DISAIN EVAPORATOR JENIS SHELL AND
TUBE PADA MESIN REFRIGERASI SIKLUS
KOMPRESI UAP HIBRIDA
Azridjal Aziz
(1) (1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau
ABSTRAK
Mesin refrigerasi yang efek pendinginan dan efek pemanasannya dilakukan sekaligus dinamakan mesin refrigerasi hibrida. Efek pendinginan dilayani oleh suatu penukar kalor yang dinamakan evaporator, dimana di dalamnya terjadi proses perubahan fasa refrigeran/fluida yang mengalir di dalamnya dari cairan menjadi uap (penguapan/evaporasi) Disain evaporator dipengaruhi oleh kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi, temperatur dan laju massa air memasuki evaporator. Pada disain ini digunakan R22 sebagai refrigeran dengan temperatur evaporasi 5oC, dengan kapasitas pendinginan di evaporator 2,0516 kW, serta temperatur permukaan evaporator 8oC. Dari disain diperoleh evaporator dengan pipa tembaga 3/8 inci, panjang 20,69 m, dengan 66 laluan 11 tingkat (6 laluan pertingkat), luas permukaan perpindahan kalor 0,6175 m2, koefisien perpindahan kalor tota172,7496W/m2.oC.Evaporator didisain dengan aliran silang jenisshell and tube.
ABSTRACT
Refrigeration machine which effect of refrigeration and its warming effect are done together named as hybrid refrigeration machine. Refrigeration effect served by a heat exchanger named evaporator, where in it happened the process of change of refrigerant phase from liquid to the vapour (evaporation) Design the evaporator influenced by capacities of refrigeration design, type of refrigerant that used to analyse the state level of thermodynamics in evaporator, evaporation temperature, temperature and water mass flow rate to enter the evaporator. At this design used R22 as refrigerant with the evaporation temperature 5 oC, with the refrigeration capacities in evaporator 2,0516 kW, and also temperature of surface evaporator 8oC. From designed is obtained the evaporator with the copper pipe is 3 / 8 inch, evaporator long is 20,69 m, 66 pass with 11 level (6 pass perlevel), surface area of heat transfer is 0,6175 m2, overall heat transfer coefficient is 172,7496 W / m2.oC. Evaporator is designed with the cross flow stream and type of shell and tube.
Keywords: heat exchanger, evaporator, refrigeration
1. PENDAHULUAN
Perkembangan industri yang pesat membuat laju konsumsi energi semakin tinggi, sehingga cadangan energi yang tersedia semakin menipis. Keterbatasan cadangan energi dan semakin meningkatnya kebutuhan energi tersebut mengakibatkan harga energi semakin mahal. Berbagai usaha terus dilakukan untuk melestarikan energi, antara lain adalah dengan meningkatkan efisiensi penggunaan energi dan mencari sumber-sumber energi baru. Salah satu usaha dalam meningkatkan efisiensi pemakaian energi adalah dengan memanfaatkan kembali (recovery) energi yang selama ini dibiarkan terbuang pada suatu mesin konversi energi.
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 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. 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 daya guna mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadu dengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesin refrigerasi hibrid, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida. [2]
2. TINJAUAN PUSTAKA
Sebuah siklus kompresi uap ideal [1,4,5,8] memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator, seperti digambarkan pada gambar 1. Kompresor Katup ekspansi Qk Evaporator Wkom Kondensor 2 Qe 3 1 4
Gambar 1. Siklus Kompresi Uap Ideal
Gambar 2. Diagram Fasap-hKompresi Uap Ideal Fungsi masing-masing komponen utama adalah sebagai berikut :
1. Kompresor berfungsi mengisap uap refrigeran dari sisi keluar evaporator yang bertemperatur dan bertekanan rendah dan menekannya menjadi uap refrigeran yang bertemperatur dan bertekanan tinggi sebelum masuk ke kondensor.
