RANCANGAN SISTEM REFRIGERASI PADA MODEL MESIN PENGHASIL ES SERUT Agus Slamet
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Abstract
Cooling on food products, pharmaceuticals and drugs less effective use ice block to get a uniform cooling effect and less practical. To overcome these constraints the form of ice blocks replaced with a form of shaved ice (ice planer). Before the shaved ice-producing machine is made, a compact model needs to be made in advance, especially the design of refrigeration systems which is the major part of the machine. The design of refrigeration systems include cooling load, required compressor power and evaporator pipe length in order to freeze the water until it reaches a temperature of-120 C.
Kyeword: refrigeration, model, shaved ice PENDAHULUAN
Es blok (ice block) yang merupakan salah satu produk dari sistem refrigerasi atau mesin freezer banyak digunakan untuk mendinginkan produk makanan maupun produk farmasi atau obat-obatan untuk menjaga kualitasnya tetap baik dan biasanya dalam waktu yang tidak terlalu lama antara lain penyimpanan sementara dan saat distribusi. (ASHRAE, 2003). Pendinginan menggunakan es blok ini kurang efektif untuk mendapatkan efek pendinginan yang merata dan kurang praktis untuk penempatan es tersebut. Untuk mengatasi kendala tersebut maka bentuk es blok diganti dengan bentuk es serut (ice planer), yang pada saat ini sudah banyak digunakan pada produk makanan, farmasi dan obat-obatan.
Agar dapat menghasilkan es serut dalam jumlah banyak biasanya es blok dari produk mesin freezer dibawa ke mesin penyerut es tersendiri sehingga diperlukan energi untuk transportasi dari mesin freezer ke mesin penyerut es sehingga tidak efisien. Cara mengatasi permasalahan ini bisa dirancang pembuatan Model Mesin Refrigerasi Penghasil Es Serut. Pada model ini akan memadukan mesin freezer dengan mesin serut secara compact ,sehingga menjadi satu mesin yang keluaran produknya langsung berupa es serut (ice planer). Model mesin refrigerasi terpadu dengan keluaran produk es dalam bentuk serutan kapasitas
produksinya masih dalam kapasitas kecil atau kapasitas laboratorium. Rancangan ini bisa ditindaklanjuti dengan pembuatan bangun modelnya, sehingga dapat diuji unjuk kerjanya.
PEMBAHASAN Batasan Rancangan
Untuk merancang model mesin refrigerasi penghasil es serut maka perlu dilakukan rancangan meliputi rancangan bentuk alat ,pemilihan bahan, perhitungan komponen dan pembuatan serta cara perakitan alat penghasil es serut. Batasan rancangan model mesin ini adalah untuk kapasitas es serut 1 kg/jam dengan bahan baku air suhu 300C menjadi es blok bersuhu -120C, refrigeran yang digunakan R-134a. Sistem refrigerasi pada model mesin penghasil es serut ini yang perlu dirancang adalah : - Beban pendinginan total
- Kompresor refrigeran hermatic untuk menaikan tekanan refrigeran ke kondensor dengan suhu kondensasi 480C.
- Evaporator jenis bar-tube, berfungsi sebagai penyerap energi panas dari air sehingga mampu membeku, dengan suhu evaporasi -170C Rancangan model mesin penghasil es dalam bentuk serutan dapat dilihat pada gambar 1 berikut : (Mohammad Romiyadi,dkk, 2011).
Gambar 1. Rancangan Model Mesin Penghasil Es Serut
Keterangan :
1. Rangka utama. 7. Liner
2. Sistem Refrigerasi 8.Dinding kompsit 3. Motor Listrik 9. Luncuran es 4. Reducer 10. Penyerut es 5. Dudukan Motor 11. Pemukul 6. Poros engkol 12. Klem liner
Prinsip Kerja
Mesin refrigerasi dihidupkan sampai kondisi tunak (steady state) yaitu pada evaporator mencapai suhu -170C. Bahan baku air bersuhu 300C dimasukan ke dalam liner, dan control pengatur waktu diseting 1 jam untuk menghidupkan motor listrik memutar poros engkol yang dapat mendorong es blok bersuhu -120C di dalam liner keluar ke luncuran es dan langsung meluncur ke tempat penyerut es sehingga menghasilkan es serut.
