udara m/s Anemometer

Kelembaban Udara Alian udara % Rh meter

Temperatur udara Aliran udara ^oC Rh meter

Berat pakaian basah Pakaian gr Load cell

Set-up peralatan untuk pengukuran peubah-peubah yang dilakukan dengan menempatkan alat ukur sesuai dengan kondisi yang ingin dicapai terlihat pada gambar 2.

Load Cell Rh

T

Rh T Rh

T

1

2 3

C

Rh T

Rh T

Rh T

1 2 3

Komputer (Data Logger) EL-USB (Rh & Temperatur)

Gelas Ukur air

Kondensor

Kompresor Kipas

Kipas

Katup Ekspansi Evaporator

Anemometer

Gambar 2. Eksperimental set-up

Persamaan dan rumus yang digunakan untuk mencapai tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

Persamaan keseimbangan massa dapat di tuliskan dalam bentuk sebagai berikut:

∑ 𝑚̇_𝑖𝑛 = ∑ 𝑚̇_𝑜𝑢𝑡 (1)

Dimana 𝑚̇ adalah laju aliran massa (𝑚̇𝑖𝑛, laju aliran massa masuk dan 𝑚̇𝑜𝑢𝑡, laju aliran massa keluar). Keseimbangan energi dapat dituliskan sebagai total energi masuk sama dengan total energi keluar;

∑ 𝐸̇_𝑖𝑛= ∑ 𝐸̇_𝑜𝑢𝑡 (2)

Total eksergi dari sistem, 𝐸̇_𝑥 ditentukan atas 4 komponen yaitu: eksergi fisik (physical exergy) 𝐸̇_𝑥^𝑃𝐻, eksergi kinetik (kinetic exergy) 𝐸̇_𝑥^𝐾𝑁, eksergi potensial (potential exergy) 𝐸̇_𝑥^𝑃𝑇, dan eksergi kimia (cemical exergy) 𝐸̇𝑥

𝐶𝐻. (Hepbasli, 2008)

𝐸̇_𝑥 = 𝐸̇_𝑥^𝑃𝐻+ 𝐸̇_𝑥^𝐾𝑁+ 𝐸̇_𝑥^𝑃𝑇+ 𝐸̇_𝑥^𝐶𝐻 (3)

Total eksergi tertentu secara massal dapat ditulis sebagai berikut:

𝑒𝑥 = 𝑒𝑥^𝑃𝐻+ 𝑒𝑥^𝐾𝑁+ 𝑒𝑥^𝑃𝑇+ 𝑒𝑥^𝐶𝐻 (4)

Keseimbangan eksergi secara umum dapat dituliskan sebagai berikut:

∑ 𝐸𝑥̇_𝑖𝑛− ∑ 𝐸𝑥̇_𝑜𝑢𝑡 = ∑ 𝐸𝑥̇_{𝑑𝑒𝑠𝑡} (5)

Atau

𝐸𝑥̇_{ℎ𝑒𝑎𝑡}− 𝐸𝑥̇_{𝑤𝑜𝑟𝑘}+ 𝐸𝑥̇_{𝑚𝑎𝑠𝑠,𝑖𝑛}− 𝐸𝑥̇_{𝑚𝑎𝑠𝑠,𝑜𝑢𝑡}= 𝐸𝑥̇_{𝑑𝑒𝑠𝑡} (6) Dimana:

𝐸𝑥̇_{ℎ𝑒𝑎𝑡}= ∑ (1 −^𝑇0

𝑇_𝑘) 𝑄̇_𝑘 (7)

𝐸𝑥̇_{𝑤𝑜𝑟𝑘}= 𝑊̇ (8)

𝐸𝑥̇_{𝑚𝑎𝑠𝑠,𝑖𝑛}= ∑ 𝑚̇_𝑖𝑛𝜓_𝑖𝑛 (9)

𝐸𝑥̇_{𝑚𝑎𝑠𝑠,𝑜𝑢𝑡}= ∑ 𝑚̇_𝑜𝑢𝑡𝜓_𝑜𝑢𝑡 (10)

Dimana 𝑄̇_𝑘 adalah laju pindahan panas melalui lapisan pada temperatur Tk di titik k dan 𝑊̇ adalah kerja rata-rata. Eksergi aliran (spesifik) dihitung dengan persamaan:

𝜓 = (ℎ − ℎ₀) − 𝑇₀(𝑠 − 𝑠₀) (11)

Dimana h adalah entalpi, s adalah entropi dan simbol 0 menyatakan sifat pada keadaan P0 dan T0.