2. Kondensor berfungsi untuk
mengkondensasikan atau mengembunkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dengan mendinginkannya dengan air atau udara, atau terjadi pelepasan kalor ke lingkungan melalui dinding kondensor sehingga fasanya berubah menjadi cair. 3. Katup Ekspansi/pipa kapiler berfungsi
menurunkan tekanan refrigeran cair dari kondesor dan mengatur laju aliran refrigeran, agar sesuai dengan beban pendinginan. Dalam sistem pendinginan yang kecil dapat digunakan pipa kapiler.
4. Evaporator berfungsi untuk
mengevaporasikan atau menguapkan cairan refrigeran pada tekanan dan temperatur rendah, dan selama proses evaporasi refrigeran mengambil atau menyerap kalor dari lingkugan sehingga terjadi proses pendinginan. Kalor yang diserap dapat berupa kalor dari cairan atau udara dari lingkungan yang didinginkan.
Evaporator
Jenis evaporator yang digunakan pada sistem pendingin berdasarkan konstruksinya adalah :
1. Jenis pipa bersirip (finned tube) 2. Jenis pipa polos (tube)
3. Jenisshell and tube(tipe cangkang) 4. Jenis pelat permukaan (plate surface)
Jenis evaporator berdasarkan pemasukan cairan adalah:
1. Evaporator banjir (flooded evaporator)
2. Evaporator kering (dry or direct-expansion evaporator)
Berdasarkan sirkulasi fluida yang didinginkan (udara atau cairan) dibedakan atas: konveksi paksa dan konveksi bebas.
Berdasarkan cara pengaturan refrigeran dibedakan atas jenis langsung (direct expansion) dan jenis tak langsung (indirect expansion)
Untuk jenis langsung, kalor di evaporator langsung diserap oleh fluida (udara atau air) untuk digunakan langsung dalam proses pendinginan. Untuk jenis tidak langsung penyerapan kalor di evaporator dengan media cair (air,brine), kemudian media cair yang telah didinginkan ini baru digunakan dalam proses pendinginan. Biasanya media penyerapan kalor dengan media cair digunakan pada sistem pendingin yang menggunakan sistem chiller atau menggunakansecondary cycle(jenis tak langsung).
60 Dalam disain evaporator pada penelitian ini
digunakan evaporator jenis shell and tube (tipe cangkang) untuk pendinginan tidak langsung, dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang (Holman, 1991). Laluan pipa di dalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas evaporator ini.
3. METODOLOGI
Langkah-langkah yang dilakukan dalam disain evaporator pada penelitian ini mengikuti flow chart seperti pada “Gambar (3)”.
NO MULAI
HITUNG
ANALISIS TERMODINAMIK (KAPASITAS EVAPORATOR), TEMPERATUR AIR KELUAR, LMTD, PROSES PENGUAPAN
REFRIGERAN, KAPASITAS REFRIGERAN RATA-RATA, PROSES KONVEKSI PAKSA PADA SISI AIR,
PILIH
TIPE PENUKAR KALOR, KECEPATAN REFRIGERAN (PEMILIHAN PIPA
EVAPORATOR)
HITUNG
FAKTOR PENGOTORAN, KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS TOTAL, LUAS PERMUKAAN EVAPORATOR, PANJANG PIPA
EVAPORATOR
PERIKSA
ASUMSI TEMPERATUR PERMUKAAN EVAPORATOR DENGAN HASIL
PERHITUNGAN
STOP YES
INPUT
JENIS REFRIGERAN, TEMPERATUR EVAPORASI, TEMPERATUR PERMUKAAN
EVAPORATOR, LAJU MASSA AIR DI EVAPORATOR, TEMPERATUR AIR MASUK
EVAPORATOR
Gambar 3.Flow ChartDisain Evaporator Pada disain evaporator ini digunakan Evaporator jenis tabung dan pipa (sheel and tube) dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir di luar pipa dan masih di
dalam cangkang . Laluan pipa didalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas evaporator ini.