Analisis Rancangan Siklus Sistem Refrigerasi
Prinsip kerja mesin pendingin adalah siklus kompresi uap standar yang dikembangkan dari siklus Carnot. Fluida kerja atau refrigeran dalam sebuah mesin pendingin disirkulasikan di dalam saluran pipa-pipa. Tingkat keadaan refrigeran saat keluar dari evaporator atau masuk ke kompresor
diasumsikan uap jenuh. Refrigeran dikompresikan oleh kompresor dan keluar menuju kondensor mempunyai tingkat keadaan uap superheated. Di dalam kondensor terjadi proses kondensasi isotermal dengan melepaskan energi panas ke lingkungan. Saat keluar kondensor menuju katup ekspansi tingkat keadaan refrigeran diasumsikan cair jenuh. Di dalam katup ekspansi terjadi penurunkan tekanan secara entalpi konstan mengalir masuk ke dalam evaporator dengan tingkat keadaan campuran dua fasa. Proses evaporasi terjadi di dalam evaporator dengan menyerap energi panas lingkungannya, sehingga tingkat keadaan refrigeran keluar evaporator diasumsikan uap jenuh. (W.F.Stoecker,1992)
Gambar 2. Diagram Blok Sistem Refrigerasi Standar
Gambar 3. Diagram p-h Sistem Refrigerasi Standar
Dampak Refrigerasi Spesifik
Kemampuan evaporator menyerap energi panas disebut dampak refrigerasi atau refrigerant effect (RE), dan bila dibagi persatuan massa refrigerant menjadi dampak refrigerasi spesifik yang besarnya adalah : ( Kharagpur, 2008)
Qin= RE = h1 – h4 (kJ/kg) [1] Adapun h merupakan entalpi spesifik yang nilainya berdasarkan tingkat keadaannya masing-masing. Jika RE dikalikan dengan laju aliran massa refrigerant maka merupakan kapasitas (kW) pendinginan dari sistem refrigerasi.
Kerja Spesifik Kompresor
Untuk menaikan tekanan refrigerant tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2 dapat dihitung besarnya energy kerja spesifik kompresor yang dibutuhkan yaitu
WC = h1 – h2 (kJ/kg) [2] (Moran,M.J, Howard N. Shapiro,2006)
Beban Pendinginan
Besarnya beban refrigerasi atau beban pendinginan yang harus dihitung untuk merancang evaporator dan daya kompresor yang dibutuhkan. Perhitungan beban pendinginan antara lain adalah dimulai dengan besarnya beban produk, beban transmisi, beban ventilasi, dan beban infiltrasi.
Beban Produk
Air merupakan bahan baku dari es blok yang dihasilkan dari mesin refrigerasi dengan tinggkat keadaan kondisi awalnya adalah massa 1 kg, suhu 300C. Tingkat keadaan akhir yang hendak dicapai berupa produk es blok dengan suhu -120C. Persamaan yang digunakan untuk menghitung energy panas sensible dari air suhu 300C menjadi 00C dan es dari suhu 00C menjadi es -120C adalah: Qsensibel = m cair .∆T (kJ). [3]
Adapun cair adalah panas spesifik air 4,186 kJ/kg.K.
Untuk menghitung energy panas laten yaitu perubahan fasa cair ke fasa padat dari air bersuhu 00C menjadi es 00C, persamaan yang digunakan adalah:
Qlaten= m x energy panas laten air (kJ), sedangkan
besarnya energy panas laten spesifik air membeku adalah 334 kJ/kg. Dari perhitungan persamaan tersebut di atas didapatkan beban produk adalah Qproduk= Qsensibel+ Qlaten= 484,876 kJ, jika waktu
yang dibutuhkan adalah 1 jam maka laju aliran energy atau daya yang dibutuhkan adalah 134,6 W. Beban Transmisi
Bagian dari beban pendinginan ini adalah aliran energi panas berasal dari lingkungan yang menembus pada sisi-sisi dinding komposit, yaitu 4 dinding sisi vertikal dan 2 dinding sisi horisontal. Dinding komposit direncanakan mempunyai 2 lapis terdiri dari kayu setebal 15 mm dan styrofoam tebal 40 mm, masing-masing mempunyai konduktivitas termal bahan (k1) sebesar 0.12 W/m.K dan k2 = 0.01
W/m.K.
