PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI SISTEM “KOMPRESI” PENDINGIN ABSORPSI MEMANFAATKAN PANAS GAS BUANG MESIN DIESEL PADA KAPAL NELAYAN IKAN DENGAN
MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH3-H2O) Galuh Candra P
Program Sarjana Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
E-ma
Abstrak
Kalor sisa yang sejatinya akan dilepaskan kelingkungan tanpa digunakan lebih lanjut merupakan sumber energi yang sangat ekonomis untuk digunakan bagi tujuan tertentu. Misalnya, kalor sisa hasil pembakaran (exhaust gas) mesin diesel kapal nelayan dimanfaatkan para nelayan untuk sistem refrigerasi absorpsi. Pada sistem refrigerasi absorpsi, kerja kompresor diganti dengan absorber, pompa, regenerator dan generator. Dengan cara, uap bertekanan rendah diserap di absorber kemudian tekanannya ditingkatkan dengan pompa. Regenerator digunakan untuk meningkatkan temperature (preheating) sebelum masuk generator. Exhaust gas dari mesin diesel dialirkan masuk ke generator untuk memisahkan refrigerant dari absorbennya. Persoalannya sekarang adalah bagaimana merancang absorber, regenerator dan generator
yang sesuai dengan energi panas yang tersedia dari gas buang mesin diesel.
Perancangan absorber, regenerator, dan generator sebagai pengganti sistem kompresi ini meliputi: analisa Thermodynamics dan Heat Transfer menggunakan metode LMTD untuk mendapatkan detail dimensi, serta mengetahui performansi dari perancangan tersebut terhadap daya yang dihasilkan oleh mesin diesel.
Hasil yang didapatkan pada perancangan kali ini adalah dimensi utama absorber, regenerator, dan generator
meliputi effective length sebesar 1.47 m, 0.77 m, dan 1.71 m.Dari uji performansi didapatkan hasil bahwa semakin besar panas yang diserap generator maka semakin kecil COP yang dihasilkan. Laju massa evaporator yang dapat dilepas dari generator dan panas yang dilepas absorber dipengaruhi oleh panas yang diterima generator dari exhaust gas diesel.
Kata kunci : : Refrigerasi Absorpsi, Kompresi, Absorpsi, Exhaust Gas
I.1 Latar Belakang
Kalor sisa yang sejatinya akan dilepaskan kelingkungan tanpa digunakan lebih lanjut merupakan sumber energi yang sangat ekonomis untuk digunakan bagi tujuan tertentu. Contohnya kalor pada exhaust sisa hasil pembakaran mesin diesel yang digunakan para nelayan untuk berlayar. Mengingat Indonesia memiliki luas perairan sebesar 5.8 juta km2
Pengetahuan yang minim dan kurangnya modal, merupakan faktor utama bagi para nelayan untuk tidak memperhatikan masalah ini. Oleh karena itu mutu ikan yang dipasarkan masih kurang bagus. Padahal kalor sisa hasil pembakaran (exhaust gas) mesin diesel dapat dimanfaatkan untuk sistem refrigerasi absorpsi.
dengan potensi ikan yang diperkirakan sebanyak 6.26 juta ton per tahun, nelayan merupakan salah satu jenis mata pencaharian pokok penduduk Indonesia. Tetapi dengan potensi alam tersebut, para nelayan belum bisa memanfaatkan dengan optimal hasil tangkapan yang didapat selama ini. Hal ini sangat berkaitan dengan kurangnya pengetahuan para nelayan untuk menjaga kesegaran ikan hasil tangkapannya yang selama ini hanya menggunakan pengawet sederhana dengan pendingin es.
Sistem refrigerasi absorpsi pada dasarnya tidak jauh berbeda dengan siklus kompresi uap yang membedakan adalah pada sifat dari proses kompresinya.
