Refrigeration Cooling Load

Refrigeration

Cooling Load

Oleh : Windy Hermawan Mitrakusuma

Teknik Refrigerasi dan Tata Udara

Politeknik Negeri Bandung

Definisi : Refrigerasi



Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan

panas/kalor dari suatu benda/ruangan sehingga

temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah

dari temperatur lingkungannya.



Refrigerasi akan selalu berhubungan proses-proses

aliran dan perpindahan panas.



Dibutuhkan dasar pengetahuan Perpindahan Panas

Sistem Refrigerasi Cold Storage

Qe

Qk

Design : Basic Parameter

1.

Temperatur / RH lingkungan

2.

Produk yang akan disimpan



Jenis



Jumlah / kuantitas MAKSIMUM

3.

Kondisi penyimpanan  Temperatur dan RH disain

ruangan (atas dasar produk yang disimpan)

4.

Ukuran ruangan (Cold Storage)

5.

Identifikasi peralatan yang ada dalam ruangan

6.

Jumlah orang dalam ruangan

Remark

1.

Load Temperature, asumsi : - 15 ⁰C untuk

Freezer dan 10 ⁰C untuk Chiller

2.

Daily Load : Produk masuk harian.

3.

Cooling Time = pull down time = waktu

penurunan temperatur.

4.

Jarak Outdoor ke Cold Storage, akan

menentukan drop tekanan dan beban

(kenaikan daya) kompresor

Parameter yang ditentukan (1)

1.

Maximum Quantity of Product atau Size Cold Storage



Maximum Capacity : 1/3 volume p y /



Maximum Capacity : ¼ volume (jika ada forklift)



Khusus Blast Freezer : 1/12 volume

2.

Ketebalan Insulasi



60 mm = positive temperature (> 0°C)



80 mm = positive and negative temperature (> - 20°C)



100 mm = positive and negative temperature (> - 25°C)



140 mm = negative temperature (> - 35°C)

3.

Load Temperature asumsi :



-15 ⁰C untuk Freezer



-10 ⁰C untuk Chiller

Parameter yang ditentukan (2)

4.

Daily Load, asumsi : 10 % dari Maximum Capacity

5.

Cooling Time = pulldown time, asumsi : 6 jam

6.

Tentukan ΔT, asumsi : 6 – 7 ⁰K (sesuaikan dengan RH

ruangan)

7.

Evaporating Temperature : Room Temperature – ΔT

8.

Condensing Temperature : 45 ⁰C

9.

Jumlah Orang, asumsi : 2-orang tergantung besar

ruangan

Sumber Kalor Pada Cold Storage

1 5 4 1 7 m m . T_lingkungan T_kabin

Cooling Load Parameter

A.

Transmition Loss

B.

Beban Sensible atau Laten dari produk

dan beban respirasi bila produk adalah

sayuran/buah-buahan.

C.

Infiltration, rekomendasi ACF (air

Change Factor) : 9

D.

Beban dari pekerja di ruangan

A. Beban Transmisi



Disebut juga sebagai bocoran kalor melaui

dinding cold storage.



Terjadi karena beda temperatur antara ruang

yang didinginkan dengan lingkungannya



Bergantung pada :



jenis isolasi yang digunakan



luas / dimensi cold storage

Minimum Ketebalan insulasi

Walk in Cooler

Minimum Ketebalan Panel Insulasi

Cold Room

Cold Room Storage

Temperature

Panel

Thickness

(mm)

Walk in Cooler ≥ 5 ℃ 50 Walk in Cooler ≥ -5 ℃ 75 Walk in Freezer ≥ -25 ℃ 100 Walk in Freezer ≥ -45 ℃ 150

Transmisi kalor melalui dinding

2 2 2 1 1 1

1

...

1

1

h

k

L

k

L

k

L

h

U

_n n











T

UA

q



D

2 1

1

1

1

h

k

L

h

U







Hot air

Cold air

T

₁

T

₂

T

₃

T

₄

L

q

₁

q

₂

q

₃

h

₁

k

h

₂

A

h

kA

L

A

h

T

T

q

2 1 4 1

1

1









Nilai Konduktivitas termal berbagai

bahan isolasi

Koefisien Konveksi

Koefisien konveksi permukaan di udara (h)

Udara

Koefisien konveksi

(W/m

2

.K)

Diam

9.37

Bergerak kecepatan rendah

22.70

Bergerak kecepatan tinggi

34.10

Contoh 1

2 2 2 1 1 1

1

...

