Tahun ke 1 dari rencana 2 tahun
Oleh :
Dr. Eng. Azridjal Aziz, ST. MT.
NIDN 0019057103
Ir. Herisiswanto, MT.
NIDN 0005026608
PUSAT PENELITIAN PENGEMBANGAN
TEKNOLOGI DAN ENERGI
LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS RIAU
Desember 2013
LAPORAN TAHUNAN
Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi
PENGEMBANGAN RESIDENTIAL AIR CONDITIONING HIBRIDA
HEMAT ENERGI DENGAN KONDENSOR DUMMY SEBAGAI
WATER HEATER MENGGUNAKAN REFRIGERAN
HALAMAN PENGESAHAN
Judul : Pengembangan Residential Air Conditioning
hibrida Hemat Energi dengan Kondensor Dummy sebagai Water Heater menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi R-22 yang Ramah Lingkungan
Peneliti / Pelaksana
Nama Lengkap : Dr. Eng. Azridjal Aziz, ST. MT.
NIDN : 0019057103
Jabatan Fungsional : Lektor Kepala Program Studi : Teknik Mesin S1
Nomor HP : 085263006442
Alamat surel (e-mail) : azridjal@yahoo.com Anggota (1)
Nama Lengkap : Ir. Herisiswanto, MT.
NIDN : 0005026608
Perguruan Tinggi : Teknik Mesin, Universitas Riau Institusi Mitra (jika ada)
Nama Institusi Mitra : -
Alamat : -
Penanggung Jawab : -
Tahun Pelaksanaan : Tahun ke 1 dari rencana 2 tahun Biaya Tahun Berjalan : Rp. 59.000.000,-
Biaya Keseluruhan : Rp. 160.000.000,-
Pekanbaru, 6 Desember 2013 Mengetahui,
Dekan, Ketua,
Prof. Dr. H. Adrianto Ahmad, MT Dr. Eng. Azridjal Aziz, ST., MT. NIP. 19581018 198703 1 001 NIP. 19710519 20003 1002
Menyetujui;
Ketua Lembaga Penelitian
Prof. Dr. Usman M. Tang, MS NIP. 19640501 198903 1001
RINGKASAN
Siklus refrigerasi/siklus pendingin yang banyak digunakan saat ini adalah Siklus Kompresi Uap (SKU) yang dioperasikan oleh kerja kompresor (Stoecker, 1994). Sasaran penelitian ini adalah Residential Air Conditioning (RAC atau Perangkat Pengkondisian Udara Rumah Tangga) terutama dari sisi kondensor (outdoor unit). Pada perangkat pengkondisian udara (AC) panas yang diserap di ruangan yang dikondisikan oleh evaporator (indoor unit) dibuang percuma tanpa dimanfaatkan di bagian luar ruangan melalui kondensor (outdoor unit). Energi dalam bentuk panas yang terbuang percuma melalui kondensor ini (outdoor unit) dapat digunakan menjadi energi yang bermanfaat sebagai sumber panas untuk memanaskan air (water heater). Dengan penambahan sebuah kondensor dummy setelah kompresor maka panas buang kondensor dapat digunakan sebagai water
heater, tanpa mengganggu kerja kondensor utama (outdoor unit), sehingga perlu diteliti pengaruh penambahan kondensor dummy ini terhadap kinerja perangkat pengkondisian udara secara keseluruhan.
Pada penelitian ini dari hasil rancangan, digunakan mesin refrigerasi hibrida dengan daya pendinginan 1 PK, dari hasil rancangan dipilih AC Samsung AS09TSMN, daya Low Watt 670 WATT, kapasitas pendinginan 8.900 BTU/jam atau 2,6 kW. AC Samsung ini dimodifikasi menjadi mesin refrigerasi hibrida dengan menambahkan kondensor dummy. Kondensor dummy yang digunakan dibuat dari pipa tembaga 3/8 in dengan panjang 6 meter tipe spiral. Kondensor dummy ditempatkan dalam tangki air panas berkapasitas 50 L dengan isolator panas. Pada mesin refrigerasi hibrida dalam penelitian ini, unit indoor ditempatkan pada ruang uji. Mesin refrigerasi hibrida ini dapat diuji menggunakan refrigeran halokarbon R-22 maupun refrigeran subsitusi jenis hidrokarbon HCR-R-22.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan kondensor dummy pada RAC hibrida sebagai recovery energi untuk menghasilkan air panas dan sekaligus memberikan ruang yang nyaman, pengaruhnya tidak begitu berarti pada sistem RAC.
Recovery energi dari penambahan kondensor dummy, pada RAC hibrida, setelah pengoperasian selama 120 menit terjadi kenaikkan temperatur air dari 30,29 oC menjadi 50,42 oC, sedangkan ada pengoperasian 120 menit kedua temperatur naik dari 50,42 oC menjadi 56,11 oC. Pada pengoperasian 120 menit ketiga setelah 60 menit pengoperasian, beda temperatur tangki sisi atau sisi bahwah cendrung tetap pada 7 oC. Temperatur ruangan dapat dijaga pada temperatur 22 oC baik pada kondisi 1, kondisi 2, kondisi 3, dan kondisi 4. Tidak terlihat perbedaan yang berarti pada temperatur dan tekanan sistem, dengan penambahan kondensor dummy. Tidak terdapat penghematan energi kompresor yang berarti akibat penambahan kondensor
dummy. Besarnya manfaat recovery energi untuk pemanasan air, untuk kondisi aktual pada keadaan stedi adalah 1,2 kW atau 1,8 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin, jika dihitung secara teoritis, besarnya adalah 0,65 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin.
PRAKATA
Alhamdulillah, sebagai rasa terima kasih penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan dan rahmat-Nya lah maka penulis akhirnya dapat menyelesaikan laporan tahunan penelitian ini.
Penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada :
1. Lembaga Penelitian Universitas Riau melalui Dirjen Dikti yang telah mendanai penelitian ini melalui Penelitian Desentralisasi, Dana Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi Tahun 2013.
2. Bapak Prof. Dr. Adrianto Ahmad, MT. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau dan Kajur dan Sekjur selaku Pengelola Jurusan Teknik Mesin, Bapak Ir. Herisiswanto, MT., anggota peneliti, yang telah membantu mewujudkan penelitian ini dan memberikan ide dan saran untuk kesempurnaan penelitian ini. Rekan-rekan dosen Jurusan Teknik Mesin, saudara Noverianto, Wahyudi Rahman dan Hardianto Ginting selaku mahasiswa bimbingan tugas akhir yang telah membantu terwujudnya penelitian ini serta semua pihak yang telah memberikan saran dan masukan dalam pelaksanaan penelitian ini.
Penulis yakin sepenuhnya bahwa laporan tahunan penelitian ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis akan berbesar hati atas saran dan kritik yang membangun agar laporan tahunan ini lebih baik dan mendekati sempurna.
Pekanbaru, 6 Desember 2013 Ketua Peneliti,
ttd
(Dr. Eng.Azridjal Aziz, ST. MT.)
