PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE

PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE PADA KAPAL PENANGKAP IKAN DENGAN CHILLER WATER REFRIGERASI ABSORPSI

MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH3-H2O)

Nama Mahasiswa : Radityo Dwi Atmojo NRP : 2108 100 613

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng

PENDAHULUAN

Penggunaan balok es pada palka kapal nelayan ikan untuk mempertahankan kesegaran ikan dalam setiap pelayaran yang dilakukan nelayan kurang efisien dan kurang praktis. Sehingga penulis merancang cold storage untuk mengganti penggunaan balok es. Permasalahan yang akan dibahas dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah mengenai perancangan beserta analisa performansi cold storage untuk ikan. Disamping itu akan direncanakan (design) pula evaporator untuk chiller water sebagai media pendingin pada cold storage.

DASAR TEORI 1. Beban Pendinginan

Beban pendinginan merupakan jumlah energi panas yang harus dikeluarkan dari dalam ruangan oleh mesin pendingin untuk mendapatkan kondisi ruangan yang diinginkan.

Berdasarkan jenisnya, beban pendinginan dibedakan menjadi dua yaitu beban eksternal dan beban internal. Beban eksternal adalah beban kalor yang masuk dari luar ruangan ke dalam ruangan yang terdiri dari beban transmisi melalui dinding luar, atap, dan kaca, beban radiasi matahari melalui kaca, beban infiltrasi, dan beban ventilasi.

Sedangkan beban internal ialah beban kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu sendiri. Beban ini terdiri dari beban partisi, beban penerangan, beban penghuni, dan beban peralatan. Sebagai ilustrasi, dapat dilihat pada Gambar 2.6 yang merupakan contoh beban pendinginan diruang palka ikan.

Gambar 2.6 Ilustrasi Beban-beban Pendinginan

1.1 Beban Infiltrasi

Beban ventilasi terjadi karena udara segar dimasukkan ke dalam ruangan yang dikondisikan untuk keperluan tambahan oksigen. Sedangkan beban infiltrasi terjadi karena adanya udara luar yang masuk ke dalam ruangan melalui celah-celah pintu, jendela, dinding, plafon, dan lain sebagainya atau pada saat pintu dan jendela terbuka.

Udara luar yang masuk melalui ventilasi maupun infiltrasi akan menjadi beban pendinginan tambahan bagi ruangan yang dikondisikan. Namun untuk kasus udara ventilasi biasanya adalah udara luar yang sengaja dimasukkan melalui unit pengkondisian udara (Air Handling Unit/Fan Coil Unit) sehingga menjadi beban koil/penukar kalor pada unit pengkondisian udara tersebut.

Beban yang berasal dari udara luar dapat dibedakan menjadi dua, yaitu beban sensible yang berhubungan dengan proses penurunan temperatur dan beban laten ya n g l e b i h b e rk a i t a n d e n ga n p e n g e m b u n a n s e b a g i a n u a p a i r y a n g t e r k a n d u n g ( p e n g u r a n g a n kelembaban). Beban-beban ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑞𝑞𝑖𝑖+ 𝑞𝑞𝑖𝑖 ... (2.3)

• Beban sensibel dari udara luar (𝑞𝑞𝑖𝑖)

𝑞𝑞_𝑖𝑖 = 𝑄𝑄 × 𝜌𝜌 × 𝐶𝐶_𝑝𝑝 × ∆𝑇𝑇 ... (2.4)

• Beban laten dari udara luar (𝑞𝑞_𝑖𝑖)

𝑞𝑞𝑖𝑖 = 𝑄𝑄 × 𝜌𝜌 × ℎ𝑖𝑖𝑓𝑓 × ∆𝑊𝑊 ... (2.5) Dimana :

Beban Produk Beban Infiltrasi

Beban Transmisi

𝑄𝑄 = Laju aliran volumetric udara (m³/s) 𝜌𝜌 = massa jenis (kg/m³)

𝐶𝐶_𝑝𝑝 = panas spesifik (J/(kg.K)) ℎ𝑖𝑖𝑓𝑓 = panas laten (J/kg)

∆𝑇𝑇 = perubahan temperatur (^oC)

∆𝑊𝑊 = rasio kelembaban (kg^v/kgda)

1.2 Beban Transmisi

Beban transmisi adalah panas/kalor yang masuk kedalam ruang yang didinginkan melalui permukaan. Pada ruang cold storage ini, beban konduksi kedalam ruangan banyak yang melewati dinding, atap, lantai, dan pintu.

