PENGARUH KECEPATAN PUTARAN KIPAS UDARA BALIK TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER DENGAN
MENGGUNAKAN PIPA KAPILER 150 CM
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin
Oleh :
ANGGI RINANDA NIM : 165214069
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2020
i
PENGARUH KECEPATAN PUTARAN KIPAS UDARA BALIK TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER DENGAN
MENGGUNAKAN PIPA KAPILER 150 CM
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin
Oleh :
ANGGI RINANDA NIM : 165214069
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2020
ii
EFFECT OF THE TURNING AIR FAN SPEED ON THE CHARACTERISTICS ON WATER CHILLER USING
CAPILLARY PIPES 150 CM
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By :
ANGGI RINANDA Student Number : 165214069
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2020
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 14 Juli 2020
Anggi Rinanda
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Anggi Rinanda
Nomor Mahasiswa : 165214069
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :
Pengaruh Kecepatan Putaran Kipas Udara Balik terhadap Karakteristik Water Chiller dengan Menggunakan Pipa Kapiler 150 Cm
Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu ijin dara saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 14 Juli 2020 Yang menyatakan,
Anggi Rinanda
vii ABSTRAK
Solusi dari permasalahan panasnya suhu udara di wilayah Indonesia kini dapat diatasi dengan pembuatan suatu alat yang bisa mendinginkan udara di dalam ruangan. Alat tersebut adalah mesin pendingin water chiller. Tujuan dari penelitian ini adalah : (a) merancang dan merakit mesin water chiller yang digunakan untuk sistem pengkondisian udara yang menggunakan siklus kompresi uap, (b) mengetahui karakteristik water chiller yang telah dibuat atau dirakit, meliputi : (1) Win, (2) Qout, (3) Qin, (4) COPideal, (5) COPaktual, (6) efisiensi (Ƞ), (7) laju aliran refrigeran (ṁ).
Penelitian dilakukan secara eksperimen di Laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Pada penelitian ini dirancang dan dirakit water chiller yang bekerja dengan siklus kompresi uap, yang memiliki komponen utama ; kompresor, kondensor, pipa kapiler dan evaporator. Daya kompresor 3/4 PK. Refrigeran yang digunakan adalah R-22. Variasi pada penelitian ini adalah kecepatan putaran kipas udara balik pada ruangan yang dikondisikan yaitu: 0 rpm, 1700 rpm, dan 1800 rpm.
Dari hasil penelitian diperoleh kesimpulan : (a) water chiller dapat bekerja dengan baik, (b) untuk karakteristik mesin water chiller yang mampu memberikan hasil terbaik : (1) Nilai energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor per satuan massa refrigeran (Win) sebesar 50,2 kJ/kg pada putaran kipas udara balik 0 rpm, (2) Nilai energi kalor yang dilepas kondensor per satuan massa refrigeran (Qout) sebesar 182,6 kJ/kg pada putaran kipas udara balik 1800 rpm, (3) Nilai energi kalor yang diserap evaporator per satuan massa refrigeran (Qin) sebesar 134,2 kJ/kg pada putaran kipas udara balik 1800 rpm, (4) Nilai Ideal Coeffecient of Performance (COPideal) yang diperoleh adalah 3,9 pada putaran kipas udara balik 1800 rpm, (5) Nilai Actual Coeffecient of Performance (COPaktual) yang diperoleh sebesar 2,7 pada putaran kipas udara balik 1800 rpm, (6) Nilai efisiensi (Ƞ) tertinggi sebesar 71,4 % pada putaran kipas udara balik 1700 rpm, (7) Nilai laju aliran massa refrigeran (ṁ) tertinggi sebesar 0,0090 kg/s pada putaran kipas udara balik 1800 rpm.
Kata Kunci : Water chiller, karakteristik, siklus kompresi uap, refrigeran.
viii ABSTRACT
The solution for the heat of the air temperature in the region of Indonesia can now be overcome by the creation of a device that can cool the air in the room.
The tool is the engine cooling water chiller. The purpose of this study was: (a) to design and assemble the machine water chiller is used for an air conditioning system that uses a vapor compression cycle, (b) determine the characteristics of water chiller that has been made or assembled, includes: (1) Win, (2) Qout, (3) Qin, (4) COPideal, (5) COPactual, (6) efficiency (Ƞ), (7) the refrigerant flow rate (m).
Research conducted experiments at the Laboratory of Mechanical Engineering of Sanata Dharma University in Yogyakarta. In this study was designed and assembled water chiller that works with the vapor compression cycle, which has a main component; compressor, condenser, evaporator and capillary tube. Compressor power 3/4 PK. The refrigerant used is R-22. Variations in this study is the return air fan rotation speeds in the conditioned room: 0 rpm, 1700 rpm and 1800 rpm.
The results were obtained conclusions: (a) water chiller can work well, (b) for the characteristics of the water chiller machine that is able to provide the best results: (1) The value of the energy used to drive the compressor per unit mass of refrigerant (Win) by 50,2 kJ/kg in the return air fan rotation 0 rpm, (2) Value of heat energy released per unit mass of refrigerant condensers (Qout) of 182,6 kJ/kg in the return air fan rotation 1800 rpm, (3) energy value heat absorbed by the evaporator per unit mass of refrigerant (Qin) of 134,2 kJ/kg in the round air fan behind 1800 rpm, (4) Value Ideal Coeffecient of Performance (COPideal) obtained is 3,9 round air fan behind 1800 rpm, (5) Actual value Coeffecient of Performance (COPactual) obtained at 2,7 on the return air fan rotation 1800 rpm, (6) The efficiency value (Ƞ) is the highest of 71,4 % on the return air fan rotation 1700 rpm, (7) The value of the refrigerant mass flow rate (ṁ) is the highest of 0,0090 kg/s in the return air fan rotation 1800 rpm.
Keywords : Water chiller, characteristics, vapor compression cycle, refrigerant.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib bagi setiap mahasiswa Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin.
Berkat bimbingan, nasehat, dan doa yang diberikan oleh berbagai pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati dan ketulusan, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada :
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
2. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
3. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Dosen Pembimbing Skripsi dan sekaligus sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. Ir. Rines, M.T., selaku Kepala Laboratorium Energi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
5. Giri Waluya dan Endang Suryani sebagai orang tua yang selalu memberi semangat dan dorongan baik berupa materi maupun spiritual.
x
6. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas semua ilmu yang telah diberikan kepada penulis selama perkuliahan.
7. Seluruh Tenaga Kependidikan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, yang telah membantu penulis selama perkuliahan hingga selesainya penulisan skripsi ini.
8. Yohanes Albert Pratama, Maximillian Adi, Enggie Kurniawan, Antonius Prasika, Gregorius Givran dan Gregorius Lexwari selaku teman satu tim dalam pembuatan alat.
9. Mas Sakto dan Mas Rifai yang telah meminjamkan printernya.
10. Semua teman-teman Teknik Mesin dan pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan batuan moril maupun materi sehingga proses penyelesaian skripsi ini berjalan dengan baik.
Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidaklah sempurna, karena tidak ada gading yang retak sehingga kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan skripsi ini dikemudian hari.