Pada sistem refrigerasi kompresi uap, kompresor digunakan untuk menekan uap refrigerant sehingga temperaturnya lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Pada sistem pendingin absorpsi kompresor diganti dengan absorber, pompa,regenerator dan generator. Untuk melakukan proses kompresi tersebut, sistem pendingin absorbsi memerlukan masukan energi panas sedangkan sistem pendingin kompresi uap memerlukan masukan kerja mekanik. Oleh sebab itu sistem refrigerasi kompresi uap membutuhkan daya yang lebih besar dibanding dengan sistem refrigerasi absorpsi.
Pemberian panas di generator dengan memanfaatkan kalor exhaust mesin merupakan hal yang efektif, karena kalor exhaust tersebut memiliki temperatur gas buang dari pembakaran yang sangat tinggi, yaitu 350oC sampai 420oC. Panas tersebut digunakan oleh generator untuk memisahkan larutan kuat (strongsolution)yang berupa refrigerant (NH3) – absorben (H2O), sehingga refrigerant menguap dan terpisah dari absorbennya. Absorben yang sudah terpisah tadi dikembalikan ke absorber yang berupa larutan lemah (weak solution). Di dalam absorber ini terjadi proses pendinginan, sehingga uap refrigeran yang datang dari evaporator bisa diserap oleh absorben (proses absorpsi uap refrigerant). Dengan terjadinya penyerapan uap refrigeran oleh absorben, maka di absorber
terbentuklah larutan kuat (strong solution) yang selanjutnya akan dialirkan lagi menuju generator dengan menggunakan pompa. Larutan kuat yang keluar dari pompa mempunyai temperatur lebih rendah dari pada temperatur air (absorben) yang keluar dari generator menuju absorber. Adanya perbedaan temperatur ini, energi panas dari air dapat digunakan untuk pemanasan awal(preheating) larutan kuat dengan menggunakan heat exchanger yang kemudian disebut regenerator. Seluruh proses berkelanjutan dari absorber, pompa, regenerator
dan generator pada refrigerasi absorpsi ini dapat sebagai pengganti proses kompresor pada sisitem refrigerasi kompresi uap.
II. Tinjauan Pustaka
2.1 S.G. Wang (2004), Recent developments of refrigeration technology in fishing vessels
Dalam penelitiannya pengembangan sistem refrigerasi untuk kapal nelayan penangkap ikan yang dahulu masih menggunakan es sebagai pengawet ikan, sekarang telah dikembangkan beberapa teknologi pendinginan. Teknologi pendingin ikan yang dikembangkan sekarang ini meliputi:
1. Sistem pendingin kompresi uap untuk kapal nelayan ikan tuna.
Pada sistem ini refrigerant yang digunakan adalah amonia untuk menghasilkan suhu refrigerasi -12oC. Ukuran cold storage yang digunakan untuk penyimpanan ikan sebesar 50-106 m
2. Sistem pendingin absorpsi
3
Sistem pendingin yang digunakan memanfaatkan panas gas buang dari mesin diesel penggerak kapal yang mempunyai gas buangan dengan temperatur sekitar 350-420 OC. Mesin yang digunakan adalah mesin desel 4-stroke dengan daya total yang dihasilkan 700-1200 KW.
Gambar 2.1 Skematik system generator absorpsi Pada Gambar 2.1, dijelaskan bahwa kalor exhaust mesin sebagian diserap oleh ecomizer yang berisi oli. Kemudian oli tersebut meyerap kalor dari exhaust dan disirkulasikan oleh pompa menuju generator. Di dalam generator terjadi perpindahan panas dari oli menuju larutan Amonia-water (strong
solution) yang digunakan untuk menguapkan refrigerant Ammonia dari pengikatnya (absorben) yang berupa air. Sehingga refrigerant yang berupa ammonia akan menuju ke condenser dan absorben yang berupa air week solution akan kembali ke absorber.
3. Pembuatan es (ice maker) dengan memanfaatkan exhaust gas mesin diesel
DY Generator adalah peralatan pendinginan yang dirancang untuk kapal nelayan dengan tonase 100 ton. Mesin ini dirancang menggunakan refrigerant amoniak dan memanfaatkan panas exhaust gas mesin diesel.
.