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL HALAMAN PENGESAHAN RINGKASAN PRAKATA DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7 8 BAB 1. PENDAHULUAN 9BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 12
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN BAB 4. METODE PENELITIAN
16 17 BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN
BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN 1. PERHITUNGAN PIPA KONDENSOR DUMMY LAMPIRAN 2. PRODUK PENELITIAN
19 32 34 35 37 44
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi Tabel 5.1. Sifat-sifat termodinamik R-22
Tabel 6.1. Rancangan Waktu Pelaksanaan Penelitian
Tabel L1.1. Sifat-sifat Termodinamik R22 pada Temperatur 47 oC
Tabel L1.2. Iterasi pipa kondensor 3/8 inchi
12 19 32 37 43
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap Standar
Gambar 2.2. Skema Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida sebagai Residential Air Conditioning dan Hot Room for Drying
Gambar 4.1. Skema rancangan mesin refrigerasi hibrida sebagai water
heater memanfaatkan panas buang kondensor dummy. (Diadaptasi dari Fundamentals Of Thermodynamics, 7th ed, Claus Borgnakke Richard E. Sonntag, John Wiley &
Sons, Inc., 2009
Gambar 5.1. Diagram P-h asumsi perancangan Gambar 5.2. Rancangan kondensor dummy tipe spiral
(http://pemanasairwikaswh.com/wp-
content/uploads/2011/07/Manual-Book-WIKA-AWH.pdf)
Gambar 5.3. Tangki air panas yang dimodifikasi untuk kondensor
dummy (http://waterheater.indonesia123.biz/wp-
content/uploads/2013/04/water-heater-PRO-R-50V.jpg)
Gambar 5.4. Realisasi ruang uji mesin refrigerasi hibrida dari hasil rancangan Gambar 5.5. Temperatur kondensor dummy in dan out, bottom dan top of the Tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida kondisi 1 keadaan transien
Gambar 5.6. Temperatur kondensor dummy in dan out, bottom dan top of the Tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida menuju keadaan stedi (kondisi 2)
Gambar 5.7. Temperatur kondensor dummy in dan out, bottom dan top of the Tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida kondisi 3 keadaan transien
Gambar 5.8. Temperatur kondensor in, bottom dan top of the Tank dan
temperatur room pada mode RAC hibrida kondisi 4 keadaan transien
Gambar 5.9. Daya kompresor berbagai kondisi (1, 2, 3 dan 4) pada RAC
hibrida standar model hibrida kondisi transien
Gambar 5.10. Tekanan kondensor dan evaporator pada mode RAC standar
darn hibrida kondisi11, 2, 3, dan 4
Gambar 5.11. Comparison of compressor power capacities as RAC hybrid mode Gambar 5.12. Comparison of evaporator cooling capacities as RAC hybrid mode Gambar 5.13. Comparison of condenser heating capacities as RAC hybrid mode Gambar 5.14. Dummy condenser heating capacities as RAC hybrid mode
Gambar 5.15. Dummy condenser heating capacities theoritical and actual as RAC
hybrid mode
Gambar L2.1. Ruang Uji Mesin refrigerasi Hibrida
Gambar L2.2. Bagian dalam Ruang Uji Mesin refrigerasi Hibrida Gambar L2.3. Kondensor dummy berdasarkan hasil rancangan Gambar L2.4. Kondensor dummy berdasarkan hasil rancangan yang
akan dipasang dalam tangki air panas
Gambar L2.5. Kondensor dummy dan tangki air panas tampak atas Gambar L2.5. Kondensor dummy dan tangki air panas tampak samping
13 14 18 19 22 22 23 24 25 25 26 27 28 28 29 30 30
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Perhitungan Pipa Kondensor Dummy Lampiran 2. Produk Penelitian
37 44
BAB 1. PENDAHULUAN
Latar Belakang Masalah
Siklus kompresi uap merupakan siklus yang terbanyak digunakan dalam siklus refrigerasi/siklus pendingin (Stoecker, 1994). Refrigeran yang digunakan dalam siklus tersebut terutama adalah refrigeran halokarbon, yang secara teknis cukup baik, apalagi refrigeran jenis ini tingkat racun dan tingkat mampu nyalanya rendah. Namun pada pertengahan tahun 1970-an diketahui bahwa klorin yang terdapat dalam refrigeran halokarbon yang terlepas ke lingkungan dapat merusakkan lapisan ozon di stratosfir. Hal ini akan berdampak pada lingkungan, dimana radiasi UV intensitas tinggi yang mencapai bumi sebagai akibat perusakkan lapisan ozon dapat menimbulkan kanker kulit (Stoecker, 1994).
Salah satu usaha dalam meningkatkan efisiensi pemakaian energi adalah dengan memanfaatkan kembali (recovery) energi yang selama ini dibiarkan terbuang pada suatu mesin konversi energi. Alasan paling umum digunakan dalam usaha memodifikasi mesin refrigerasi adalah menghasilkan mesin refrigerasi yang hemat energi. (M. M. Rahman., Chin Wai Meng., and Adrian Ng., 2007)
Air Conditioning (AC) adalah suatu mesin refrigerasi sebagai sistem pengkondisi udara yang digunakan dengan tujuan untuk memberikan rasa nyaman bagi penghuni yang berada dalam suatu ruangan/gedung. Jadi AC tidak hanya berfungsi memberikan efek dingin tetapi yang lebih penting adalah memberikan rasa kenyamanan (comfort air conditioning) yaitu suatu proses perlakuan termodinamik terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada di dalamnya. (Stoecker, 1994)
Perkembangan pemakaian sistem pengkondisian udara sudah sangat pesat, hal ini dapat dilihat bahwa hampir semua gedung bertingkat, pusat perkantoran, pusat perbelanjaan, perumahan (residential) menggunakan fasilitas ini. Peningkatan penggunaan Residential Air Conditioning saat ini meningkat dengan tajam seiring makin membaiknya daya beli masyarakat golongan menengah ke atas dan pengaruh perubahan iklim akibat pemanasan global. Fasilitas ini dirancang untuk memenuhi salah satu faktor yang dapat membantu membuat rasa nyaman bagi penghuni dalam melakukan berbagai aktivitas.
Mesin refrigerasi yang berfungsi sebagai Residential Air Conditioning digunakan untuk mengkondisikan berbagai ruangan pada bangunan rumah seperti ruang kerja, ruang tidur, ruang tamu maupun ruang keluarga sehingga diperoleh rasa sejuk dan nyaman. Rasa sejuk dan nyaman diperoleh sebagai efek pendinginan dari evaporator yang dilengkapi dengan filter udara dan ionizer, sehingga kualitas kenyamanan dan kebersihan udara ruangan dapat terjaga dengan baik. Mesin refrigerasi adalah salah satu jenis mesin konversi energi, dimana sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain, panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untuk memenuhi prinsip-prinsip termodinamika agar mesin dapat berfungsi. Panas dari kondensor yang terlepas ke lingkungan biasanya terbuang begitu saja tanpa dimanfaatkan. Demikian juga pada mesin pompa panas, sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pemanasan dengan cara menyerap panas dari lingkungan. Panas yang diserap dari lingkungan sebetulnya dapat dimanfaatkan untuk mendinginkan sesuatu, tapi biasanya cenderung dibiarkan terbuang. (Jie Ji.,
Tin-tai Chow., Gang Pei., Jun Dong., and Wei He., 2003, Jie Ji., and Gang Pei et al., 2005).
Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesin pompa panas di atas, maka berbagai usaha telah dilakukan untuk mengembangkan suatu sistem yang menggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panas dalam satu mesin. Pada mesin terpadu ini efek pendinginan dan efek pemanasan dapat dihasilkan dan dimanfaatkan secara bersamaan, sehingga penghematan energi buang mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadu dengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesin refrigerasi hibrida, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida. (Jongmin Choi a, Jongug Jeon b, and Yongchan Kim., 2007, Aziz, Azridjal, 2004, 2002)
Pemanfaatkan evaporator dan kondensor tersebut secara bersamaan, tentu akan terjadi perubahan atau gangguan pada siklus keseluruhan, sehingga perlu dilakukan pengujian pada instalasi yang sebenarnya untuk mendapatkan kondisi kerja optimal mesin. Penggunaan kondensor dummy yang ditempatkan setelah sisi keluar kompresor bertujuan menjaga kestabilan mesin refrigerasi sehingga mesin dapat berfungsi dengan baik untuk memenuhi hukum keseimbangan termodinamika. (Jose M. Corbera´n., Jacobo Segurado., Daniel Colbourne., and Jose´ Gonza´lvez., 2008, Arif Hepbasli., and Yildiz Kalinci., 2009, Arora, CP, 2001).
Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi hibrida dibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja. Refrigeran yang paling banyak digunakan adalah refrigeran halokarbon (halogenated refrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau R-22 . (Agarwal, Radhey S, 1997). Namun dari hasil penelitian, refrigeran halokarbon R-22 menunjukkan sifat yang dapat merusak lapisan ozon dan berpotensi besar terhadap peningkatan efek pemanasan global, sehingga penggunaan refrigeran tersebut dicanangkan untuk dihapuskan pembuatan dan pemakaiannya. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004).
Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon R-22 adalah refrigeran hidrokarbon (hydrocarbon referigerant). Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yaitu dapat digunakan sebagai pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hemat energi, dan memenuhi standar internasional (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000).
Perumusan Masalah
Pada mesin refrigerasi sejumlah energi dibutuhkan untuk mendapatkan efek pendinginan untuk mendinginkan ruangan sedangkan pada sisi luar panas dibuang (efek pemanasan) dari sistem ke lingkungan begitu saja tanpa dimanfaatkan. Panas yang dibuang ke lingkungan tersebut kandungan energinya cukup besar, lebih besar dari energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan sistem dan lebih besar dari energi yang diserap di ruangan yang dikondisikan. Panas yang dibuang ke lingkungan ini dapat digunakan untuk memanaskan udara maupun air yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Udara panas dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan sedangkan air panas dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan air panas antara lain untuk mencuci, mandi, dan memasak di rumah, kantor, industri, hotel dan rumah sakit. Pemanfaatan panas buang ini dapat menghemat biaya energi listrik atau energi gas yang dibutuhkan dalam proses pemanasan.