Akhirnya, besar harapan penulis agar skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, 14 Juli 2020 Penulis
Anggi Rinanda
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITTLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .. vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 2
1.4 Batasan Pembuatan Alat ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.6 Luaran Penelitian ... 5
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Dasar Teori ... 6
2.1.1 Prinsip Kerja Mesin Pendingin ... 6
2.1.2 Siklus Kompresi Uap ... 7
2.1.2.1 Rangkaian Komponen Siklus Kompresi Uap ... 7
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s ... 8
2.1.2.3 Perhitungan pada Siklus Kompresi Uap ... 11
2.1.2.4 Komponen-Komponen Siklus Kompresi Uap ... 15
2.1.3 Psychrometric Chart ... 25
2.1.3.1 Parameter-Parameter Udara pada Psychrometric Chart ... 25
xii
2.1.3.2 Proses-Proses yang Terjadi pada Udara dalam
Psychrometric Chart ... 28
2.1.3.3 Proses-Proses Pengkondisian Udara Tertutup bila digambarkan pada Psychrometric Chart ... 33
2.2 Tinjauan Pustaka ... 35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 39
3.1 Objek Penelitian ... 39
3.2 Alat dan Bahan Mesin Water Chiller ... 40
3.2.1 Bahan dan Alat-alat Bantu ... 40
3.2.2 Komponen Mesin ... 48
3.2.3 Alat Ukur ... 52
3.2.4 Pembuatan Mesin Water Chiller ... 56
3.3 Alur Pelaksanaan Penelitian... 58
3.4 Metode Penelitian ... 59
3.5 Variasi Penelitian ... 59
3.6 Posisi Alat Ukur untuk Mengambil Data ... 54
3.7 Cara Pengambilan Data ... 61
3.8 Cara Pengolahan Data... 63
3.9 Cara Melakukan Pembahasan ... 65
3.10 Kesimpulan dan Saran ... 65
BAB IV HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN PEMBAHASAN ... 66
4.1 Hasil Penelitian ... 66
4.2 Analisa Data ... 68
4.2.1 Analisis Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h ... 68
4.2.2 Perhitungan pada Diagram P-h ... 70
4.2.3 Psychrometric Chart ... 76
4.3 Pembahasan ... 78
4.3.1 Pengaruh Kecepatan Putaran Kipas Udara Balik terhadap Kinerja Siklus Kompresi Uap ... 79
xiii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 86
5.1 Kesimpulan ... 86
5.2 Saran ... 87
DAFTAR PUSTAKA ... 88
LAMPIRAN ... 89
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin ... 6
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Utama Siklus Kompresi Uap ... 7
Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap Diagram P-h ... 8
Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap Diagram T-s ... 9
Gambar 2.5 Kompresor Open Type ... 16
Gambar 2.6 Komponen Scroll... 17
Gambar 2.7 Kompresor Semi Hermetik ... 18
Gambar 2.8 Kompresor Hermatik ... 19
Gambar 2.9 Natural Draught Condenser ... 20
Gambar 2.10 Force Draught Condenser ... 21
Gambar 2.11 Evaporator Jenis Pipa dengan Sirip ... 22
Gambar 2.12 Evaporator dengan Sirip ... 22
Gambar 2.13 Evaporator Jenis Plat ... 23
Gambar 2.14 Refrigeran ... 23
Gambar 2.15 Pipa Kapiler ... 24
Gambar 2.16 Kipas Kondensor ... 24
Gambar 2.17 Filter Dryer ... 25
Gambar 2.18 Psychrometric Chart ... 26
Gambar 2.19 Proses-proses Udara yang Terjadi dalam Psychrometric Chart ... 28
Gambar 2.20 Proses Cooling and Dehumidifier ... 29
Gambar 2.21 Proses Sensible Heating ... 29
Gambar 2.22 Proses Cooling and Humidifier ... 30
Gambar 2.23 Proses Sensible Cooling ... 30
Gambar 2.24 Proses Humidifier ... 31
Gambar 2.25 Proses Dehumidifier ... 31
Gambar 2.26 Proses Heating and Dehumidifier ... 32
Gambar 2.27 Proses Heating and Humidifier ... 32
Gambar 2.28 Proses Pengkondisian Udara ... 33
Gambar 2.29 Proses-proses Pengkondisian Udara pada Psychrometric Chart ...34
xv
Gambar 3.1 Skematik Mesin Water Chiller ... 39
Gambar 3.2 Kayu dan Triplek ... 40
Gambar 3.3 Besi L ... 41
Gambar 3.4 Isolasi ... 42
Gambar 3.5 Bak Air ... 43
Gambar 3.6 Refrigeran R-22 ... 43
Gambar 3.7 Gergaji ... 44
Gambar 3.8 Meteran ... 44
Gambar 3.9 Palu ... 45
Gambar 3.10 Tube Expander ... 45
Gambar 3.11 Gas Las ... 46
Gambar 3.12 Tube Cutter ... 46
Gambar 3.13 Pompa Vakum ... 47
Gambar3.14 Kompresor ... 48
Gambar 3,15 Kondensor ... 49
Gambar 3.16 Evaporator 1 ... 49
Gambar 3.17 Pipa Kapiler ... 50
Gambar 3.18 Evaporator 2 ... 50
Gambar 3.19 Kipas-Kipas pada Mesin Water Chiller... 51
Gambar 3.20 Pompa Air ... 52
Gambar 3.21 Termokopel ... 53
Gambar 3.22 Hygrometer ... 53
Gambar 3.23 Stopwatch ... 54
Gambar 3.24 Pressure Gauge ... 54
Gambar 3.25 Tang Ampere... 55
Gambar 3.26 Anemometer ... 55
Gambar 3.27 Takometer ... 56
Gambar 3.28 Gelas Ukur ... 56
Gambar 3.29 Skematik Alur Penelitian ... 58
Gambar 3.30 Skematik Pengambilan Data ... 59
xvi
Gambar 4.1 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h R-22
untuk Kecepatan Putaran Kipas 1800 rpm ... 70
Gambar 4.2 Siklus Udara pada Psychrometric Chart Variasi Kecepatan Putar Kipas 1800 rpm ... 77
Gambar 4.3 Energi Kalor yang Diserap Evaporator untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 80
Gambar 4.4 Energi Kalor yang Dilepas Kondensor untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 80
Gambar 4.5 Kerja Kompresor untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 81
Gambar 4.6 COPaktual untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 82
Gambar 4.7 COPideal untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 82
Gambar 4.8 Efisiensi Mesin Water Chiller untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 83
Gambar 4.9 Laju Aliran Massa Refrigeran untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 84
Gambar L.1 Mesin Water Chiller Tampak Depan ... 89
Gambar L.2 Mesin Water Chiller Tampak Samping ... 89
Gambar L.3 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h R-22 untuk Kecepatan Putaran Kipas 0 rpm ... 90
Gambar L.4 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h R-22 untuk Kecepatan Putaran Kipas 1700 rpm ... 91
Gambar L.5 Siklus Udara pada Psychrometric Chart Variasi Kecepatan Putaran Kipas 0 rpm ... 92
Gambar L.6 6 Siklus Udara pada Psychrometric Chart Variasi Kecepatan Putaran Kipas 1700 rpm ... 93
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi Kipas ... 52
Tabel 3.2 Variasi Penelitian ... 59
Tabel 3.3 Tabel Pengambilan Data ... 63
Tabel 4.1 Data Penelitian dengan Kecepatan Putar Kipas Udara Balik 0 rpm ... 67
Tabel 4.2 Data Penelitian dengan Kecepatan Putar Kipas Udara Balik 1700 rpm ... 67
Tabel 4.3 Data Penelitian dengan Kecepatan Putar Kipas Udara Balik 1800 rpm ... 67
Tabel 4.4 Data Kecepatan dan Laju Aliran Udara setiap Variasi ... 68
Tabel 4.5 Besaran Nilai Entalpi (h) Berdasarkan Tabel Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2) ... 69