Untuk menghitung laju perpindahan energi panas (pinerpan) pada 4 sisi dinding vertikal terlebih dahulu harus menentukan besarnya koefisien pinerpan konveksi sisi luar (ho) maupun dalam (hi)
dengan persamaan Nuselt Number sebagai berikut : (Frank P. Incropera,David P. DeWitt, 1996)
[4]
Persamaan Nuselt number untuk sisi dinding horisontal untuk dinding luar :
Nul = = 0,15 Ral 1/3 [5] Sedangkan untuk dinding dalamnya :
Nul = = 0,27 Ral¼ [6] Adapun Reyleigh Number (Ral) dihitung dengan :
[7] Untuk dinding luar Ts= 300C dan T∞= 350C,
sedangkan dinding dalam Ts= -120C dan T∞= -170C
berdasarkan suhu tersebut maka nilai sifat termodinamika β, α dan ν dapat dibaca pada tabel
Thermophysical Properties of Gases at
Atmospheric Pressure.
Nilai koefisien pinerpan konveksi ho dan hi
digunakan untuk mencari koefisien pinerpan total (U) :
[8]
Dari perhitungan tersebut diatas maka laju pinerpan yang mengalir melalui dinding-dinding komposit atau sebagai beban transmisi dapat dihitung dari perbedaan suhu lingkungan T∞,o= 350C dengan suhu
udara di ruang pendingin T∞,i= -170C dengan
persamaan: ( Kharagpur, 2008)
Q = U. A.(T∞,o - T∞,i) (Watt) [9] Jika dari data yang telah ditentukan dihitung dengan persamaan tersebut akan didapatkan beban transmisi sebesar :
Qtransmisi= Qtrns,vertical+ Qtrns,horizontal= 4,954 W
Beban Ventilasi (W.F.Stoecker,1998)
Beban pendinginan ini disebabkan adanya udara ingkungan yang masuk ke ruang pendingin melalui
lubang liner. Untuk menghitung laju pinerpannya adalah :
Qvent=
ρ
.v.cp.A (T∞,o - T∞,i) (kW) [10] Nilai cp udara = 1,0071 kJ/kg.K, kecepatan udaraditentukan v= 1,5 m/s, massa jenis udara = 1,151 kg/m3 dan diameter liner dipilih 100 mm, maka beban ventilasi akan didapatkan sebesar 10,773 W. Beban Infiltrasi
Adanya tutup liner yang digunakan untuk memasukan bahan baku air dan keluarnya es blok dari liner, maka akan terjadi pergantian sebagian udara lingkungan dengan udara dingin di dalam ruang pendingin, juga kemungkinan melalui celah-celah yang ada pada konstruksi sistem refrigerasi, sehingga bisa menambah beban pendinginan yang disebut dengan beban infiltrasi. Penghitungan beban infiltrasi menggunakan persamaan yang sama dengan beban ventilasi dan dikalikan dengan waktu pembukaan tutup liner, laju pinerpannya akan didapat dari pembagian dengan 3600 detik, maka beban infiltrasinya sebesar 14,24 W.
Beban pendingan total sistem refrigerasi ini adalah dengan menjumlahkan beban produk, beban transmisi, beban ventilasi dan beban infiltrasi, sehingga didapatkan sebesar 164,57 W.
