BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratoriun Foundry Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Perancangan, pembuatan alat dan
Penelitian dilakukan selama kurang lebih 5 bulan (12 juli – 28 November 2015)
3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat
Alat yang dipakai dalam penelitian ini terdiri dari:
1. Kipas Angin
Berfungsi sebagai pembuang panas pada kondensor
Gambar 3.1 Kipas Angin
Spesifikasi :
Jenis kipas : Arhasi 12 inchi
Kecepatan Maksimum : 5 m/s
Tegangan : 220 V
Frekuensi : 50 Hz
2. Flexible Thermo – Anemometer
Digunakan untuk mengukur kecepatan udara pada kipas angin
Gambar 3.2 Flexible Thermo – Anemometer
Spesifikasi :
Merek : Krisbow
Model No : KW06 – 562
3. Pressure Gauge
Digunakan sebagai pengukur tekanan larutan ammonia yang masuk dari
generator
Spesifikasi :
Buatan : Jepang
Tekanan maksimal : 25 Bar Tekanan minimal : 0 Bar
4. Termometer digital
Termometer digital digunakan untuk mengukur temperatur amonia masuk,
larutan amonia keluar, temperatur lingkungan, dan temperatur udara keluar
dari kodensor.
Gambar 3.4 Termometer digital
5. Pompa Vakum
Spesifikasi :
Merek : Robinair
Model No : 15601
Capacity : 142 L/m
Motor h.p : ½
Volts : 110-115V/ 220-225V
6. Stop watch digunakan untuk menentukan waktu perubahan suhu selama proses
pengujian
Gambar 3.6 Stop watch
7. Penyambung pipa untuk menghubungkan antara pipa generator ke kondensor
8. Alat bantu perbengkelan, seperti : • Kunci pas
• Kunci ring • Tang • Gerinda • Bor listrik • Palu • Obeng
3.2.2 Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Ammonium hydroxide
(NH4
Jumlah : 5 liter
OH) yaitu sebagai pasangan refrigerant-absorbent dengan spesefikasi
sebagai berikut :
Kadar : 21% - 25%
PH : 12 -13
Gambar 3.8 Ammonium Hydroxide (NH4OH)
3.3 Proses Pembuatan Kondensor
Setelah alat dirancang sesuai dengan perhitungan, selanjutnya mendesain
alat di software Solidwork. Adapun bentuk gambar alat tersebut dapat
diperhatikan pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.9 Desain kondensor
3. Membuat rangka dudukan kondensor dan komponen lainya
Gambar 3.10 Rangka dudukan komponen siklus absorbsi
Gambar 3.11 kondensor
5. Pemasangan kondensor
3.4 Eksperimental set up
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan sensor thermometer digital
ke tiga titik dan satu titik untuk sensor kecepatan sekaligus temperatur yang akan
di ukur, adapun beberapa parameter yang akan diukur adalah :
Gambar 3.13 titik pengukuran pada kondenor
1. Temperatur uap ammonia
Yaitu temperatur yang keluar dari generator dan masuk ke dalam
kondensor
2. Temperatur cair amonia
Yaitu temperatur kondensor yang telah di dinginkan dengan pembuangan
panas oleh kipas angin
3. Temperatur lingkungan
Yaitu temperatur lingkungan berada di dalam ruangan dalam waktu
tertentu.
4. Temperatur udara keluar
Yaitu temperatur udara setelah terjadi pembuangan panas pada kondensor
5. Kecepatan udara
3.5 Prosedur Pengujian
Pengujian dapat dilakukan dengan langkah langkah sebagai berikut:
1. Rangkaian siklus absorbsi terlebih dahulu divakumkan dengan
menggunakan pompa vakum hingga rangkaian benar benar vakum.