Sebagian besar mesin refrigerasi siklus kompresi uap menggunakan refrigeran halokarbon R-22 yang telah diketahui dapat merusak lapisan ozon yang
berdampak negatif pada lingkungan global. Pada penelitian ini akan digunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dengan refrigeran hidrokarbon, perangkat mesin refrigerasi tersebut tetap dapat digunakan, terjadi penghematan energi 5 - 25 %, tanpa penggantian komponen. (Azridjal Aziz dan Yazmendra Rosa, 2010, S. Devottaa., A.S. Padalkar., and N.K. Sane, 2005).
Mesin refrigerasi hibrida tentu saja memiliki keunggulan dan kekurangan, salah satu yang merupakan keunggulannya adalah peningkatan efisiensi penggunaan energi tetapi karena kedua sisinya sudah dimanfaatkan maka perubahan pada suatu sisi akan mempengaruhi proses di sisi yang lainnya. Penelitian ini penting dilakukan untuk mengetahui pengaruh pemanfaatan perangkat mesin refrigerasi ini sebagai
Residential Air Conditioning yang sekaligus memanfaatkan panas buang dari kondensor dummy sebagai water heater untuk berbagai keperluan air panas di rumah tangga. Penghematan energi pada penggunaan panas buang kondensor tentu akan mempengaruhi kinerja mesin refrigerasi, sehingga perlu dirancang mesin refrigerasi dengan penambahan komponen kondensor dummy, agar kinerja mesin tetap normal dan memenuhi hukum keseimbangan termodinamika.
BAB 2. TINJAUAN PUSAKA
Tinjauan Pustaka
Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada di bawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Secara umum bidang refrigerasi mencakup kisaran temperatur sampai 123 K. Sedangkan proses-proses dan aplikasi teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut kriogenika (cryogenics). Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur di bawah 123 K dimana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen dan helium dapat mencair. (Arora, C. P, 2001)
Proses pengambilan/penyerapan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Qe. Sedangkan proses pembuangan energi dalam
bentuk panas ke lingkungan terjadi di kondensor dengan laju sebesar Qk. (Stoecker,
W.F. and Jones, J.W. 1994). Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokkan seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.1. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004).
Tabel 2.1. Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi
Jenis Mesin refrigerasi Contoh
Refrigerasi Domestik Lemari es, dispenser air
Refrigerasi Komersial Pendingin minuman botol, box es krim, lemari pendingin supermarket
Refrigerasi Industri Pabrik es, cold storage, mesin pendingin untuk industri proses
Refrigerasi transport Refrigerated truck, train and containers
Pengkondisian udara domestik dan Komersial
AC window, split, dan package. Chiller Water cooled and air cooled chillers
Mobile Air Conditiong (MAC) AC mobil
Siklus Kompresi Uap Standar
Sebuah siklus kompresi uap standar memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator (gambar 2.1). Siklus yang paling banyak digunakan untuk merealisasikan uraian di atas pada sistem refrigerasi adalah siklus kompresi uap.
Secara umum ada dua bagian penting dalam siklus kompresi uap yaitu : 1. Bagian yang bertekanan tinggi mulai dari sisi keluar kompresor hingga sisi masuk
katup ekspansi.
2. Bagian yang bertekanan rendah mulai sisi keluar katup ekspansi hingga sisi masuk kompresor.
Proses-proses termodinamik yang terjadi pada siklus kompresi uap standar adalah:
1. Proses 1-2 : Kompresi isentropik (adibatik dan reversibel) dari uap jenuh ke tekanan kondensasi.
2. Proses 2-3 : Pelepasan panas reversibel pada tekanan konstan sampai kondisi cair jenuh.
3. Proses 3-4 : Eskpansi irreversibel pada entalpi konstan sampai tekanan evaporasi. 4. Proses 4-1: Pemasukan panas reversibel pada tekanan konstan dari fasa campuran
ke tingkat keadaan uap jenuh.
Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap Standar
Unjuk kerja mesin refrigerasi kompresi uap ditentukan oleh beberapa parameter, di antaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi (COP) dan performansi faktor (PF). Diagram tekanan-entalpi pada gambar 2.1.b dapat membantu dalam menentukan parameter-parameter tersebut.
Mesin Refrigerasi Hibrida
Usaha memodifikasi siklus kompresi uap standar dilakukan untuk efisiensi penggunaan energi. Berbagai pengembangan telah dilakukan pada mesin refrigerasi kompresi uap untuk mendapatkan efisiensi dan prestasi yang lebih baik. Salah satu pengembangan tersebut adalah dengan membuat sistem refrigerasi hibrid. Pada sistem refrigerasi hibrid ini, mesin dapat berfungsi sebagai mesin pendingin dan pompa panas. Efek refrigerasi dilayani oleh evaporator dan efek pemanasan dilayani oleh kondensor. (Amrul, 2001).
Pada alat uji mesin refrifgerasi hibrida dengan siklus standar, jika prestasinya ditinjau dari sisi air (gambar 2.2.), maka akan didapatkan :
a. Kapasitas pendinginan pada evaporator adalah :
ae ae P ae e m C T Q = × , ×∆ . (1) (a) Entalpi T ek a n a n evaporator Wk k o m p re s o r kondensor a la t e k s p a n s i 2 Qe 3 1 4 (b) 1 2 3 4 Qk
dimana : Qe (dampak pendinginan di evaporator (Watt)),
.
ae
m ( laju masa air masuk evaporator (kg/s)), CPae( kalor jenis air (J/(kgK))), ∆Tae (perbedaan temperatur air di
evaporator (oC)).
b. Kapasitas pemanasan pada kondensor :
ak ak P ak k m C T Q = × , ×∆ . (2)
Gambar 2.2. Skema Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida sebagai Residential Air Conditioning dan Hot Room for Drying
dimana : Qk (dampak pemanasan di kondensor (Watt)),
.
ak
m (laju masa air masuk kondensor (kg/s)), CPak(kalor jenis air (J/(kgK))), ∆Tak(perbedaan temperatur air di
kondensor (oC))
c. Daya kompressor :
φ
η V I Cos
Wk = m× 3× × × (3)
dimana : Wk(daya kompresor (Watt)),
η
m(efisiensi motor = 0,8), cos (faktor daya φ= 0,83), V ( tegangan motor listrik (V)), I (arus motor listrik (A)).
d. Koefisien performansi adalah perbandingan antara efek pendinginan yang diperoleh terhadap energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.
Koefisien performansi pada evaporator:
. . k e W Q COP= (4)
e. PF atau faktor performansi didefinisikan sebagai perbandingan efek pemanasan di kondensor terhadap energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.
k k W Q PF = (5) Refrigeran
Refrigeran adalah fluida kerja yang digunakan untuk mentransfer panas di dalam siklus refrigerasi. Pada sistem kompresi uap, refrigeran menyerap kalor dari suatu ruang melalui proses evaporasi dan membuang kalor ke ruang lain melalui proses kondensasi. Sifat-sifat yang dipertimbangkan dalam memilih refrigeran, adalah: sifat kimia, sifat fisik dan sifat termodinamik. Berdasarkan sifat-sifat kimianya refrigeran yang baik : tidak beracun, tidak bereaksi dengan komponen refrigerasi, dan tidak mudah terbakar, serta tidak berpotensi menimbulkan pemanasan global (non-GWP(Global Warming Potential)) dan tidak merusak lapisan ozon (non-ODP (Ozone Depleting Potential)).
Refrigeran hidrokarbon merupakan salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon . Refrigeran hidrokarbon tidak berpotensi merusak ozon karena ODP = 0 dan GWP yang kecil. Refrigeran hidrokarbon juga tidak mengalami reaksi kimia dengan oli pelumas yang digunakan untuk refrigeran halokarbon. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000). Refrigeran hidrokarbon adalah refrigeran yang ramah lingkungan, hal ini diperlukan agar kelestarian lingkungan terjaga, karena lapisan ozon di stratosfir berfungsi melindungi bumi dari radiasi sinar ultra violet intensitas tinggi yang berbahaya (antara lain dapat menimbulkan kanker kulit, katarak mata, menurunkan immunitas tubuh, dapat membunuh phytoplankton yang merupakan bagian dari rantai kehidupan laut). (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004)
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian mesin refrigerasi ini adalah
- membuat prototipe mesin refrigerasi hibrida sebagai Residential Air
Conditioning dengan penambahan kondensor dummy untuk menjaga keseimbangan termodinamika mesin yang dapat beroperasi menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 dan refrigeran halokarbon R-22.
