Pengaruh Perubahan Sifat Transport Refrigeran akibat Perubahan
Suhu Ruangan terhadap Kapasitas Pendinginan Mesin Pendingin
Portable Propane
Jeri Tangalajuk Siang
Teknik Mesin; Fakultas Teknik
Universitas Atmajaya Makassar, Jl. Tanjung Alang No. 23 Makassar 90134
Telp. (0411) 871038, Fax (0411) 870294
jeritsiang@gmail.com
Abstrak
Keberadaan mesin pendingin ruangan yang ramah
lingkungan sekarang ini sudah mulai dipertimbangkan.
Masyarakat sudah sadar akan keadaan lingkungan
yang sudah mulai rusak akibat aktivitas manusia.
Penggunaan bahan ramah lingkungan sudah mulai
banyak digunakan. Contohnya penggunaaan refrigeran
propan dalam bidang pengkondisian udara. Pada
penelitian ini terlihat pengaruh konduktivitas termal
refrigeran tidak membantu bertambahnya kapasitas
pendinginan dari sistem. Di mana pada suhu ruangan
20ºC konduktivitas termal refrigeran rata – rata di evaporator adalah 0.05497 kW/m K hal ini berlawanan
dengan perubahan perpindahan panas pada
evaporator. Pada suhu ruangan 35ºC konduktivitas
termal justru turun menjadi 0.0503 kW/m K. Viskositas
refrigeran juga mempunyai efek berlawanan pada
penurunan tekanan pada sisi pipa kapiler.
Kata kunci: konduktivitas termal, kapasitas pendinginan,
viskositas
I. PENDAHULUAN
Semakin sadarnya manusia akan kondisi lingkungan membuat manusia selalu mencari bahan yang ramah lingkungan. Pada bidang refrigerasi dan pengkondisian udara, refrigeran yang umum dipakai adalah R22, R134a, R410A atau R407C. Akan tetapi refrigeran ini masih mempunyai dampak negatif terhadap lingkungan (Bolaji et al., 2013).
Refrigeran-refrigeran tersebut masih mempunyai potensi pemanasan global yang tinggi (Global Warming Potential). Oleh karena sifatnya yang tidak ramah lingkungan, refrigeran sintetik tersebut akan dihilangkan dan tidak diproduksi lagi (UNEP, 2007). Sehingga, refrigeran tersebut masih dicarikan alternatif lain yang pengaruhnya terhadap lingkungan dapat diabaikan atau tidak mempunyai potensi untuk merusak lingkungan (Teng et al., 2012).
Salah satu jenis refrigeran yang ramah lingkungan adalah refrigeran yang terbuat dari unsur alami. Sebagai contoh: air, karbondioksida, amoniak dan hidrokarbon. Refrigeran ini tidak mempunyai efek yang merusak lingkungan. Oleh karena tidak mempunyai efek yang merusak lingkungan, maka pemakaiannya sudah banyak didapati di masyarakat. Sebagai contoh refrigeran hidrokarbon. Refrigeran ini mempunyai beberapa jenis yang digunakan di masyarakat. Sebagai contoh metane, isobutene, dan propane. Isobutane dan propane banyak digunakan pada bidang refrigerasi dan pendinginan udara.
propane (Corberán et al., 2011). Menurut penelitian terdahulu, penggunaan, propane dapat digunakan untuk menggantikan R 22 langsung tanpa melakukan perubahan pada sistem pendinginan tersebut. Apabila propane digunakan sebagai fluida pengganti untuk R 22 maka kapasitas pendinginan yang dihasilkan oleh propane lebih kecil dari R 22 tetapi CoP propane lebih tinggi dibandingkan dengan R 22 (Park et al., 2007).
Pada penelitian digunakan mesin pendingin portabel yang sudah dirancang dengan refrigeran propane. Pada penelitian ini akan dianalisa pengaruh dari konduktivitas termal refrigeran terhadap kenaikan kapasitas pendinginan pada mesin fluida portable. Penelitian ini merupakan bagian kedua dari penelitian impact of room suhue on the performance of a portable propane air conditioner (Sharifian et al., 2015). Di mana pada laporan pertama belum menguraikan pengaruh konduktivitas termal terhadap perpindahan panas pada evaporator serta pengaruh viskositas terhadap perubahan tekanan pada pipa kapiler.