Gambar 2.2 Skema sistem ice maker
Sistem ice maker pada Gambar 2.2, terdiri dari mesin untuk membuat es dengan memanfaatkan sea water untuk dibekukan dan generator yang digunakan untuk menguapkan refrigeranent Ammonia. Kapasitas yang dapat dihasilkan dari mesin tersebut untuk ketebalan 1.5–2 mm adalah 33–38 kg/h dengan temperatur es -15 OC.
2.2 Pongsid Srikhirin, Satha Aphornratana, Investigation of a diffusion absorption refrigerator
Pongsid dan Satha melakukan studi eksperimental dengan membuat unit pendingin absorpsi yang memiliki kapasitas cukup besar, dengan amonia - air -helium sebagai pasangan refrigeran-absorben-gas inert-nya. Mereka melakukan tes dengan inputan kalor pada generator sebesar 1000-2500W dan didapatkan kapasitas pendinginan sebesar 100-180W.
Gambar 2.3 Grafik Dampak Refrigerasi Fungsi Inputan Kalor pada Generator.
Gambar 2.4 Laju Massa Larutan Amonia-Air fungsi Inputan Kalor Generator
Didapatkan juga kesimpulan bahwa performa system dipengaruhi oleh perbandingan laju massa amoniak yang diuapkan dengan total amoniak yang tersedia di evaporator (ε). Dan untuk mendapatkan perpindahan panas yang baik diperlukan permukaan perpindahan panas yang cukup. Seperti dapat dilihat pada grafik dalam Gambar 2.3 dan 2.4 bahwa dengan inputan kalor pada generator yang makin besar maka cooling effectnya juga meningkat, yang dikarenakan
mass flow dari refrigeran juga meningkat pada
evaporator. Namun pada nilai inputan sekitar 1.4kW ke atas nilai dampak refrigerasi mulai konstan ini dapat disebabkan karena besar permukaan perpindahan panas yang tetap sehingga meskipun laju refrigeran naik tetapi tidak terjadi perubahan yang signifikan.
2.3
Cara kerja sistem Refrigerasi Absorpsi
Ammonia-Water (NH
3-H
2Dalam perancangan ini sistem refrigerasi
yang digunakan adalah sistem absorpsi dengan
menggunakan amonia-air sebagai pasangan
refrigeran-absorben. Pada dasarnya komponen
mesin yang digunakan dalam siklus absorpsi
amonia-air sama dengan yang digunakan pada
siklus absorpsi pada umumnya, namun dengan
tambahan sebuah komponen yang disebut dengan
rectifier
yang berfungsi untuk memurnikan uap
amonia dari uap air yang ikut terbawa saat proses
pemanasan di generator terjadi.
0)
Gambar 2.8 Diagram siklus refrigerasi absorpsi
efek tunggal
III. Metodologi
Dalam hal ini study yang dilakuakan bertempat di pelabuhan ikan Juwana, guna mendapatkan pengetahuan dan pemahaman yang jelas tentang mesin kapal ikan yang umum digunakan. Proses perencanaan diperlukan suatu kerangka perancangan sehingga akan membantu dalam pelaksanaannya nanti. Kerangka perancangan tersebut harus disusun secara sistematis dan terarah, berdasarkan permasalahan yang ditinjau. Dengan adanya kerangka perancangan ini, diharapkan proses dan hasil yang diperoleh nantinya sesuai dengan tujuan yang diinginkan.
3.1 Data Pendukung
Data-data pendukung yang digunakan dalam perancangan generator dan panas gas mesin kapal penangkap ikan mempunyai peranan yang sangat penting sebagai dasar dalam menentukan langkah-langkah perancangan alat yang diinginkan. Data tersebut diantaranya didapatkan dari wawancara terhadap nelayan ataupun melihat langsung kapal penangkap ikan. Data pendukung lain diambil dari handbook (ASHRAE
Systems and Equipment), beberapa textbook
(Fundamentals Heat and Mass Transfer oleh Frank P. Incropera dan David P. DeWitt, Fundamental Engineering of Thermodynamics oleh Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, dan Heat Exchangers Selection,
Rating, and Thermal Design oleh Sadik Kakac dan
Hongtan Liu) serta sumber-sumber relevan lainnya seperti sistem informasi data statistik kementerian kelautan dan perikanan.