Keseimbangan entropi dituliskan dengan persamaan:

𝑆̇_𝑖𝑛− 𝑆̇_𝑜𝑢𝑡+ 𝑆̇_𝑔𝑒𝑛= 0 (12)

Untuk menelaah persamaan keseimbangan eksergi suatu proses pengeringan perlu digambarkan dahulu diagram atau skema sistem pengeringannya sehingga sistem termodinamikanya dapat ditentukan. Proses pengeringan bahan pada lembab (moist solid) digambarkan seperti pada gambar 3, dikategorikan sebagai sistem terbuka atau control volume system (Dincer & Sahin, 2004).

Persamaan umum keseimbangan untuk sistem ini adalah (Bejan, Tsatsaronis, & Moran, 1996):

𝑑𝐸_𝐶𝑉

𝑑𝑡 = Σ_𝑗(1 −^𝑇_𝑇^𝑜

𝑗) 𝑄̇_𝑗− (𝑊̇_𝐶𝑉− 𝑝𝑜^𝑑𝑉_𝑑𝑡^𝐶𝑉) + Σ_𝑖𝑚̇_𝑖𝑒_𝑖− Σ_𝑒𝑚̇_𝑒𝑒_𝑒− 𝐸̇_𝐷 (13)

Gambar 3. Skema sistem pengeringan dengan control volume system

Metode yang digunakan pada analisis eksergi pengeringan berikut ini hanya didasarkan pada transfer panas atau suku pertama dari persamaan (13). Untuk menentukan perubahan eksergi yang terjadi pada sistem termal di atas maka disusun persamaan keseimbangan energi pada produk dan sistem secara keseluruhan. Persamaan keseimbangan energi pada produk:

ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝) = 𝑚𝐶_𝑝^𝑑𝑇𝑝

𝑑𝑡 + 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔 (14)

Persamaan keseimbangan energi seluruh sistem adalah :

𝑄̇_𝑖 = ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝) + 𝑄̇_𝑜 (15)

Diperoleh keseimbangan eksergi lingkungan (dead state) Tref:

𝑄̇_𝑖(1 −^{𝑇𝑟𝑒𝑓}

𝑇_𝑖 ) = (𝑚𝐶_𝑝^𝑑𝑇𝑝

𝑑𝑡 + 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔) (1 −^{𝑇𝑟𝑒𝑓}

𝑇_𝑝 ) + 𝑄̇_𝑜(1 −^{𝑇𝑟𝑒𝑓}

𝑇_𝑜 ) − 𝑇_𝑟𝑒𝑓Δ𝑠 (16) Ruas kiri persamaan di atas disebut sebagai eksergi yang masuk ke dalam sistem (exergy inflow), dimana besarnya energi (𝑄̇_𝑖 ) dapat dihitung dengan persamaan,

𝑄̇_𝑖 = 𝑚̇ℎ (17)

𝑚̇ adalah laju udara pengeringan (air mass flow-rate) sedangkan h adalah entalpi. Untuk menghitung persamaan keseimbangan eksergi di atas, perlu diperhatikan bahwa suhu produk (Tp) dan laju penguapan (𝑚̇_𝑤) bervariasi menurut waktu. Nilai-nilai tersebut dapat dihitung secara simultan melalui persamaan keseimbangan energi pada produk dengan persamaan pengeringan yang sudah ditentukan terlebih dahulu. Persamaan 17 dapat disusun kembali menjadi

𝑚𝐶_𝑝∆𝑇_𝑝= ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝) − 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔 (18)

𝑚𝐶_𝑝𝑑𝑇_𝑝

⁄𝑑𝑡= ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝) − 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔 (19)

Dengan menggunakan medote numerik beda hingga (finite different) persamaan di atas dapat ditulis menjadi:

𝑚𝐶_𝑝^{𝑇𝑝(𝑖+∆𝑡)}_∆𝑡^{−𝑇𝑝(𝑖)} = ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝(𝑖)) − 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔 (20) 𝑇_{𝑝(𝑖+∆𝑡)}= 𝑇_𝑝(𝑖)+ ^∆𝑡

𝑚𝐶_𝑝[ℎ𝐴(𝑇_𝑖− 𝑇_𝑝(𝑖)) − 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔] (21) Laju penguapan (𝑚̇_𝑤) dihitung dengan menggunakan persamaan:

𝑑𝑀

𝑑𝑡 = −𝑘(𝑀 − 𝑀_𝑒) (22)

𝑀−𝑀_𝑒

𝑀_𝑜−𝑀_𝑒= 𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝑡) = 𝑀𝑅 (23)

𝑑𝑀

𝑑𝑡 = −𝑘(𝑀_𝑜− 𝑀_𝑒)𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝑡) (24)

𝑚̇_𝑤= (𝑚𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔)[−𝑘𝑡(𝑀_𝑜− 𝑀_𝑒)𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝑡)] (25) k dan Me masing-masing adalah konstanta pengeringan dan kadar air keseimbangan, konstanta pengeringan (k) bervariasi menurut suhu. Konstanta pengeringan irisan pisang berkisar antara 0,0025 – 0,03 menit^-1 pada suhu 35 – 60^oC. MR (Moisture Ratio) adalah laju penurunan kandungan air di dalam produk.

Selanjutnya koefisien perpindahan panas, h (W/m².K) dihitung berdasarkan persamaan perpindahan panas pada permukaan plat datar (persamaan 11). Koefisien h merupakan fungsi dari bilangan Nusselt (Nu), sedangkan Nu sendiri merupakan fungsi dari bilangan Reynolds (Re) dan Prandtl (Pr).

ℎ =^{𝑁𝑢.𝑘}

𝐿 (26)

𝑁𝑢 = 𝑓(𝑅𝑒, 𝑃𝑟) 𝑅𝑒 =^{𝐿.𝑉𝑢.𝜌}

𝜇 (27)

Dimana L adalah panjang bahan yang dilalui aliran udara, Vu adalah kecepatan aliran udara, ρ adalah densitas dan µ adalaha viskositas. Pada aliran fluida yang mengalir sejajar dengan benda dan nilai Re < 1x10⁴, bilangan Nu dihitung dengan persamaan:

𝑁𝑢 = 0,664. 𝑅𝑒^1/2. 𝑃𝑟^1/3 (28)

Sedangkan untuk aliran turbulen (Re>1x10⁴), bilangan NU dihitung dengan persamaan:

𝑁𝑢 = 0,036. 𝑅𝑒^4/5. 𝑃𝑟^1/3 (29)

Untuk menentukan efisiensi berdasarkan eksergi (kadang-kadang disebut Efisiensi Hukum Kedua). Dincer dan Sahin (2004) mendefinisikan efisiensi eksergi pengeringan (drying exergetic = 𝜂_𝑒𝑥 ) sebagai ratio eksergi yang digunakan untuk pengeringan (exergy investment) terhadap eksergi yang disuplai ke dalam sistem (exergy supplied).

𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑 = 𝑄̇_𝑖(1 −^{𝑇𝑟𝑒𝑓}

𝑇_𝑖 ) (30)

𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡 = (𝑚𝐶_𝑝^𝑑𝑇𝑝

𝑑𝑡 + 𝑚̇_𝑤ℎ_𝑓𝑔) (1 −^{𝑇𝑟𝑒𝑓}

𝑇_𝑝 ) (31)

𝜂_𝑒𝑥=𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡

𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑 (32)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kondisi udara didalam ruang pengering pada saat proses pengeringan diperoleh bahwa temperatur maksimum sebesar 50^oC dan temperatur minimum sebesar 47^oC, dengan rata-rata temperatur sebesar 48,86^oC. Sedangkan kelembaban udara relatif maksimum sebesar 26,5% dan kelembaban relatif minimum sebesar 18,5%, dengan rata-rata kelembaban sebesar 23,66%. Grafik temperatur dan kelembaban relatif udara didalam ruang pengering dieperlihatkan pada gambar 4.