Tabel 4.6 Besaran Nilai Temperatur Kerja Evaporator Tevap dan Temperatur Kerja Kondensor Tkond ... 70
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Win untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 71
Tabel 4.8 Nilai Qout untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 72
Tabel 4.9 Nilai Qin untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 73
Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Nilai COPaktual untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 73
Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Nilai COPideal untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 75
Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 75
Tabel 4.13 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa Refrigeran untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 76
Tabel L.1 Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2) Saturation Properties-Temperature Table ... 94
Tabel L.2 Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2) Saturation Properties-Temperature Table ... 95
xviii
Tabel L.3 Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2)
Superheated Vapor-Constant Pressure Table ... 96 Tabel L.4 Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2)
Superheated Vapor-Constant Pressure Table ... 97 Tabel L.5 Laju Aliran Massa Udara (ṁ), Massa Jenis Udara (ρ), dan Luas
Penampang (A) untuk Variasi Putaran Kipas Udara Balik ... 98
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebanyakan penduduk negara beriklim tropis mengeluhkan suhu lingkungan yang terbilang cukup panas, salah satunya Indonesia. Suhu lingkungan di negara ini dapat melebihi rata-rata suhu normal yaitu 30oC. Lingkungan dengan suhu udara yang panas, bagi sebagian orang dirasa kurang nyaman terutama saat berada di dalam ruangan yang berisi banyak orang ataupun bangunan yang biasa dipergunakan sebagai fasilitas umum. Melihat permasalahan tersebut, maka perlu diciptakan sebuah mesin pendingin yang dapat memenuhi kebutuhan ataupun keperluan untuk sehari-hari. Mesin pendingin bisa digunakan sebagai mesin pengkondisian udara pada pusat perbelanjaan, industri, perkantoran, sarana transportasi dan rumah tangga. Contoh mesin pendingin untuk pengkondisian udara adalah Air Conditioner (AC) dan water chiller. Kedua mesin pendingin udara ini bekerja dengan mempergunakan sistem kompresi uap.
Banyak orang di daerah perkotaan menggunakan mesin pendingin AC untuk mengkondisikan udara di dalam ruangannya. Namun, pada perkantoran/gedung–
gedung bertingkat yang memiliki banyak ruangan dengan berbagai ukuran tidak cocok menggunakan AC seperti AC split. Jika menggunakan AC split akan tidak efisien karena daya dan beban pendinginannya besar. Selain itu akan banyak dibutuhkan mesin AC. Hal ini akan berpengaruh terhadap biaya listrik yang harus dikeluarkan. Sistem AC sentral water chiller menjadi pilihan yang tepat sebagai sistem pengkondisian udara. Selain lebih hemat listrik dan bersistem sentralisasi,
yang membuat udara di dalam seluruh ruangan bangunan dapat dikondisikan dengan menggunakan satu atau dua unit mesin water chiller.
Penggunaan water chiller lebih murah dan lebih ramah lingkungan. Murah karena fluida kerja yang dipergunakan sebagian besar menggunakan air sebagai refrigeran sekundernya. Ramah lingkungan karena freon yang dipergunakan hanya sedikit, hanya untuk chillernya saja. Dengan demikian penggunaan chiller lebih aman dan nyaman, kalau terjadi kebocoran refrigeran sekundernya tidak membahayakan.
Dengan beberapa alasan tersebut, penulis berkeinginan untuk mempelajari, memahami dan mengenal cara kerja water chiller dengan cara merancang, merakit dan melakukan penelitian. Penelitian dilakukan terhadap model water chiller dengan daya 3/4 PK. Diharapkan dari alat tersebut penulis dapat mengetahui karakteristik dan memahami sistem kerja water chiller dengan baik.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
a. Bagaimanakah merancang dan merakit mesin water chiller yang digunakan untuk sistem pengkondisian udara yang menggunakan sistem kompresi uap?
b. Bagaimanakah karakteristik dari model water chiller yang telah dibuat?
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Merancang dan merakit mesin water chiller yang digunakan untuk sistem pengkondisian udara yang menggunakan sistem kompresi uap.
b. Mengetahui karakteristik model water chiller yang telah dibuat, meliputi:
1. Besarnya kerja kompresor persatuan massa refrigeran (Win).
2. Besarnya kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran (Qout).
3. Besarnya kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin).
4. Besarnya Ideal Coefficient of Performance (COPideal) dariwater chiller.
5. Besarnya Actual Coefficient of Performance (COPaktual) dari water chiller.
6. Efisiensi dari water chiller (Ƞ).
7. Laju aliran massa refrigeran yang mengalir pada siklus kompresi uap (ṁ).
1.4 Batasan Pembuatan Alat
Batasan-batasan dalam perancangan dan pembuatan atau perakitan mesin water chiller ini adalah sebagai berikut :
a. Mesin water chiller bekerja dengan menggunakan siklus kompresi uap dengan sumber energi dari listrik.
b. Komponen utama mesin siklus kompresi uap meliputi : kompresor, evaporator, kondensor, pipa kapiler.
c. Daya kompresor rotary 3/4 PK (1 phase) dengan jenis refrigeran R-22.
d. Kondensor yang dipergunakan memiliki tipe pipa bersirip dan evaporatornya memiliki tipe pipa bersirip.
e. Suhu kerja kondensor ditentukan dan lebih tinggi dari suhu udara luar.
f. Suhu kerja evaporator ditentukan lebih rendah dari suhu air yang didinginkan.
g. Variasi penelitian dilakukan terhadap kecepatan putaran kipas udara balik.
h. Menggunakan panjang pipa kapiler sepanjang 150 cm dengan diameter pipa kapiler 0,54 mm.
i. Perhitungan pada mesin water chiller ini berdasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap, dan tidak ada proses pendinginan lanjut serta tidak terjadi proses pemanasan lanjut.
j. Komponen pendukung mesin water chiller ini meliputi :
1. Kipas udara balik dengan 3 sudu, 2 kecepatan putaran, daya 20W dengan tegangan 220V, dan diameter sudu 12 cm.
2. Kipas untuk menghembuskan ke ruangan dengan 3 kecepatan putaran, daya 60 watt, jumlah sudu 3 dengan diameter 50,8 cm.
3. Kipas kondensor, terdiri dari kipas kondensor 1 dengan jumlah sudu 5 diameter 18 cm dan kipas kondensor 2 dengan jumlah sudu 5 diameter 40 cm yang memiliki daya 30W dengan tegangan 220V.
