i
PENGARUH PANJANG PIPA KAPILER TERHADAP KARAKTERISTIK WATER CHILLER PADA SISTEM PENGKONDISIAN UDARA DENGAN UDARA BALIK
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagai persyaratan
mencapai derajat Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin
Oleh :
GREGORIUS LEXWARI DEVENNAN NIM : 165214058
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
ii
EFFECT OF CAPILLARY PIPE ON THE
CHARACTERISTICS OF WATER CHILLER ON AIR CONDITIONING SYSTEM WITH THE REVERSE AIR
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By :
GREGORIUS LEXWARI DEVENNAN Student Number : 165214058
MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2020
PENGARUH
PANJANG
PIPAKAPILEB TERHADAP KARAKTERISTIK
WATER CTIILLERPADA
SISTENITENGKONDISIAN UDARA DENGAN UI}ARA BALIK
Dosen Pembimbing Skripsi
\E<e&
\44-.'-l-
Ir. Petus KanisiusPurwadi, M. T.
m
PENGARUII
PANJANGPIPA KAPILER TERHADAP KARAKTERISTIK
WATE R CTTILLE RPAI}A SISTEM PENGKONDISIAN UDARA DENGAN UDARA BALIK
NAMA
Diprsiapkan dan disusun Oleh :
: GREGORIUS LEXVTARI DEVENNAN
Yogyakart4 17 Juli 2020 Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Dekan
4*4'-
ungkasi, S.Si-, M.Math.Sc., Ph. D.
Ketua
Sekretaris
Anggota
tv
Skripsi ifli telafu diterima sebagai salah satu pe'rsyaratan untuk memproleh gelar Sarjana Teknik
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 17 Juli 2020
Gregorius Lexwari Devennan
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : Gregorius Lexwari Devennan Nomor Mahasiswa : 165214058
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :
Pengaruh Panjang Pipa Kapiler terhadap Karakteristik Water Chiller pada Sistem Pengkondisian Udara dengan Udara Balik
Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu ijin dara saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya Yogyakarta, 17 Juli 2020
Yang menyatakan,
Gregorius Lexwari Devennan
vii
ABSTRAK
Salah satu masalah wilayah yang beriklim tropis adalah panasnya suhu udara di wilayah tersebut. Hal itu yang terjadi di wilayah Indonesia. Salah satu cara mengatasinya adalah menggunakan alat yang bisa mendinginkan udara dalam suatu ruangan. Alat tersebut adalah water chiller. Penelitian ini bertujuan untuk : (a) merancang mesin water chiller yang bekerja dengan siklus kompresi uap, (b) mengetahui pengaruh panjang pipa kapiler terhadap karakteristik water chiller, meliputi : (1) nilai Qin, (2) nilai Qout, (3) nilai Win, (4) nilai COPideal, (5) COPaktual, (6) nilai efisiensi, (7) laju aliran massa refrigeran (ṁ).
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen di Laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Mesin pendingin water chiller ini dipergunakan untuk sistem pengkondisian udara dengan udara balik. Water chiller bekerja dengan siklus kompresi uap. Dalam penelitian ini dirancang dan dirakit water chiller dengan menggunakan komponen yang terdiri dari kompresor berdaya
¾ PK, kondensor dengan pendingin kipas, pipa kapiler, dan evaporator jenis pipa bersirip. Refrigeran yang digunakan adalah R-22. Variasi pada penelitian adalah panjang pipa kapiler yang digunakan yaitu : 130 cm, 150 cm, dan 180 cm.
Dari hasil penelitian diperoleh : (a) mesin water chiller dapat bekerja dengan baik, (b) Karakteristik yang dimiliki water chiler sebagai berikut : (1) nilai Win
tertinggi sebesar 51,44 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (2) nilai Qout
tertinggi sebesar 184,37 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (3) nilai Qin
tertinggi sebesar 132,93 kJ/kg pada panjang pipa kapiler 180 cm, (4) nilai COPaktual
tertinggi sebesar 2,66 pada panjang pipa kapiler 130 cm, (5) nilai COPideal tertinggi sebesar 3,83 pada panjang pipa kapiler 130 cm, (6) nilai efisiensi tertinggi sebesar 69,48 % pada panjang pipa kapiler 180 cm, (7) laju aliran massa refrigeran (ṁ) sebesar 0,00904 kg/s pada panjang pipa kapiler 130 cm. Pengaruh panjang pipa kapiler terhadap karakteristik water chiller adalah semakin panjang pipa kapiler maka, nilai Win, Qout, dan Qin, efisiensi, semakin meningkat, sedangkan nilai COPideal, COPaktual, dan laju aliran massa refrigeran (ṁ) mengalami penurunan.
Kata kunci : water chiller, siklus kompresi uap, pipa kapiler, refrigeran
viii
ABSTRACT
One of the problems of tropical regions is the hot temperatures in the region.
That is what happened in Indonesian territory. One way to overcome this is to use a tool that can cool the air in a room. The tool is a water chiller. This study aims to:
(a) design a water chiller machine that works with vapor compression cycle, (b) determine the effect of capillary pipe length on water chiller characteristics, including: (1) Qin value, (2) Qout value, (3) value Win, (4) COPideal value, (5) COPaktual, (6) efficiency value, (7) refrigerant mass flow rate (ṁ).
This research was conducted experimentally at the Mechanical Engineering Laboratory of Sanata Dharma University Yogyakarta. This water chiller cooling machine is used for air conditioning systems with reverse air. Water chiller works by steam compression cycle. In this research, a water chiller was designed and assembled using a component consisting of a ¾ PK-powered compressor, a condenser with a cooling fan, capillary pipes, and finned pipe type evaporators. The refrigerant used is R-22. Variations in the study are the length of capillary pipes used, namely: 130 cm, 150 cm, and 180 cm.
From the research results obtained: (a) the water chiller machine can work well, (b) The characteristics of the water chiler are as follows: (1) the highest Win
value is 51,44 kJ / kg in capillary pipe length 180 cm, (2) the highest Qout value is 184,37 kJ / kg in capillary pipe length 180 cm, (3) the highest Qin value is 132,93 kJ / kg in the length of the capillary pipe 180 cm, (4) the highest COPactual value is 2,66 in the length of the capillary pipe 130 cm, (5) the highest COPideal value is 3,83 in the length of the capillary pipe 130 cm, (6 ) the highest efficiency value is 69,48%
in the length of the capillary pipe 180 cm, (7) the mass flow rate of the refrigerant (ṁ) is 0,00904 kg / s in the length of the capillary pipe 130 cm. The effect of capillary pipe length on water chiller characteristics is the longer the capillary tube, the value of Win, Qout, and Qin values, efficiency, are increasing, while COPideal, COPaktual, and refrigerant mass flow rate (ṁ) have decreased.
Keywords: water chiller, vapor compression cycle, capillary tube, refrigerant
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib bagi setiap mahasiswa Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik di bidang Teknik Mesin.
Berkat bimbingan, nasehat, dan doa yang diberikan oleh berbagai pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Oleh karena itu, dengan segala kerendahan hati dan ketulusan, penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada :
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
2. Budi Setyahandana, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
3. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Dosen Pembimbing Skripsi dan sekaligus sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
4. Ir. Rines, M.T, selaku Kepala Laboratorium Energi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
5. Lorensius Gori, S.H., dan Ari Purwanti sebagai orang tua saya yang selalu memberi semangat dan dorongan baik berupa materi maupun spiritual.
6. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas semua ilmu yang telah diberikan kepada penulis selama perkuliahan.
7. Seluruh Tenaga Kependidikan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, yang telah membantu penulis selama perkuliahan hingga selesainya penulisan skripsi ini.
