Pengujian Dan Simulasi Water Heater Dengan Memanfaatkan Panas Buang Kondensor Siklus Kompresi Uap Hibrid Dengan Kapasitas 120 Liter SKRIPSI

(1)

Pengujian Dan Simulasi Water Heater Dengan Memanfaatkan

Panas Buang Kondensor Siklus Kompresi Uap Hibrid Dengan

Kapasitas 120 Liter

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Lambok Manik

NIM. 070401068

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang atas berkat dan kasih serta penyertaan-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pengujian Dan Simulasi Water Heater Dengan Memanfaatkan

Panas Buang Kondensor Siklus Kompresi Uap Hibrid Dengan Kapasitas 120 Liter”.

Skripsi ini disusun memenuhi syarat menyeleasikan pendidikan Strata -1 (S-1) Depertemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin Sumatera Utara Sub Bidang Mesin Konversi Energi.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingannya kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST. MT yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan arahan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

(5)

5. Kedua orang tua penulis, Julinar Manik dan Juminah Simarmata yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Kakak, abang, dan adek, Norla Manik SE, Panahatan Manik, Eko Candro Manik, Berliana Manik yang telah memberikan dukungan dan doanya kepada penulis.

7. Pihak PT.Seltech Utama khususnya kepada Bapak Ir.Jonner Simanjuntak dan Pak Wawan atas bimbingan dan arahannya selama di lapangan.

8. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

9. Rekan-rekan penulis, Jeffri OMS, Chandra S , dan Jeffri RGS yang bersama-sama dengan penulis baik suka maupun duka hingga menyelesaikan skripsi ini.

10. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus rekan Mahasiswa stambuk 2007 , senior dan junior yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam Skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan Skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, Oktober 2011

Lambok Manik

(6)

ABSTRAK

Mesin pendingin Siklus Kompresi Uap dengan pemanas air sudah dirancang, dibuat dan diuji. Pembuatan dan pengujian mesin pendingin diatas untuk meningkatkan efisiensi dari mesin pendingin Siklus Kompresi Uap Biasa. Meningkatkan efisiensi merupakan salah satu cara untuk membantu rencana pemerintah Indonesia untuk mengurangi pemakaian energi fosil. Memanfaatkan panas buangan kondensor merupakan salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi dan dapat digunakan untuk memanaskan air. Pada penelitian ini perangkat lunak CFD digunakan untuk mensimulasikan proses pemanasan air pada water heater tersebut. Didalam simulasi CFD, temperature koil pemanas diasumsikan constant yang merupakan nilai rata-rata dari hasil pengujian

tempeartur. Temperatur awal air 300C dan temperature koil 500C. Simulasi CFD

dilakukan selama 180 menit dan akan di tampilkan Kontur temperatur dan vektor kecepatan pada waktu 30;60;90;120;150;180 menit. Kesimpuan yang didapat adalah CFD dapat mensimulasikan proses pemanasan air pada water heater dan perbandingan dengan hasil pengukuran menunjukkan hasil yang tidak jauh berbeda.

(7)

ABSTRACT

A vapor compression cycle refrigeration machine integrated with water heater has been designed, fabricated, and tested. Here, the objective of the water heater installation is to improve the energy efficiency in comparison with the ordinary vapor compression cycle. Increasing the energy efficiency is one of the solutions to help Indonesian Government in reducing of using fossil energy resources. Usually, waste heat from the condenser is released to atmosphere. This waste heat is used as a heat resource for the water heater. In this work computational fluid dynamics (CFD) is used to simulate the heating process in the water heater. In the simulation, temperature of the heating coils is assumed to be

constant at averaged measurements. The initial temperature of the water is 300C

and temperature of the heating coil is 500C. The length of the simulation is 180

minutes. Temperature contour and velocity vector at 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, 120 minutes, 150 minutes, and 180 minutes, are plotted respectively. The simulation and measurement results are compared. The main conclusion here is that CFD can be used to simulate the heating process and the simulation and measurement results show a good agreement.