4. Submersible pump dengan debit maksimal 2000 liter/jam, daya 38W dengan tegangan 220V, Freq 50Hz.
5. Diameter pipa air berukuran 3/4 in.
6. Bak penampung fluida yang didinginkan dengan kapasitas 25 liter.
7. Fluida/media yang didinginkan air.
8. Ruangan yang didinginkan berukuran 120 cm x 130 cm x 70 cm.
9. Beban pendinginan yang dipergunakan berupa 10 botol air mineral berukuran 1,5 liter.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat pelaksanaan pengujian mesin pendingin water chiller ini adalah : a. Untuk penulis, memberikan pengalaman dalam perancangan dan pembuatan
model water chiller dengan siklus kompresi uap.
b. Untuk penulis, membantu dalam memahami karakteristik mesin pendingin water chiller dengan siklus kompresi uap.
c. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi bagi para peneliti lain yang ingin melakukan penelitian tentang water chiller dengan siklus kompresi uap.
d. Hasil penelitian dapat menambah kasanah ilmu pengetahuan yang dapat ditempatkan di perpustakaan atau dipublikasikan pada kalayak ramai.
1.6 Luaran Penelitian
Luaran dari penelitian ini adalah dihasilkannya model chiller yang dapat membantu proses pemahaman bagaimana kerja chiller.
6 BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Prinsip Kerja Mesin Pendingin
Mesin pendingin merupakan alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari dalam ruangan bertemperatur rendah keluar ruangan yang memiliki temperatur tinggi, atau memindahkan kalor dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi, dengan energi yang ditambahkan pada sistem.
Gambar 2.1 menyajikan prinsip dengan kerja mesin pendingin.
Gambar 2.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin
Mesin pendingin telah digunakan dalam banyak hal. Diantaranya sebagai pengawet atau pembeku bahan makanan (kulkas, freezer, cold storage, dll), pendingin minuman (show case, kulkas, dll), pengkondisian udara ruangan (AC, water chiller, dll) dan pembuat es (ice maker). Dengan berkembangnya informasi dan teknologi sekarang ini, manusia telah merasakan dampak positif dari adanya
teknologi mesin pendingin. Pada Gambar 2.1 Qin adalah besarnya kalor yang dipindahkan dari lingkungan bersuhu rendah oleh mesin pendingin. Qout adalah besarnya kalor yang dilepaskan mesin pendingin ke lingkungan yang bersuhu tinggi. Win adalah energi yang diperlukan untuk memindahkan kalor tersebut.
2.1.2 Siklus Kompresi Uap
2.1.2.1 Rangkaian Komponen Siklus Kompresi Uap
Rangkaian komponen pada siklus kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.2. Komponen utama siklus kompresi uap meliputi: kompresor, kondensor, pipa kapiler dan evaporator.
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Utama Siklus Kompresi Uap
Aliran refrigeran berlangsung dari kompresor menuju kondensor, dari kondensor menuju pipa kapiler, dari pipa kapiler menuju evaporator dan dari evaporator kembali menuju kompresor. Pada Gambar 2.2 Qin adalah besarnya kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran, Qout adalah besarnya
Kondensor
Evaporator
Kompresor 3 2
4
Pipa Kapiler
Qout
Qin
Win 1
Filter Dryer
3a 3
4 1a
2a 2
1
h P
entalpi
h3=h4 h1 h2
Qout
Qin tek
an an
Win
kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran, dan Win adalah kerja kompresor persatuan massa refrigeran.
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s
Siklus kompresi uap bila digambarkan pada diagram P-h dan diagram T-s seperti tersaji pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4. Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap adalah (a) proses kompresi (proses 1-2), (b) proses desuperheating (proses 2-2a), (c) proses kondensasi (proses 2a-3a), (d) proses pendinginan lanjut (proses 3a-3), (e) proses penurunan tekanan (proses 3-4), (f) proses evaporasi (proses 4-1a), dan (g) proses pemanasan lanjut superheating (proses 1a-1). Proses-proses yang terjadi pada setiap diagram dapat menjadi gambaran awal yang nantinya akan dilihat dengan diagram psychrometric chart.
Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h
Entalpi
Tekanan
P1
P2
Tc
Te
Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap pada Diagram T-s a. Proses kompresi (1-2)
Proses kompresi dilakukan oleh kompresor terjadi pada proses 1-2 dan berlangsung secara isentropik adiabatik (isentropic atau entropi konstan). Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah gas panas lanjut bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi gas panas lanjut bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.
b. Proses penurunan suhu gas panas lanjut menjadi gas jenuh (2-2a)
Proses pendinginan dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh terjadi pada proses 2-2a. Proses ini juga dinamakan desuperheating. Refrigeran mengalami penurunan suhu pada tekanan tetap. Hal ini disebabkan adanya kalor yang mengalir dari refrigeran ke lingkungan karena suhu refrigeran lebih tinggi dari suhu lingkungan.
Entropi
Temperatur
Win
Qin
Qout
Tc
Te
2
1 4 1a
2a 3a
3
s
c. Proses kondensasi (2a-3a)
Proses kondensasi terjadi pada proses 2a-3a berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini gas jenuh mengalami perubahan fase menjadi cair jenuh. Proses berlangsung pada suhu dan tekanan tetap. Pada proses ini terjadi aliran kalor dari kondensor ke lingkungan karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu udara lingkungan.
d. Proses pendinginan lanjut (3a-3)
Proses pendinginan lanjut terjadi pada proses 3a-3. Proses pendinginan lanjut merupakan proses penurunan suhu refigeran pada keadaan refrigeran cair.
Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses ini diperlukan agar kondisi refrigeran yang keluar dari kondensor benar-benar berada dalam fase cair, untuk memudahkan mengalir di dalam pipa kapiler. Selain itu juga menaikkan COP mesin siklus kompresi uap.
e. Proses penurunan tekanan (3-4)
Proses penurunan tekanan terjadi pada proses 3-4 berlangsung di pipa kapiler secara isoentalpi (entalpi sama). Dalam fasa cair, refrigeran mengalir menuju ke komponen pipa kapiler dan mengalami penurunan tekanan dan suhu.
Sehingga suhu dari refrigeran lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fasa berubah dari cair menjadi fase campuran cair dan gas.
f. Proses penguapan /evaporasi (4-1a)
Proses evaporasi terjadi pada proses 4-1a. Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar (tekanan sama) dan isotermal (suhu sama). Oleh karenanya nilai entalpi refrigeran di titik 3 sama dengan nilai entalpi refrigeran di
titik 4 atau h3=h4. Dalam fasa campuran cair dan gas, refrigeran yang mengalir ke evaporator menerima kalor dari lingkungan, sehingga akan mengubah seluruh fasa fluida dari refrigeran dari fasa campuran cair dan gas berubah menjadi gas jenuh.
g. Proses pemanasan lanjut (1a-1)
Proses pemanasan lanjut terjadi pada tahap 1a-1. Proses ini merupakan proses dimana uap refrigeran yang meninggalkan evaporator akan mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Hal ini di maksudkan agar kondisi refrigeran benar-benar dalam keadaan gas agar proses kompresi dapat berjalan dengan baik dan kerja kompresor menjadi ringan. Selain itu, proses ini juga bertujuan untuk menaikkan COP mesin siklus kompresi uap.
2.1.2.3 Perhitungan pada Siklus Kompresi Uap
Diagram tekanan entalpi siklus kompresi uap dapat digunakan untuk menganalisa unjuk kerja mesin pendingin kompresi uap yang meliputi kerja kompresor persatuan massa refrigeran (Win), energi yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran (Qout), energi yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin), COPaktual, COPideal, efisiensi (η) dan laju aliran massa refrigeran (ṁ).
a. Kerja kompresor (Win).