8. Yohanes Albert Pratama, Maximillian Adi, Enggie Kurniawan, Antonius Prasika, Gregorius Givran dan Anggi Rinanda selaku teman satu tim dalam pembuatan alat.
x
9. Bekti Setiani, selaku orang yang selalu memotivasi dan memberikan semangat sehingga proses penyelesaian skripsi ini berjalan dengan baik.
10. Semua teman-teman Teknik Mesin dan pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan moril maupun materi sehingga proses penyelesaian skripsi ini berjalan dengan baik.
Akhir kata, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidaklah sempurna, Tidak ada gading yang tidak retak sehingga kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan skripsi ini dikemudian hari.
Akhirnya, besar harapan penulis agar skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, 17 Juli 2020
Penulis
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
TITTLE PAGE ...ii
HALAMAN PERSETUJUAN ...iii
HALAMAN PENGESAHAN ...iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ...v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ...vi
ABSTRAK ...vii
ABSTRACT ...viii
KATA PENGANTAR ...ix
DAFTAR ISI ...xi
DAFTAR GAMBAR ...xiv
DAFTAR TABEL ...xviii
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Rumusan Masalah ...2
1.3 Tujuan Penelitian ...2
1.4 Batasan Masalah dalam Pembuatan Water Chiller ...3
1.5 Manfaat Penelitian ...4
1.6 Luaran Penelitian ...5
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ...6
2.1 Dasar Teori ...6
2.1.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin ...6
xii
2.1.2 Siklus Kompresi Uap ...7
2.1.2.1 Rangkaian Komponen Siklus Kompresi Uap ...7
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s ...8
2.1.2.3 Perhitungan Pada Siklus Kompresi Uap ...11
2.1.2.4 Komponen-komponen Siklus Kompresi Uap ...15
2.1.3 Psychrometric Chart ...24
2.1.3.1 Parameter-parameter Udara pada Psychrometric Chart ...25
2.1.3.2 Proses - proses Yang terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart ...27
2.1.3.3 Proses-proses Udara yang terjadi pada Mesin Water Chiller pada Psychrometric Chart ...32
2.2 Tinjauan Pustaka ...35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...40
3.1 Objek Penelitian ...40
3.2 Bahan, Alat, Komponen dan Perakitan Mesin Water Chiller ...41
3.2.1 Bahan ...41
3.2.2 Alat ...45
3.2.3 Komponen Mesin ...48
3.2.4 Alat Bantu Penelitian ...53
3.2.5 Perakitan Water Chiller ...57
3.3 Alur Penelitian ...59
3.4 Metode Penelitian ...60
3.5 Variasi Penelitian ...60
xiii
3.6 Skematik Pengambilan Data ...60
3.7 Cara Pengambilan Data ...61
3.8 Cara Mengolah Data ...63
3.9 Cara Melakukan Pembahasan ...65
3.10 Cara Mendapatkan Kesimpulan ...65
BAB IV HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN PEMBAHASAN ...66
4.1 Hasil Penelitian ...66
4.2 Perhitungan dan Pengolahan Data ...68
4.2.1 Diagram P-h ...68
4.2.2 Perhitungan pada Diagram P-h ...69
4.2.3 Psychrometric Chart ...75
4.3 Pembahasan ...76
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...83
5.1 Kesimpulan ...83
5.2 Saran ...84
DAFTAR PUSTAKA ...85
LAMPIRAN ...87
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin ...6
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Utama Siklus Kompresi Uap ...7
Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-H ...8
Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap pada Diagram T-S ...9
Gambar 2.5 Kompresor Open Type ...16
Gambar 2.6 Kompresor Scroll ...17
Gambar 2.7 Kompresor Semi Hermetik ...18
Gambar 2.8 Kompresor Hermetik ...19
Gambar 2.9 Natural Draught Condenser ...20
Gambar 2.10 Force Draught Condenser ...21
Gambar 2.11 Evaporator Pipa dengan Sirip ...22
Gambar 2.12 Evaporator Jenis Pipa jari-jari Penguat ...22
Gambar 2.13 Evaporator Jenis Plat ...23
Gambar 2.14 Pipa Kapiler ...23
Gambar 2.15 Kipas ...24
Gambar 2.16 Psychrometric Chart ...25
Gambar 2.17 Proses - proses yang Terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart ...27
Gambar 2.18 Proses Cooling and Dehumidifying ...28
Gambar 2.19 Proses Sensible Heating ...29
Gambar 2.20 Proses Cooling and Humidifying ...29
xv
Gambar 2.21 Proses Sensible Cooling ...30
Gambar 2.22 Proses Humidifying ...30
Gambar 2.23 Proses Dehumidifying ...31
Gambar 2.24 Proses Heating and Dehumidifying ...32
Gambar 2.25 Proses Heating and Humidifying ...32
Gambar 2.26 Aliran Udara pada Sistem Pengkondisian Udara ...33
Gambar 2.27 Proses-proses Pengkondisian Udara pada Psychrometric Chart ....34
Gambar 3.1 Skematik Mesin Water Chiller ...39
Gambar 3.2 Kayu Kaso ...41
Gambar 3.3 Besi Siku ...41
Gambar 3.4 Pipa Air ...43
Gambar 3.5 Refrigeran ...44
Gambar 3.6 Alat Las ...46
Gambar 3.7 Kompresor Rotary ...47
Gambar 3.8 Kondensor ...48
Gambar 3.9 Evaporator 1...48
Gambar 3.10 Pipa Kapiler ...49
Gambar 3.11 Evaporator 2 ...49
Gambar 3.12 Pompa Air ...51
Gambar 3.13 APPA dan Termokopel ...52
Gambar 3.14 Hygrometer ...53
Gambar 3.15 Stopwatch ...53
xvi
Gambar 3.16 Pressure Gauge ...54
Gambar 3.17 Tang Ampere ...54
Gambar 3.18 Anemometer ...55
Gambar 3.19 Gelas Ukur ...55
Gambar 3.20 Takometer ...56
Gambar 3.21 Skematik Alur Penelitian ...58
Gambar 3.22 Skematik Posisi Alat Ukur Saat Pengambilan Data ...59
Gambar 4.1 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h R-22 untuk Panjang Pipa Kapiler 130 cm ...68
Gambar 4.2 Proses-proses Udara pada Psychrometric Chart pada Panjang Pipa Kapiler 130 cm ...74
Gambar 4.3 Perbandingan Nilai Win untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...75
Gambar 4.4 Perbandingan Nilai Qout untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...76
Gambar 4.5 Perbandingan Nilai Qin untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...77
Gambar 4.6 Perbandingan Nilai COPaktual untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler .78 Gambar 4.7 Perbandingan Nilai COPideal untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...79
Gambar 4.8 Perbandingan Nilai Efisiensi (η) untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...80
Gambar 4.9 Perbandingan Nilai Laju Aliran Massa Refrigeran ṁ untuk Variasi Panjang Pipa Kapiler ...81
Gambar L.1 Ruangan yang dikondisikan ...85
Gambar L.2 Mesin water Chiller ...85
xvii
Gambar L.3 Diagram P-h pada Panjang Pipa Kapiler 150 cm ...86
Gambar L.4 Diagram P-h pada Panjang Pipa Kapiler 180 cm ...87
Gambar L.5 Psychrometric Chart pada Panjang Pipa Kapiler 150 cm ...88
Gambar L.6 Psychrometric Chart pada Panjang Pipa Kapiler 180 cm ...89
Gambar L.7 Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2) ...90
xviii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Variasi Panjang Pipa Kapiler ...59
Tabel 3.2 Tabel Pengambilan Data ...64
Tabel 4.1 Data Hasil Rata-rata Variasi Panjang Pipa Kapiler 130 cm ...66
Tabel 4.2 Data Hasil Rata-rata Variasi Panjang Pipa Kapiler 150 cm ...66
Tabel 4.3 Data Hasil Rata-rata Variasi Panjang Pipa Kapiler 180 cm ...66
Tabel 4.4 Besaran Nilai Temperatur Kerja Evaporator Tevap dan Temperatur Kerja Kondensor Tkond ...68
Tabel 4.5 Besaran Nilai Entalpi (h) Berdasarkan Tabel Thermodynamic Properties of R-22 Refrigerant (CHCIF2) ...68
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Nilai Win untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...69
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Nilai Qout untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...70
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Nilai Qin untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...70
Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Nilai COPaktual untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...71
Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Nilai COPideal untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...72
Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Nilai Efisiensi (η) untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ... ...73
xix
Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Nilai Laju Aliran Massa Refrigeran ṁ untuk Semua Variasi Panjang Pipa Kapiler ...73
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan mesin pengkondisian udara saat ini sangat pesat dari masa ke masa. Terlihat dari inovasi-inovasi yang menerapkan sistem refrigerasi menjadi mesin-mesin yang digunakan setiap hari. Khususnya di Indonesia yang beriklim tropis sehingga penggunaan mesin pengkondisian udara sangat dibutuhkan. Salah satu mesin pengkondisian udara adalah mesin pendingin ruangan. Mesin pendingin dapat memberikan udara sejuk dan nyaman untuk melakukan aktivitas yang berada di dalam ruangan, sehingga pekerjaan akan lebih efektif. Mesin pendingin yang digunakan untuk pengkondisian udara adalah Air Conditioner (AC) dan water chiller. Fungsi dari AC dan water chiller sama yaitu untuk menyamakan suhu dan kelembaban udara seperti yang diinginkan dalam suatu ruangan atau tempat dengan cara mengambil sekaligus memindahkan kalor melalui media perantara.