Besarnya laju pengeringan (drying rate) adalah 1,72 gr/menit.

Gambar 4. Temperatur dan kelembaban relatif udara dalam ruang pengering 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperatur (oC) & Kelembaban Relatif (%)

Waktu (menit)

Temp. Kelembaban relatif

Gambar 5. Energi dan eksergi pengeringan

Dari gambar 5 diperlihatkan kurva energi dan eksergi proses pengeringan. Dimana energi pengeringan meningkat seiring dengan waktu pengeringan, yang peningkatannya tidak terlalu sigifikan. Demikian halnya juga dengan eksergi yang meningkat seiring dengan waktu pengeringan.

Besar energi pengeringan rata-rata adalah 0,14 kW dan besar eksergi pengeringan rata-rata adalah 0,0014 kW. Kurva efisiensi energi dan eksergi pengeringan diperlihatkan pada gambar 6.dimana besar efisiensi energi pengeringan rata-rata adalah 88,09% dan efisiensi eksergi pengeringan rata- rata sebesar 72,93%.

Gambar 6. Efisiensi energi dan eksergi pengeringan

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian diperoleh bahwa laju pengeringan (drying rate) dalam proses pengeringan pakaian dengan menggunakan sistem pompa kalor dengan bahan pakaian polyester adalah sebesar 1,72 gr/menit. Besar energi pengeringan rata-rata adalah 0,14 kW dengan efisiensi sebesar 88,09%, sedangkan besar eksergi pengeringan rata-rata adalah 0,0014 kW dengan efisiensi sebesar 72,93%.

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Energi Pengeringan (kW)

Waktu (menit)

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Eksergi Pengeringan (kW)

Waktu (menit)

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Efisiensi (%)

Waktu (menit)

Energi Eksergi

DAFTAR PUSTAKA

Bejan, A., Tsatsaronis, G., & Moran, M. (1996). Thermal Design & Optimization. New York: John Wiley & Sons.

Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2006). Thermodynamis: An Engineering Approach, 4th ed. New York: McGraw-Hill.

Ceylan, I. (2009). Energy Analysis of Pid Controlled Heat Pump Dryer. Engineering, 188-195.

Ceylan, I., Aktas, M., & Dog˘an, H. (2007). Energy and exergy analysis of timber dryer assisted heat pump. Applied Thermal Engineering, 216–222.

Denkenberberg, D., Calwell, C., Beck, N., Trimboli, B., & Driscll, D. (2013). Analysis of Potential Energy Saving from Heat pump clothes Dryes in North America. Ecova Christophe World (CLASP).

Dincer, I., & Sahin, A. Z. (2004). A New Model for Thermodynamic Analysis of a Drying Process.

International Journal of Heat and Mass Transfer, 645–652.

Hepbasli, A. (2008). A key review on exergetic analysis and assessment of renewable energy resources for a sustainable future. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 593–661.

Hermawan, I., & Idris, I. (2014). Kajian Potensi Energi Panas Buangan dari Air Conditioner (AC).

Teknovasi, 1-10.

Hermawan, I., & Mulia. (2015). Analisis Energi dan Eksergi Pengeringan Pisang Memanfaatkan Panas dari Kondensor AC (Air Conditioner). Teknovasi, 63-72.

Kiang, C. S., & Jon, C. K. (2006). Heat Pump Drying Systems. In A. S. Mujumdar, Handbook of Industrial Drying 3th ed (pp. 1104-1130). Taylor & Francis Group, LLC.

Meyers, S., Franco, V. H., Lekov, A. B., Thompson, L., & Sturges, A. (2010). Do Heat Pump Clothes Dryers Make Sense for the U.S Market? Berkeley: 2010 ACEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings.

Mujumdar, A. S. (2006). Handbook of Industrial Drying. CRC Press.

Tambunan, A. H., Kamaruddin, A., & Nababan, B. (2006). Analisis Eksergi Penyimpanan Panas untuk Sistem Pengering Berenergi Surya. Jurnal Keteknikan Pertanian, 235-242.