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi refrigeran dari titik 1 sampai titik 2. Dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.1) :
Win = (h2 – h1) …(2.1)
Pada Persamaan (2.1) :
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi refrigeran pada saat keluar kompresor (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
b. Energi kalor persatuan massa refrigeran yang dilepas oleh kondensor (Qout).
Energi kalor yang dilepaskan oleh kondensor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada proses 2-3. Perubahan tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.2) :
Qout = (h2 – h3) …(2.2)
Pada Persamaan (2.2) :
Qout : energi kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi refrigeran pada saat masuk kondensor (kJ/kg).
h3 : nilai entalpi refrigeran pada saat keluar kondensor atau pada saat masuk pipa kapiler (kJ/kg).
c. Energi kalor yang diserap oleh evaporator (Qin).
Energi kalor yang diserap oleh evaporator persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada proses 4-1. Perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.3) :
Qin = (h1 – h4) …(2.3)
Pada Persamaan (2.3) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran pada saat keluar evaporator atau sama dengan nilai entalpi pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h4 : nilai entalpi refrigeran pada saat masuk evaporator atau sama dengan nilai entalpi pada saat keluar dari pipa kapiler (kJ/kg).
d. Actual Coefficient of Performance (COPaktual).
Koefisien prestasi aktual (COPaktual) adalah perbandingan antara besarnya kalor yang diserap evaporator dengan besarnya kerja yang dilakukan kompresor.
Dapat dihitung dengan Persamaan (2.4) : COPaktual = 𝑄𝑖𝑛
𝑊𝑖𝑛 = h1 − h4
h2 − h1 …(2.4)
Pada Persamaan (2.4) :
COPaktual : koefisien prestasi siklus kompresi uap aktual.
Qin : Energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran pada saat keluar evaporator atau sama dengan nilai entalpi refrigeran pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi refrigeran pada saat masuk kondensor (kJ/kg).
h4 : nilai entalpi refrigeran pada saat masuk evaporator atau sama dengan nilai entalpi refrigeran pada saat keluar dari pipa kapiler.
Nilai h4 = h3 (kJ/kg).
e. Ideal Coefficient of Performance (COPideal).
Koefisien prestasi siklus kompresi uap ideal (COPideal) dapat dihitung dengan Persamaan (2.5) :
COPideal = T evap
Tkond − Tevap …(2.5)
Pada Persamaan (2.5) :
COPideal : koefisien prestasi siklus kompresi uap ideal.
Tcond : suhu kerja kondensor (K).
Tevap : suhu kerja evaporator (K).
f. Efisiensi mesin kompresi uap (ƞ)
Efisiensi mesin kompresi uap dapat dihitung dengan Persamaan (2.6) :
Ƞ = (𝐶𝑂𝑃 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝐶𝑂𝑃 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 ) × 100% …(2.6)
Pada Persamaan (2.6) :
Ƞ : efisiensi mesin siklus kompresi uap (%).
COPaktual : koefisien prestasi siklus kompresi uap aktual COPideal : koefisien prestasi siklus kompresi uap ideal g. Daya Kompresor Mesin (P)
Daya untuk kompresor dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.7):
P = V x I …(2.7)
Pada Persamaan (2.7) :
P : daya kompresor (Watt).
V : voltage (Volt).
I : arus listrik kompresor (A).
h. Laju Aliran Massa Refrigeran (ṁ)
Laju aliran massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.8) :
ṁ = (V x I) / (Win x 1000) …(2.8)
Pada Persamaan (2.8) :
ṁ : laju aliran massa refrigeran (kg/s).
I : arus listrik (A).
V : voltage (Volt).
Win : kerja yang dilakukan kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
2.1.2.4 Komponen–Komponen Siklus Kompresi Uap
Komponen utama dari mesin dengan siklus kompresi uap terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, dan pipa kapiler. Komponen tambahan mesin siklus kompresi uap terdiri dari filter, thermostat dan kipas.
a. Kompresor
Kompresor digunakan untuk menghisap dan menaikan tekanan refrigeran pada fase uap untuk memasuki kondensor, kompresor juga merupakan jantung dari sistem kompresi uap. Kompresor mempunyai klasifikasi yang bermacam- macam, akan tetapi pada umumnya dapat dibagi menjadi dua jenis utama yaitu : 1. Kompresor langkah positif, dimana gas dihisap masuk ke dalam silinder dan
dikompresikan .
2. Kompresor dinamis, dimana gas yang dihisap masuk dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan.
Fungsi kompresor antara lain :
1. Mensirkulasikan bahan pendingin (refrigeran)
2. Menaikkan tekanan agar bahan pendingin dapat berkondensasi pada kondisi ruangan
3. Mempertahankan tekanan yang konstan pada evaporator
4. Menghisap gas bertekanan dan bertemperatur rendah dari evaporator, kemudian menekan/memampatkan gas tersebut, sehingga menjadi gas yang bertekanan dan suhu tinggi, lalu dialirkan ke kondensor. Pada pengujian ini menggunakan AC dengan kompresor jenis hermatik, dimana pada kompresor hermatik, motor dan kompresor dimasukkan bersama dalam rumah kompresor.
Dari cara kerja mensirkulasikan refrigeran, kompresor dapat dikalsifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu :
5. Menjaga agar suhu lebih rendah dibandingkan dengan evaporator.
1. Kompresor Open Unit (Open Type Compressor)
Pada jenis kompresor ini letak kompresor terpisah dari tenaga penggeraknya. Masing-masing bergerak sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor listrik. Salah satu ujung poros engkol dari kompresor menonjol keluar, sebuah puli dari luar dipasang pada ujung poros tersebut. Melalui belt puli dihubungkan dengan tenaga penggeraknya. Karena ujung poros engkol keluar dari rumah kompresor, maka harus diberi perapat agar refrigeran tidak bocor keluar.
Gambar 2.5 Kompresor Open Type
(Sumber : https://mechanical-engg.com/gallery/image/2072-bitzer-open-type- reciprocating)
2. Kompresor Sentrifugal
Prinsip dari kompresor sentrifugal adalah menggunakan gaya sentrifugal untuk mendapatkan energi kinetik pada impeller sudu dan energi kinetik ini diubah menjadi tekanan potensial. Tekanan dan kecepatan uap yang rendah dari saluran sunction dihisap ke dalam lubang masuk atau mata roda impeller oleh aksi dari shaft rotor, dan kemudian diarahkan dari ujung-ujung pisau ke rumah kompresor untuk diubah menjadi tekanan yang bertambah.
3. Kompresor Scroll
Prinsip kerja dari kompresor scroll adalah menggunakan dua buah scroll (pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada orbit. Refrigeran dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll dan dikeluarkan melalui saluran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll tersebut.
Gambar 2.6 Kompresor Scroll (Sumber : www.indotrading.com) 4. Kompresor Sekrup
Uap refrigeran memasuki satu ujung kompresor dan meninggalkan kompresor dari ujung yang lain. Pada posisi langkah hisap terbentuk ruang hampa
sehingga uap mengalir ke dalam. Nilai putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung digerakkan mengelilingi rumah kompresor. Pada putaran selanjutnya terjadi penangkapan kuping rotor jantan oleh lekuk rotor betina, sehingga memperkecil volume rongga dan menekan refrigeran tersebut keluar melalui saluran buang.