Penggunaan AC biasanya dalam skala ruangan yang kecil seperti: ruangan dalam rumah, ruangan kantor, ruangan di losmen dll, yang memiliki beban pendinginan kecil. Kebalikan dari AC, adalah water chiller yang digunakan dalam skala lebih besar yang memiliki beban pendinginan besar seperti: di tempat industri, di gedung pusat supermarket, di hotel, di gedung bertingkat, di rumah sakit, di mall, di bioskop, di gedung perkantoran dll.
Melihat dari fungsi mesin pendingin tersebut, mesin pendingin sangat dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari. Dapat dilihat dari banyaknya mesin
pendingin dijual dengan spesifikasi dan jenis yang beragam. Selain itu dapat ditemukan penggunaan mesin pendingin untuk mengkondisikan udara seperti: di gedung bioskop, di gedung perkantoran, di gedung sekolahan, di gedung swalayan, di gedung olahraga dll. Penggunaan mesin pendingin tidak terbatas pada gedung saja tetapi pada alat transportasi juga seperti: mobil, kereta api, pesawat, dan kapal.
Hal itu menunjukkan bahwa kebutuhan masyarakat dalam penggunaan mesin pendingin untuk menunjang aktivitas masyarakat saat ini terbilang cukup tinggi.
Maka dari itu penulis ingin mempelajari, memahami dan mengetahui sistem kerja dari mesin pendingin untuk pengkondisian udara dengan cara membuat model mesin water chiller dengan daya ¾ PK. Diharapkan penulis juga dapat memahami dan mengetahui karakteristik dari sistem kerja water chiller yang telah dibuat.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah penelitian ini adalah :
a. Bagaimanakah merancang mesin water chiller yang bekerja dengan siklus kompresi uap ?
b. Bagaimanakah pengaruh panjang pipa kapiler terhadap karakteristik water chiller ?
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
a. Merancang mesin water chiller yang bekerja dengan siklus kompresi uap.
b. Mengetahui pengaruh panjang pipa kapiler terhadap karakteristik water chiller, meliputi :
1. Besarnya kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (Qin).
2. Besarnya kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran (Qout).
3. Besarnya kerja yang dilakukan kompresor persatuan massa refrigeran (Win).
4. Besarnya Coefficien of Performance (COPideal dan COPaktual) mesin kompresi uap pada Water Chiller.
5. Laju aliran massa refrigeran yang mengalir di Water Chiller.
1.4. Batasan Masalah dalam Pembuatan Water Chiller
Batasan-batasan yang digunakan di dalam perancangan atau pembuatan alat water chiller yang dipergunakan untuk mengkondisikan udara pada penelitian ini adalah :
a. Water chiller bekerja dengan mempergunakan mesin siklus kompresi uap dengan energi dari listrik.
b. Komponen utama water chiller meliputi : kompresor, evaporator, kondensor, dan pipa kapiler, serta komponen pendukung lain : filter dryer.
c. Kompresor rotari memiliki daya sebesar ¾ PK, komponen utama yang lain ukurannya menyesuaikan besarnya daya kompresor.
d. Refrigeran yang digunakan dalam water chiller adalah R-22.
e. Suhu kerja evaporator dirancang lebih tinggi dari banyaknya air yang di dinginkan, dan suhu kerja kondensor lebih tinggi dari suhu udara lingkungan.
f. Panjang pipa kapiler yang digunakan 130 cm, 150 cm, dan 180 cm dengan diameter 0,54 mm.
g. Komponen pendukung water chiller meliputi : pompa, sistem perpipaan dan tempat penampungan air dingin.
h. Beban pendinginan yang digunakan adalah air dengan volume 25 liter.
i. Laju aliran air dingin yang melewati atau mengalir di dalam evaporator 2 sebesar 0,349 liter/detik.
j. Daya submersible pump sebesar : 38 watt dengan debit maksimal 2000 liter/jam, daya kipas sebesar : 60 watt dengan diameter 20 in, dengan putaran 1360 rpm.
k. Sistem pengkondisian udara yang dirancang mempergunakan sistem dengan udara balik.
l. Beban pendinginan pada ruangan yang di kondisikan berupa : 10 botol ukuran 1,5 liter yang berisi air dalam kondisi tutup botol terbuka.
m. Perhitungan water chiller didasarkan pada kondisi ideal kerja siklus kompresi uap, dan tidak ada proses pendinginan lanjut serta tidak ada terjadi pemanasan lanjut.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah :
a. Bagi penulis, penulis mempunyai pengalaman dalam pembuatan water chiller dengan siklus kompresi uap, yang dipergunakan untuk mengkondisikan udara.
b. Bagi penulis, penulis mampu memahami karakteristik water chiller dengan siklus kompresi uap.
c. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi atau acuan bagi orang yang akan melakukan penelitian.
d. Hasil penelitian ini dapat ditempatkan di perpustakaan atau dipublikasikan pada khalayak ramai melalui seminar atau jurnal.
1.6. Luaran Penelitian
Dihasilkannya model water chiller yang dapat membantu proses pemahaman bagaimana kerja mesin water chiller.
6
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin
Mesin pendingin adalah peralatan yang berfungsi untuk memindahkan kalor dari dalam ruangan ke luar ruangan atau menyerap kalor dari lingkungan bersuhu rendah kemudian dipindahkan ke lingkungan bersuhu tinggi dengan suatu kerja.
Mesin pendingin yang mempergunakan siklus kompresi uap mempunyai komponen utama yaitu : kompresor, evaporator, kondensor, pipa kapiler, dan komponen tambahan filter dryer. Fluida yang dipergunakan pada siklus kompresi uap adalah refrigeran. Gambar 2.1 menyajikan prinsip dasar kerja mesin pendingin.
Gambar 2.1 Prinsip Dasar Kerja Mesin Pendingin Lingkungan bersuhu
tinggi
Mesin pendingin
Lingkungan bersuhu rendah
Qout
Win
Qin
Mesin pendingin telah digunakan dalam banyak hal. Diantaranya sebagai pengawet bahan makanan ( kulkas, freezer, cold storage, dll ), pendingin minuman (show case, kulkas, dll), pengkondisi udara ruangan (AC, water chiller, dll) dan pembuat es (ice maker). Dengan berkembangnya informasi dan teknologi sekarang ini, manusia telah merasakan dampak positif dari teknologi mesin pendingin.