(8)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ...iii

DAFTAR ISI ...v

DAFTAR TABEL ...vi

DAFTAR GAMBAR ...vii

DAFTAR SIMBOL ...ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ...1 1.2 Tujuan Penelitian ...9 1.2.1 Tujuan Umum ...9 1.2.2 Tujuan Khusus ...10 1.3 Manfaat Penelitian ...10 1.4 Batasan Masalah ...10 1.5 Sistematika Penulisan ...11

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...13

2.1 Sistem Refrigerasi ...13

2.1.1 Pendahuluan...13

2.1.2Siklus Kompresi Uap ...14

(9)

2.2.1 Tatanama Refrigerant ...19

2.2.2 Keamanan Refrigerant...20

2.3 Siklus Kompresi Uap dengan water heater ...21

2.4 Perpindahan panas Konveksi Alami/natural ...25

2.4.1Gaya apung ...26

2.4.2Bilangan tanpa Dimensi ... 30

2.4.3Penyelesaian Analitik Konveksi Natural...32

2.4.4Persamaan Empirik Konveksi Natural permukaan luar ...37

2.4.5Bidang Vertikal ...38

2.4.6 Bidang Miring ...40

2.4.7 Bidang Horizontal ...42

2.4.8 Konveksi Natural pada permukaan silinder ...44

2.4.9 Konveksi Natural pada Bola ...46

2.5 Computational Fluid Dinamycs (CFD) ...48

2.5.1.Penggunaan CFD ...48

2.5.2.Proses Simulasi CFD...49

2.5.3.Metode Diskritisasi CFD ...50

2.5.4.Langkah Penyelesain Masalah dan Perencanaan Analisis CFD ...51

(10)

2.6.1.Metode Diskritisasi pada ...57

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...59

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...59

3.1.1 Tempat Penelitian ...59

3.1.2 Waktu ...59

3.2 Alat dan Bahan yang digunakan ...59

3.2.1Alat ...59

3.2.2Bahan...61

3.3 Variabel Riset ...61

3.4 Set-up Pengujian ...61

3.5 Diagram Penelitian ...63

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN SIMULASI...64

4.1 Hasil Pengujian ...64

4.1.1 Data Temperatur Dan Radiasi ...69

4.1.2 Pengukuran Temperatur Pada saat tangki pemanas air diisi penuh...69

4.2 Simulasi CFD ...68

4.2.1 Proses permodelan Water heater yang telah direncanakan ...68

4.2.2 Permodelan Komputasi ...70

4.3 Analisa Numerik ...72

(11)

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...90

6.1 Kesimpulan ...90 6.2 Saran ...90

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai COP dari beberapa jenis refrigerant ...18 Table 4.1 Neraca Kalor Pada Saat Tangki Pemanas Air Diisi Penuh...68

(13)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Grafik data “Total Hot Water Operational Cost Hotel DanauToba

International” ... 7

Gambar 2.1 Skema siklus kompresi uap ... 14

Gambar 2.2 Diagram P – h siklus kompresi uap ideal ... 15

Gambar 2.3 Mesin Pendingin siklus kompresi uap hibrid ... 22

Gambar 2.4 Instalasi Siklus kompresi uap dan water heater ... 22

Gambar 2.5 Diagrm P-h siklus kompresi uap hibrid ... 23

Gambar 2.6 Konveksi natural pada plat vertikal yang panas ... 27

Gambar 2.7 Konveksi natural pada plat vertikal yang dingin ... 30

Gambar 2.8 Konveksi natural pada bidang miring ... 41

Gambar 2.9 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a) ... 43

Gambar 2.10 Konveksi natural pada bidang horizontal (type b) ... 43

Gambar 2.11 Konveksi natural pada silinder vertikal ... 44

Gambar 2.12 Konveksi natural pada silinder vertikal ... 46

Gambar 2.13 Konveksi natural pada bola ... 47

Gambar 2.14 Alur Penyelesaian Masalah (Problem Solving) ... 52

(14)