5. Kompresor Semi Hermetik
Pada kontruksi semi hermetik bagian kompresor dan elektro motor masing-masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Untuk menggerakkan kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya langsung.
Gambar 2.7 Kompresor Semi Hermetik (Sumber : www.indotrading.com) 6. Kompresor Hermetik
Pada dasarnya, kompresor hermetik hampir sama dengan semi-hermetik, perbedaannya hanya terletak pada cara penyambungan rumah (baja) kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermetik dipergunakan sambungan las sehingga rapat udara. Pada kompresor semi-hermetik dengan rumah terbuat dari besi tuang, bagian-bagian penutup dan penyambungnya masih
dapat dibuka. Sebaliknya dengan kompresor hermetic, rumah kompresor dibuat dari baja dengan pengerjaan las, sehingga baik kompresor maupun motor listriknya tak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor.
Gambar 2.8 Kompresor Hermetik (Sumber : www.frigoteksogutma.com) b. Kondensor
Kondensor adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud gas refrigeran pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Jenis kondensor yang banyak digunakan pada teknologi saat ini adalah kondensor dengan pendingin udara. Kondensor seperti ini memiliki bentuk yang sederhana dan tidak memerlukan perawatan khusus. Saat mesin pendingin bekerja, kondensor akan terasa hangat bila dipegang. Agar proses perubahan wujud yang diinginkan ini dapat terjadi, maka kalor atau panas yang ada dalam gas refrigeran yang bertekanan tinggi harus dibuang keluar dari sistem. Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap refrigeran di evaporator dan kerja kompresor selama proses kompresi. Dilihat dari sisi media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam yaitu:
1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condenser)
Air cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendingin. Air cooled codenser mempunyai dua tipe yaitu : (1) Natural Draught Condenser (2) Force Draught Condenser.
a. Natural Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi bebas atau konveksi alami. Aliran udara berlangsung karenanya adanya beda massa jenis. Pada proses ini ada peralatan tambahan yang dipergunakan untuk menggerakan aliran udara . Kondensor jenis ini dapat ditemui pada kondensor kulkas satu pintu, show case, chest freezer maupun frezeer.
Gambar 2.9 Natural Draught Condenser (Sumber : http://fazarjaya.blogspot.com)
b. Force Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi paksa. Aliran udara berlangsung karena adanya kipas udara atau blower. Jenis ini ditemui pada mesin kulkas dua pintu maupun pada mesin AC. Selain itu juga digunakan sebagai pendingin ruangan karena sifatnya yang mudah menaikkan suhu dibandingkan suhu sekitarmya.
Gambar 2.10 Force Draught Condenser (Sumber : www.indonesian.alibaba.com) 2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condenser)
Water cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan air sebagai media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi menjadi dua jenis yaitu :
a. Wate Water System
Wate water system merupakan suatu sistem dimana air yang digunakan untuk media pendingin kondensor, diambil dari pusat-pusat air kemudian dialirkan dilewatkan kondensor sehingga air tersebut menyerap panas yang terkandung dalam refrigeran, setelah itu air tersebut dibuang dan tidak dipergunakan lagi.
b. Recirculating Water System
Suatu sistem dimana air yang dipergunakan untuk mendinginkan kondensor dan telah meninggalkan kondensor disalurkan ke dalam cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya sesuai pada temperatur yang dikehendaki.
Selanjutnya air dipergunakan lagi dan di beri kembali ke kondensor. Melalui sirkulasi air ini maka penggunaan air menjadi tidak terbuang sia-sia dan dapat dimanfaatkan secara terus-menerus.
c. Evaporator
Evaporator merupakan tempat perubahan fase dari cair menjadi gas,atau dapat disebut juga sebagai tempat penguapan. Saat perubahan fase, diperlukan energi kalor. Energi kalor tersebut diambil dari lingkungan evaporator. Hal tersebut terjadi karena temperatur refrigeran lebih rendah dari pada temperatur sekelilingnya, sehingga panas dapat mengalir ke refrigeran. Proses penguapan refrigeran di evaporator berlangsung dalam tekanan tetap dan suhu tetap. Berbagai jenis evaporator yang sering digunakan pada mesin siklus kompresi uap adalah jenis pipa dengan sirip, pipa-pipa dengan jari-jari penguat dan jenis plat.
Gambar 2.11 Evaporator Jenis Pipa dengan Sirip (Sumber : www.saranagungsejahtera.co.id)
Gambar 2.12 Evaporator Jenis Pipa-Pipa dengan Jari-Jari Penguat (Sumber : www.es.retekool.com)
Gambar 2.13 Evaporator Jenis Plat (Sumber : www.it.made-in-china.com) d. Refrigeran
Refrigeran adalah fluida kerja mesin pendingin yang berfungsi untuk menyerap kalor dari suatu benda. Refrigeran dapat dipakai sebagai fluida kerja mesin pendingin siklus kompresi uap apabila memenuhi sifat-sifat aman seperti tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak menyebabkan korosi pada logam yang dipakai pada sistem mesin pendingin dan tidak berkontaminasi dengan produk apapun. Refrigeran dipilih sebagai fluida kerja karena memiliki titik didih yang rendah serta tidak membutuhkan waktu yang lama dan tekanan yang tinggi untuk menaikkan suhu fluida kerja.
Gambar 2.14 Refrigeran
(Sumber : www.ZheijangFumingChemical.Co.,Ltd)
e. Pipa kapiler
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran pada siklus kompresi uap yang ditempatkan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah.
Penggunaan pipa kapiler pada mesin siklus kompresi uap mempermudah kerja kompresor pada waktu start, karena tekanan kondensor dan evaporator sama.
Gambar 2.15 Pipa Kapiler (Sumber : www.tiriztea.wordpress.com) f. Kipas
Kipas tersusun atas motor listrik dan baling-baling atau sudu-sudu. Kipas ini berfungsi untuk mengalirkan udara. Udara yang dihembuskan oleh kipas akan mempercepat proses perpindahan kalor.
Gambar 2.16 Kipas Kondensor (Sumber : https://indonesian.alibaba.com/)
g. Filter Dryer
Filter Dryer merupakan tabung penyimpan refrigeran cair yang di dalamnya terdapat fiber dan desiccant (bahan pengering) yang berfungsi untuk menyaring benda-benda asing dan uap air dari sirkulasi refrigeran. Filter dryer pada pemasanganya diletakan setelah kondensor.
Gambar 2.17 Filter Dryer
(Sumber : https://www.smartclima.com/copper-filter-dryer.html) 2.1.3 Psychrometric Chart
Psychrometric chart merupakan grafik ternodinamik dari udara yang digunakan untuk menentukan properti-properti dari udara pada kondisi tertentu.
Dengan psychrometric chart dapat diketahui hubungan antara berbagai parameter udara secara cepat dan cukup presisi. Untuk mengetahui nilai dari properti- properti ( Tdb, Twb, W, RH, H, SpV ) bisa dilakukan apabila minimal dua buah parameter tersebut sudah diketahui.