II. TINJAUAN PUSTAKA
Fokus penelitian ini adalah menganalisa pengaruh sifat transport refrigeran terhadap kapasitas pendingian. Perpindahan panas yang terjadi di evaporator adalah penyerapan panas dari udara oleh refrigeran. Pada perhitungan ini digunakan persamaan berikut untuk menghitung perpindahan panas:
Untuk bagian evaporator yang tidak mempunyai sirip (pada belokan pipa), laju perpindahan panas dihitung dengan menggunakan persamaan (Incropera, 1996):
𝑞= 𝑇𝑟𝑒𝑓−𝑇𝑢𝑑
1 𝑟𝑒𝑓.𝐴𝑖𝑛 +
𝑙𝑜𝑔 𝑑𝑜𝑑𝑖 2𝑘𝑝𝑖𝑝𝑎 𝜋𝐿 +
1 𝑢𝑑+𝑟 𝐴𝑜𝑢𝑡
(1)
Secara langsung pengaruh konduktivitas termal refrigeran di dalam perhitungan, dapat dilihat pada persamaan koefisien perpindahan panas konveksi.
Koefisien perpindahan panas konveksi refrigeran diperoleh dengan rumus:
𝑟𝑒𝑓 =𝑁𝑢𝑟𝑒𝑓𝑑𝑖∗𝑘𝑟𝑒𝑓 (2)
Sedangkan koefisien perpindahan panas udara diperoleh dengan persamaan:
𝑎𝑖𝑟 =𝑁𝑢𝑎𝑖𝑟𝑑∗𝑘𝑎𝑖𝑟
𝑜 (3)
Untuk bagian evaporator dengan sirip dipergunakan rumus (Incropera, 1996):
𝑞= 𝑇𝑝𝑖𝑝𝑎 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 ∗(𝑎𝑖𝑟 +𝑟)∗ 𝐴𝑡∗
1− 𝑁∗𝐴𝑓
𝐴𝑡∗ 1−𝜂𝑓 (4)
Koefisien perpindahan panas udara pada sirip evaporator adalah:
𝑎𝑖𝑟 =𝑁𝑢𝑎𝑖𝑟𝐻∗𝑘𝑎𝑖𝑟
𝑓 (5)
Pengaruh radiasi juga diperhitungkan dalam penelitian ini. Koefisien perpindahan panas radiasi diperoleh dengan persamaan:
𝑟 = 4 𝜍𝜖 (𝑇𝑝𝑖𝑝𝑎3− 𝑇𝑎𝑚𝑏3) (6)
Untuk perubahan tekanan yang terjadi di dalam pipa kapiler, dihitung dengan persamaan (Fox, 2004):
∆𝑃=𝑙∗ 𝜌𝑓 (7)
𝑙 =𝐿∗𝑓𝑟𝑒𝑓∗𝑉𝑎𝑣𝑒
2
1
𝑓𝑟𝑒𝑓
=−2.0𝑙𝑜𝑔 𝑒
𝑑𝑖
3.7 +
2.51
𝑅𝑒𝑟𝑒𝑓 𝑓𝑟𝑒𝑓
(9)
Bilangan Reynolds dihitung dengan menggunakan persamaan:
𝑅𝑒𝑟𝑒𝑓 =𝜋4 𝜇𝑚 𝑟𝑒𝑓
𝑟𝑒𝑓𝑑𝑖 (10)
III. METODOLOGI DAN PENGUKURAN
Penelitian ini dilakukan secara eksperimental. Mesin pendingin diuji tanpa mengubah massa refrigeran yang sudah ditentukan oleh pembuat mesin pendingin tersebut. Suhu ruangan akan divariasikan mulai dari 20ºC, 23ºC, 26ºC, 29ºC, 32ºC dan 35ºC. Untuk memudahkan mengatur suhu ruangan, mesin pendingin ditempatkan di dalam sebuah tenda. Pengaturan suhu ruangan dengan menggunakan jendela tenda serta elemen pemanas ruangan untuk menaikkan suhu. Suhu diukur dengan menggunakan termokoppel tipe J dengan sensitivitas 50 μV/ºC– 60
μV/ºC yang dihubungkan dengan data logger