- mempelajari parameter yang mempengaruhi karakteristik perangkat Residential
Air Conditioning yang telah dimodifikasi menjadi mesin refrigerasi hibrida, diantaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi (COP) dan performansi faktor (PF).
- mempelajari penggunaan air sebagai media penyerapan panas buang yang diperoleh dari kondensor serta pengaruhnya terhadap tekanan dan temperatur sistem.
- mempelajari pengaruh penempatan inlet dan outlet pada tangki air kondensor
dummy.
- mempelajari kinerja mesin sebagai mesin pendingin terhadap mesin sebagai mesin refrigerasi hibrida.
Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan, diharapkan akan terealisasi sebuah prototipe mesin refrigerasi hibrida yang berfungsi ganda, sebagai mesin pendingin pada
Residential Air Conditioning sekaligus sebagai water heater pada kondensor dummy. Mesin refrigerasi ini dirancang dan dimodifikasi dari perangkat Residential Air
Conditioning, sehingga dapat diperoleh parameter yang mempengaruhi karakteristik mesin refrigerasi secara keseluruhan. Hasil karakteristik mesin ini dapat digunakan sebagai parameter dalam menentukan kondisi optimal mesin sehingga modifikasi perangkat pengkondisian udara menjadi mesin refrigerasi hibrida diharapkan tidak mengganggu kinerja optimal sistem keseluruhan. Prototipe mesin refrigerasi hasil penelitian ini diharapkan dapat diterapkan pada penggunaan secara nyata di rumah tangga yang menggunakan Residential Air Conditioning.
Diharapkan dengan pemanfaatan efek pendinginan dan pemanasan secara bersamaan, akan terjadi penghematan energi yang cukup berarti dengan memanfaatkan energi yang terbuang percuma berupa panas buang dari kondesor
dummy. Efek pendinginanan dari mesin refrigerasi ini dapat digunakan sebagai
Residential Air Conditioning untuk pengkondisian udara di rumah tangga sehingga diperoleh rasa sejuk, rasa nyaman dan kualitas udara ruangan yang lebih baik. Panas buang dari perangkat mesin refrigerasi dapat digunakan sebagai water heater pada kondensor dummy untuk keperluan air panas di rumah tangga antara lain untuk keperluan mandi, cuci dan memasak.
BAB 4. METODE PENELITIAN
Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode teoritis dan eksperimental. Metode teoritis dilakukan untuk menentukan parameter rancangan bagian-bagian utama mesin refrigerasi hibrida sedangkan metode eksperimental dilakukan guna menguji hasil rancangan untuk mengetahui analisis kinerja mesin refrigerasi hibrida. Skema rancangan mesin refrigerasi hibrida dapat dilihat pada gambar 4.1. Siklus refrigerasi standar adalah siklus 1-2-3-4, sedangkan siklus refrigerasi hibrida yang memanfaatkan panas buang pada kondensor dummy untuk menghasilkan air panas dalam tangki adalah siklus 1-2-2a-2b-3-4.
Tahapan-tahapan pengerjaan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Tahap Persiapan Penelitian
Pada tahapan ini akan dilakukan studi literatur dan pendalaman pemahaman terhadap konsep mesin refrigerasi hibrida yang menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 dan refrigeran halokarbon R-22, dengan mempelajari buku-buku dan jurnal-jurnal penelitian terbaru yang relefan. Studi literatur ini dapat dilakukan di perpustakaan maupun melalui internet. Pada tahapan ini juga dilakukan proses perancanaan kondensor dummy yang dapat menghasilkan air panas.
2. Tahap Pembuatan Prototipe Sistem
Pada tahapan ini dilakukan pembuatan prototipe yaitu sebuah mesin refrigerasi uap hibrida yang dapat menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 dan refrigeran halokarbon R-22. Pembuatan prototipe dilakukan dengan memodifikasi perangkat pengkondisian udara dengan melakukan penambahan beberapa komponen yang dapat melayani pengujian untuk pengambilan data yang diperlukan.
3. Tahap Pengumpulan Data
Pada tahapan ini dilakukan pengambilan data-data yang diperlukan dengan menggunakan beberapa macam alat ukur antara lain : pressure gauge, termometer, multimeter, stopwatch, anemometer. Data-data yang diambil meliputi temperatur masuk dan keluar evaporator, temperatur masuk dan keluar kondensor, laju aliran air masuk dan keluar tangki kondensor dummy, temperatur air dalam tangki kondensor dummy, temperatur ruang uji mesin pendingin, lama pemanasan air dalam tangki kondensor (kondisi transient) sampai mencapai kondisi tunak/steady, besar beban pendinginan, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator.
4. Tahap Analisis Data
Data yang diperoleh akan ditabulasikan dan dilakukan perhitungan sesuai prinsip-prinsip termodinamika yang berlaku, selanjutnya akan diplot dalam berbagai grafik dan gambar yang dapat memberikan informasi-informasi mengenai pengaruh temperatur masuk dan keluar evaporator, temperatur masuk dan keluar kondensor, laju aliran air pengisi dan laju aliran massa refrigeran, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan
keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator terhadap unjuk kerja sistem. Analisis data dilakukan untuk mengetahui kinerja mesin terhadap beban pendinginan pada ruang uji mesin pendingin dan kemampuan penyediaan air panas dari tangki kondensor dummy untuk keperluan penggunaan air panas.
5. Tahap Pembuatan Laporan
Pada tahapan ini seluruh hasil yang diperoleh dari tahapan sebelumnya dibuat dalam bentuk laporan hasil penelitian. Laporan hasil penelitian ini juga dapat dipublikasikan di jurnal terakreditasi/jurnal bereputasi internasional, atau dipublikasikan di seminar nasional/internasional yang relefan, sehingga dapat diperoleh masukan-masukan untuk kesempurnaan penelitian selanjutnya.
Gambar 4.1. Skema rancangan mesin refrigerasi hibrida sebagai water heater
memanfaatkan panas buang kondensor dummy. (Diadaptasi dari Fundamentals Of Thermodynamics, 7th ed, Claus Borgnakke Richard E. Sonntag, John Wiley & Sons,
BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN
Rancangan Bagian-Bagian Utama Mesin Refrigerasi
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan, Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau. Di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan ini dilakukan pembuatan alat uji mesin refrigerasi kompresi uap hibrida yang menggunakan refrigeran hidrokarbon pengganti R-22 (HCR-22). Fasilitas yang terdapat di laboratorium ini cukup memadai untuk terlaksananya penelitian ini, sehingga penelitian dapat dilakukan.
Diagram P-h asumsi perancangan dapat dilihat pada gambar 5.1.
Gambar 5.1. Diagram P-h asumsi perancangan
Data termodinamik dan termofisik perancangan menggunakan tabel sifat-sifat termodinamika R-22 sebagai refrigeran, data perancangan hasil analisis termodinamika dapat dilihat pada tabel 5.1.
Tabel 5.1. Sifat-sifat termodinamik R-22
Sifat Termofisik Titik 1 (uap jenuh) Titik 2 (uap panas lanjut) Titik 2’ (uap jenuh) Titik 3 (cair jenuh) Titik 4 (x= 0,252) Tekanan, kPa 583,78 1729 1729 1729 583,78 Enthalpi, kJ/kg 406,64 5 433,596 416,56 256,415 256,415 Kalor jenis tekanan konstan, kJ/kg. K 0,747 - 1,064 1,3725 1,186 Massa jenis, kg/m3 24,82 117,564 75,61 1105,8 Viskositas, Pa.s 12 - 13,52 128,8 - Konduktivitas termal, W/m.K 0,0098 1 0,0122 0,0778 Entropi, kJ/kg.K 1,7429 1,7429 1,69075 - -
Pada mesin refrigerasi hibrida evaporator dan kondensor sama-sama dimanfaatkan. Dalam perancangan sistem pengujian digunakan asumsi-asumsi : sistem bekerja pada siklus kompresi uap standar, fluida kerja adalah refrigeran R-22 Sebagai data awal perancangan ditetapkan :
• Tekanan Evaporasi = 583,78 kPa [ Te = 5 0C] • Tekanan Kondensasi = 1729 kPa [Tk = 45 0C]
Analisis Data Termodinamik dan Termofisik Perancangan
Kapasitas refrigerasi rancangan diasumsikan Qe = 7000 btu/h = 2052 W =
2,052 kW (diambil dari spesifikasi AC Windows LG LWG 0760 ACG).