Kebutuhan Daya Kompresor
Menentukan daya kompresor berdasarkan beban total pendingan, dengan tingkat keadaan yang telah ditentukan dalam rancangan ini maka dari persamaan [1] akan didapat dampak refrigerasi spesifik 118,79 kJ/kg dan laju aliran massa refrigerant 1,385x10-3 kg/s, jika dikalikan dengan hasil perhitungan dari persamaan [2] akan didapatkan daya kompresor refrigeran dengan jenis hermatic yang dibutuhkan sebesar 60,92 W. Panjang Pipa Evaporator
Agar evaporator mampu menyerap beban pendinginan pada system refrigerasi maka harus diperhitungkan luas permukaan perpindahan energy panas pada pipa evaporator. Diameter pipa evaporator dipilih yang ada di pasaran yang sesui dalam hal rancangan ini adalah pipa tembaga ½ inch. Diasumsikan seluruh panjang pipa menempel pada dinding luar liner yang berisi air, sehingga rangkaian termal secara seri terdiri dari tahanan termal konduksi air, tahanaan termal konduksi dinding liner, tahanan termal dinding pipa tembaga evaporator dan tahanan termal konveksi aliran refrigeran di dalam pipa evaporator. Untuk
menentukan besarnya koefisien pinerpan konveksi aliran refrigeran di dalam pipa digunakan persamaan: (W.F.Stoecker,1992)
Nu =h.Do/k = 0,023(Re)0,8(Pr)0,4 [11] Sedangkan Reynold number (Re) adalah :
[12] Besarnya nilai Prand number (Pr) adalah:
[13] Dari persamaan [12], [13] dan [11] akan didapatkan nilai koefisien pinerpan konveksi aliran refrigeran di dalam pipa sebesar 8,63 W/m2.K. Nilai konduktivitas termal bahan k dari air, dinding silinder dan pipa tembaga diketahui berturut-turut 0,613 W/m.K, 60,5 W/m.K dan 401 W/m.K. Koefisien pinerpan total dengan acuan diameter luar pipa Uo nilainya ditentukan dengan menggunakan persamaan [8] yaitu sebesar 4,863 W/m2.K. Luas permukaan pinerpan pada pipa evaporator ditentukan berdasarkan beban pendingan dengan persamaan [9], sehingga didapat Ao=0,1217 m2, dari nilai luas ini maka panjang pipa evaporator dihitung sebesar 6,11 m.
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian dari pendahuluan dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut: - Model mesin es serut ini memadukan mesin
freezer dengan mesin serut secara compact ,sehingga menjadi satu mesin yang keluaran produknya langsung berupa es serut (ice planer). - Batasan rancangan model mesin ini untuk kapasitas es serut 1 kg/jam dengan bahan baku air suhu 300C menjadi es blok bersuhu -120C, refrigeran yang digunakan R-134a.
- Rancangan Sistem refrigerasi pada model mesin es serut ini meliputi perhitungan:
a. beban pendinginan total didapat sebesar 164,57 W.
b. kompresor refrigeran hermatic untuk menaikan tekanan refrigeran ke kondensor dengan suhu kondensasi 480C membutuhkan daya 60,92 W.
c. evapotator jenis bar-tube, berfungsi sebagai penyerap energi panas dari air sehingga mampu membeku, dengan suhu evaporasi -170C, dibutuhkan pipa tembaga diameter ½”, panjang pipa evaporator 6,11 m.
DAFTAR PUSTAKA
ASHRAE, 2003, The Design Contruction And Operation of Sustainable Building, Ashrae INC, Boston
Frank P. Incropera,David P. DeWitt, 1996, Introduction to Heat Transfer, 3nd edition John Wiley & Son, New York, Kharagpur, 2008, Refrigeration And Air
Conditioning, EE IIT, New Delhi Mohammad Romiyadi,dkk, 2011, Model Mesin
Penghasil Serbuk Es Berkapasitas 1
Kg/Jam Memadukan Prinsip Mesin Pendingin Dan Mesin Penghancur Es, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin, Polines, Semarang.
Moran,M.J, Howard N. Shapiro,2006,
Fundamentals of Engineering
Thermodynamics, 5nd edition, John Wiley & Son, New York.
Stocker Wilbert F., 1998, Refrigeration And Air Conditioning, McGraw-Hill,Inc,Sydney.