1

1

h

k

L

k

L

k

L

h

U

_n n

_









Dinding L (mm) K (W/m.K) C (W/m.K) Cement Plester 10 0.72 75.5 Clay Tile 100 5.11 Polyuretane 125 0.023 Asphalt 12.7 3.92 Plat 2 45.3 249.7

koefisien perpindahan panas = 0.1652

7

.

22

1

3

.

45

002

.

0

92

.

3

1

11

.

5

1

023

.

0

125

.

0

5

.

75

1

37

.

9

1

1















U

Suatu dinding terdiri dari berbagai jenis bahan seperti ditunjukkan pada tabel di samping. Tentukan besarnya nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh, U, pada kasus tersebut

Contoh 2



Estimasi besarnya nilai U (overall heat transfer coefficient)

untuk panel yang terbuat dari polyurethane dengan tebal

10 cm.



Jawab :

L

k

h

k

L

h

U









2 1

1

1

1

Dari tabel didapat k = 0,024,

Tahanan thermal pelat pelapis luar panel diabaikan (karena k-nya besar) Koefisien konveksi (anggap udara diam) h = 9.37.

Sehingga dari persamaan sebelumnya diperoleh:

Diperoleh U = 0,024 / 0.1 = 0,24 W/m2_K

23

.

0

37

.

9

1

024

.

0

1

.

0

37

.

9

1

1

1

1

1

2 1















h

k

L

h

U

W/m2K Bila h diabaikan

Contoh Nilai Overall Heat Transfer

Coefficient

Contoh 3



Perkirakan beban kalor dari suatu dinding panel poliurethan

berukuran 8 m x 4 m, bila harus mempertahankan temperatur kabin

sebesar -15

o

_{C, sedangkan kondisi di luar ruangan / lingkungan}

B. Beban Produk



Produk masuk/dimasukan akan membawa

kalor/panas, yang akan menjadi beban

pendinginan mesin, terutama bila

temperatur produk masuk lebih besar dari

temperatur ruangan.



Beban produk terbagi atas: beban

Kalor yang harus diambil dari

Produk



Beban sensibel : beban kalor produk yang diakibatkan

dari perubahan temperatur produk.

T

Cp

m

Q

_s







D



Beban Laten : beban kalor produk akibat proses

pembekuan produk.

L

m

Q

_L





m : jumlah produk

Cp : kalor spesifik produk

DT : Penurunan Temperatur Produk

m : jumlah produk L : kalor laten produk

Kalor Produk dengan perubahan

Fasa

Cp_bf : Kalor Spesifik sebelum beku Cp_af : Kalor spesifik setelah beku T_f : Titik beku produk

T₁ : Temperatur awal produk

T₂ : Temperatur akhir produk



_f



bf

bf

m

Cp

T

T

Q







₁





T

T

₂



Cp

m

Q

_af





_af



_f



L

m

Q

_L





af

L

bf

p

Q

Q

Q

Q







Beban kalor di atas titik beku

Beban kalor pembekuan

Beban kalor di dibawah titik beku

Beban Kalor Produk



Temperatur produk, harus diturunkan dalam waktu CT (chilling Time)

atau sering disebut dengan Pulldown Time.



Beban kalor Produk q

_p

adalah Kalor yang harus dibuang dari produk

dibagi dengan waktu pendinginan

3600

Time

Chilling

3600

Time

Chilling

Q

_p













bf L af p

Q

Q

Q

q

Chilling time = Pulldown time = waktu pendinginan produk, bila tidak ditentukan, asumsikan 6 jam

Beban Kalor Respirasi



Metabolisma makhluk hidup akan menghasilkan

energi/kalor/panas.



Produk sayur dan buah, walaupun telah dipanen,

masih menghasilkan kalor respirasi.



