BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang
Dalam kehidupan sehari-hari, manusia tentu saja menginginkan suatu keadaan dimana temperatur dan kelembaman ruangan lebih nyaman. Sistem pendingin atau refrigerasi merupakan proses pelepasan kalor dari suatu substansi dengan cara penurunan temperatur dan pemindahan panas ke substansi lainnya. Sistem pendingin dimaksudkan untuk memberikan kenyamanan dan kesegaran kerja, disamping itu juga untuk memungkinkan suatu proses berjalan dengan baik atau untuk melindungi mesin atau alat-alat agar tidak cepat rusak.
Hadirnya mesin-mesin ini di tengah kehidupan manusia diharapkan kehidupan manusia menjadi lebih efektif dan efisien. Namun terkadang dapat membuat manusia lalai dan menjadi “malas”. Untuk alasan ini juga terkadang manusia rela hidup boros bahkan mengorbankan lingkungannya demi kenyamanan yang didapatkan. Salah satu dampak revolusi industri hingga sekarang adalah terus menurunnya kualitas lingkungan hidup akibat pencemaran lingkungan yang dilakukan secara terus menerus. Untuk itu dibutuhkan kesadaran mendasar dan langkah kongkrit sekecil apapun untuk menyelamatkan lingkungan tempat tinggal kita.
New York 22 September 2009, Perdana Menteri Jepang saat itu, Yokio Hatoyama berpidato “Japan will aim to reduce its emissions by 25% by 2020, if compared to the 1990 level, consistent with what the science calls for in order to halt global warming”. Jepang akan mengurangi emisinya sampai 25% dibanding emisi yang dikeluarkannya tahun 1990, sejalan dengan yang diminta dunia sains
untuk menghentikan pemanasan global. Kalimat ini mendapat sambutan hangat dari para kepala negara yang berada di ruangan tersebut [1].
Pemanasan global (global warming) adalah kenaikan suhu rata-rata permukaan bumi yang diakibatkan oleh tinginya kandungan gas-gas rumah kaca hasil dari pembakaran sumber energi berbasis fosil dan pembabatan hutan. Sejak dimulainya revolusi industri, umat manusia telah sangat tergantung kepada penggunaan sumber energi yang berasal dari fosil, selanjutnya di tulisan ini akan diistilahkan dengan energi fosil. Energi fosil termasuk minyak bumi, gas alam, dan batubara. Sebagai gambaran besarnya ketergantungan umat manusia terhadap energi fosil, Energy Information Administration (EIA), menyebutkan bahwa selama tahun 2007, konsumsi energi global bersumber dari minyak bumi sebesar 36%, batubara 27.4%, dan gas alam 23.0%. Total penggunaan energi fosil ini adalah 86.4% dan sisanya dipasok oleh sumber energi lain seperti nuklir,
hydropower, geothermal, angin, surya dan lain-lain. Menurut laporan statistik penggunaan minyak dunia, yang dikeluarkan British Petroleum (BP), selama tahun 2008 konsumsi energi dunia adalah sebesar 474 exajoule (474 x 1018 joule). Jika komposisi 86.4% (laporan tahun 2007 oleh EIA) dianggap tidak berubah jauh dengan 2008, maka konsumsi ini berasal dari energi fosil sebesar 409,5 EJ dan sisanya 64,5 EJ dari sumber energi lain seperti nuklir dan renewable energi. Pembakaran energi fosil ini setara dengan pelepasan 21.3 Gigaton karbon dioksida ke alam, tetapi alam dengan bantuan hutan hanya mampu menyerap setengah dari jumlah ini. Oleh karena itu akan ada penambahan karbon dioksida sekitar 10.6 Gigaton pertahun. Jika tidak ada langkah konkrit, hal ini akan meningkat terus di tahun-tahun mendatang seiring dengan meningkatnya kebutuhan energi dunia.
Inilah salah satu yang akan menyebabkan pemanasan global, dan jika tidak diselesaikan bersama akan membahayakan kelangsungan hidup bumi sebagai planet yang bisa dihuni umat manusia dan mahluk hidup lainnya.