Sebuah Elemen Fluida 3Dimensi ... 53

Gambar 2.16 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 54

Gambar 2.17 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ... 55

Gambar 2.18 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen ... 56

Gambar 2.19 Volume kontrol satu dimensi ... 58

Gambar 3.1 Hobo Micro Station Data Logger ... 59

Gambar 3.2 Agilent dengan termokopel tipe T dan K ... 60

Gambar 3.3 Skema Tangki water heater ... 62

Gambar 3.4 Tangki Water heater ... 62

Gambar 3.5 Prosedur Penelitian ... 63

Gambar 4.1 Pengambilan data pada saat pengujian... 65

Gambar 4.2 Grafik temperatur udara lingkungan dan radiasi matahari pada tanggal 7 Oktober 2011. ... 66

Gambar 4.3 Grafik Temperatur Vs Waktu pada saat tangki pemanas air penuh.. ... .67

Gambar 4.4 Grafik Temperatur rata-rata air pada saat tangki diisi penuh... ... 68

(15)

Gambar 4.6 mesh 3 dimensi water heater.... ... 71

Gambar 4.7 kontur temperatur aliran perpindahan panas coil ke air selang

waktu 30 menit pada saat beroperasi water heater. ...73

Gambar 4.8 kecepatan rata –rata selang waktu 30 menit pada saat

beroperasi water heater. ...73

Gambar 4.9 Temperatur rata –rata selang waktu 60 menit pada saat

Gambar 4.11 temperatur rata –rata selang waktu 90 menit pada saat

Gambar 4. 12 kecepatan rata –rata selang waktu 90 menit pada saat

(16)

Gambar 4.19 Temperatur water heater pada waktu air berisi penuh ...79

Gambar 4.20 perbandingan antara temperatur di pengujian dan

Temperatur di simulasi. ...80

Gambar 4.21 Eksperimen bentuk coil yang direncanakan.... ... 81

Gambar 4.22 Mesh Eksperimen bentuk coil yang direncanakan.... ... 82

Gambar 4.23 kontur temperatur aliran perpindahan panas coil ke air selang

waktu 30 menit pada saat beroperasi water heater. ...82

Gambar 4.25 Temperatur rata –rata selang waktu 60 menit pada saat

(17)

Gambar 4. 28 kecepatan rata –rata selang waktu 90 menit pada saat

(18)

Gambar 4.35 perbandingan simulasi CFD pada pengujian dan

(19)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

A Luas penampang sisi masuk pipa m2

COP Coefficient of Performance -

Cp Kalor spesifik (kJ/Kg.0C)

do Diameter luar pipa m

di Diameter dalam pipa m

g Percepatan gravitasi m/s2

L

Gr Bilangan Grashof -

h1 Entalpi refrigeran masuk kompresor kJ/kg

h2 Entalpi refrigeran keluar kompresor kJ/kg

h3 Entalpi refrigeran keluar kondensor kJ/kg

h4 Entalpi refrigeran masuk evaporator kJ/kg

kwh Jumlah daya perjam

-L Panjang pipa m

LMTD Log Mean Temperature Difference oC

LHV Nilai kalor bawah kJ/kg

Laju aliran massa refrigeran kg/s

Laju aliran massa air kg/s

m Volume air kg

Laju aliran massa air kg/s

(20)

Pr Bilangan Prandtl -

Q Kalor sensible air J

RaL Bilangan Rayleigh -

Re Bilangan Reynold -

Tf Temperatur film oC

Tmax Temperatur maksimum oC

To Temperatur awal oC

r

T Temperatur referensi oC

Ts Temperatur permukaan pipa rata-rata oC

v viskositas kinematik -

g gravitasi m/s2

V kecepatan rata-rata fluida m/s2

∆T Perbedaan temperatur oC

ɳ Efisiensi -

ρf Massa jenis refrigeran kg/m3

μw Viskositas absolut air Pa.s

ρw Massa jenis air kg/m3

r