Beban kalor respirasi adalah :

Respirasi

Kalor



 m

Contoh 4

 Apel pada 30 oC sebanyak 5400 kg masuk didinginkan dalam ruangan

pendingin (suhu 2 o_{C). Hitunglah beban tambahan dalam ruang pendingin}

yang diakibatkan oleh apel tersebut, bila apel harus dingin dalam waktu 12 jam.  Jawab:

n

T

Cp

m

Q

_Apel apel

3600



D







Respirasi

Kalor



 m

Q

_rp

Beban kalor untuk mendinginkan :

81

015

.

0

5400







rp

Q

W





13.335

3600

12

2

30

81

,

3

5400

Q

_Apel













kW

C. Beban Kalor Infiltrasi



Beban kalor yang diakibatkan adanya

udara masuk/menyusup (infiltrate) melalui

celah atau pintu yang terbuka.



Beban Kalor infiltrasi sangat dipengaruhi

oleh beda temperatur serta kelembaban

udara antara di dalam dan di luar ruangan

Infiltrasi udara karena perbedaan

temperatur

Kalor Infiltrasi - 1



E



D

qD

q

_t



_t

_f

1



Besar Kalor infiltrasi ditentukan oleh:

q_t = average heat gain for the 24 h or other period, kW

q = sensible and latent refrigeration load for fully established flow, kW D_t = doorway open-time factor

D_f = doorway flow factor

Kalor infiltrasi (sensibel + laten)









_m r i r r i

h

gH

F

h

A

q

0.5 5 . 0

1

211

.

0

_























q = sensible and latent refrigeration load, kW A = doorway area, m2

h_i = enthalpy of infiltration air, kJ/kg

h_r = enthalpy of refrigerated air, kJ/kg ρ_i = density of infiltration air, kg/m3

ρ_r = density of refrigerated air, kg/m3 g = gravitational constant = 9.81 m/s2 H = doorway height, m Fm = density factor Cara 1 :





5 . 1 3 / 1

/

1

2





















i r m

F





Kalor infiltrasi (sensibel + laten)

q = sensible and latent refrigeration load, kW

Q_s /A = sensible heat load of infiltration air per square metre of doorway

opening as read from Figure 5, kW/m2

W = doorway width, m

R_s = sensible heat ratio of the infiltration air heat gain, from Table 8 or 9 (or from a psychrometric chart)

Cara 2 :































s

s

R

A

Q

WH

q

0

.

577

1

.

5

1

Faktor Bukaan Pintu (Doorway

open time factor)





d

o

p

t

P

D







3600

60





D

_t

= decimal portion of time doorway is open

P = number of doorway passages

θ

_p

= door open-close time, seconds per passage

θ

_o

= time door simply stands open, min

θ

_d

= daily (or other) time period, h

θ_p for conventional pull-cord-operated doors = 15 to 25 s per passage. θ_p for high-speed doors = 3 to 10 s, although it can be as low as 3 s.

Faktor Aliran Pintu (Doorway flow

factor) dan Efektivitas bukaan pintu



Faktor Aliran Pintu D

_f

D_f = 1,0 untuk pintu terbuka tanpa hambatan/penghalang.

D_f = 1,1 untuk beda temperatur lebih kecil dari 11 o_C.

D_f = 0,8 untuk beda temperatur lebih besar dari 11 o_C.



Faktor Efektifitas bukaan Pintu

E = 0,85 - 0,95 untuk freezer E = 0,90 - 0,95 untuk Cooler

E = 0,70 untuk pintu dengan tirai udara (air curtain) E = 0,00 untuk pintu yang terbuka penuh

Contoh 5

 Suatu pintu (2 meter x 2 meter) dengan tirai udara pada cold storage terbuka

saat pemasukan produk. Temperatur dan RH untuk kabin adalah 5 o_{C / 90}

%RH dan lingkungan 30 o_{C / 60 %RH. Tentukan besar beban kalor infiltrasi}

bila pintu terbuka selama 2 jam. (abaikan faktor waktu buka tutup pintu)









17

,

0

24

3600

60

2

60

3600

60















d o p t

P

D







Df = 0,8

Dari gambar Q

_s

/A = 10 kW/m2



E



D

qD

q

_t



_t

_f

1

































s s

R

A

Q

WH

q

0

.