Kondisi Indonesia, tidak jauh berbeda dengan kondisi global saat ini. Sumber utama energinya masih disuplai oleh energi fosil. Sementara, efisiensi konversi dan penggunaan energi fosil masih rendah. Menurut laporan statistik yang dikeluarkan oleh BP, total konsumsi energi Indonesia selama tahun 2007 adalah sebesar 5,18 EJ. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) menyebutkan konsumsi energi ini berasal dari energi fosil sebesar 95%,
hidropower 3,4%, panas bumi 1,4%, lainnya 0,2% (data tahun 2003). Komposisi ini dengan jelas menunjukkan ketergantungan yang sangat tinggi pada energi fosil. Perbedaan utama permasalahan enegi yang dihadapi pemerintah Indonesia adalah ketergantungan yang besar kepada minyak bumi. Pemerintah, pada saat ini fokus pada usaha untuk mengurangi ketergantungan ini. Efisiensi energi di Indonesia juga sangat buruk. Menurut data, nilai elastisitas energi yang diolah oleh ESDM dari BP, Indonesia berada pada angka 1,84, idealnya angka ini dibawah 1. Elastisitas energi adalah perbandingan antara pertumbuhan konsumsi energi dengan pertumbuhan ekonomi. Jika nilai elastisitas energi suatu negara semakin tinggi, berarti pemakaian energi semakin tidak efisien. Sebagai perbandingan elastisitas energi beberapa negara adalah sebagai berikut: Malaysia 1,69, Thailand 1,16, Singapura 0,73, Jepang 0,1. Kesimpulannya perlu usaha yang serius untuk mengurangi nilai elastisitas energi ini.
Salah satu titik penggunan energi yang cukup besar di Indonesia adalah penggunaan energi listrik untuk penggerak sistem pengkondisian udara atau AC.
Di masa yang akan datang diyakini akan terus meningkat seiring dengan meningkatnya taraf hidup masyarakat dan pemanasan global yang telah berlangsung [1].
Manusia senantiasa menginginkan hal baru dalam efisiensi dan hidup yang lebih praktis, hal ini dapat dilakukan dengan berbagai cara diantaranya adalah memaksimalkan fungsi peralatan yang ada yaitu dengan cara memodifikasi peralatan standar sehingga didapatkan fungsi ganda tanpa mengabaikan fungsi utama dari peralatan tersebut. Selain dari fungsi utama tadi kami mencoba untuk memanfaatkan energy terbuang yang dihasilkan oleh sistem pendingin AC Split sehingga dapat dimanfaatkan, untuk itu kelompok kami merencanakan sebuah
Water Heater yang terpasang dengan AC Split, dimana fungsi Water Heater ini nantinya berfungsi untuk memanaskan air. Pemanas air yang terpasang dengan AC split ini sudah banyak dipakai pada perumahan, bangunan komersial,rumah sakit,dan hotel.
Pada saat ini kami sudah melakukan survey di tiga tempat, yaitu Hotel Sapadia Pematang Siantar, Hotel Danau Toba International Medan, dan Rumah Sakit Columbia Asia Medan. Berikut hasil surveynya:
A. Hotel Sapadia Pematang Siantar (29 Juni 2011 – 1 Juli 2011)
Hotel yang terdiri dari 6 lantai ini berlokasi di Jl. Diponegoro,Pematang Siantar. Berikut data ruangan dan Cooling Load di Hotel Sapadia Pematang Siantar:
Untuk keperluan beban pendingin di hotel ini digunakan Chiller type
130GTN130 sebanyak 1 unit dan Chiller Pump sebanyak 2 unit serta instalasi
menggunakan AC jenis DX-System karena ruangan lantai 06 adalah Ruang Serbaguna/Ruang Pertemuan yang jarang digunakan (hanya digunakan pada saat dipesan saja), sehingga dibuat jenis DX-System untuk menghemat energi.