3.2 Identifikasi Kapal Ikan
Penjelasan tentang kapal ikan diperlukan untuk memperoleh data-data yang akan diperlukan untuk mengoptimalkan rancangan yang dibuat. Hal ini penting
karena tanpa data-data tentang perilaku nelayan, maka rancangan yang dibuat tidak bisa diterapkan di lapangan. Oleh karena itu untuk memperoleh data-data ini dilakukan survey dan wawancara di lapangan tepatnya pelabuhan Juwana, Pati, Jawa Tengah. Berikut data-data yang menjelaskan perilaku nelayan di lapangan :
1. Lama perjalanan berlayar selama pulang pergi adalah 12 minggu, dengan rata-rata tangkapan ikan sebanyak 8 ton setiap 2 minggu sekali. 2. Pada saat menangkap ikan mesin kapal tidak
dimatikan karena digunakan untuk mengangkat jaring setiap ±3 jam penangkapan dan penangkapan ikan biasanya setiap hari dilakukan ± 5 kali tangkapan. Sehingga panas mesin yang digunakan masih bisa dimanfaatkan untuk di absorpsi ke generator.
3. Dimensi lambung kapal yang dipakai nelayan saat survey adalah 21.04 m (panjang) x 7.15 m (lebar) x 2.2 m (kedalaman geladak teratas sampai tengah kapal). Dengan ukuran setiap palka adalah 2.1 m x 3 m x 2.2 m, dengan jumlah palka pada kapal yang di survey adalah 10. Dengan kebutuhan 120 balok es, setiap 2 minggu sekali. Berat 1 balok es adalah 60 kg. 4. Nelayan ikan menganggap penggunaan system
refrigerasi lebih menguntungkan mereka dari segi biaya operasional berlayar. Karena mereka tidak perlu mengeluarkan biaya dalam pembelian balok es. Tapi mereka mengakui tidak cukup memadai dari segi financial dalam pembelian satu unit dan pengetahuan tentang pengoperasian system refrigerasi. Nelayan juga mengakui kurang memahami tentang penerapan teknologi tersebut apalagi dengan sistem
refrigerasi absorbsi.
5. Jenis-jenis tangkapan ikan yang diperoleh pada saat berlayar adalah jenis ikan yang mempunyai nilai ekonomis antara lain tenggiri, tongkol, remang, kakap dan manyung.
Dari seluruh identifikasi perilaku nelayan yang didapatkan maka akan dapat dijadikan referensi perhitungan dalam perancangan generator absorpsi, sehingga rancangan yang dibuat menjadi layak untuk diterapkan dilapangan.
3.3 Konsep Rancangan 3.3.1 Ukuran Kapal
Berdasarkan data dari surat ukur internasional yang dikeluarkan oleh Kementerian Perhubungan Republik Indonesia (terlampir), diketahui bahwa dimensi kapal yang di survey mempunyai panjang seluruhnya 25.35 meter dengan ukuran pokok 7.15 m (lebar) x 2.2 m (ukuran dalam terbesar di tengah kapal hingga geladak teratas). Dan Gambar 3.1 merupakan
gambaran dari ruang mesin kapan ikan dengan ukuran 4.2 m x 3 m x 2.2 m.