Data Awal Disain
Data awal yang diperlukan dalam disain evaporator adalah kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi refrigeran, temperatur dan kecepatan air memasuki evaporator.
Kecepatan Refrigeran
Pipa evaporator yang digunakan dalam perancangan ini adalah pipa tembaga dan dimensinya akan diasumsikan berdasarkan ukuran pipa tembaga yang tersedia di pasaran kemudian dianalisa berdasarkan data pada “tabel (1)” berikut ini :
Tabel 1. Kecepatan aliran refrigeran yang dianjurkan
Kecepatan refrigeran [m/s] Refrigeran Cair Saluran hisap Kondensor Amoniak 0,51-1,27 20,32-25,40 25,4 – 30,48 R-12 0,41-0,51 7,62 - 9,14 9,14-11,43 R-22 0,51-0,64 7,62 - 9,14 9,14-11,43 R-502 0,51-0,64 7,62 - 9,14 9,14-11,43 Air 0,51-1,27 0,15 - 0,25 9,14-11,43 Kecepatan aliran refrigeran di evaporator dihitung dengan persamaan : A m vref ref … (1)
Beda Temperatur Rata-rata Logaritmik (LMTD)
Temperatur air keluar evaporator dihitung dengan persamaan : T C m Qe w pw . … (2)
Sedangkan beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) (holman 91) adalah : Lmcf Lm F T T … (3) Penguapan Refrigeran
Aliran refrigeran didalam evaporator merupakan aliran dua fase. Pada saat memasuki evaporator, persentase uap refrigeran rendah tetapi pada saat memasuki bagian lebih dalam lagi persentase uapnya meningkat sehingga kecepatan alirannya juga
meningkat. Penguapan refrigeran tersebut disertai perpindahan panas dari lingkungan ke dalam refrigeran, yang mana prosesnya sangat rumit dan kompleks “Tabel (2)“.
Tabel 2. Penguapan refrigeran [4]
Permukaan
,
kW
/
m
2A
q
h
,
W
/
m
2.
K
Horizontal 16 A q 240 16 A q 3 / 1 ) ( 1042 Tx 3 / 1 ) ( 56 , 5 TxKoefisien panas penguapan,hbdiperoleh :
2 96 , 3 / ) ( 253 , 2 T W m A q x ... (4) untuk 0,2< p < 0,7 Mpa 2 3 3 / 4 / ) ( 2 , 283 p T W m A q x … (5) untuk 0,7 < p < 14 Mpa [4]
Kapasitas refrigeran rata-rata dihitung dengan rumus
2 1 . x h m Qm ref fg … (6)
Konveksi Paksa pada Sisi Air[4]
Pipa evaporator disusun dengan pola selang-seling (staggered) dengan jarak antar pipa sedemikian rupa. Koefisien perpindahan panas konveksi sisi air evaporator, dihitung dengan menggunakan sifat-sifat termofisik air pada temperatur rata-rata, sehingga kecepatan air pada kotak evaporator tanpa pipa adalah : w o V D ST ST V max … (7)
Koefisien konveksi rata-rata pada sisi air dihitung menggunakan persamaan Zhukauskas :holman 91
4 / 1 36 , 0 max 2 Pr Pr Pr Re s D m o w o D k C C h … (8) Faktor Pengotoran
Pengoperasian normal dari evaporator sebagai suatu penukar kalor , sering mengalami pengotoran akibat
pengotor (impurities) dalam fluida kerja atau terbentuknya karat pada pipa. Terbentuknya lapisan pengotor pada permukaan pipa meningkatkan tahanan perpindahan panas diantara dua fluida kerjanya. Efek tersebut akan ditanggulangi dengan menambahkan tahanan termal pada saat disain, yang sering disebut faktor pengotoran (fouling factor) seperti ditunjukkan pada “Tabel (3)”.