2.1.2 Siklus Kompresi Uap
2.1.2.1 Rangkaian Komponen Siklus Kompresi Uap
Rangkaian komponen utama pada siklus kompresi uap disajikan pada Gambar 2.2. Komponen utama siklus kompresi uap meliputi : kompresor, kondensor, pipa kapiler dan evaporator. Komponen tambahannya berupa filter dryer. Fluida kerjanya disamakan sebagai refrigeran atau freon.
Gambar 2.2 Rangkaian Komponen Utama Siklus Kompresi Uap Kondensor
Evaporator
Kompresor 3 2
4
Pipa kapiler
Qout
Qin
Win Filter
Dryer
Aliran refrigeran berlangsung dari kompresor menuju kondensor, dari kondensor menuju pipa kapiler, dari pipa kapiler menuju evaporator dan dari evaporator kembali menuju kompresor. Pada Gambar 2.2 Qin adalah besarnya kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran. Qout adalah besarnya kalor yang dilepas kondensor persatuan massa refrigeran dan Win adalah kerja kompresor persatuan massa refrigeran. Besarnya Qout merupakan penjumlahan besarnya Qin
ditambah dengan besarnya Win.
2.1.2.2 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h dan Diagram T-s
Siklus kompresi uap bila digambarkan pada diagram P-h dan diagram T-s seperti tersaji pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4. Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap adalah (a) proses kompresi (proses 1-2), (b) proses desuperheating (proses 2-2a), (c) proses kondensasi (proses 2a-3a), (d) proses pendinginan lanjut (proses 3a-3), (e) proses penurunan tekanan (proses 3-4), (f) proses evaporasi atau pendidihan refrigeran (proses 4-1a), dan (g) proses pemanasan lanjut (proses 1a-1).
Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap pada Diagram P-h 3a
3
4 1a
2a 2
1
h P
Entalpi
h3=h4 h1 h2
Qout
Qin
Tekanan
Win
Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap pada Diagram T-s
Dalam siklus kompresi uap, refrigeran mengalami beberapa proses seperti : a. Proses kompresi (1-2)
Proses kompresi dilakukan oleh kompresor terjadi pada tahap 1 – 2 dan berlangsung secara isentropik adiabatik (isoentropi atau entropi konstan). Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah gas panas lanjut bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi gas panas lanjut bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat.
b. Proses desuperheating atau proses penurunan suhu gas panas lanjut menjadi gas jenuh (proses 2-2a)
Proses penurunan suhu dari gas panas lanjut menjadi gas jenuh terjadi pada tahap 2 – 2a. Proses ini juga dinamakan desuperheating. Refrigeran mengalami penurunan suhu pada tekanan tetap. Hal ini disebabkan adanya kalor yang mengalir
3a 3
1a 2a
2
s
T
Entropi Qout
Qin
Temperatur
1 4
Win Te
Te
dari refrigeran ke lingkungan karena suhu refrigeran lebih tinggi dari suhu lingkungan.
c. Proses kondensasi (2a-3a)
Proses kondensasi terjadi pada tahap 2a-3a berlangsung di dalam kondensor. Pada proses ini gas jenuh mengalami perubahan fase menjadi cair jenuh.
Proses berlangsung pada suhu dan tekanan tetap. Pada proses ini terjadi aliran kalor dari kondensor ke lingkungan karena suhu kondensor lebih tinggi dari suhu udara lingkungan.
d. Proses pendinginan lanjut (3a-3)
Proses pendinginan lanjut terjadi pada tahap 3a – 3. Proses pendinginan lanjut merupakan proses penurunan suhu refrigeran dari keadaan refrigeran cair.
Proses ini berlangsung pada tekanan konstan. Proses ini diperlukan agar kondisi refrigeran yang keluar dari kondensor benar – benar berada dalam fase cair, untuk memudahkan mengalirnya refrigeran di dalam pipa kapiler. Selain itu juga menaikkan COP mesin.
e. Proses penurunan tekanan (3-4)
Proses penurunan tekanan terjadi pada tahap 3–4 berlangsung di pipa kapiler secara isoentalpi (entalpi sama). Dalam fase cair refrigeran mengalir menuju ke komponen pipa kapiler dan mengalami penurunan tekanan dan suhu. Sehingga suhu dari refrigeran lebih rendah dari temperatur lingkungan. Pada tahap ini fase berubah dari cair menjadi fase campuran cair dan gas.
f. Proses penguapan/evaporasi (4-1a)
Proses evaporasi terjadi pada tahap 4 – 1a. Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar (tekanan sama) dan isotermal (suhu sama). Dalam fase campuran cair dan gas, refrigeran yang mengalir ke evaporator menerima kalor dari lingkungan, sehingga akan mengubah seluruh fase fluida dari refrigeran berubah menjadi gas jenuh.
g. Proses pemanasan lanjut (1a-1)
Proses pemanasan lanjut terjadi pada tahap 1a – 1. Proses ini merupakan proses di mana uap refrigeran yang meninggalkan evaporator akan mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Hal ini di maksudkan agar kondisi refrigeran benar-benar dalam keadaan gas agar proses kompresi dapat berjalan dengan baik dan kerja kompresor menjadi ringan.
2.1.2.3 Perhitungan pada Siklus Kompresi Uap
Diagram tekanan entalpi siklus kompresi uap dapat digunakan untuk menganalisa unjuk kerja mesin pendingin kompresi uap yang meliputi kerja kompresor (Win), energi yang dilepas kondensor (Qout), energi yang diserap evaporator (Qin), COPaktual, COPideal, efisiensi (ɳ) dan laju aliran massa refrigeran (ṁ). Dari diagram P-h dapat di ketahui nilai entalpi, suhu kerja evaporator dan suhu kerja kondensor.
a. Kerja kompresor (Win).
Kerja kompresor persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada diagram P-h titik 1-2 dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.1) :
W
in= h
2-h
1 (2.1)Pada Persamaan (2.1) :
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg).
b. Energi kalor persatuan massa refrigeran yang dilepas oleh kondensor (Qout).
Energi kalor persatuan massa refrigeran yang dilepaskan oleh kondensor merupakan perubahan entalpi pada titik 2-3, perubahan tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.2) :
Q
out= h
2-h
3 (2.2)Pada Persamaan (2.2) :
Qout : energi kalor yang dilepaskan kondensor persatuan massa refrigeran (kJ/kg) h2 : nilai entalpi saat masuk kondensor (kJ/kg).
h3 : nilai entalpi refrigeran keluar kondensor atau masuk pipa kapiler (kJ/k) c. Energi kalor yang diserap oleh evaporator (Qin).
Energi kalor yang diserap oleh evaporator persatuan massa refrigeran merupakan perubahan entalpi pada titik 4-1, perubahan entalpi tersebut dapat dihitung dengan Persamaan (2.3) :
Q
in= h
1-h
4 (2.3)Pada Persamaan (2.3) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan nilai entalpi pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h4 : nilai entalpi saat masuk evaporator atau sama dengan nilai entalpi saat keluar dari pipa kapiler. Nilai h4=h3 (kJ/kg).
d. Koefisien prestasi aktual / actual Coefficient of Performance ( COPaktual ).