Sizing Hot water
• 59 kamar x 15 L/kamar x 2 orang/kamar = 1770 liter
Dengan diversity factor 75% dan 5% kehilangan panas di pipa
hot water peak hour demand = 1770 x 0,75 x 1,05 = 1393,875
• Jika ikut semua
1770 L + (200x5) = 2770 L
Dengan diversity 75% dan 5% heat loss dan pipe = 2181,375 L Dengan penambahan wastafel,dll digunakan 2500 L
Heating load
Dengan mengambil beban maksimum (5pm-8pm) Maka,2500 L / 3 hr =833,333 L / hr
Heating load = 833,333 / hr x 1 kkal x (60-25) = 29.166,1666 kkal / hr
= 33,8333 kw
Dengan LCWT 450 F dan CEAT 950F, maka pada chiller 30GTN130 dengan daya input 141,6 kw dan kapasitas 125,1 didapat Total Head Rejection From
(THRF) = 1,25 X 125,1 tons X 3,517 = 549,970875 KW
Percentage of heat reclaim = 54933,,9708759333
x
100
%
= 6,1518403 % Calculation of time taken to heat
Dengan menggunakan chiller 30GTN130
• 125,1 tons = 1501420,489 Btu / hr
• Q aktual = 1501420,489 Btu / hr x 1,25 = 1876775,611 btu / hr
Dengan Takhir = 140 F= 60 0C ; Tawal = 80 F = 200C;Cp = 1 btu/lbf ;
p = 62lb/ft3 Maka didapat, 59352 , 31279 ) 80 140 ( 1 611 , 1876775 = − = x w p w V = liter ft V 504,509 14306,42769 62 2 31279,5935 = 3 = =
Dalam waktu 1 jam dengan 1876775,611 Btu/hr dapat memanaskan 14306,42769 liter. Jika untuk 2500 liter, maka chiller 30GTN130 memerlukan
4847 , 10 174746 , 0 42769 , 14306 2500 = = hr
Jadi, untuk memanaskan air dengan kapasitas 2500 liter menggunakan chiller
30GTN130 memerlukan waktu 10,4847 menit.
B. Hotel Danau Toba International (4 Juli 2011 – 5 Juli 2011)
Hotel Danau Toba International berlokasi di Jl. Imam Bonjol No.17 ,Medan. Sebelum menggunakan Water Heater, HDTI menggunakan boiler untuk keperluan air panas, baik untuk keperluan mandi, café, dapur, dll. Boiler tersebut
menggunakan bahan bakar solar dengan konsumsi bahan bakar solar ± Rp 90.000.000 – 100.000.000 / bulan.
Setelah menggunakan Water Heater, maka boiler dengan bahan bakar solar tidak digunakan lagi, serta didapat penghematan energi listrik yang dipakai. Besarnya penghematan yang didapat setelah penggunaan water heater tidak diberitahu oleh pihak hotel. Berhubung karena tidak diberikan informasi tentang data fisik Chiller dan kami hanya diberikan data perbandingan sebelum dan setelah memakai Water Heater, maka berikut grafik data “Total Hot Water Operational Cost Hotel DanauToba International”:
Gambar 1.1 Grafik data “Total Hot Water Operational Cost Hotel DanauToba International”
TOTAL SAVING PER MONTH AFTER SELTECH → AIRCON WATER HEATER ± Rp. 90.000.000,-
Estimate Hot Water Operation Cost Hotwater Operational
Cost Using Solar Boiler
Actual Operational Cost using Seltech Aircon Water Heater
C. Rumah Sakit Columbia Asia (RSCA) / 6 Juli 2011 – 7 Juli 2011
Rumah Sakit Columbia Asia yang berlokasi di Jl. Listrik, Medan ini memiliki 200 kamar dan satu restaurant. RSCA ini memakai chiller jenis 30GT390 sebanyak 3 unit untuk keperluan pendingin. RSCA belum memakai
Water-Heater yang memanfaatkan panas refrigerant untuk keperluan air panas, baik untuk keperluan mandi maupun untuk keperluan restaurant. Oleh karena itu, kami mencoba merancang water heater yang cocok untuk bangunan tersebut dengan jenis Chiller 30GT390.