2. Menghidupkan mesin dan proses pemanasan dilakukan 10-15 menit
hingga suhu generator mencapai 1100
3. Memasukkan larutan ammonia air ke tabung pengisian sebanyak 5 liter. C.
4. Menghidupkan pompa, kipas kondensor dan kipas evaporator.
5. Membuka katup/kran sebelum masuk kondensor dengan ketentuan tekanan
yang di inginkan telah tercapai.
6. Mengukur temperatur titik titik yang telah di tentukan dengan
menggu nakan thermometer digital.
7. Mengukur tekanan dengan menggunakan pressure gauge
8. Mengukur lama waktu mulai dari masuk rerfrigeran hingga dicapai
3.6 Tahapan Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian dapat dilihat pada lampiran 8
Gambar 3.14 Diagram alir proses penelitian
Buku referensi,
Jurnal, Internet, dll
Diskusi dan Perancangan Desain Kondensor
Pembuatan kondensor
Pengujian dan Pengumpulan
data pada kondensor
Hasil Analisa hasil
percobaan
Kesimpulan dan Saran
Selesai Mulai
Studi Literatur
Tidak
BAB IV
HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN
4.1 Perhitungan Termodinamika
Gambar 4.1 Siklus pendingin Absorpsi
Beban evaporator yang akan di rancang adalah sebesar 50 W dimana suhu
yang direncanakan pada setiap titik adalah
Temperatur Evaporasi, Te = 0°C Tekanan Evaporasi, Pe
Temperatur Absorber, T
Dari suhu tersebut maka dapat dihitung nilai entalphi pada setiap titik,
menggunakan lampiran 2.
Menghitung laju aliran massa di evaporator
�̇= ��
ℎ1− ℎ4
�̇= 0,05 ��
1461,81 ��/�� −366,��/��
�̇= 4,56 . 10−5��/�
Besar laju aliran masssa pada titik 1,2,3,dan 4 adalah sama.
Keadaan dikondensor dapat digambarkan pada diagram P-h, seperti
terlihat pada gambar dibawah ini,
Gambar 4.2 Diagram P-h
Pembebanan pada kondensor
�� = � . (ℎ2̇ − ℎ3)
�� = 4,56 . 10−5��/� (1615,04��/�� −366,48 ��/��)
�� = 0,05699 ��= 56,99 �
4.2 Perancangan Kondensor
Pada perancangan ini menggunakan kondensor dengan sistem konveksi
paksa dengan kipas angin untuk mengambil panas. Bahan pipa pada kondensor
terbuat dari pipa stainless steels AISI 304 dengan ukuran standar pipa 1/8 inchi .
dapat dilihat pada lampiran 3.
4.2.1 Dimensi Kondensor Perancangan
Berdasarkan pertimbangan dari segi kontruksi maka digunakan kondensor
Gambar 4.3 Kondensor perancangan
- Diameter luar (Do) = 10,28 mm
- Diameter dalam (Di) = 6,82 mm
- Jarak antar pipa (ST) = 50 mm
- Temperatur masuk refrigeran ( tr,i) = 90 0 - Temperatur udara masuk ( tu,i ) = 30
C
0
- Kecepatan udara masuk ( V ) = 5 m/s C
- Temperatur keluar refrigeran ( tr,o) = 350 - Temperatur udara keluar ( tu,o ) = 31
C
0
- Beban kondensor total = 0.05699 kW C
- Tekanan refrigeran dalam kondensor = 13,51 Bar
- Kondukt ivitas bahan stainless steels AISI 304 ( k ) = 14,9 W/m.K
- Luas permukaan kotak kondensor P x L = 40 x 35 cm
4.2.2 Penentuan Dimensi Permukaan Kondensor
Untuk mendapatkan dimensi permukaan kondensor maka berikut data
yang di perlukan :
Laju aliran massa udara m
mu
Temperatur udara keluar
�� =��.���. (��,� − ��,�)
Temperatur rata-rata udara dengan menggunakan persamaan (2.5)
�� =
Maka sifat udara pada temperatur 30,034°C = 303,34 K diperoleh dari
lampiran 1 sifat properties udara