577

1.5

1

E = 0,70

R

_s

= 0,48

q = 0.577 x 2 x 2

1.5

_{x 10 x (1/0.48) = 68 kW}

q

_t

= 68 x 0,17 x 0,8 x (1-0,7) = 2,77 kW

D. Orang di dalam Ruangan



Manusia akan memberikan beban pendinginan

sesuai dengan aktifitas yang dilakukannya.



Besar beban kalor dihitung berdasarkan

persamaan berikut, dimana t adalah temperatur

ruang dingin.



Bila orang keluar masuk cukup sering, maka

besar kalor q

_p

harus dikalikan dengan 1,25

t

q

_p



272 

6

Kalor ekivalen orang di ruangan

t = tempratur ruang penyimpanan

Contoh 6



Terdapat 5 orang pekerja (selama 2 jam sehari)

dalam ruangan, perkirakan beban kalor yang

timbul akibat 5 orang tersebut sering keluar

masuk ruangan pendingin yang bertemperatur

-20

o

_C.



jawab

Dari Tabel diperoleh data 390 W/orang. Karena sering keluar masuk, maka digunakan faktor pengali sebesar 1.25.

Jadi :

E. Beban kalor peralatan

1.

Peralatan didalam ruangan yang dapat menghasilkan

kalor antara lain: motor, lampu, pemanas.

2.

Beban kalor dihitung berdasarkan daya dari peralatan

tersebut dikalikan dengan faktor pengali.

3.

Beban dari heater pintu, asumsi : 30 W per m keliling

pintu

4.

Beban dari heater drain dan defrost



Chiller : 2 % dari cooling capacity



Freezer : 3 % dari cooling capacity



Blast : diabaikan

5.

Beban dari blower fan, asumsi :



Chiller : 3 % dari cooling capacity



Freezer : 5 % dari cooling capacity



Blast : 8 % dari cooling capacity

Heat Equivalent of Electric Motors Motor Rating (kW Output) Motor Eficiency (%) Multiplying Factor Connected Load in Ref. Space Motor Losses Outside Ref. Space Connected Load Outside Ref. Space 0,1 - 0,5 33.3 1.7 1.0 0.7 0,5 - 2,0 55.0 1.5 1.0 0.5 2,0 - 15,0 85.0 1.2 1.0 0.2

Beban Kalor Peralatan lainnya

jam

24

penggunaan

Jam

alat

Daya





m

q

Contoh misalkan 12 lampu, dengan daya masing-masing 100 Watt, hidup selama 2 jam selama pemasukan produk. Maka beban kalor akibat lampu adalah :

BEBAN KALOR TOTAL



Beban kalor total adalah JUMLAH dari:



Beban kalor Transmisi, Q

_t 

Beban kalor Produk, Q

_pr 

Beban kalor Infiltrasi, Q

_i



Beban kalor Orang/manusia, Q

_p 

Beban kalor lain-lain, Q

_m



Faktor Safety, biasanya digunakan sebesar 10 %

m

p

i

pr

t

Q

Q

Q

Q

Q

Q













1

10

%



factor

Safety













Q

Q

Q

Q

_total

Operating Time = Running Time



Running time (RT) adalah waktu yang mana sistem

pendingin ON dan menghasilkan efek pendinginan

dalam 24 jam.



Sistem tidak selamanya ON, karena berbagai hal :



Waktu defrost harus dilakukan



Waktu pendinginan tercapai



Pressurestat bekerja dll.



Besar running time (RT), biasanya disadarkan kepada

metoda defrost yang digunakan:



RT = 16 jam, bila off cycle defrost



RT = 18 – 22 jam, bila sistem defrost menggunakan electric

Kapasitas mesin yang dibutuhkan



Q

_cc

adalah Cooling Capacity (Kapasitas Pendinginan) dari mesin

yang dibutuhkan.



Kapasitas mesin ini merupakan ukuran untuk memilih peralatan.



Semakin besar RT, semakin kecil kapasitas pendinginan mesin.

Konsekuensinya, mesin makin lama hidup (ON) dalam 24 jam.