3.3.2 Mesin Kapal Ikan
Mesin kapal merupakan peralatan utama dalam kapal ikan. Selain digunakan sebagai motor penggerak untuk berlayar, mesin ini juga digunakan untuk menangkap ikan. Dalam perancangan ini, generator absorpsi di pasangkan pada exhaust mesin kapal memanfaatkan panas dari proses pembakaran pada mesin tersebut. Dan pada kapal yang disurvey, mesin yang digunakan adalah:
Type : NISSAN DIESEL Model : RF-8
Max. Output : 340PS at 2200 rpm Cyl. Volume : 16.991 cc
3.3.3 Panas Gas Buang
Pada proses pembakaran hanya sebagian dari total energi yang masuk dalam ruang bakar yang diubah dalam kerja mesin. Selain tenaga yang disalurkan pada crank shaft, sebagian akan terbuang melalui:
1. Aliran panas pada mesin yang disalurkan secara radiasi, konveksi, dan konduksi pada lingkungan 2. Saluran gas buang
3. Yang dipandahkan pada air pendingin
Pembagian energi yang disuplai dari bahan bakar yang diubah dalam bentuk kerja tergantung pada karakteristik bahan bakar, penggunaan bahan bakar, desain pendingin, dan jenis desain mesin sehingga setiap mesin memiliki efisiensi yang berbeda. Tetapi pada umumnya 30% energi diubah menjadi daya kerja, 30% ikut hilang melalui exhaust, dan 30% ikut hilang melalui air pendingin yang digunakan untuk mendinginkan mesin ketika dijalakan.
3.4 Identifikasi Kalor yang Dilepas Gas Buang Mesin Diesel
Dalam identifikasi gas buang, dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan pengukuran dan perhitungan.
1. Pengukuran
Dapat dilakukan dengan menggunakan Anemometer. Dari anemometer akan diketahui kecepatan (Vg) gas buang, setelah itu dapat dikonversikan menggunakan rumus:
A
V
m
Gasbuang=
ρ
gas.
g.
2. PerhitunganPerhitungan ini dapat dilakukan dengan menggunakan reaksi pembakaran yang terjadi pada combustion.
Gbr. 3.3 Skema combustion engine
Dari Gambar 3.3 dapat kita dapatkan persamaan untuk mencari
m
Gasbuang yaitu:udara buang
Gas
m
m
m
=
bb+
3.5 Pengambilan Data Temperatur Gas Buang di Mesin Kapal ikan
Dalam pengambilan data dilakukan pada gas buang mesin kapal. Pengukuran temperatur dengan menggunakan thermocouple infrared.
Table 3.3 Data temperatur gas buang pada mesin diesel
3.6 Diagram Alir dan Flow Chart Perancangan Generator Absorpsi
3.6.1 Perancangan Absorber, Regenerator, Generator dengan Metode LMTD
Diagram alir perancangan absorber, regenerator, generator secara garis besar sebagai berikut :
1. Memasukkan input property fluida kerja (laju perpindahan panas dan temperature). Misalkan yang diketahui laju perpindahan panas (𝑞𝑞𝑔𝑔), temperature exhaust, temperatur evaporator yang diinginkan, temperature condersor, temperatur absorber.
2. Menganalisa konsentrasi yang terjadi pada
absorber, regenerator, generator menggunakan diagram 1/T-log P
3. Mencari laju aliran massa dan LMTD
4. Memasukkan input dimensi, misalkan diameter tube, ketebalan tube, jumlah tube.
5. Mencari koefisien konveksi masing-masing fluida.
6. Mencari koefisien perpindahan panas overall. 7. Mencari pressure drop pada masing-masing sisi
fluida.