µ = 186,008 x 10-7
sesuai dengan persamaan (2.5)
Pada kondisi refrigeran 62,5°C = 335,5 K diperoleh dari tabel lampiran 2
sifat properties amonia dengan menginterpolasi :
Prv 1,2354 Prl 1,1123
kv 0,0346775 kl 0,35645 W/m.K
Cpv 4,3335 Cpl 5,623 kJ/kg.K
ρv 21,8613 ρl 513,475 kg/m3
4.2.3 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
• Pada aliran internal
- Luas aliran fluida pada persamaan (2.14)
Ai
- Bilangan Reynold pada persamaan (2.6)
2
- Koefisien perpindahan panas konveksi persamaan (2.11) (alirannya laminar)
- Faktor pengotoran pada tube pada persamaan (2.13)
�� =
Maka koefisien konveksi internal total,
ℎ�,
• Pada aliran eksternal
- Kecepatan angin 5 m/s dari hasil pengukuran dengan menggunakan
Anemometer
- Bilangan Reynold pada persamaan ( 2.7)
��= ⍴.����.��
- Bilangan Nusselt pada persamaan (2.9)
��= 0,683.��0,466.��13
��= 0,683. 2508,28100,466. 0,7065
1 3
��= 23,3479
- Maka koefisien perpindahan panas konveksi eksternal pada persamaan
(2.12)
- Faktor pengotoran pada aliran eksternal pada persamaan ( 2.14)
�� = ℎ′ �1 −ℎ1�
ℎ�, =
1
0,0004 + (88,812881 )
Maka koefisien konveksi eksternal total,
4.2.4 Perpindahan Panas Menyeluruh ( U)
Koefisien perpindahan panas yang terjadi pada kondensor dengan
menggunakan persamaan (2.10)
4.2.5 Selisih Temperatur Rata-Rata Logaritmik (LMTD)
K
Untuk menghitung selisih temperatur rata – rata logaritmik (LMTD) maka
menggunakan persamaan (2.21)
4.2.6 Panjang Pipa Perlintasan
Untuk memperoleh panjang setiap lintasan dari konsdensor ini, harus di
cari luas penampang total perpindahan panasnya. Dengan luas penampang total
(A) adalah beban kondensor per koefisien menyeluruh dikali dengan besarnya
selisih temperatur rata – rata logaritmik. Dimana dari perancangan beban
kondensor = 56,99 W. Luas penampang total di dapat dengan rumus :
Qk = U.A.LMTD
Suhu refrigerant masuk 90oC
Suhu udara keluar 31oC Suhu refrigerant keluar 35oC
Suhu udara masuk 30oC
∆T2 ∆T1
LMT
A = Qc
U .LMTD
= 56,99 W / (80,3933 W/m2 = 0,0319 m
.K x 22,11K)
Dari perhitungan diatas didapatkan luas penampang total adalah sebesar
0,0319 m
2
Setelah memperoleh luas penampang total maka didapatlah panjang total
pipa yang dibutuhkan untuk kondensor ini, dengan persamaan :
2
Panjang total pipa yang dibutuhkan adalah sebesar 1,452 m. untuk panjang
tiap lintasan bisa diperoleh, dengan perencanaan jumlah dari lintasan adalah
sebanyak 6 maka panjang lintasan adalah :
1 = L/n
= 1,452/ 6
= 0,242 m
Panjang tiap lintasan yang didapat adalah sebesar 0,242 m
4.2.7 Perencanaan Geometri dan Material dari Kondensor
Berdasarkan perhitungan di atas maka geometri kondensor yang
direncanakan adalah sebagai berikut :
Panjang tube,�� = 1,452 m
Diameter dalam tube,��,� = 0,0068 m
Diameter luar tube,��,� = 0,01028 m
Material tube = stainless steel 304
Jarak antara tube = 0,05 m
Panjang tiap lintasan tube = 0,242 m
Kecepatan udara = 5 m/s
Gambar 4.4 Bentuk perancangan kondensor
4.3 Hasil Pengujian Kondensor
Untuk mendapatkan temperatur dan tekanan maksimal dalam penelitian ini
perlu pemanasan terhadap generator terlebih dahulu dalam waktu + 15 menit.