Proses termodinamika di dalam kompresor terjadi secara isentropik dari tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2, s1 = s2 =1,74463 (kJ/kgK), maka untuk
mencari h2dan v2 dapat dicari dengan interpolasi.
Dari analisa tingkat keadaan termodinamika siklus kompresi uap pada gambar 5.1 diperoleh :
1. Kapasitas Refrigerasi (Qe) 150, 23 kJ/kg
2. Laju aliran massa refrigeran ( .
ref
m
) = 13,7 x 10-3 kg/s 3. Daya Kompresor (Wk) = 0,7 HPKompresor yang digunakan adalah jenis hermetik dengan daya 1 HP 4. Koefisien Prestasi (COP)= 3,9
5. Laju aliran panas yang dibuang kondensor (Qk) = 2,58 kW
Perancangan Evaporator
Evaporator adalah alat penukar kalor yang di dalamnya terjadi proses perpindahan panas fluida kerja yang berubah fasa dari cairan menjadi gas (refrigeran) ke fluida lain disekitarnya. Seperti halnya alat penukar kalor lainnya evaporator memiliki banyak jenis. Pada perancangan ini direncanakan digunakan adalah evaporator jenis tabung dan pipa (Sheel and Tube) dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang (Holman, 1991).
Perancangan Kondensor
Bentuk kondensor direncanakan sama dengan bentuk evaporator yaitu jenis tabung dan pipa (Sheel and Tube) tetapi fenomenanya berbeda dengan evaporator karena refrigeran mengembun didalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang. Laluan pipa didalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas kondensor ini.(Holman, 1991)
Perhitungan Pipa Kapiler
Alat penurun tekanan yang digunakan dalam perancangan ini adalah jenis pipa kapiler, yaitu pipa tembaga dengan diameter dalam yang sangat kecil hanya beberapa milimeter atau kecil dari satu milimeter. Ukuran diameter pipa kapiler yang dipilih dalam rancangan ini, adalah Di = 1,7 mm = 0,0017 m, dengan temperatur
kondensasi Tkon = 450 C dan temperatur evaporasi Tevap = 50 C (sesuai data rancangan). Analisis pipa kapiler dihitung dengan persamaan-persamaan tertentu dari literatur tentang refrigrasi. (Stoecker, 1994).
Hasil Perancangan Mesin Refrigerasi Hibrida
Dari perancangan yang dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut :
1. Kompresor, kompresor yang digunakan : - kompresor hermetik jenis rotari - daya kompresor sebesar 1 HP
2. Evaporator, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in yang disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 31 cm maka jumlah laluan seluruhnya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data hasil perancangan evaporator :
- Temperatur permukaan, Ts adalah 9,17 oC - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6175 m - Panjang total pipa, L adalah 20,69 m
- Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h0= 219,018 W/m2.0C
- Koefisien perpindahan kalor total, U0= 172,7496 W/m2.0C
3. Kondensor, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in ini disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 33 cm maka jumlah laluannya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6.
Data hasil perancangan kondensor :
- Temperatur permukaan, Ts adalah 40,93 oC - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6489 m - Panjang total pipa, L adalah 21, 74 m
- Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h0= 315,738 W/m2.0C
- Koefisien perpindahan kalor total, U0= 236,469 W/m2.0C
4. Pipa kapiler, menggunakan pipa tembaga dengan diameter 1,7 mm, yang bekerja pada temperatur kondensasi 45 oC dan temperatur evaporasi 5 oC panjang pipa kapiler adalah 1,65 m
Pemilihan Mesin Pendingin
Pada penelitian ini dilakukan pemilihan mesin pendingin dengan daya pendinginan ± 25% lebih besar dari rancangan. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi faktor pengotoran agar daya pendinginan rancangan tetap tercapai untuk penggunaan jangka panjang. Mempertimbangkan hal ini maka dipilih AC dengan daya 1 PK merek samsung tipe SAMSUNG AS09TSMN, daya Low Watt 670 WATT, kapasitas pendinginan 8.900 BTU/jam atau 2,6 kW.
Rancangan Kondensor Dummy
Kondensor dummy adalah kondensor tambahan yang ditempatkan sebelum kondensor utama atau ditempatkan setelah aliran refrigeran keluar dari kompresor pada kondisi super panas tekanan dan temperatur tinggi. Ikhwan Nurhalim (2011) menggunakan pipa tembaga 1/4 in dengan panjang pipa 8 meter untuk Air Conditioning Water Heater (ACWH) yang ditempatkan dalam tangki air 50 L. Jeffri R G Siburian (2011) menggunakan pipa tembaga 3/8 in dengan panjang pipa 5 meter untuk ACWH untuk memanaskan air dalam tangki 120 L. Secara umum pada pemasangan AC panjang pipa maksimum yang diijinkan antara bagian indoor (evaporator) dan bagian outdoor (kondensor, kompresor dan pipa kapiler) adalah 15 meter dengan beda ketinggian maksimum 7,5 meter.
Rancangan kondensor dummy dengan asumsi temperatur pipa kondensor 47oC dan temperatur pipa evaporator 6 oC, dengan temperatur air masuk tangki kondensor dummy 27 oC dan temperatur keluar kondensor 32 oC, diperoleh pipa kondensor dummy sepanjang 6 meter. Kondensor dummy yang digunakan bertipe spiral agar dapat dipasang seluruhnya di dalam tangki dengan lebih mudah sehingga mudah dalam pemasangan dan perawatan nantinya. Sketsa kondensor dummy tipe spiral dapat dilihat pada gambar 5.2. Kondensor dummy saat ini dalam proses pembuatan, kendala yang dihadapi adalah rumitnya proses penekukan dan pembuatan lilitan spiral dari pipa tembaga. Perlu percobaan trial and error dalam pembuatan kondensor dummy, agar kondensor dummy dapat berfungsi dengan baik, tanpa adanya lipatan atau tekukan patah/tajam yang dapat mengakibatkan terjadinya kebocoran saat dialiri refrigeran.
Gambar 5.2. Kondensor dummy tipe spiral hasil rancangan
(http://pemanasairwikaswh.com/wp-content/uploads/2011/07/ Manual-Book-WIKA-AWH.pdf)
Pemilihan Tangki Air Panas untuk Kondensor Dummy
Gambar 5.3. Tangki air panas yang dimodifikasi untuk kondensor dummy
(http://waterheater.indonesia123.biz/wp-content/uploads/2013/04/ water-heater-PRO-R-50V.jpg)
Mesin refrigerasi hibrida pada penelitian ini memanfaatkan panas buang kondensor dummy untuk menghasilkan air panas dalam tangki air panas. Pemilihan tangki air panas yang akan digunakan sangat bergantung kepada kapasitas mesin pendingin yang digunakan. Tangki air panas seperti yang ditunjukkan di gambar 5.3 dipilih untuk dimodifikasi (tangki air panas dari pemanas air elektrik merek Delizia kapasitas 50L), elemen pemanas elektriknya diganti kondensor dummy dan beberapa penyesuaian dan pengujian agar tidak terjadi kebocoran saat telah diisi dengan air.
Rancangan Ruang Uji
Ruang uji adalah ruang yang digunakan untuk menguji mesin refrigerasi hibrida yang berfungsi sebagai ACWH. Ruang uji bisa dikondisikan sesuai dengan parameter pengujian yang dibutuhkan untuk menganalisis kinerja mesin refrigerasi hibrida yang dipasang dalam ruang uji. Dimensi ruang uji adalah panjang 2,26 m, lebar 1,75 m dan tinggi 2 m. Realisasi ruang uji hasil rancangan dapat dilihat pada gambar 5.4.