3.6.2 Flow Chart Perancangan
IV. PERANCANGAN DAN ANALISA 4.1. Perhitungan Perancangan Generator
Gererator yang dirancang merupakan penukar kalor tertutup dengan dipilih konstruksi shell and tube, atas pertimbangan fluida yang digunakan pada
refrigerant adalah Ammonia-Water (NH3-H2O) dan
tekanan yang digunakan sekitar 14 bar. Di dalam Jam Temperatur (oC) 08.05 270.8 08.10 273.1 08.15 272.1 08.20 276.2 08.25 273.3 08.30 279.2 08.35 272.2 08.40 278.8 08.45 275.9 08.50 279.6 08.55 275.6
gererator terjadi perpindahan kalor dari exhaust yang terdapat pada sisi tube kepada refrigerant (ammonia-water) di dalam shell, dengan data temperatur yang dirancang terlihat pada table dibawah ini :
Table 4.2 Data Temperatur pada Perancangan
Generator Tube side Exhaust gas Th in 275 oC 573 K Th out 175 oC 473 K Shell side Ammonia-water Tc in 85 oC 358 K Tc out (poor solution) 180 oC 453 K
Untuk mencari energi yang dihasilkan oleh
exhaust mesin diesel yaitu dapat dicari dengan
menggunakan persamaan: 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 =𝑚𝑚̇𝑔𝑔𝐶𝐶𝑃𝑃𝑔𝑔�𝑇𝑇ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇ℎ𝑜𝑜𝑎𝑎𝑎𝑎�
𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 2.12 𝑘𝑘𝑔𝑔𝑎𝑎 1.061𝑘𝑘𝑔𝑔𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 (548−450)𝑘𝑘 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 225,1 𝑘𝑘𝐾𝐾
Perhitungan laju massa pada refrigerant ammonia-water pada sisi shell dapat dicari menggunakan prinsip balance energi yang terdapat pada
generator. Laju massa ini dipengaruhi oleh besarnya
konsentrasi pada generator, maka didapatkan hasil: 𝑄𝑄̇𝑔𝑔𝑒𝑒𝑖𝑖 =𝑚𝑚̇5ℎ5+𝑚𝑚̇3ℎ3− 𝑚𝑚̇2ℎ2 , dimana 𝑄𝑄̇𝑔𝑔𝑒𝑒𝑖𝑖 =𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 225,12 𝑘𝑘𝐾𝐾 = (𝑚𝑚̇5. 1460 +𝑚𝑚̇3. 720−𝑚𝑚̇2. 150)
𝑚𝑚̇2𝑋𝑋2 =𝑚𝑚̇5𝑋𝑋5+𝑚𝑚̇3𝑋𝑋3
𝑚𝑚̇2. 0,45 =𝑚𝑚̇4. 0,98 +𝑚𝑚̇3. 0,05
𝑚𝑚̇2 =𝑚𝑚̇5+𝑚𝑚̇3
Penyelesaian dari 3 persamaan diatas menghasilkan: 𝑚𝑚̇2 = 0.253𝑘𝑘𝑔𝑔�𝑎𝑎
𝑚𝑚̇3 = 0.144𝑘𝑘𝑔𝑔�𝑎𝑎
𝑚𝑚̇5 = 0.109 𝑘𝑘𝑔𝑔�𝑎𝑎
4.1.1 Perhitungan laju perpindahan panas generator Dalam perancangan generator ini, laju perpindahan panasnya dibagi menjadi 2 zona yaitu zona heating dan evaporating yang mana dapat dilihat pada grafik distribusi temperatur (Gambar 4.2).
Grafik 4.1 Distribusi Temperatur
4.1.2 Perancangan Thermal dari Generator Jenis shell and tube
Sebelum melakukan perhitungan, ditentukan terlebih dahulu data inputan awal yaitu sebagai berikut :
1. Diketahui dalam perhitungan energy yang dihasilkan oleh exhaust gas adalah 225.12 kW. 2. Refrigerasi dengan menggunakan
ammonia-water dan exhaust gas sebagai penghasil energinya. Diasumsikan bahwa fluida pendingin (ammonia-water) keadaan steady masuk pada sisi shell dan exhaust gas masuk pada sisi tube dengan aliran fluidanya cross flow.
Pada Perencanaan awal, ditentukan nilai-nilai seperti diameter eksternal tube, tube gauge, jumlah tube, jumlah laluan, diameter shell, square pitch, dan jarak antar baffle. Yang terlihat pada table dibawah ini :
Table 4.3 Perencanaan Awal Generator
Perancangan Satuan Nilai Diameter Eksternal tube (do m ) 0.0254 In 1 Tebal Tube m 0.003404 In 0.134 Tube Gauge BWG 10
Jumlah Tube (Nt) Tube 260 Jumlah Laluan (Np) Pass 1
Diameter Shell (Ds) m 0.635
In 25
Pitch size (Pt) m 0.03175
In 1.25
Jarak antar Baffle
(B) m 0.254
Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan ini menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Metode LMTD dipilih karena data yang diperlukan sudah diketahui dan data yang direncanakan adalah temperatur. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan gererator. Didapatkan hasil septi dibawah ini.