Temperatur maksimal yang masuk kedalam kondensor sebesar 73 oC, tekanan maksimal yang dicapai sebesar 10,4 bar. Sebelum melakukan pengujian kerja
kondensor, tekanan ditahan dengan katup kran. Dimana refrigeran dan absorben
dipisahkan didalam generator. Uap refrigeran masuk kedalam kondensor dengan
temperatur sebesar 73 o
Pengujian hari pertama menghasilkan kerja kondensor dengan data
terlampir, adapun data yang diambil untuk mengetahui kerja kondensor ini yaitu;
temperatur ammonia uap masuk, temperatur ammonia keluar, temperatur udara
masuk kondensor, temperatur keluar kondensor, kecepatan udara yang dihasilkan
oleh kipas.
C.
4.3.1 Data Hasil Pengujian
Berikut adalah beberapa data hasil pengujian dari kondensor yang, dimana
pengujian dilakukan selama 40 menit. Perbedaan pada setiap Pengujian hari yang
diambil datanya tidak beda jauh hanya beda pada temperatur yang sedikit
meningkat kemudian perbedaan kecepatan udara yang mengalir pada alat
kondensor.
- Data Pengujian Hari Pertama
generator ammonia – air harus berpisah sesuai dengan proses absorpsinya.
Temperatur refrigeran yang mengalir pada kondensor yang tercapai pada
Pengujian hari pertama sebesar 63,6 o
Penurunan temperatur pada kondensor ini sebesar 17,5
C, yang kemudian didinginkan dengan cara
konveksi paksa dengan menggunakan udara yang dihasilkan oleh kipas angin.
o
C, dengan
temperatur keluar menjadi sebesar 46,1 o
Tabel 4.1 Data pengujian hari pertama
C. Temperatur masuk dan keluar ini
diamati setiap menitnya selama selang waktu 40 menit . proses selama 40 menit
ini dapat dilihat di dalam tabel di bawah ini. Dalam tabel kecepatan udara yang di
hasilkan tidaklah konstan
27 4.67 70.1 49.2 31.2 31.23
Sumber : Data primer
Dengan data pengujian hari pertama dihasilkan temperatur makin tinggi,
ini diakibatkan pengaruh waktu dan ketidakkonstanan dari panas buang yang di
hasilakan mesin. Dimana temperatur awal dari 63,6 oC sampai pada menit ke 40 temperatur mencapai 72,9 o
Grafik pada pengujian hari pertama ini dapat di lihat pada gambar 4.5
dibawah ini :
C. Dari tabel juga bisa kita lihat bahwa temperatur
keluar refrigeran juga makin naik. Ini juga di akibatkan temperatur gas buang
tidak konstan, dan kecepatan udara pendinginn juga yang tidak konstan.
Temperatur masuk pendingin udara tetap , namun temperatur pendingin udara
keluar berbeda, ini dipengaruhi adanya panas dari laluan pipa yang berbeda dan
juga kecepatan dari kipas penyalur udara.
Gambar 4.5 Grafik waktu vs temperatur pada pengujian hari pertama
Dari grafik menunjukkan kenaikan temperatur setiap menitnya. Kenaikan
temperatur ini diakibatkan oleh temperatur panas buang dari mesin yang naik.
Secara teori seharusnya temperatur masuk dan keluar kondensor seharusnya
sejajar,namun dari grafik diamati adanya perbedaan. Ini diakibatkan pebedaan dari
kecepatan udara yang mengalir tidak konstan.