RT

Q

Cara Pintas (Short cuts): Room Volume (m3) Service Long Term Storage Average Heavy 0.6 3.63 3.97 0.85 2.56 3.57 1.5 1.77 2.76 2 1.44 2.24 3 1.25 1.96 6 1.07 1.72 8.5 1.01 1.61 11 0.96 1.52 14 0.94 1.45 17 0.91 1.44 23 0.86 1.37 28 0.85 1.30 34 0.77 1.23 43 0.71 1.16 57 0.65 0.60 85 0.58 0.45 140 0.31 200 0.24 280 0.19 560 0.16 1400 0.14 2100 0.14

TD

UF

Q

_int



V

_int





Untuk menghitung beban di dalam ruangan, dapat pula digunakan cara pintas, yaitu dengan mengalikan

Volume dalam efektif (interior) dengan faktor penggunaan (UF, Usage Factor) dan Beda Temperatur Rungan dengan lingkungan.

Q_int = Beban di dalam ruangan V_int = Volume interior ColdStorage UF = Usage Factor, lihat tabel

TD = Beda temperatur luar dan dalam ColdStorage

Untuk mendapatkan beban total, beban ini harus ditambahkan dengan beban transmisi

Contoh 7

 Ruangan dgn ukuran 6 m x 4 m x 3.4 m, mempunyai tebal isolasi 200 mm.

Temperatur luar adalah 30 o_{C dan temperatur ruangan 5} o_{C. Mesin didisain}

dengan running time 16 jam. Tentukan kapasitas mesin yang harus digunakan, bila beban transmisi melalui dinding adalah 0,899 kW.

 Jawab

Ruangan mempunyai volume dalam sebesar = 5,6 x 3,6 x 3 m3 _{= 60,5 m}3

Dari tabel di atas diperoleh dengan interpolasi UF = 0,642 W/m3_K

Beban interior Q_int =60,5 m3 _{x 0,642 W/m3K x (30-5)K = 971 W = 0,971 kW}

Beban Total, Q_total = 0,899 kW + 0,971 kW = 1,87 kW

kW

kW

RT

Q

Q

_cc total

2

,

81

16

24

87

,

1

24











Kapasitas Mesin :

Program Refrigeration Cooling Load

Program sederhana, tapi cukup baik.

Dapat didownload di : http://k-rp.com/support/design-tools-software/

Instalasi KeepRite



Buka FOLDER CalcRite



Jalankan program SETUP.EXE, dengan

cara men-double click icon setup.exe.

Pilih Menu “USER INFO”

Isi dengan data yang diperlukan

Pilih bahasa dan skema warna yang

ingin digunakan Pilih satuan : Metrik : kg, watt, dll. Imperial : lb, btu/h, dll Pilih Menu “PROGRAM SET-UP”

Pilih Menu “GENERAL INFO” Isi dengan data yang diperlukan Isi ukuran cold storage

Bila ingin memulai dari awal, tekan tombol ini

Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing

dinding/atap/lantai Pilih Menu

“WALL LOAD

Pilih

Bentuk/layout

cold storage _{Pilih :}

Lokasi cold storage Temp. lingkungan

Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing

Pilih Menu “INFILTRATION LOAD” Pilih Menu “Jenis infiltrasi yang paling mendekati” Masukan data yang dibutuhkan

Pilih Menu “PRODUCT

LOAD”

Isikan data produk yang akan disimpan dalam

Pilih Menu “MISC. LOAD” (Beban Lain2) Isikan penggunaan penerangan Isikan penggunaan motor

Isikan jumlah orang yang bekerja didalam cold

storage Isikan jumlah forklifts yang ada

Isikan sumber-sumber panas lainnya Perhatikan waktu penggunaan

Pilih Menu “SELECT EQUIPMENT” Isikan Safety Factor (0-100%) Besarnya beban pendinginan / kapsitas mesin yang

Contoh - 1



Desain penyimpanan untuk daging sapi sebanyak 5 ton



Lokasi berada di daerah bertemperatur 35

o

C



Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W



Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam



Ruang penyimpanan -18

o

C



Produk masuk ruang pendingin sebesar -10

o

C



HITUNGLAH, besar beban pendinginan

Contoh - 2



Desain penyimpanan untuk Tuna sebanyak 5 ton



Lokasi berada di daerah bertemperatur 35

o

C



Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W



Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam



Ruang penyimpanan -18

o

C



Produk masuk ruang pendingin sebesar -10

o

C



HITUNGLAH, besar beban pendinginan