Perancangan Water Heater - Sizing hot water
Untuk 200 kamar:
(200kamar x 30L/orang x 2 orang/kamar) = 12000 L Untuk restaurant, dengan kapasitas 50 orang
(50 orang x 5L/orang) = 250 L Permintaan air panas = 12250 L
Dengan diversity factor 75% dan 5% heat loss sepanjang pipa 12250L x 0,75 x 1,05 = 9646,75 L
Oleh karena itu, dipilih water heater dengan ukuran 10000 L - Head Load Calculation
Beban maksimun antara 5pm-8pm 10000 / 3 = 3333,3333 L / hr
Heating Load = 3333,3333 L / hr x 1 kkal / L.C x (600C-250C) =116666,66055 Kkal / hr
= 1,25 x 36995616 = 4624452 kkal / hr
Percentage of heat reclaim = 2,523% 4624452 66655 , 116666 = - Q = 4894318,7475 btu / hr P = 62 lb / ft3 Cp = 1 btu / lbf W= V = W / p 3 67708 , 1315 62 97913 , 81571 ft = = 37308,77337 L / hr
Dengan kata lain 0,26803 77337
, 37308
10000
= hr = 16 menit
Pada skripsi ini, akan dilakukan simulasi dengan menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk membandingkan data yang diperoleh dari penelitian dan simulasi.
1.2Tujuan Penelitian 1.2.1. Tujuan umum
Tujuan umum penelitian ini adalah untuk merancang sebuah mesin pendingin bekeja berdasarkan siklus kompresi uap hybrid dimana panas buangan kondensor digunakan sebagai sumber tenaga untuk memanaskan air (water heater). Komponen-komponen utama siklus kompresi uap hibrid ini terdiri dari evaporator, kompresor, kondensor dan water heater. Semua komponen ini akan
dirancang, dipabrikasi, dan dirakit menjadi satu unit mesin pendingin. Kemudian melakukan penelitian terhadap masing-masing komponen mesin pendingin.
1.2.2. Tujuan khusus
Penelitian ini dikerjakan oleh satu tim yang terdiri dari 4 orang, termasuk penulis. Secara khusus penulis bertanggung jawab menguji water heater dan mensimulasikan dengan software Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk mengetahui proses perpindahan panas dan membandingkannya dengan hasil pengujian.
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat yang akan dicapai dari penelitian ini adalah :
1. Pengembangan teknologi alternatif mesin pendingin yang dapat mendinginkan ruangan sekaligus dapat memanaskan air.
2. Mengurangi pemakaian bahan bakar minyak bumi dan gas untuk memanaskan air untuk kebutuhan sehari-hari.
3. Bahan referensi pengembangan penelitian dibidang Mesin Pendingin, khususnya dalam bidang simulasi.
4. Membantu masyarakat melakukan penghematan secara ekonomis.
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu diberikan batasan masalah sebagai berikut :
1. Komponen Siklus Kompresi Uap yang digunakan dalam analisa ini adalah
water heater.
2. Variabel yang digunakan adalah Temperatur dan Waktu
3. Proses kondensasi pada koil pemanas terjadi pada tekanan konstan dan temperatur permukaan pipa diasumsiakan konstan sesuai hasil pengujian.
1.5. Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahai tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu:
BAB I PENDAHULUAN
Berisikan latar belakang, batasan masalah, maksud dan tujuan perancangan, manfaat perancangan dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Berisi teori dasar tentang mesin pendingin, siklus kompresi uap, siklus kompresi uap hibrid perhitungan perpindahan panas secara konveksi alamiah/natural,dan teori yang mendasari tentang pendekatan numerik pada program lunak
Computational Fluid Dynamics (CFD). BAB III METODE PENELITIAN
Berisi tentang metode penelitian yang dilakukan, urutan proses analisis serta pengerjaan perangkat lunak CFD yang digunakan untuk pengolahan data.
BAB IV PEMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK
Berisi tentang data yang diperoleh dari hasil pengukuran langsung,pengujian dan simulasi menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamics(CFD).
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi tentang kesimpulan dari hasil simulasi numerik dan saran untuk memperbaiki kekurangan desain sebelumnya dan mencegah kesalahan pada desain optimasi.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