- Data Pengujian Hari kedua
Berikut data dari Pengujian hari kedua dapat dilihat dalam tabel
26 4.65 70.3 49.4 31.2 31.23
Sumber : Data primer
Dari data pengujian hari kedua ini perbedaannya tidaklah jauh dari
Pengujian hari pertama. Berdasarkan tabel pada menit pertama sampai ke – 40
mengalami kenaikan temperatur, namun kcepatan udara yang dihasilkan motor
kipas tidak konstan .Grafiknya dapat dilihat pada gambar 4.6 dibawah ini :
Gambar 4.6 Grafik waktu vs temperatur pengujian hari kedua
Dari grafik diatas kenaikan temperatur amonia masuk makin meningkat
hal ini disebabkan temperatur yang di alirkan dari panas buang mesin yang juga
25
1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739
meningkat, begitu juga dengan temperatur keluar amonia mengalami kenaikan
disebabkan kemampuan pembuangan panas oleh udara .
- Data Pengujian Hari Ketiga
31 5.41 72.81 52.56 31.2 31.25
Sumber : Data primer
Dari tabel hasil pengujian diperoleh temperatur masuk maksimum adalah
sebesar 73,89 oC pada menit ke – 34 dengan temperatur keluar 53,67 oC dimana kecepatan udara dsebesar 4,31 m/s . Grafik Pengujian hari ketiga dapat dilihat
pada gambar 4.7 dibawah ini
Gambar 4.7 Grafik temperatur vs waktu pada pengujian hari ketiga
Dari gambar menjelaskan bahwa grafik menunjukan kenaikan temperatur
dari menit 1 ke menit 40 temperatur menit pertama temperatur amonia masuk
sebesar 60,43 oC dengan temperatur keluar sebesar 40,23 oC, untuk kecepatan udaranya yaitu sebesar 5,15 m/s . Selama 40 menit terjadi kenaikan temperatur
sesuai dengan gambar tersebut.
25
1 3 5 7 9 111315171921232527293133353739
4.3.2 Analisa Kerja Kondensor dengan Kesetimbangan Energi
Kerja/beban kondensor adalah kemampuan dari dari kondensor untuk
membuang panas yang dihasilkan untuk menurunkan temperatur dengan keadaan
tekanan tetap. Dengan menggunkan rumus Qk = m.Cp.∆T. rumus ini dapat
digunakan untuk perhitungan beban kondensor pada aliran luar atau panas yang
diserap oleh udara yang dihasilkan kipas angin.
Laju aliran massa udara pada perhitungan ini diperoleh dari kecepatan di
kali dengan luas permukaan kondensor. Berikut data kerja kondensor setelah
dilakukan analisa sesuai dengan perhitungan kesetimbangan energi dengan data
yang dibutuhkan diperoleh dari hasil pengujian.
Untuk menghitung laju perpindahan panas pada kondensor bagian luar dapat
dihitung dengan persamaan (2.2) :
�= � .�� . ∆�
� = Kalor yang diserap udara (kW) � = Laju aliran massa udara (Kg/s) �� = Kalor spesifik udara (J/kg.K) ∆� = Perubahan temperatur (0 Dimana pada temperatur rata-rata didapatkan :
C)
� = 0,812 kg/s
�� = 1,005978 kJ/kg.K
- Hasil pengujian kerja kondensor ( Qk)
Tabel 4.4 Kerja kondensor pengujian hari pertama
11 4,41 64,6 47,3 31,2 31,22 0,6174 1,00597786 0,02 23,699229 0,0124218
Rata - Rata 0,660135 1,00597814 0,0285 0,0189263
Kerja kondensor dari tabel diperoleh dari perhitungan kesetimbangan
energi dengan data yang di dapatkan dari pengujian. Dari perancangan kerja
kondensor sebesar 56,9 W, setalah dilakukan pengujian terhadap alat yang
dirancang, kerja kondensor hanya bisa mencapai 38,878 W. Hasil ini sangat di
pengaruhi dari temperatur masuk kondensor dan juga laju aliran udara yang
dihasilkan.