Gambar 5.4. Realisasi ruang uji mesin refrigerasi hibrida dari hasil rancangan Hasil dan Pembahasan
Pada penelitian ini pengujian RAC dilakukan pada mode RAC hibrida dan pada mode RAC biasa atau standar. Pengujian dilakukan pada keadaan transien dan pada keadaan stedi, untuk melihat hubungan antara temperatur dan waktu pemanasan, serta pengaruhnya terhadap daya kompresor. Pengujian RAC dilakukan dalam 4 kondisi: kondisi 1 yaitu kondisi pemanasan air dari kondensor dummy kondisi awal dari 0 sampai 120 menit pada keadaan transien, kondisi 2 yaitu kondisi lanjutan menuju keadaan stedi 120 menit ke-2, kondisi 3 yaitu kondisi penggunaan air panas setelah keadaan stedi tercapai menuju kondisi stedi penggunaan air panas dan pengujian 120 menit ke-3. Kondisi 1, kondisi 2 dan kondisi 3 adalah mode RAC hibrida. Yang terakhir, kondisi 4 yaitu kondisi pada mode RAC standar atau biasa, merupakan pengujian ke-4 yang dilakukan selama 120 menit. Temperatur
lingkungan rata-rata pengujian kondisi 1 adalah 27,1 oC. Ruangan dijaga pada temperatur 22 oC, dengan mengatur bukaan pintu ruangan sebagai beban pendinginan.
Pada pengujian mode RAC hibrida keadaan transien, dproses pemanasan air dimulai dari nol (saat mesin mulai dihidupkan) sampai 120 menit (kondisi 1), energi dari kalor buang kondensor dummy diserap oleh air dalam tangki yang berada dalam kondisi penuh. Gambar 2 menunjukkan hubungan antara perubahan temperatur yang terjadi pada RAC hibrida terhadap waktu untuk memanaskan air di dalam tangki.
Gambar 5.5. Temperatur kondensor dummy in dan out, temperatur bottom dan top of the tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida kondisi 1 keadaan transien
Perpindahan kalor antara kondensor dummy dengan air didalam tangki menyebabkan temperatur air naik dari 30,29 oC menjadi 50,42 oC, dimana temperatur condenser
dummy in dan out cenderung berada pada variasi temperatur yang sama. Hal ini berarti kalor yang diterima oleh air cenderung konstan sehingga temperatur air akan terus naik sampai keadaan stedi tercapai.
Temperatur air bagian bawah tangki naik dari 28,6 oC menjadi 34,54 oC, karena temperatur air pada bagian atas sudah cukup tinggi. Pada saat bersamaan ruangan (room) mengalami proses penyerapan kalor sehingga temperaturnya turun dan mencapai keadaan stedi setelah 75 menit, dengan temperatur ruangan 22 oC, seperti tampak pada Gambar 5.5.
Mode pengujian RAC hibrida kondisi 2, dilakukan pada keadaan temperatur air panas dalam tangki menuju stedi, dimana pemanasan air merupakan lanjutan dari kondisi 1 selama 120 menit seperti tampak pada Gambar 5.6. Pada kondisi 2, temperatur air bagian atas tangki tetap mengalami kenaikan dari 50,42 oC menjadi 56,11 oC, kenaikan temperatur tidak terlalu tinggi karena perbedaan temperatur antara kondensor dummy dan air cendrung turun, dan menuju keadaan stedi pada menit ke-105. Temperatur air bagian bawah tangki naik dari 34,54 oC menjadi 40,31
o
C, hal ini karena aliran air panas dari bagian atas tangki mempengaruhi bagian bawah tangki. Temperatur bagian atas tangki tetaplebih panas dari temperatur bawah tangki karena masa jenis air turun seiring naiknya temperatur air, air panas akan lebih ringan dari air dingin, sehingga air panas akan mengumpul di bagian atas tangki. Pada saat bersamaan, temperatur ruangan pada kondisi 2 ini dapat dijaga cenderung tetap pada temperatur 22 oC seperti tampak pada Gambar 5.6.
Gambar 5.6. Temperatur kondensor dummy in dan out, temperatur bottom dan top of the tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida menuju keadaan stedi
(kondisi 2)
Gambar 5.7. Temperatur kondensor dummy in dan out, temperatur bottom dan top of the tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida pada kondisi 3
Perubahan temperatur kondensor dummy in dan out, temperatur bottom dan top of the
tank dan temperatur room pada mode RAC hibrida pada kondisi 3 selama 120 menit pengoperasian dapat dilihat pada Gambar 5.7. Pada kondisi 3, saat penggunaan air panas dalam tangki, air mengalir ke dalam tangki pada laju aliran massa air rata-rata
konstan pada 0,0403 kg/s, sehingga tangki air selalu penuh. Pada penggunaan air panas selama 120 menit, air pada bagian atas tangki mencapai keadaaan stedi setelah pemakaian selama 60 menit sedangkan air bagian bawah tangki cenderung konstan pada 27,7 oC karena kalor dari kondensor dummy langsung digunakan untuk menaikkan temperatur aliran air pada rentang temperatur yang kecil. Beda temperatur bagian atas tangki dan bagian bawah tangki pada keadaan stedi adalah 7
o
C dari temperatur 35 oC dan 28 oC.
Pada mode pengujian RAC standar kondisi 4, pada mode ini RAC berfungsi tanpa pemanfaatan kondensor dummy atau pada kondisi pemakaian RAC pada umumnya dapat dilihat pada Gambar 5.8. RAC dioperasikan selam 120 menit setelah keadaaan stedi tercapai. Temperatur pada bottom of the tank dan top of the tank tetap berada temperatur 32 oC karena pada kondisi 4 tidak terjadi pemanasan di tangki air, karena kondensor dummy tidak digunakan. Temperatur kondensor rata-rata yang didapatkan pada kondisi 4 adalah 62 oC, sedangkan temperatur ruangan dapat dijaga pada 22 oC.
Gambar 5.8. Temperatur kondensor in, temperatur bottom dan top of the tank dan
temperatur room pada mode RAC hibrida pada kondisi 4
Besar daya kompresor yang digunakan pada pengujian RAC baik mode RAC hibrida maupun RAC standar dari kondisi 1, kondisi 2, kondisi 3 dan kondisi 4 pada pengoperasian selama 120 menit dapat dilihat pada Gambar 5.9. Dari Gambar 5.9. dapat dianalisis bahwa daya kompresor pada kondisi 1, kondisi 2 dan kondisi 4 cenderung seragam dibanding daya kompresor pada kondisi 3. Terjadi penghematan daya kompresor walaupun tidak terlalu besar setelah beroperasi selama 30 menit pada kondisi 3, hal ini karena tidak terjadi akumulasi panas di tangki air, kalor buangan dari kondensor dummy langsung digunakan untuk memanaskan air, sehingga temperatur dan tekanan kondensor dummy turun lebih rendah dibanding kondisi 1, 2 dan 4. Secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa penambahan kondensor dummy tidak bepengaruh pada daya kompresor, daya kompresor
cenderung tetap, penghematan daya kompresor hanya terjadi pada saat pemakaian air panas (kondisi 3) walaupun tidak terlalu besar.
Gambar 5.9. Daya kompresor berbagai kondisi (1,2,3, dan 4) pada RAC hibrida
standar model hibrida kondisi transien
Gambar 5.10. Tekanan kondensor dan tekanan evaporator pada mode RAC standar
dan model RAC hibrida pada kondisi 1, 2, 3, dan 4
Tekanan di evaporator dan tekanan di kondensor yang dihasilkan sebelum dan setelah kompresor pada pengujian RAC baik mode RAC hibrida maupun RAC standar dari kondisi 1, kondisi 2, kondisi 3 dan kondisi 4 pada pengoperasian selama 120 menit dapat dilihat pada Gambar 5.10. Dari Gambar 5.10 tampak bahwa variasi tekanan pada kondisi 1, 2, 3 dan 4 baik untuk sisi tekanan tinggi di kondensor dan sisi tekanan rendah di evaporator cenderung sama. Jadi dapat dikatakan bahwa tidak
terjadi perubahan yang berarti pada tekanan kondensor dan tekanan evaporator dengan penambahan kondensor dummy, sehingga RAC beroperasi secara wajar.
Gambar 5.11. Comparison of compressor power capacities as RAC hybrid mode
Gambar 5.12 Comparison of evaporator cooling capacities as RAC hybrid mode
Grafik batang pada gambar 5.11 menunjukkan daya kompresor yang dibutuhkan saat penggunaan air panas dari kondensor dummy pada kondisi 3 adalah sebesar 0,67 kW atau terjadi penghematan sekitar 1,47% dibanding kondisi 4. Penghematan yang terjadi sangat kecil, dan hampir tidak terjadi penghematan daya kompresor pada saat
proses pemanasan air pada kondisi 1 dan 2. Jadi jika dilihat dari daya kompresor pada berbagai kondisi, tidak terjadi perubahan yang berarti pada penggunaan daya kompresor.