Item satuan
nilai Heating Evaporating
Nud, shell 27.42 63.24
shell-side coefficient (ho) W/m2K 366.49 1250.54
Nud, tube 71.29 59.51
tube-side coefficient (hi) W/m2K 99.31 104.66 Clean Surface [UC] W/m2K 60.53 72.00
Ao [c] m2 24.19 11.12 Panjang tube, L m 1.17 0.54 Press. Drop shell Pa 62.23 0.24 Press. Drop tube Pa 1684.09 2177.55
4.2 Perhitungan Perancangan Absorber
Absorber yang dirancang merupakan penukar kalor tertutup, dengan konstruksi shell and tube. Di dalam absorber terjadi perpindahan kalor dari
refrigerant (ammonia) dan absorben (water) yang terdapat pada sisi shell kepada coolingwater di dalam
tube.
Table 4.6 Data Absorber
Absorber
inlet oulet
Ammonia (10) Water (4) Ammonia-Water (1) Ta,in = 268 K Tw, in = 363 K Tmix, out = 308 K
𝑚𝑚̇𝑎𝑎 = 0.109 kg/s 𝑚𝑚̇𝑤𝑤𝑎𝑎𝑎𝑎𝑒𝑒𝑤𝑤 = 0.144 kg/s 𝑚𝑚̇𝑚𝑚𝑖𝑖𝑒𝑒 = 0.253 kg/s
hg = 1455 kJ/kg hwater = 376 kJ/kg hmix = -70 kJ/kg
Dasar dari perancangan termal absorber ini adalah mengetahui laju perpindahan kalor pada absorber (qa
𝑄𝑄̇𝑎𝑎 =�0.109 𝑒𝑒 1455 + 0.144 𝑒𝑒 720−(0.253 𝑒𝑒 −70)� ) dan berdasarkan pada persamaan balance energy, maka didapatkan:
𝑄𝑄̇𝑎𝑎 =𝑚𝑚̇10ℎ10+𝑚𝑚̇4ℎ4− 𝑚𝑚̇1ℎ1
𝑄𝑄̇𝑎𝑎 = 230.499 𝑘𝑘𝐾𝐾
Pada perancangan absorber ini, laju perpindahan panasnya dibagi menjadi 2 zona yaitu zona cooling dan condensing yang mana dapat dilihat pada grafik distribusi temperatur di bawah ini.
Grafik 4.2 Distribusi Temperatur Absorber
Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan ini menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Metode LMTD dipilih karena data-data yang diperlukan sudah diketahui. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan
absorber dan didaptkan hasil
Item satuan
nilai Condensing Cooling Nud, shell 113.798 49.585 shell-side coefficient (ho) W/m2K 1930.156 510.236 Nud, tube 41.976 36.541 tube-side coefficient (hi) W/m2K 1221.818 1024.804 Clean Surface [UC] W/m2K 582.688 295.949
∆Tlm oC 68.915 16.831
Ao [c] m2 3.439 23.050
Panjang tube, L m 0.191 1.283 Press. Drop shell Pa 1.137 537.037 Press. Drop tube Pa 372.429 959.574
4.3 Perancangan Thermal dari Regenerator Jenis shell and tube
Sebelum melakukan perhitungan, ditentukan terlebih dahulu data inputan awal yaitu sebagai berikut : 1. Diketahui temperatur dari fluida mixture (NH3
-H2
Tabel 4.8 Temperatur sisi shell O) yang dijadikan sebagai fluida sisi tube.