2.1.3.1 Parameter-Parameter Udara pada Psychrometric Chart
Parameter-parameter udara psychrometric chart meliputi : (a) Dry-bulb Temperature (Tdb), (b) Wet-bulb Temperature (Twb), (c) Dew-point Temperature (Tdp), (d) Specific Humidity (W),(e) Relative Humidity (%RH), (f) Enthalpy (H)
dan (g) Volume Spesific (SpV). Contoh psychrometric chart disajikan pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Psychrometric Chart
(Sumber : http://www.ref-wiki.com/img_article/163e.jpg) a. Dry-bulb Temperature (Tdb)
Dry-bulb Temperature adalah suhu udara pada keadaan kering yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb tidak basah (tidak diselimuti kain basah). Tdb diposisikan sebagai garis vertikal yang berawal dari garis sumbu mendatar yang terdapat di bagian bawah psychrometric chart.
b. Wet-bulb Temperature (Twb)
Wet-bulb Temperatue adalah suhu udara pada keadaan basah yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb dalam kondisi basah (diselimuti kain basah). Twb diposisikan sebagai garis miring
ke bawah yang berawal dari garis saturasi yang terletak di bagian kanan psychrometric chart.
c. Dew-point Temperature (Tdp)
Dew-point Temperature adalah suhu dimana udara mulai menunjukkan terjadinya pengembunan uap air yang ada di udara didinginkan/diturunkan suhunya dan menyebabkan adanya perubahan kandungan uap air di udara. Tdp
ditandani sepanjang titik saturasi.
d. Specific Humidity (W)
Specific Humidity adalah jumlah uap air yang terkandung di udara dalam setiap kilogram udara kering (kg air/kg udara kering). Pada psychrometric chart W diposisikan pada garis sumbu vertikal yang berada di samping kanan psychrometric chart.
e. Relative Humidity (%RH)
Relative Humidity adalah perbandingan jumlah air yang terkandung dalam 1m3 dengan jumlah air maksimum yang dapat terkandung dalam 1m3 dalam bentuk persentase.
f. Enthalpy (H)
Enthalpy adalah jumlah energi total yang terkandung dalam campuran udara dan uap air per satuan massa. Dinyatakan dalam satuan Btu/lb udara.
g. Volume Spesific (SpV)
Volume Spesific adalah volume dari udara campuran dengan satuan meter kubik persatuan kilogram udara kering.
2.1.3.2 Proses-Proses yang Terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart Proses-proses yang terjadi pada udara dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut (a) proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying), (b) proses pemanasan sensibel (sensible heating), (c) proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (evaporative cooling), (d) proses pendinginan sensibel (sensible cooling), (e) proses humidifying, (f) proses dehumidifying, (g) proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying), (h) proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying). Proses-proses ini dapat dilihat seperti pada Gambar 2.19
Gambar 2.19 Proses-proses Udara yang Terjadi dalam Psychrometric Chart (Sumber : www.docplayer.info.com)
a. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying) Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying) adalah proses penurunan suhu dan penurunan kelembapan spesifik udara. Pada proses ini terjadi penurunan temperatur bola kering, temperatur bola
basah, entalpi, volume spesifik, temperatur titik embun, dan kelembapan spesifik.
Sedangkan kelembapan relatif dapat mengalami peningkatan dan dapat
mengalami penurunan, tergantung dari prosesnya. Gambar 2.20 menyajikan proses cooling and dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.20 Proses Cooling and Dehumidifying b. Proses pemanasan sensibel (sensible heating)
Proses pemanasan (sensible heating) adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara. Pada proses pemanasan, terjadi peningkatan temperatur bola kering, temperatur bola basah, entalpi, dan volume spesifik. Sedangkan temperatur titik embun dan kelembapan spesifik tetap konstan. Namun kelembapan relatif mengalami penurunan. Gambar 2.21 menyajikan proses sensible heating pada psychrometric chart.
Gambar 2.21 Proses Sensible Heating
c. Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (cooling and humidifying) Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (cooling and humidifying) berfungsi menurunkan temperatur dan menaikkan kandungan uap air di udara.
Proses ini menyebabkan perubahan temperatur bola kering, temperatur bola basah
dan volume spesifik. Selain itu, terjadi peningkatan temperatur bola basah, titik embun, kelembapan relatif dan kelembapan spesifik. Gambar 2.22 menyajikan proses cooling and humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.22 Proses Cooling and Humidifying d. Proses pendinginan sensibel (sensible cooling)
Proses pendinginan (sensible cooling) adalah pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara mengalami penurunan. Pada proses ini, terjadi penurunan pada suhu bola kering, suhu bola basah dan volume spesifik, namun terjadi peningkatan kelembapan relatif. Pada kelembapan spesifik dan suhu titik embun tidak terjadi perubahan atau konstan. Gambar 2.23 menyajikan proses sensible cooling pada psychrometric chart.
Gambar 2.23 Proses Sensible Cooling
\
e. Proses humidifying
Proses humidifiying merupakan penambahan kandungan uap air ke udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi kenaikkan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik. Gambar 2.24 menyajikan proses humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.24 Proses Humidifying f. Proses dehumidifying
Proses dehumidifying merupakan proses pengurangan kandungan uap air pada udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi penurunan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik. Gambar 2.25 menyajikan proses dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.25 Proses Dehumidifying
g. Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) berfungsi untuk menaikkan suhu bala kering dan menurunkan kandungan uap air pada udara. Pada proses ini terjadi penurunan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah dan kelembapan relatif tetapi terjadi peningkatan suhu bola kering. Gambar 2.26 menyajikan proses heating and dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.26 Proses Heating and Dehumidifying
h. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying) Pada proses ini udara dipanaskan disertai penambahan uap air. Pada proses ini terjadi kenaikkan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah, dan suhu bola kering. Gambar 2.27 menyajikan proses heating and humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.27 Proses Heating and Humidifying
2.1.3.3 Proses-Proses Pengkondisian Udara bila digambarkan pada Psychrometric Chart
Proses-proses yang terjadi pada water chiller dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut :
a. Proses pendinginan sensibel atau sensible cooling.
b. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying).
c. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying).
Pada Gambar 2.28, titik A adalah udara balik yang keluar dari ruangan, titik B adalah suhu pengembunan udara di evaporator 2, titik C adalah udara yang keluar dari evaporator 2, titik D adalah kondisi udara dalam ruangan, titik E adalah suhu kerja evaporator 2. Gambar 2.28 menyajikan proses pengkondisian udara dengan water chiller yang digambarkan pada psychrometric chart.
Gambar 2.28 Proses Pengkondisian Udara
Pada Gambar 2.28 :
TA : Kondisi udara balik diasumsikan sama dengan kondisi udara di dalam ruangan.
TB : Suhu pengembunan udara di evaporator 2.
TC : Kondisi udara keluar dari evaporator 2.
TD : Kondisi udara pada ruangan yang dikondisikan.
TE : Suhu kerja evaporator 2.
Gambar 2.29 Proses-proses Pengkondisian Udara pada Psychrometric Chart (Sumber : www.ref-wiki.com)
a. Proses pendinginan sensibel atau sensible cooling (titik A-B).
Proses pada titik (A-B) merupakan proses sensibel dan sensible cooling.