Daya pendinginan yang dihasilkan seperti ditunjukkan pada gambar 5.12, saat penggunaan kondensor dummy pada kondisi 1, kondisi 2 dan kondisi 3 berkurang sekitar 5,64 % sampai 7,84% dibanding pada kondisi 4 (pengoperasian tanpa kondensor dummy). Berkurangnya daya pendinginan yang dihasilkan ini, karena pada saat yang bersamaan terjadi proses pemanasan air dari panas buang kondensor di kondensor dummy. Berkurangnya daya pendinginan yang dihasilkan ini sebanding dengan besarnya panas buang yang dilepaskan di kondensor.
Gambar 5.13. Comparison fo condenser heating capacities as RAC hybrid mode
Daya pemanasan yang dihasilkan saat penggunaan kondensor dummy pada kondisi 1, kondisi 2 dan kondisi 3 berkurang sekitar 4,83% sampai 8,19% dibanding pada kondisi 4 (pengoperasian tanpa kondensor dummy), dapat dilihat pada gambar 5.13. Berkurangnya daya pemanasan yang dihasilkan ini sebanding dengan besarnya daya pendinginan yang diperoleh di evaporator.
Besarnya manfaat recovery energi untuk pemanasaan air adalah sebesar 0,45 kWyang diperoleh dari kondensor dummy, dapat dilihat pada gambar 5.14. Recovery energi ini dihitung dari asumsi bahwa kondensor dummy, melepaskan kalor buang refrigeran setelah keluar kompresor pada kondisi uap superpanas dan memasuki kondensor utama setelah mencapai kondisi uap jenuh (recovery energi teoritis). Pada
kondisi sebenarnya tidak bisa ditentukan dalam fasa apa refrigeran saat berada di kondensor dummy ataupun kondensor utama.
Gambar 5.14. Dummy condenser heating capacities as RAC hybrid mode
Gambar 5.15. Dummy condenser heating capacities theoritical and actual
as RAC hybrid mode
Gambar 5.15 menunjukkan, besarnya manfaat recovery energi untuk pemanasan air, jika dihitung pada kondisi aktual yaitu besarnya kalor yang diterima air dari kondensor pada kondisi stedi adalah 1,2 kW atau sekitar 1,8 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin. Sedangkan jika manfaat recovery
energi dihitung secara teoritis, besarnya adalah 0,65 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin. Secara umum, dapat dinyatakan bahwa penggunaan kondensor dummy, pengaruhnya tidak berarti terhadap daya pendinginan di evaporator dan daya pemanasan di kondensor. Manfaat recovery energi yang didapat adalah sebesar 0,65 - 1,8 kali daya kompresor, sebagai penghematan energi yang diperoleh pada kondisi operasi sebagai sistem hibrida.
BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Tahapan berikutnya yang akan dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Tahapan Perancangan condenser dummy tipe tipe helical dengan diameter 1/4 inci. 2. Tahapan komparasi condenser dummy 3/8 inci dengan 1/4 inci Pada tahapan ini
dilakukan pengambilan data-data yang diperlukan dengan menggunakan beberapa macam alat ukur antara lain : pressure gauge, termometer, multimeter, stopwatch, anemometer. Data-data yang diambil meliputi temperatur masuk dan keluar evaporator, temperatur masuk dan keluar kondensor, laju aliran air masuk dan keluar tangki kondensor dummy, temperatur air dalam tangki kondensor dummy, temperatur ruang uji mesin pendingin, lama pemanasan air dalam tangki kondensor (kondisi transient) sampai mencapai kondisi tunak/steady, besar beban pendinginan, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator.
3. Tahapan uji performansi dengan variasi beban pendinginan. Pada tahapan ini dilakukan
uji performansi sistem pendingin dengan beban pendinginan yang divariasikan terhadap unjuk kerja sistem pendingin.
4. Tahapan variasi penggunaan bahan pendingin, pada tahapan ini akan dibandingkan
komparasi sistem pendingin dengan menggunakan refrigeran halokarbon (R-22) dan refrigeran hidrokarbon (HCR-22).
5. Tahapan persiapan artikel lanjutan untuk publikasi di jurnal internasional bereputasi,
jurnal nasional terakredistasi dan jurnal nasional
6. Tahapan Laporan Akhir
Pada tahapan ini seluruh hasil yang diperoleh dari tahapan sebelumnya dibuat dalam bentuk laporan hasil penelitian. Laporan hasil penelitian akan dipublikasikan di seminar nasional/internasional yang relefan, sehingga dapat diperoleh masukan-masukan untuk kesempurnaan penelitian selanjutnya.
Rancangan Waktu Pelaksanaan Tahapan Berikutnya
Pada tabel 6.1 dapat dilihat rancangan waktu pelaksanaan tahapan berikutnya yang telah disesuaikan dari rancangan waktu dari proposal terdahulu.
Tabel 6.1. Rancangan Waktu Pelaksanaan Berikutnya
No Uraian Kegiatan Bulan Ke
1 2 3 4 5 6 7 8
1 Studi literatur
1 Rancangan kondensor dummy 1/4 inci
2 Pembuatan dan pemasangan kondensor dummy 1/4 inci pada tangki air panas
3 Uji performansi dengan variasi beban pendinginan
3 Komparasi sistem pendingin dengan refrigeran berbeda
4 Persiapan artikel untuk jurnal Internasional
bereputasi/nasional/terakreditasi 4 Submit artikel untuk jurnal
Internasional
bereputasi/nasional/terakreditasi 5 Laporan akhir penelitian
BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN
KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari laporan kemajuan penelitian mesin refrigerasi hibrida sebagai water heater adalah:
• Dari hasil rancangan mesin refrigerasi hibrida dengan daya pendinginan 1 PK, maka dipilih AC Samsung AS09TSMN, daya Low Watt 670 WATT, kapasitas pendinginan 8.900 BTU/jam atau 2,6 kW. AC Samsung ini dimodifikasi menjadi mesin refrigerasi hibrida dengan menambahkan kondensor dummy, yang dibuat dari pipa tembaga 3/8 in dengan panjang 6 meter tipe spiral.
• Kondensor dummy ditempatkan dalam tangki air panas berkapasitas 50 L yang dimodifikasi dari tangki air panas electric water heater. Modul elemen pemanas listriknya diganti dengan kondensor dummy. Mesin refrigerasi hibrida unit indoor ditempatkan pada ruang uji. Pada ruang uji ini dilakukan pengujian kinerja mesin sesuai parameter pengujian yang akan dianalisis seperti beban pendinginan, laju pendinginan, serta pengaruh penambahan kondensor dummy.
• Mesin refrigerasi hibrida ini dapat diuji menggunakan refrigeran halokarbon R-22 maupun refrigeran subsitusi jenis hidrokarbon HCR-22.
• Recovery energi dari penambahan kondensor dummy, pada RAC hibrida, setelah pengoperasian selama 120 menit terjadi kenaikkan mtemperatur air dari 30,29 oC menjadi 50,42 oC, sedangkan ada pengoperasian 120 menit kedua temperatur naik dari 50,42 oC menjadi 56,11 oC. Pada pengoperasian 120 menit ketiga setelah 60 menit pengoperasian, beda temperatur tangki sisi atau sisi bahwah cendrung tetap pada 7 oC. Temperatur ruangan dapat dijaga pada temperatur 22 oC baik pada kondisi 1, kondisi 2, kondisi 3, dan kondisi 4. Tidak terlihat perbedaan yang berarti pada temperatur dan tekanan sistem, dengan penambahan kondensor dummy. Tidak terdapat penghematan energi kompresor yang berarti akibat penambahan kondensor dummy.
• Besarnya manfaat recovery energi untuk pemanasan air, jika dihitung pada kondisi aktual yaitu besarnya kalor yang diterima air dari kondensor pada kondisi stedi adalah 1,2 kW atau sekitar 1,8 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin. Sedangkan jika manfaat recovery energi dihitung secara teoritis, besarnya adalah 0,65 kali daya yang dibutuhkan untuk menjalankan sistem pendingin. Secara umum, dapat dinyatakan bahwa penggunaan kondensor dummy, pengaruhnya tidak berarti terhadap daya pendinginan di evaporator dan daya pemanasan di kondensor. Manfaat recovery energi yang didapat adalah sebesar 0,65 - 1,8 kali daya kompresor, sebagai penghematan energi yang diperoleh pada kondisi operasi sebagai sistem hibrida.