Koefisien prestasi siklus kompresi uap standar adalah perbandingan antara kalor yang diserap evaporator (Qin) dengan kerja yang diberikan kompresor Win. Energi kalor persatuan massa yang diserap evaporator dibagi kerja kompresi, dapat dihitung dengan Persamaan (2.4) :
COP
aktual=
QinWin
=
h1−h4h2−h1 (2.4)
Pada Persamaan (2.4) :
Qin : energi kalor yang diserap evaporator persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
Win : kerja kompresor persatuan massa refrigeran (kJ/kg).
h1 : nilai entalpi refrigeran saat keluar evaporator atau sama dengan nilai entalpi pada saat masuk kompresor (kJ/kg).
h2 : nilai entalpi saat masuk kondensor (kJ/kg).
h4 : nilai entalpi refrigeran saat masuk evaporator atau sama dengan nilai entalpi saat keluar dari pipa kapiler. Nilai h4=h3 (kJ/kg).
e. Koefisien prestasi ideal / ideal Coefficient Of Performance (COPideal).
Koefisien prestasi ideal pada siklus kompresi uap standar dapat dihitung dengan Persamaan (2.5) :
COP
ideal=
TevapTcond−Tevap (2.5)
Pada Persamaan (2.5) :
COPideal : koefisien prestasi ideal
Tcond : suhu kerja mutlak kondensor (K).
Tevap : suhu kerja mutlak evaporator (K).
f. Efisiensi mesin kompresi uap (η).
Efisiensi mesin kompresi uap dapat dihitung dengan Persamaan (2.6) :
ɳ =
COPaktualCOPideal
x 100%
(2.6)Pada Persamaan (2.6) :
COPaktual : koefisien prestasi aktual mesin kompresi uap.
COPideal : koefisien prestasi ideal mesin kompresi uap.
g. Laju Aliran Massa Refrigeran (ṁ).
Laju aliran massa refrigeran dapat dihitung dengan Persamaan (2.7) :
ṁ =
V x IWin x 1000 (2.7)
Pada Persamaan (2.7) :
ṁ : laju aliran massa refrigeran (kg/s).
I : arus listrik (A).
V : voltage (volt).
Win : kerja yang dilakukan kompresor (kJ/kg).
2.1.2.4 Komponen-komponen Siklus Kompresi Uap
Komponen utama dari mesin dengan siklus kompresi uap terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator dan pipa kapiler. Komponen tambahan mesin siklus kompresi uap terdiri dari kipas.
a. Kompresor
Kompresor adalah unit mesin pendingin siklus kompresi uap yang berfungsi untuk menaikkan tekanan dan mensirkulasikan refrigeran yang mengalir dalam unit mesin pendingin. Dari cara kerja mensirkulasikan refrigeran, kompresor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu :
1. Kompresor Open Unit (open type compresor)
Pada jenis kompresor ini letak kompresor terpisah dari tenaga penggeraknya. Masing-masing bergerak sendiri dalam keadaan terpisah. Tenaga penggerak kompresor umumnya motor listrik. Salah satu ujung poros engkol dari kompresor menonjol keluar, sebuah puli dari luar dipasang pada ujung poros
tersebut. Melalui belt puli dihubungkan dengan tenaga penggeraknya. Karena ujung poros engkol keluar dari rumah kompresor, maka harus diberi perapat agar refrigeran tidak bocor keluar. Gambar 2.5 menunjukkan kompresor open type.
Gambar 2.5 Kompresor Open Type
(Sumber : https://mechanical-engg.com/gallery/image/2072-bitzer-open-type- reciprocating)
2. Kompresor Sentrifugal
Prinsip dari kompresor sentrifugal adalah menggunakan gaya sentrifugal untuk mendapatkan energi kinetik pada impeller sudu dan energi kinetik ini diubah menjadi tekanan potensial. Tekanan dan kecepatan uap yang rendah dari saluran sunction dihisap kedalam lubang masuk atau mata roda impeller oleh aksi dari shaft rotor, dan kemudian diarahkan dari ujung-ujung pisau ke rumah kompresor untuk diubah menjadi tekanan yang bertambah.
3. Kompresor Scroll
Prinsip kerja dari kompresor scroll adalah menggunakan dua buah scroll (pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada orbit. Refrigeran dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll dan dikeluarkan melalui saluran tekan yang letaknya pada pusat orbit dari scroll tersebut. Gambar 2.6 menunjukkan kompresor scroll.
Gambar 2.6 Kompresor Scroll
(Sumber : https://hvactutorial.wordpress.com/sectioned- components/compressors/copeland-scroll-compressors/) 4. Kompresor Skrup
Uap refrigeran memasuki satu ujung kompresor dan meninggalkan kompresor dari ujung yang lain. Pada posisi langkah hisap terbentuk ruang hampa sehingga uap mengalir kedalam. Nilai putaran terus berlanjut, refrigeran yang terkurung digerakan mengelilingi rumah kompresor. Pada putaran selanjutnya terjadi penangkapan kuping rotor jantan oleh lekuk rotor betina, sehingga memperkecil volume rongga dan menekan refrigeran tersebut keluar melalui saluran buang.
5. Kompresor Semi Hermatik
Pada kontruksi semi hermetik bagian kompresor dan elektro motor masing- masing berdiri sendiri dalam keadaan terpisah. Untuk menggerakan kompresor poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya langsung. Gambar 2.7 menunjukkan kompresor semi hermetik.
Gambar 2.7 Kompresor Semi Hermetik
(Sumber : http://image2.cccme.org.cn/i_supply/2011-03- 05/20110305120000000741458.jpg)
6. Kompresor Hermetik
Pada dasarnya, kompresor hermetik hampir sama dengan semi-hermetik, perbedaannya hanya terletak pada cara penyambungan rumah (baja) kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermetik dipergunakan sambungan las sehingga rapat udara. Pada kompresor semi-hermetik dengan rumah terbuat dari besi tuang, bagian-bagian penutup dan penyambungnya masih dapat
dibuka. Sebaliknya dengan kompresor hermetik, rumah kompresor dibuat dari baja dengan pengerjaan las, sehingga baik kompresor maupun motor listriknya tak dapat diperiksa tanpa memotong rumah kompresor. Gambar 2.8 menunjukkan kompresor hermetik.
Gambar 2.8 Kompresor Hermetik
(Sumber :https://komponensistemrefrigerasi.blogspot.com/2013/12/komponen- sistem-pendingin.html)
b. Kondensor
Kondensor adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud gas refrigeran pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Jenis kondensor yang banyak digunakan pada teknologi saat ini adalah kondensor dengan pendingin udara.
Kondensor seperti ini memiliki bentuk yang sederhana dan tidak memerlukan perawatan khusus. Saat mesin pendingin bekerja, kondensor akan terasa hangat bila dipegang. Agar proses perubahan wujud yang diinginkan ini dapat terjadi, maka kalor atau panas yang ada dalam gas refrigeran yang bertekanan tinggi harus dibuang keluar dari sistem. Kondensor mempunyai fungsi melepaskan panas yang diserap refrigeran di evaporator dan kerja kompresor selama proses kompresi.
Dilihat dari sisi media yang digunakan kondensor dapat dibedakan 2 macam yaitu :
1. Kondensor Berpendingin Udara (Air Cooled Condensor)
Air cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan udara sebagai media pendingin. Air cooled condenser mempunyai dua tipe yaitu : (1) Natural Draught condenser (2) force Draught condenser.
a. Natural Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi bebas atau konveksi alami. Aliran udara berlangsung karenanya adanya beda massa jenis. Pada proses ini ada peralatan tambahan yang dipergunakan untuk menggerakan aliran udara . Kondensor jenis ini dapat ditemui pada kondensor kulkas satu pintu, show case, chest freezer maupun frezeer. Gambar 2.9 menunjukkan natural draught condenser.
Gambar 2.9 Natural Draught Condenser
(Sumber : http://parma-teknik.blogspot.com/2012/10/kondensor-kulkas.html) b. Force Draught Condenser
Pada tipe ini proses perpindahan kalornya berlangsung secara konveksi paksa. Aliran udara berlangsung karena adanya kipas udara atau blower. Jenis ini ditemui pada mesin kulkas dua pintu maupun pada mesin AC. Gambar 2.10 menunjukkan force draught condenser.