Pada proses ini terjadi penurunan temperatur pada bola kering, temperatur pada bola basah, dan volume spesifik dari udara, namun terjadi peningkatan
kelembapan relatif. Titik A merupakan kondisi udara awal sebelum terjadinya proses sensible cooling, sedangkan titik B merupakan kondisi udara akhir dari proses sensible cooling atau merupakan titik awal proses sensible cooling dan dehumidifying. Garis proses A-B diperoleh dengan menarik garis lurus secara horizontal menuju garis lengkung yang menunjukan kelembapan relatif 100%.
b. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan atau cooling and dehumidifying (titik B-C).
Proses pada titik (B-C) merupakan proses cooling dan dehumidifying dimana terjadi penurunan temperatur udara basah dan penurunan temperatur udara kering, penurunan nilai entalpi, penurunan volume spesifik, penurunan temperatur titik embun, dan penurunan kelembapan spesifik. Sedangkan kelembapan relative tetap pada nilai 100%
c. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan atau heating and humidifying (titik C-A).
Proses pada titik (C-A) merupakan proses heating dan humidifying terjadi pemanasan udara yang disertai penambahan uap air, pada proses ini juga terjadi kenaikkan kelembapan spesifik, entalpi, temperatur pada bola basah dan temperatur pada bola kering.
2.2 Tinjauan Pustaka
I Made Rasta, (2007) telah melakukan penelitian tentang pengaruh laju aliran volume chilled water terhadap Number of Transfer Unit (NTU) pada Fan Coil Unit (FCU) sistem Air Conditioner (AC) jenis water chiller. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan untuk mengetahui laju aliran volume yang sesuai untuk sistem AC water chiller ini agar diperoleh
perpindahan kalor yang maksimal dapat dilakukan dengan menganalisa NTU.
Dari hasil penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa laju aliran volume air pendingin berpengaruh terhadap NTU dari sistem AC water chiller. Semakin besar laju aliran volume semakin meningkat nilai NTU-nya. NTU terbesar diperoleh untuk laju aliran volume air pendingin 12 liter/menit yaitu sebesar 2,01.
Ali Nugroho, (2015) telah melakukan penelitian tentang analisa kinerja refrigerasi water chiller pada PT GMF Aeroasia. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian tersebut bertujuan untuk (a) untuk menganalisa kinerja dari mesin water chiller (b) untuk mengetahui nilai efisiensi yaitu COP, laju aliran refrigeran, kalor yang diserap evaporator dan kondensor, kerja yang dilakukan kompresor, daya yang dibutuhkan kompresor, dan laju aliran volume air cooling water. Penelitian ini memberikan hasil bahwa (a) kinerja chiller yang baik mempunyai efisiensi yang dapat dipengaruhi oleh: temperatur air keluar evaporator dan temperatur air masuk kondensor, (b) nilai COP = 8,04 dan laju aliran massa refrigeran = 2,415 kg/s, kerja yang dilakukan kompresor = 49,395 kW, laju aliran volume cooling tower = 94,613 m3/jam, dan laju aliran volume make-up water = 0,567 m3/jam. Dengan data tersebut dapat disimpulkan bahwa semakin rendah temperatur refrigeran di kondensor maka akan semakin bagus juga nilai COP yang dihasilkan (kW/TR semakin rendah), karena kerja kompresor yang dibutuhkan akan lebih rendah.
Iskandar R, (2010) telah melakukan penelitian tentang kaji eksperimental karakteristik pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik pada sistem pendingin water chiller. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian
tersebut bertujuan (a) untuk mengetahui karakteristik dari mesin pendingin water chiller (b) untuk mengkaji seberapa jauh pengaruh penggunaan pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik sebagai alat ekspansi pada sistem pendingin water chiller. Penelitian ini memberikan hasil (a) performa katup ekspansi termostatik lebih baik daripada pipa kapiler (b) system pendingin dengan katup ekspansi mempunyai nilai COP antara 3,21 hingga 3,66 sedangkan pipa kapiler 2,15 hingga 2,46 (c) dari penelitian yang dilakukan untuk beberapa laju aliran massa air yang didinginkan perbedaan laju energi yang dihasilkan pada evaporator rata-rata berkisar 43-47% untuk katup ekspansi terhadap pipa kapiler.
Muchammad, (2006) telah melakukan penelitian tentang pengujian dan analisa pressure drop sistem water chiller menggunakan refrigeran R-22 dan HCR-22. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian tersebut bertujuan (a) untuk mendapatkan data kurva karakteristik kompresor jenis rotary hermetic 0,5 PK terhadap kebutuhan konsumsi listrik untuk sistem pendingin water chiller dengan refrigeran HCR-22 (b) untuk memberikan informasi dalam pengembangan desain dan pensimulasian sistem pendingin (c) membandingkan unjuk kerja antara sistem yang menggunakan refrigeran HCR-22 dengan sistem yang menggunakan refrigeran R-22. Penelitian ini memberikan hasil (a) daya listrik yang dibutuhkan kompresor dengan refrigeran R-22 lebih tinggi daripada HCR-22 pada temperatur keluar kondensor yang sama (b) COP dari sistem water chiller yang menggunakan refrigeran HCR-22 lebih tinggi dibanding yang menggunakan refrigeran R22.
Rahmat Iman Mainil dan Afdhal Kurniawan Mainil (2011) telah meneliti tentang simulasi pemanfaatan panas buang chiller untuk kebutuhan air panas di perhotelan. Penelitian dilakukan dengan cara eksperimental dengan menggunakan variasi waktu yaitu setiap 20 menit, 40 menit dan 60 menit. Penelitian dilakukan secara eksperimental dan simulasi telah dilakukan untuk pemanfaatan kembali limbah panas dari chiller jenis 30RB60 dalam kebutuhan air panas di hotel. Hasil penelitian ini adalah Potensi energi yang dapat dihemat dengan pemanfaatan panas buang kondensor ini adalah 90% dari total energi yang dibutuhkan oleh pemanas air listrik, untuk menaikkan temperatur air dari 20 °C hingga 60 °C.
Panas buang dari chiller yang dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air adalah sebesar 383901,221 kJ setara dengan penghematan biaya listrik Rp.37,915,488.- per tahun.
Penelitian tentang pengaruh aliran udara melintasi kondensor terhadap karakteristik siklus kompresi uap pada mesin pendingin showcase telah dilakukan oleh Kusbandono, W dan Purwadi, PK (2016). Penelitian tentang karakteristik siklus kompresi uap yang dipergunakan selain pada mesin pendingin, juga telah dilakukan oleh Purwadi PK dan teman temannya. Untuk karakteristik siklus kompresi uap pada mesin pengering pakaian telah dilakukan oleh Purwadi, PK dan Kusbandono W (2015, 2016), sedangkan untuk pengeringan handuk telah dilakukan oleh Wijaya, K dan Purwadi, PK.
39 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah mesin water chiller dengan menggunakan kompresor 3/4 PK. Ukuran mesin water chiller yang diteliti memiliki panjang 100 cm, lebar 60 cm, dan tinggi 150 cm. Sedangkan untuk ruangannya memiliki ukuran panjang 120 cm, lebar 70 cm, dan tinggi 130 cm. Gambar skematik alat disajikan pada Gambar 3.1. Di dalam ruangan terdapat 10 botol @ 1,5 liter air, dalam keadaan terbuka.
Gambar 3.1 Skematik Mesin Water Chiller Keterangan pada Gambar 3.1 :
A. Kompresor B. Kondensor C. Pipa Kapiler
D. Penampung air dingin (refrigeran sekunder)