SARAN
Perlu dilakukan metode trial and errror pada pembuatan dan pengujian mesin refrigerasi hibrida sebagai water heater. Hal ini dilakukan agar dapat diketahui kendala-kendala yang akan dihadapi dan kemungkinan hambatan yang akan terjadi dalam pelaksanaan penelitian selanjutnya.
DAFTAR PUSTAKA
1. Agarwal, Radhey S., 1997, Retrofitting of Domestic and Small Capacity Commercial Refrigeration Appliances Using Hydrocarbon Blends, Proceedings Seminar on ODS Phase-Out: Solutions for the Refrigeration Sector, Kuta.
2. Amrul, 2001, Kaji Eksperimental Karakteristik Mesin Refrigerasi Hibrid Kompresi Uap Susunan Seri dan Paralel dengan Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon HCR-12, Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung.
3. Arif Hepbasli., and Yildiz Kalinci., 2009, A review of heat pump water heating systems,
Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 1211–1229.
4. Arora, C. P, 2001, Refrigeration and Air Conditioning, Mc. Graw-Hill International
Edition.
5. Aziz, Azridjal, 2002 Penggunaan Hidrokarbon sebagai Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Komersil (Commercial Refrigeration) dan Pengkondisi Udara (Air Conditioning), Jurnal Sains dan Teknologi, FT Unri, Pekanbaru.
6. Aziz, Azridjal, 2002, Refrigeran Hidrokarbon sebagai Alternatif Pengganti Refrigeran
Halokarbon, Jurnal Sains dan Teknologi, FT Unri, Pekanbaru.
7. Aziz, Azridjal, 2004, Kaji Eksperimental Pengaruh Perubahan Suhu pada Siklus Sekunder dan Siklus Primer terhadap Performansi Mesin Refrigerasi Hibrid dengan Refrigeran HCR12, Jurnal Saintek (terakreditasi), UNP, Padang.
8. Aziz, Azridjal, 2008, Pengembangan Cold Storage Hemat Energi Sebagai Mesin Refrigerasi Hibrida Memanfaatkan Panas Buang Kondensor Pada Drying Room Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi R-22, Laporan Penelitian, Lembaga Penelitian Universitas Riau.
9. Azridjal Aziz., andYazmendra Rosa., 2010, Performansi Sistem Refrigerasi Hibrida
Perangkat Pengkondisian Udara Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi R-22, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 7 no. 1.
10. Jie Ji., and Gang Pei et al., 2005, Performance of multi-functional domestic heat-pump
system. Applied Energy 80 (2005) 307–326.
11. Jie Ji., Tin-tai Chow., Gang Pei., Jun Dong., and Wei He., 2003, Domestic Air-Conditioner and Integrated Water Heater for Subtropical Climate, Applied Thermal Engineering, 23 (2003) 581–592.
12. Jongmin Choi a, Jongug Jeon b, and Yongchan Kim., 2007, Cooling performance of a
hybrid refrigeration system designed for telecommunication equipment rooms. Applied Thermal Engineering 27 (2007) 2026–2032.
13. Jose M. Corbera´n., Jacobo Segurado., Daniel Colbourne., and Jose´ Gonza´lvez., 2008,
Review of standards for the use of hydrocarbon refrigerants in A/C, heat pump and refrigeration equipment, International Journal of Refrigeration 31 (2008)748 – 756. 14. M. M. Rahman., Chin Wai Meng., and Adrian Ng., 2007, Air Conditioning and Water
Heating-An nvironmental Friendly and CostEffective Way of Waste Heat Recovery, AEESEAP Journal of Engineering Education, Vol. 31, No. 2.
15. Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000, Short Course on the Applications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2000, Bandung.
16. Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004, Training of Trainer Refrigeration
Servicing Sector, Training Manual, ITB, Bandung.
17. Stoecker, W.F. and Jones, J.W., 1994, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga,
18. S. Devottaa., A.S. Padalkar., and N.K. Sane, 2005, Performance assessment of HC-290 as a drop-in substitute to HCFC-22 in a window air conditioner, International Journal of Refrigeration 28 (2005) 594–604.
LAMPIRAN 1.
PERHITUNGAN PIPA KONDENSOR DUMMYPerhitungan perencanaan kondensor dummy 3/8 inchi
Tabel L1.1. Sifat-sifat Termodinamik R22 pada Temperatur 47 oC
Sifat Termo Titik Titik 1 Uap Jenuh Titik 2 Uap Panas Lanjut Titik 2’ Cair Jenuh Titik 3 Cair Jenuh Titik 4 X= 0,252 Tekanan (Kpa) 602,75 1815,2 1815,2 1815,2 602,75 Enthalphi (kj/kg) 252,03 279,36 261,63 103,95 103,95 Entropy (kj/kg.K) 0,1984 0,1984 0,8644 - - Data asumsi = 9000 Btu/h = 2637 Watt = 2,637 Kw 1 Btu = 0,2930 Watt P.kom = 1 Pk = 746 Watt S1= S2 = 0,9184 kj/kg = = 0,7776 = 0,7776x
= 17,7215 + 261,64 = 279,36 kJ//kg
1. Dampak refrigerasi - = 252,03 – 103,95
= 148,08
2. Laju aliran masa refrigerasi Mref = = Mref = 17,8 x kg/s 3. Daya kompresor Wk = Mref ( - ) = 17,8 x kg/s (289,57-252,03) = 0,67 Kw Efisiensi Kompresor 80 % Wact = = = 0,8375 Kw = 837,5 w = 1,12 hp (1 HP = 0,735 Kw sularso,1997)
Kompresor yang digunakan yaitu 1 HP jenis Rotary 4. Koefisien Presentase
COP =
=
= 3,94
5. Laju aliran panas dibuang Kondesor Qk = Qre + Wk
= 2,637 + 0,67 = 3,307 Kw
Perencanaa kondensor
1. Laju perpindahan panas kondensor Qkon = Mref
= 17,8 x kg/s ( 279,36 – 261,63 ) = 0,31559 kw
= 315,59 w
Qp = 1000 L/jam = 0,000278 Asumsi air masuk kondensor 27 C
i = 998,44 kg/ i = 4,18 kj/kg.K 2. Laju aliran masa
Mmax = i x Qp
= 998,44 x 0,000278 = 0,2776
Laju aliran masa air di satu perdua dari laju aliran masa iar maksimum : Mw = ½ x Mmax = ½ x 0,2776 = 0,1388 3. = Mw x Cw x = +( ) = +( ) = + 0,54 =27,54
4. Beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) F x
= x ( )
= x ( )
= 19,82
5. Proses Pengembunan Refrigeran =
=
=18672,96
<35000 , maka koefisien perpindahan panas pengembunan menggunakan persamaan Chato, hc
= 0,555 [
Asumsi temperatur kondensor Ts =40 Tref= 47 = 1.313 =47 – 40 = 7 h = + 3/8 x x 7 = titik - titik 3 =157,68 + 3/8 x 1,313 x 7 = 261,63 – 103,95 =161,127 W/ .K = 157,68 = 0,555 [ =1812,282 W/ 6. Proses konveksi paksa
Tw =
=
=29,27
maka diperoleh sifat-sifat termofisik = 995,8 kg/
= 8,087 x Pa.s 4,1786 kj/kg.K = 0,611 W/kg.K
=
= 1,32
Ukuran basah penampang kotak kondensor 0,36 x0,36 , maka kecepatan air pada kotak kondensor tanpa pipa adalah:
Vw = = =1,072 x = = =0,12736 x = = = 14,8985
7. Koefisien konveksi paksa rata-rata pada sisi air dihitung dengan persamaan
Zhukauskus
Ho= C x C2 x x x
Dimana Prs ditentukan berdasarkan Ts = 40 s = 0,65444 x 1 Pa.s Cps= 4,1784 kJ/kg.K Ks = 0,628 W/kg.K = 994.59 kg/m Prs = = = 1,036 maka, Ho= C x C2 x x x
= 0,9 x 1 x x x x( = 200,21 W/ .K 8. Faktor Pengotoran Sisi air R = 0,0003522 W/ .K Sisi Refrigeran R = 0,0001716 W/ .K (TEMA Edition)
9. Koefisien perpindahan panas total pada kondensor
= + + R +
= + + 0,0003522 +
=
Uo = 157,058
10. Dimensi Kondensor
luas peemukaan perpindahan panas yang diperlukan kondensor dapat dihitung: =
=
= 0,11
11. Panjang pipa tembaga yang diperlukan untuk kondensor adalah : = = = 3,82 m = ho x (Ts-Tw ) = x x (Tref-T ) = = = 0,02 T = Tref - ( ) = 47 - ( )