Gambar 2.10 Force Draught Condenser
(Sumber : http://indonesian.refrigeration-condensingunit.com/supplier-231590- air-cooled-condenser)
2. Kondensor Berpendingin Air (Water Cooled Condensor)
Water cooled condenser adalah kondensor yang menggunakan air sebagai media pendinginnya. Menurut proses aliran yang ada pada kondensor ini terbagi menjadi dua jenis yaitu :
a. Wate Water System
Suatu sistem dimana air yang dipergunakan untuk mendinginkan kondensor, diambil dari pusat-pusat air kemudian dialirkan melewati kondensor setelah itu air dibuang keluar dan tidak dipergunakan lagi.
b. Recirculating Water System
Suatu sistem dimana air yang di pergunakan untuk mendinginkan kondensor dan telah meninggalkan kondensor disalurkan ke dalam cooling tower, untuk diturunkan temperaturnya sesuai pada temperatur yang dikehendaki. Selanjutnya air dipergunakan lagi dan di beri kembali ke kondensor.
c. Evaporator
Evaporator merupakan tempat perubahan fase dari cair menjadi gas,atau dapat disebut juga sebagai tempat penguapan. Saat perubahan fase, diperlukan energi kalor. Energi kalor tersebut diambil dari lingkungan evaporator. Hal tersebut terjadi karena temperatur refrigeran lebih rendah dari pada temperatur sekelilingnya, sehingga panas dapat mengalir ke refrigeran. Proses penguapan refrigeran di evaporator berlangsung dalam tekanan tetap dan suhu tetap. Berbagai jenis evaporator yang sering digunakan pada mesin siklus kompresi uap adalah jenis pipa dengan sirip, pipa dengan jari-jari penguat dan jenis plat di tunjukan pada gambar 2.11, gambar 2.12, dan gambar 2.13.
Gambar 2.11 Evaporator Pipa dengan Sirip (Sumber :
https://www.diytrade.com/china/pd/10857899/aluminum_fin_evaporator.html)
Gambar 2.12 Evaporator Jenis Pipa jari-jari Penguat (Sumber : https://encrypted-tbn0.gstatic.com)
Gambar 2.13 Evaporator Jenis Plat (Sumber : http://servicekulkasjakarta-
tirtaelektronik.blogspot.com/2014/07/memperbaiki-evaporator.html) d. Pipa Kapiler
Pipa kapiler berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran pada siklus kompresi uap yang ditempatkan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah.
Penggunaan pipa kapiler pada mesin siklus kompresi uap mempermudah kerja kompresor pada waktu start, karena tekanan kondensor dan evaporator sama.
Gambar 2.14 menunjukkan pipa kapiler.
Gambar 2.14 Pipa Kapiler
e. Kipas
Kipas tersusun atas motor listrik dan baling-baling atau sudu-sudu. Kipas ini berfungsi untuk mengalirkan udara. Udara yang dihembuskan oleh kipas akan mempercepat proses perpindahan kalor. Gambar 2.15 menunjukkan kipas.
Gambar 2.15 Kipas
(Sumber : https://tornadofan.co.id/products/tornado-industrial-floor-fan)) 2.1.3 Psychrometric Chart
Psychrometric chart merupakan grafik termodinamis udara yang digunakan untuk menentukan properti-properti dari udara pada kondisi tertentu. Dengan Psychrometric chart dapat diketahui hubungan antara berbagai parameter udara secara cepat dan cukup presisi. Untuk mengetahui nilai dari properti-properti ( Tdb, Twb, W, RH, H, SpV ) bisa dilakukan apabila minimal dua buah parameter tersebut sudah diketahui.
2.1.3.1 Parameter-parameter Udara pada Psychrometric Chart
Parameter-parameter udara Psychrometric Chart meliputi : (a) Dry-bulb Temperature (Tdb), (b) Wet-bulb Temperature (Twb), (c) Dew-point Temperature (Tdp), (d) Specific Humidity (W),(e) Relative Humidity (% RH), (f) Enthalpy (H) dan (g) Volume Spesific (SpV). Contoh Psychrometric Chart disajikan pada Gambar (2.16)
Gambar 2.16 Psychrometric Chart
(Sumber : http://www.ref-wiki.com/img_article/163e.jpg) a. Dry-bulb Temperature (Tdb)
Dry-bulb Temperatur adalah suhu udara pada keadaan kering yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb tidak basah (tidak diselimuti kain basah). Tdb diposisikan sebagai garis vertikal yang
berawal dari garis sumbu mendatar yang terdapat di bagian bawah psychrometric chart
b. Wet-bulb Temperature (Twb)
Wet-bulb Temperature adalah suhu udara pada keadaan kering yang diperoleh melalui pengukuran menggunakan termometer dengan kondisi bulb dalam kondisi basah (diselimuti kain basah). Twb diposisikan sebagai garis miring ke bawah yang berawal dari garis saturasi yang terletak di bagian kanan psychrometric chart.
c. Dew-point Temperature (Tdp)
Dew-point Temperature adalah suhu dimana udara mulai menunjukkan terjadinya pengembunan ketika didinginkan/diturunkan suhunya dan menyebabkan adanya perubahan kandungan uap air di udara. Tdp ditandai sepanjang titik saturasi.
d. Specific Humidity (W)
Specific Humidity adalah jumlah uap air yang terkandung di udara dalam setiap kilogram udara kering (kg air/kg udara kering). Pada psychrometric chart W diposisikan pada garis sumbu vertikal yang berada di samping kanan psychrometric chart.
e. Relative Humidity (% RH)
Relative Humidity adalah perbandingan jumlah air yang terkandung dalam 1 kg udara kering dengan jumlah air maksimum yang dapat terkandung dalam 1 kg udara kering dalam bentuk persentase.
f. Enthalpy (H)
Enthalpy adalah jumlah energi total yang terkandung dalam campuran udara dan uap air persatuan massa.
g. Volume Spesific (SpV)
Volume Spesific adalah volume dari udara campuran dengan satuan meter kubik persatuan kilogram udara kering.
2.1.3.2 Proses-proses yang Terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart
Proses-proses yang terjadi pada udara dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut (a) proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying), (b) proses pemanasan sensibel (sensible heating), (c) proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (evaporative cooling), (d) proses pendinginan sensibel (sensible cooling), (e) proses humidifying, (f) proses dehumidifying, (g) proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying), (h) proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying). Proses-proses ini dapat dilihat seperti pada Gambar (2.17).
Gambar 2.17 Proses-proses yang Terjadi pada Udara dalam Psychrometric Chart (Sumber : https://sustainabilityworkshop.autodesk.com/psycrometric_porcess.jpg)
a. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying)
Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying) adalah proses penurunan kalor sensibel dan penurunan kalor laten ke udara. Pada proses ini terjadi penurunan temperatur pada bola kering, temperatur bola basah, entalpi, volume spesifik, temperatur titik embun, dan kelembapan spesifik. Sedangkan kelembapan relatif dapat mengalami peningkatan dan dapat mengalami penurunan, tergantung dari prosesnya. Gambar 2.18 menyajikan proses cooling and dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.18 Proses Cooling and Dehumidifying b. Proses pemanasan sensibel (sensible heating)
Proses pemanasan (sensible heating) adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara. Pada proses pemanasan, terjadi peningkatan temperatur bola kering, temperatur bola basah, entalpi, dan volume spesifik. Sedangkan temperatur titik embun dan kelembapan spesifik tetap konstan. Namun kelembapan relatif mengalami penurunan. Gambar 2.9 menyajikan proses sensible heating pada psychrometric chart.