LabView. Laju aliran massa diukur menggunakan coriolis mass flow meter dengan kesalahan linear (linearity error) ±0.1%, tekanan refrigeran menggunakan transmitter piezoresistive dengan akurasi ±1% bacaan penuh. Kecepatan angin diukur menggunakan anemometer tipe fan dengan akurasi ±3% bacaan penuh. Data yang diukur seperti suhu dan tekanan digunakan untuk memperoleh sifat-sifat refrigeran seperti viskositas, konduktivitas termal dan entalpi dengan menggunakan perangkat lunak REFPRO. Skema dan alat ukur dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1: Instalasi Penelitian
IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian
Data yang direkam pada saat pengambilan data adalah suhue refrigeran pada sisi masuk dan keluar evaporator dan pipa kapiler. Tekanan sisi masuk pipa kapiler dan evaporator. Laju aliran massa refrigeran diukur pada sisi masuk evaporator. Sifat transport refrigeran diperoleh dengan menggunakan perangkat lunak Refpro berdasarkan data tekanan dan suhu. Dengan mempergunakan persamaan (1) dan (4), kapasitas pendinginan dapat dihitung. Pengaruh sifat transport refrigeran terhadap kapasitas pendinginan dapat dilihat pada persamaan (2). Perubahan tekanan di dalam pipa kapiler dihitung berdasarkan persamaan (7). Pengaruh sifat transport (viskositas) terhadap perubahan tekanan dapat dilihat pada rumus (10).
Gambar 2: Grafik perubahan konduktivitas termal pada beberapa suhu ruangan dalam evaporator
Dilihat dari konduktivitas termal refrigeran pada sisi evaporator (sisi masuk dan sisi keluar) terlihat bahwa pada sisi masuk evaporator, konduktivitas termal refrigeran mengalami penurunan dari 0.09382 kW/m K pada 20ºC menjadi 0.08334 kW/m K pada 35ºC. Pada sisi keluar evaporator atau sisi masuk kompressor, konduktivitas termal berubah dari 0.016127 kW/m K pada 20ºC menjadi 0.017293 kW/m K pada 35ºC (Gambar 2). Jika diambil konduktivitas termal rata-rata refrigeran di dalam evaporator maka diperoleh konduktivitas termal rata-rata evaporator berubah dari 0.054973 kW/ m K pada 20ºC menjadi 0.050318 kW /mK pada 35ºC atau terjadi penurunan sebesar 8.47% (Gambar 3).
Gambar 3: Grafik konduktivitas termal rata-rata propane di dalam evaporator
Pada sisi udara, dengan naiknya suhu ruangan, maka konduktivitas udara juga berubah dari 2.514 × 10-5 kW/ m K pada 20ºC menjadi 2.625 × 10-5 kW/ m K pada 35ºC. Disini terjadi kenaikan konduktivitas terma udara sebesar 4.42% (Gambar 4).