Mixture
Tm in 35 oC 308 K
Tm out 85 oC 358 K
Telah diketahui sebelumnya bahwa laju massa fluida masuk generator adalah 0.254 kg/s. Maka beban regenerator sebesar :
𝑞𝑞𝑤𝑤𝑒𝑒𝑔𝑔 =𝑚𝑚̇ ∙(ℎ𝑚𝑚,𝑜𝑜𝑎𝑎𝑎𝑎 − ℎ𝑚𝑚,𝑖𝑖𝑖𝑖)
𝑞𝑞𝑤𝑤𝑒𝑒𝑔𝑔 = 0.254𝑘𝑘𝑔𝑔 𝑎𝑎⁄ ∙ �150−(−70)� 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑔𝑔⁄
𝑞𝑞𝑤𝑤𝑒𝑒𝑔𝑔 = 55.66 𝑘𝑘𝐾𝐾
Dari beban regenerator diatas dan dengan laju massa week solution 0.145 kg/s, temperatur keluar generator 180oC dengan hw-in
𝑞𝑞𝑤𝑤𝑒𝑒𝑔𝑔 =𝑚𝑚̇ ∙ �ℎ𝑤𝑤,𝑖𝑖𝑖𝑖 − ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑎𝑎𝑎𝑎�
55.66 𝑘𝑘𝐾𝐾= 0.254𝑘𝑘𝑔𝑔 𝑎𝑎⁄ ∙ �705− ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑎𝑎𝑎𝑎�
ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑎𝑎𝑎𝑎 = 333 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑔𝑔
= 705 kJ/kg maka dapat dilihat besarnya temperatur keluar untuk fluida week solution, yaitu
Untuk hw-out = 333 kJ/kg, berada pada temperatur 90oC, maka temperatur keluar dari regenerator melewati sisi shell adalah 90oC.
Tabel 4.10 Temperatur sisi tube week solution
Tw in 180 oC 453 K Tw out 90 oC 363 K
2. Pada perencanaan awal, ditentukan nilai-nilai seperti diameter eksternal tube, tube gauge, jumlah
tube, jumlah laluan, diameter shell, square pitch, dan jarak antar baffle.
Tabel 4.12 Inputan awal perancangan Perancangan Satuan Nilai
Diameter Eksternal tube (do m ) 0.03175 in 1.25 Tebal Tube m 0.004572 in 0.18 Tube Gauge BWG 7
Jumlah Tube (Nt) tube 31 Jumlah Laluan (Np) pass 8
Diameter Shell (Ds) m 0.38735
in 15.25
Pitch size (Pt) m 0.0396875 in 1.5625 Jarak antar Baffle (B) m 0.1
Dengan menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD) yang berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Data yang diperlukan sudah diketahui dan data yang direncanakan adalah temperatur. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan
regererator. Didapatkan hasil seperti dibawah ini.
Item satuan
nilai Regenerator Nud, shell
shell-side coefficient (ho) W/m2K 43.62
Nud, tube 743.06
tube-side coefficient (hi) W/m2K 42.27 Clean Surface [UC] W/m2K 128.76
∆Tlm oC 402.27
Ao [c] m2 73.18
Panjang tube, L m 2.36 Press. Drop shell Pa 0.76 Press. Drop tube Pa 24.1
BAB V KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan pada pembahasan tugas akhir ini maka setelah melalui beberapa proses perencanaan dan uji performansi dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Panas gas buang yang tersedia dari mesin diesel penggerak kapal 300o
2. Hasil design absorber, regenerator dan
generator yang memanfaatkan kalor dari
exhaust gas dari mesin diesel dengan menggunakan analisa thermodynamics-heat transfer sebuah sistem refrigerasi absorpsi
dapat dijelaskan pada tabel dibawah ini
C pada keadaan steady daya yang dihasilkan sebesar 225KW.
Tabel 5.1 Daya design absorber, regenerator dan
generator
DAYA
Generator 225 KW Absorber 230 KW Regenerator 55.7 KW
3. Perancangan thermal dari absorber, regenerator
dan generator refrigerasi absorpsi dihasilkan panjang tube yang diperlukan ±1,5 m
4. Dari uji performansi didapatkan hasil bahwa semakin besar panas yang diserap generator maka semakin kecil COP yang dihasilkan. Laju massa evaporator yang dapat dilepas dari generator dan panas yang dilepas absorber dipengaruhi oleh panas yang diterima generator dari exhaust gas diesel.