Gambar 2.19 Proses Sensible Heating
c. Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (cooling and humidifying) Proses pendinginan dan penaikkan kelembapan (cooling and humidifying) berfungsi menurunkan temperatur dan penaikkan kandungan uap air di udara. Proses ini menyebabkan perubahan temperatur bola kering, temperatur bola basah dan volume spesifik. Selain itu, terjadi peningkatan temperatur bola basah, titik embun, kelembapan relatif dan kelembapan spesifik. Gambar 2.20 menyajikan proses cooling and humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.20 Proses Cooling and Humidifying d. Proses Pendinginan sensibel (sensible cooling)
Proses pendinginan (sensible cooling) adalah pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara mengalami penurunan. Pada proses ini, terjadi
penurunan pada suhu bola kering, suhu bola basah dan volume spesifik, namun terjadi peningkatan kelembapan relatif. Pada kelembapan spesifik dan suhu titik embun tidak terjadi perubahan atau konstan. Gambar 2.21 menyajikan proses sensible cooling pada psychrometric chart.
Gambar 2.21 Proses Sensible Cooling e. Proses humidifying
Proses humidifying merupakan penambahan kandungan uap air ke udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi penaikkan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik. Gambar 2.22 menyajikan proses humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.22 Proses Humidifying
f. Proses dehumidifying
Proses dehumidifying merupakan proses pengurangan kandungan uap air pada udara tanpa merubah suhu bola kering sehingga terjadi penurunan entalpi, suhu bola basah, titik embun dan kelembapan spesifik. Gambar 2.23 menyajikan proses dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.23 Proses Dehumidifying
g. Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) Proses pemanasan dan penurunan kelembapan (heating and dehumidifying) berfungsi untuk menaikkan suhu bala kering dan menurunkan kandungan uap air pada udara. Pada proses ini terjadi penurunan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah dan kelembapan relatif tetapi terjadi peningkatan suhu bola kering.
Gambar 2.24 menyajikan proses heating and dehumidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.24 Proses Heating and Dehumidifying
h. Proses pemanasan dan menaikkan kelembapan (heating and humidifying) Pada proses ini udara dipanaskan disertai penambahan uap air. Pada proses ini terjadi kenaikkan kelembapan spesifik, entalpi, suhu bola basah, dan suhu bola kering. Gambar 2.25 menyajikan proses heating and humidifying pada psychrometric chart.
Gambar 2.25 Proses Heating and Humidifying
2.1.3.3 Proses-proses Udara yang terjadi pada Mesin Water Chiller pada Psychrometric Chart
Proses-proses yang terjadi pada sistem pengkondisian udara dengan water chiller dalam psychrometric chart adalah sebagai berikut :
a. Proses pendinginan sensibel atau sensible cooling.
b. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan (cooling and dehumidifying).
c. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan (heating and humidifying) Pada Gambar 2.26, titik A adalah udara balik yang keluar dari ruangan, titik B adalah udara setelah masuk ke evaporator 2, titik C adalah udara yang keluar dari evaporator 2, titik D adalah udara dalam ruangan yang dikondisikan, titik E adalah suhu kerja evaporator 2 ( suhu penguapan refrigeran pada evaporator).
Gambar 2.26 Aliran Udara pada Sistem Pengkondisian Udara
Keterangan yang terdapat pada huruf merupakan suhu-suhu yang akan digunakan dalam pengambilan data penelitian, meliputi :
A : Udara balik. (Udara dari ruangan yang dikondisikan).
B : Udara di evaporator 2, saat mulai terjadinya proses pengembunan uap air.
C : Udara keluar dari evaporator 2.
D : Udara pada ruangan yang dikondisikan.
E : Suhu kerja evaporator 2. (Suhu refrigeran di evaporator 2).
D
C
A
Ruangan yang dikondisikan
E B
Gambar 2.27 Proses-proses Pengkondisian Udara pada Psychrometric Chart (Sumber : http://www.egc.com/useful_info_psych.php)
a. Proses pendinginan sensibel atau sensible cooling (titik A-B)
Pada proses ini terjadi penurunan temperatur pada bola kering, temperatur pada bola basah, dan volume spesifik dari udara, namun terjadi juga peningkatan kelembapan relatif. Titik A merupakan titik awal dimana sebelum terjadinya proses sensible cooling, sedangkan titik B merupakan akhir proses sensible cooling atau merupakan titik awal sensible cooling dan dehumidifying diperoleh dengan menarik garis lurus secara horizontal menuju garis lengkung yang menunjukkan kelembapan relatif 100%.
A B C D E
b. Proses pendinginan dan penurunan kelembapan atau cooling and dehumidifying (titik B-C)
Proses pada titik (B-C) merupakan proses cooling and dehumidifying dimana terjadi penurunan temperatur udara basah dan penurunan temperatur udara kering, penurunan nilai entalpi, penurunan volume spesifik, penurunan temperatur titik embun, dan penurunan kelembapan spesifik. Sedangkan kelembapan relative tetap pada nilai 100%
c. Proses pemanasan dan penaikkan kelembapan atau heating and humidifying (titik C-A)
Pada proses heating and humidifying terjadi pemanasan udara yang disertai penambahan uap air, pada proses ini juga terjadi kenaikkan kelembapan spesifik, entalpi, temperatur pada bola basah dan temperatur pada bola kering. Kenaikkan kelembaban udara dapat terjadi karena beban pendingin yang berupa botol berisi air dalam keadaan terbuka. Botol air yang dalam keadaan terbuka memungkinkan terjadinya penguapan air dari dalam botol.
2.2 Tinjauan Pustaka
Alimansyah F, (2014) telah melakukan penelitian tentang kaji eksperimental karakteristik katup ekspansi termostatik dan pipa kapiler pada sistem pendingin water chiller. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen.
Penelitian ini bertujuan (a) mengetahui besarnya nilai yang dihasilkan katup ekspansi termostatik atau Termostatic Expantion Valve (TXV) dan pipa kapiler. (b) mengetahui perbandingan karakteristik efek pendinginan yang dihasilkan ketika
water chiller beroperasi menggunakan TXV dan pipa kapiler. Penelitian ini memberikan hasil (a) katup ekspansi termostatik mempunyai nilai COP antara 3,86 hingga 4,01, sedangkan pipa kapiler mempunyai nilai COP antara 3,59 hingga 3,74.
(b) pada debit air sebesar 0,000109 m3/detik katup ekspansi termostatik mampu menghasilkan temperatur air keluaran (chilled water) evaporator sebesar 10°C, sedangkan pipa kapiler menghasilkan temperatur sebesar 12°C. Dan pada debit air sebesar 0,000578 m3/detik katup ekspansi termostatik mampu menghasilkan temperatur air keluaran (chilled water) evaporator sebesar 19°C, sedangkan pipa kapiler menghasilkan temperatur sebesar 23°C. Sehingga katup ekspansi termostatik ketika digunakan pada sistem pendingin water chiller mempunyai performansi dan efek pendinginan yang lebih baik dibandingkan dengan pipa kapiler.
I Made Rasta, (2007) telah melakukan penelitian tentang analisa pengaruh laju aliran volume chilled water terhadap Number of Transfer Unit (NTU) dari sistem water chiller. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh laju aliran volume chilled water terhadap NTU pada Fan Coil Unit (FCU) dari sistem water chiller. Penelitian ini memberikan hasil laju aliran volume air pendingin berpengaruh terhadap NTU dari sistem AC water chiller. Semakin besar laju aliran volume maka NTU juga mengalami peningkatan. NTU terbesar diperoleh untuk laju aliran volume air pendingin 12 ltr/mnt sebesar 2,01.
Agung Nugroho, (2012) telah melakukan penelitian tentang analisa sistem mesin pendingin water chiller yang menggunakan fluida kerja R12 dengan variasi
kecepatan putaran puli kompresor. Penelitian ini dilakukan dengan eksperimen.