Sehingga didapatkan laju perpindahan panas rata-rata pada pengujian hari
��= 0,66013 ��/�� 1,005978��/��.�� 0,0285�
��= 0,0189 ��
Gambar 4.8 Grafik antara beban kondensor dengan LMTD pada pengujian hari
pertama
Gambar 4.8 menunjukan bahwa besar beban kondensor terhadap beda
temperatur ( LMTD ) semakin meningkat. Dimana bila beban meningkat berarti
nilai perbedaan temperatur rata- rata ( LMTD ) juga meningkat.
Tabel 4.5 Kerja kondensor pengujian hari kedua
15 5,32 65,2 46,2 31,2 31,22 0,7448 1,005978 0,02 23,210825 0,014985
Dari tabel didapatkan laju perpindahan panas rata-rata pada pengujian hari
kedua yaitu sebesar :
�= 0,66013 ��/�� 1,005978��/��.�� (0,031)K
Gambar 4.9 Grafik antara beban kondensor dan LMTD pada pengujian hari
kedua
Grafik diatas menunjukan bahwa besar beban kondensor terhadap beda
temperatur ( LMTD ) meningkat. Dimana bila beban meningkat berarti nilai
perbedaan temperatur rata- rata ( LMTD ) juga meningkat.
Tabel 4.6 Kerja kondensor pengujian hari ketiga
20 4,67 67,58 49,35 31,2 31,26 0,6538 1,0059792 0,06 26,192955 0,0394626
Laju perpindahan panas rata-rata pada pengujian hari ketiga
�= 0,699 ��/�� 1,00598 ��/��.�� 0,051K
�= 0,03419 ��
Gambar 4.10 Grafik antara beban kondensor dan LMTD pada pengujian hari
Dari grafik terlihat hubungan dari besar beban kondensor berpengaruh
pada selisih perbedaan temperatur rata – rata dimana makin besar selisih
perbedaan temperatur maka beban dari kondensor juga makin meningkat. Dari
pengujian ketiga ini diperoleh beban maksimum yang dihasilakan sebesar
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Telah dirancang bangun sebuah kondensor sebagai bagian dari mesin
pendingin siklus absorpsi dengan dimensi :
• Panjang tube,� = 1,452 m
• Diameter dalam tube,�� = 0,0068 m • Diameter luar tube,�� = 0,01028 m
• Material tube = stainless steel 304
• Jarak antara tube = 0,05 m
• Panjang tiap lintasan tube = 0,242 m
• Kecepatan udara = 5 m/s
• Ukuran kotak = 350 x 400 x 300 ( mm)
• Material kotak = Triplek
2. Dari hasil pengujian diperoleh laju perpindahan panas rata – rata pada
kondensor pada pengujian hari pertama didapatkan sebesar 0,0189 kW,
pada pengujian hari kedua didapatkan sebesar 0,02096 kW dan pada
pengujian hari ketiga sebesar 0,03419 kW.
3. Dari hasil perancangan dan pengujian kerja kondensor memiliki perbedaan
dimana pada hasil perancangan beban kondensor sebesar 0,05699 kW,
dalam pengujian beban kondensor maksimum yang diperoleh yaitu sebesar
0,05136 kW pada pengujian hari ketiga.
5.2 Saran
Adapun saran untuk penelitian selanjutnya adalah :
1. Untuk mendapatkan laju perpindahan panas konstan lakukan pengujian dengan panas yang masuk secara konstan dari mesin penghasil panas
melalui media pendingin sebaiknya laju aliran massa di kontrol sesuai
dengan perancangan
2. Lakukan pengujian dengan menambahkan sirip dengan tujuan untuk memperbesar luas permukaan perpindahan panas sehingga didapatkan laju
perpindahan panas yang diserap lebih besar.