Tabel 3. faktor pengotoran beberapa fluida kerja Fluida kerja R’’f(m2. K/W)
Air pengisi boiler (<500C) Air pengisi boiler (>500C) Air sungai (<500C) Bahan bakar minyak Refrigeran Uap air 0,0001 0,0002 0,0002-0,001 0,0009 0,0002 0,0001
Koefisien perpindahan panas total
Perpindahan panas yang terjadi didalam evaporator mencakup tiga proses, yaitu penguapan refrigeran dibagian dalam pipa, proses konveksi paksa dibagian luar pipa, dan proses konduksi pada dinding pipa. Tahanan termal total pipa evaporator ditentukan dengan mengevaluasi koefisien perpindahan panas total (U), yaitu dengan persamaan:
0 0 , , 0 0 0 1 ' ' '' . . 1 h R A R A hb A A U i f i f i … (9)
Luas Permukaan dan Panjang Pipa Evaporator
Luas permukaan perpindahan panas di evaporator dapat dihitung: Lm e U Q A 0 0 … (10)
Panjang pipa tembaga yang diperlukan untuk evaporator adalah: 0 0 D A Ltot … (11)
Untuk mendapatkan hasil disain yang memuaskan maka perhitungan di atas dapat diulang kembali untuk dicocokkan dengan asumsi awal (diiterasi).
62
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Kapasitas refrigerasi rancangan (Q evaporator) ditetapkan sebesar 7000 Btu/h, pada temperatur evaporasi 5 oC. Refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator menggunakan R22. Air memasuki evaporator pada kecepatan maksimum 1000 liter/jam, dengan temperatur air masuk 27oC.
Pada disain ini 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. [4]
Ukuran pipa yang dipilih sesuai tabel 1 dengan memperhatikan kecepatan refrigeran di dalam evaporator adalah pipa tembaga berdiameter 3/8 in, dimana:Di = 8 mm,Do= 9,5 mm, luas penampang dalam 0,7088 cm2, dengank= 401 W/mK.
Diagram P-h asumsi perancangan dapat dilihat pada “Gambar (4)”
.
Gambar 4. 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 (2)”.
Gambar 5. Distribusi temperatur air-refrigeran di evaporator
Temperatur permukaan evaporator diasumsikan sekitar Ts = 8 0C. Ukuran basah penampang kotak evaporator adalah (0,36×0,36) m2.
Sebagai data awal perancangan ditetapkan : Tekanan Evaporasi = 583,78 kPa [ Te = 50C] Tekanan Kondensasi = 1729 kPa [Tk = 450C]
Tabel 2. Sifat-sifat termodinamik R-22 Sifat Termofisi k Titik 1 (uap jenu) Titik 2 (uap panas lanjut) Titik 2’ (uap jenuh) Titik 3 (cair jenuh) Titik 4 (x= 0,25) Tekanan, kPa 583,7 8 1729 1729 1729 583,7 8 Enthalpi, kJ/kg 406,6 45 433,59 6 416,56 256,41 5 256,4 15 Kalor jenis tekanan konstan, kJ/kg. K 0,747 - 1,064 1,3725 1,186 Massa jenis, kg/m3 24,82 117,56 4 75,61 1105,8 Viskosita s, Pa.s 12 - 13,52 128,8 -Kondukti vitas termal, W/m.K 0,009 81 0,0122 0,0778 Entropi, kJ/kg. K 1,742 9 1,7429 1,69075 -
-Proses termodinamika di dalam kompresor terjadi secara isentropik dari tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2, s1 = s2 =1,74463 (kJ/kgK), maka untuk mencarih2danv2dapat dicari dengan interpolasi. Dari analisa tingkat keadaan termodinamika siklus kompresi uap pada gambar 4 diperoleh :
1. Kapasitas Refrigerasi (Qe) 2,0516 kW
2. Laju aliran massa refrigeran (
.
ref
m
) = 13,7 x 10-3kg/s3. Daya Kompresor (Wk) = 0,7 HP
Kompresor 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
air garam masuk air garam keluar Ref masuk Ref keluar
Gambar 6. Skema Aliran air di evaporator Rekapitulasi hasil disain evaporator :
1. 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
2. Temperatur permukaan,Tsadalah 9,17oC 3. Luas total permukaan pipa,Aoadalah 0,6175m2 4. Panjang total pipa,Ladalah 20,69 m.
5. Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h0=219,018W/m20C
6. Koefisien perpindahan kalor total, U0=172,7496W/m2.oC
Gambar 7. Disain evaporator pipa polos
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari dari penelitian ini adalah:
1. Data awal dalam disain evaporator ini adalah : kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi, temperatur dan laju massa air memasuki evaporator.
2. Dimensi hasil disain evaporator jenisshell and tube :
Keterangan Nilai
Kapasitas Pendinginan Tube
Jumlah
Panjang satu laluan Panjang total Luas Permukaan Perpindahan Panas Tingkat Layout Bahan
Koefisien perpindahan kalor total Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator Configurasi aliran 2,0516 kW 66 laluan (d = 3/8 inch) 31 cm 20,69 m 0,6175 m2 11 (6 laluan pertingkat) square Tembaga (k=380 W/moC) 172,7496W/m2.oC 219,018W/m20C Persegi (0,36 x 0,36) m2 Counter flow
Untuk pengembangan penelitiannya selanjutnya pada disain evaporator pada mesin refrigerasi kompresi uap hibrida ini ada beberapa saran yang perlu diperhatikan :
1. Data awal disain sangat mempengaruhi dimensi evaporator, gunakan data awal disain sesuai dengan kegunaan evaporator apakah beroperasi pada suhu di bawah 0oC atau di atas 0oC. 2. Pencocokan asumsi temperatur permukaan
evaporator dengan hasil perhitungan dilakukan sampai hasilnya sama, sehingga akan diperoleh dimensi evaporator yang lebih baik.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini merupakan bagian dari hasil penelitian yang didanai oleh Lemlit UNRI, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian Universitas Riau yang mendanai penelitian ini melalui Dana Penelitian SPP / DPP UNRI 2005 kontrak no : 319/J.19.2/2005, serta mahasiswa bimbingan tugas akhir Agustiar dan Agus Setiadi, sehingga penelitian ini dapat terlaksana sepenuhnya.
PUSTAKA
1. Arora, C. P, Refrigeration and Air
Conditioning, Mc. Graw-Hill International Edition, 2001.
2. Aziz, Azridjal, Pembuatan dan Pengujian Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Refrigeran HCR-12 yang Sekaligus Bertindak Sebagai Mesin Refrigerasi pada Lemari Pendingin (Cold Storage) dan Pompa Kalor pada Lemari Pengering (Drying Room), Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung, 2001.
3. Aziz, Azridjal,Refrigeran Hidrokarbon sebagai Alternatif Pengganti Refrigeran Halokarbon, Jurnal Sains dan Teknologi, FT Unri, Pekanbaru, 2002.
4. Holman, J.P., Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta, 1991.
5. Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental of Engineering Thermodinamycs, 3rd ed, New York, John Wiley & Sons, Inc., 1995.
6. Pasek, A.D., Tandian, N.P.,,Short Course on the Applications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2000, Bandung, 2000. 7. Pasek, A.D., Tandian, N.P., Adriansyah W.,
Training of Trainer Refrigeration Servicing Sector,Training Manual, ITB, Bandung, 2004.
8. Reynolds, William., Perkins, Henry., Engineering Thermodynamics, 2nd ed., Singapore, McGraw-Hill Co, 1977.
9. Stoecker, W.F. and Jones, J.W., Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta, 1994.