Gambar 4: Konduktivitas termal udara pada rentang suhu 20ºC – 35ºC
Gambar 5: Perubahan viskositas refrigeran di dalam pipa kapiler pada beberapa suhu ruangan
terjadi di dalam pipa kapiler pada setiap suhu ruangan dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6: Grafik perubahan viskositas rata-rata di dalam pipa kapiler pada rentang suhu ruang 20ºC – 35ºC
B. Pembahasan
Dari hasil penelitian ini terlihat bahwa konduktivitas termal pada sisi refrigeran (propane) berkurang sebesar 8.47% sedangkan pada sisi udara konduktivitas termal udara bertambah sebesar 4.42%. Sebagaimana diketahui bahwa perubahan konduktivitas termal refrigeran dan udara berperan dalam proses perpindahan panas yang diserap oleh refrigeran dari udara (lihat persamaan (1) dan (4). Kapasitas pendinginan untuk mesin pendingin portabel pada massa refrigeran 302.93 g (mendekati massa normal produsen) akan bertambah 2.7% dengan bertambahnya suhu ruangan dari 20ºC ke 35ºC (Sharifian et al., 2015). Sehingga terlihat bahwa peran dari konduktivitas termal refrigeran pada kasus ini tidak membantu proses perpindahan panas dari udara ke evaporator oleh karena secara rata-rata konduktivitas termal berkurang dari 0.055 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 0.0503 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC. Dari sisi udara terlihat bahwa kenaikan suhu ruangan akan meningkatkan nilai konduktivitas termal udara dari 2.514 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 2.625 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC atau bertambah sebesar
4.42%. Melihat persamaan (1) dan (3) untuk kapasitas pendinginan, maka kenaikan kapasitas penginginan dengan naiknya suhu ruangan, maka dengan turunnya konduktivitas termal refrigeran maka akan berefek kebalikan dengan kenaikan kapasitas pendinginan atau dengan kata lain, perubahan konduktivitas termal refrigeran kontraproduktif dengan kenaikan kapasitas pendinginan.
kontraproduktif dengan penurunan tekanan yang terjadi di dalam pipa kapiler.
V. KESIMPULAN
Konduktivitas termal refrigeran rata – rata di dalam evaporator turun dari 0.055 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 0.0503 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga pengaruh perubahan konduktivitas termal refrigeran terhadap perubahan kapasitas pendinginan tidak akan meningkatkan perpindahan panas dari ruangan ke evaporator karena terjadi penurunan konduktivitas termal dengan naiknya suhu ruangan. Akan tetapi konduktivitas termal udara akan naik dengan naiknya suhu ruangan. Konduktivitas termal udara naik dari 2.514 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 2.625 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga perubahan konduktivitas termal udara menjadi salah satu faktor yang dapat meningkatkan proses perpindahan panas dari ruangan ke evaporator jika suhu ruangan meningkat.
Kondisi yang sama juga yang ditunjukkan oleh viskositas refrigeran. Dimana dengan kenaikan suhu ruangan maka nilai viskositas akan turun. Viskositas termal refrigeran di dalam pipa kapiler turun dari 106.203 10-6 Pa s pada suhu ruangan 20ºC menjadi 88.104 10-6 Pa s pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga pengaruhnya bukan menurunkan tekanan tetapi menaikkan tekanan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa penurunan tekanan pada sisi keluar pipa kapiler tidak disebabkan oleh perubahan sifat transport refrigeran (viskositas).
DAFTAR PUSTAKA
BOLAJI, B. & HUAN, Z. 2013. Ozone depletion and global warming: Case for the use of natural refrigerant–a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18, 49-54.
CHOI, J. M. & KIM, Y. C. 2002. The effects of improper refrigerant charge on the performance of a heat pump with an electronic expansion valve and capillary tube. Energy, 27, 391-404.
CORBERÁN, J.-M., MARTÍNEZ-GALVÁN, I.,
MARTÍNEZ-BALLESTER, S.,
GONZÁLVEZ-MACIÁ, J. & ROYO-PASTOR, R. 2011. Influence of the source and sink suhues on the optimal refrigerant charge of a water-to-water heat pump.
International Journal of Refrigeration, 34,
881-892.
FOX, R. W. (2004). Introduction to fluid mechanics.
Hoboken NJ, John Wiley
INCROPERA, F. P. (1996). Introduction to heat transfer. New York, Wiley
PARK, K.-J., SEO, T. & JUNG, D. 2007. Performance of alternative refrigerants for residential air-conditioning applications.
Applied Energy, 84, 985-991.
SHARIFIAN, A. & SIANG, J. T. 2015. Impacts of Room Suhue on the Performance of a Portable Propane Air Conditioner.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 1550015.
TENG, T.-P., MO, H.-E., LIN, H., TSENG, Y.-H., LIU, R.-H. & LONG, Y.-F. 2012. Retrofit assessment of window air conditioner.
Applied Thermal Engineering, 32, 100-107.