Penelitian bertujuan untuk (a) mengetahui hubungan antara kecepatan putaran kompresor dengan COP (b) menganalisa performansi sistem water chiller.
Penelitian ini memberikan hasil (a) nilai COP semakin turun jika kecepatan putaran puli kompresor semakin besar (b) performansi sistem refrigerasi mengalami penurunan dengan naiknya putaran kompresor yang disebabkan oleh turunnya temperatur refrigeran pada saat keluar dari evaporator.
Iskandar R, (2010) telah melakukan penelitian tentang kaji eksperimental karakteristik pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik pada sistem pendingin water chiller. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan (a) untuk mengetahui karakteristik mesin pendingin water chiller (b) mengkaji seberapa jauh pengaruh penggunaan pipa kapiler dan katup ekspansi termostatik sebagai alat ekspansi pada sistem pendingin water chiller. Penelitian ini memberikan hasil (a) katup ekspansi termostatik mempunyai performansi yang lebih baik dibandingkan dengan pipa kapiler (b) penggunaan katup ekspansi memberikan COP dari water chiller antara 3,21-3,66, sedangkan penggunaan pipa kapiler memberikan COP dari water chiller antara 2,15-2,46 (c) perbedaan laju energi yang dihasilkan pada evaporator rata-rata berkisar 43 - 47 % untuk katup ekspansi terhadap pipa kapiler.
Iskandar Dzulkarnaen, (2018) telah melakukan penelitian tentang analisis efek refrigerasi (RE) dan daya kompresi pada air cooled chiller menggunakan refrigeran R404A. Penelitian ini dilakukan secara eksperimen. Penelitian bertujuan untuk mendapatkan data kinerja dari sistem pendingin udara. Penelitian ini
memberikan hasil (a) nilai perbandingan efek refrigeran (RE) dan daya teoritis (HP) refrigeran R404A pada debit air 1,5 gpm lebih baik jika dibandingkan dengan 1 gpm dan 2 gpm, dengan perbandingan 1,36% hingga 8,28% lebih tinggi untuk RE, dan 2,84% hingga 12,7% lebih rendah untuk HP (b) nilai RE dari R404A pada debit 1,5 gpm adalah 49% - 51% lebih rendah jika dibandingkan dengan R22 (c) nilai HP R404A lebih besar dua kali lipat dari HP yang dibangkitkan oleh R22.
Ali Nugroho, (2015) telah melakukan penelitian tentang analisa kerja refrigerasi water chiller pada gedung PT GMF AEROSIA. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen. Penelitian bertujuan untuk (a) menganalisa kinerja water chiller (b) mengetahui COP, laju aliran refrigeran, kalor yang diserap evaporator dan kondensor, kerja yang dilakukan kompresor, daya yang dibutuhkan kompresor, dan laju aliran volume air cooling water. Penelitian memberikan hasil (a) kinerja water chiller dipengaruhi oleh: temperatur air keluar evaporator, dan temperatur air masuk kondensor (b) nilai COP sebesar 8,04, laju massa refrigeran sebesar 2,415 kg/s, kerja yang dilakukan kompresor sebesar 49,395 kW, laju aliran volume cooling tower sebesar 94,613 m3/jam, dan laju aliran volume make-up water sebesar 0,567 m3/jam (c) semakin rendah temperatur refrigeran di kondensor semakin bagus nilai COP yang dihasilkan.
Penelitian tentang pengaruh aliran udara melintasi kondensor terhadap karakteristik siklus kompresi uap pada mesin pendingin showcase telah dilakukan oleh Kusbandono, W dan Purwadi, PK (2016). Penelitian tentang karakteristik siklus kompresi uap yang dipergunakan selain pada mesin pendingin, juga telah dilakukan oleh Purwadi PK dan teman temannya. Untuk karakteristik siklus
kompresi uap pada mesin pengering pakaian telah dilakukan oleh Purwadi, PK dan Kusbandono W (2015, 2016), sedangkan untuk pengeringan handuk telah dilakukan oleh Wijaya, K dan Purwadi, PK.
40
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah water chiller yang dipergunakan pada sistem pengkondisisan udara, seperti tersaji pada Gambar 3.1. Water chiller bekerja dengan mempergunakan mesin siklus kompresi uap. Ukuran water chiller memiliki panjang 100 cm, lebar 60 cm dan tinggi 150 cm. Ukuran ruangan udara yang dikondisikan memiliki panjang 120 cm, lebar 70 cm, tinggi 130 cm. Refrigeran primer mempergunakan R-22 dan refrigeran sekunder mempergunakan air. Beban pendinginan berupa botol air ukuran 1,5 liter sebanyak 10 botol, dalam keadaan tutup botol terbuka.
Gambar 3.1 Skematik Mesin Water Chiller
a i1
b c
e d i2
h i3
g
Ruangan yang dikondisikan udaranya.
i4 f
Keterangan pada Gambar 3.1 : a. Kompresor
b. Kondensor c. Pipa Kapiler d. Evaporator 1 e. Pompa Air f. Evaporator 2
g. Refrigeran Primer (R-22) h. Refrigeran Sekunder (air) i1. Kipas Evaporator 2 (kipas 1) i2. Kipas Udara Balik (kipas 2) i3. Kipas Kondensor (kipas 3) i4. Kipas Kondensor (kipas 4)
3.2 Bahan, Alat, Komponen dan Perakitan Mesin Water chiller
Dalam penelitian water chiller diperlukan bahan, alat-alat bantu, dan komponen mesin.
3.2.1 Bahan
Adapun bahan yang diperlukan dalam proses perakitan water chiller antara lain: (a) kayu kaso, (b) triplek, (c) besi siku, (d) paku, (e) mur dan baut, (f) sekrup, (g) styrofoam, (h) lakban, (i) pipa PVC, (j) aluminium foil, (k) pipa tembaga, (i) bak air, (m) refrigeran sekunder (air), dan (n) refrigeran primer (R-22).
a. Kayu kaso
Kayu kaso digunakan untuk membuat rangka ruangan, ukuran kayu yang digunakan yaitu 4 cm x 4 cm. Gambar 3.2 menyajikan kayu kaso.
Gambar 3.2 Kayu Kaso b. Triplek
Triplek digunakan untuk membuat ruangan yang akan didinginkan oleh water chiller, tebal papan yang digunakan 8 mm.
c. Besi siku
Besi siku digunakan untuk membuat rangka water chiller yaitu untuk menaruh kondensor, kompresor, bak air, dan lain-lain. Gambar 3.3 menyajikan besi siku.
Gambar 3.3 Besi Siku
(Sumber : https://harga.info/harga-besi-siku/)
d. Paku
Paku digunakan untuk menyatukan kayu dan papan triplek pada ruangan sehingga konstruksi menjadi kokoh
e. Mur dan baut
Mur dan baut digunakan untuk menyatukan evaporator 2 dengan ruangan yang akan didinginkan.
f. Sekrup
Sekrup digunakan untuk mengencangkan kipas dan evaporator 2 yang menempel pada triplek
g. Styrofoam
Styrofoam digunakan sebagai lapisan untuk mengisolasi bak air supaya suhu air didalam bak air tetap terkondisikan.
h. Lakban
Lakban digunakan untuk menutup celah-celah dari sambungan kayu dan triplek. Lakban juga digunakan untuk menyatukan sterofoam dan alumunium foil pada bak air.
i. Pipa PVC
Pipa PVC digunakan untuk sirkulasi air dari bak air ke evaporator 2 dan digunakan untuk sirkulasi udara balik pada ruangan water chiller. Pipa PVC yang digunakan berukuran ½ inchi dan 2 inchi. Gambar 3.4 menyajikan pipa PVC.