Beban transmisi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6.

𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑈𝑈 ∙ 𝐴𝐴 ∙ 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑇𝑇𝐶𝐶 ... (2.6) Dimana :

𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = beban transmisi, (Watt)

𝑈𝑈 = koefisien konduktifitas overall, (Watt/ m².K) A = luas permukaan perpindahan panas, (m²) CLTD = Cooling Load Temperatur Difference, (K)

Gambar 2.7 Sirkuit Thermal melalui Material Cold Storage

𝑈𝑈 =_𝑅𝑅 ¹

𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖∙𝐴𝐴 = 1 ¹

ℎ1+^𝐶𝐶1_𝑘𝑘1+_𝑘𝑘2^𝐶𝐶2+^𝐶𝐶3_𝑘𝑘3+_ℎ0¹ ... (2.7) Dimana :

𝑅𝑅_{𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖} = hambatan thermal (m².K/W)

𝑘𝑘 = konduktivitas thermal (W/m.K) ℎ = koefisien konveksi (W/m².K)

𝐶𝐶 = panjang laluan perpindahan panas (W/m.K)

Dalam perancangan Tugas Akhir ini, posisi dinding bagian atas dari cold storage dipengaruhi oleh panas radiasi.

1.3 Beban Produk

Beban pendinginan produk adalah kalor yang dihasilkan oleh produk pada saat didinginkan. Karena pada saat produk dimasukkan ke ruang pendinginan (cold storage), suhu yang lebih tinggi dari suhu ruang pendinginnya tadi akan menjadi beban pendinginan didalam ruangan tersebut.

Besarnya daya pendinginan produk dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.9.

𝑄𝑄 = 𝑡𝑡 × 𝐶𝐶𝑝𝑝 × ∆𝑇𝑇 ... (2.8) Dimana :

Q = beban pendinginan produk sebelum suhu pembekuan (J) m = massa produk (kg)

𝐶𝐶𝑝𝑝 = panas spesifik (J/(kg.K))

∆𝑇𝑇 = perubahan temperatur (^oC)

𝑞𝑞𝑝𝑝𝑖𝑖𝑡𝑡𝑝𝑝𝑝𝑝𝑘𝑘 =_𝑖𝑖 ^𝑄𝑄

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑖𝑖𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ... (2.9) Dimana :

𝑞𝑞𝑝𝑝𝑖𝑖𝑡𝑡𝑝𝑝𝑝𝑝𝑘𝑘 = daya pendinginan yang berasal dari produk (W)

𝑖𝑖𝑝𝑝𝑝𝑝𝑖𝑖𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = waktu pendinginan (s)

1.4 Total beban pendinginan

Beban pendinginan total adalah jumlah kalor dari keseluruhan beban pendingin yang terdapat di ruangan pendingin, yaitu beban transmisi, beban produk, dan beban infiltrasi. Beban total pendingin dapat dihitung dengan persamaan 2.10.

𝑞𝑞𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑞𝑞𝑝𝑝𝑖𝑖𝑡𝑡𝑝𝑝𝑝𝑝𝑘𝑘 + 𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 + 𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ... (2.10)

2. Analisa Luasan Penukar Kalor

Perancangan Heat Exchanger pada tugas akhir ini merupakan jenis shell and tube, dimana fluida panas berada pada sisi shell. Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan termal secara umum menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998).

Dasar dari perancangan termal ini adalah menentukan keseimbangan antara laju perpindahan massa dan perubahan temperatur fluida kerja sisi shell dan sisi tube dengan laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD, sehingga diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan.

Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell dan yang diterima oleh fluida pada sisi tube masing-masing dihitung dengan Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12:

𝑞𝑞_𝐶𝐶 = 𝑡𝑡̇_𝐶𝐶 𝐶𝐶_{𝑃𝑃𝐶𝐶} �𝑇𝑇_{ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖} − 𝑇𝑇_{ℎ𝑡𝑡𝑝𝑝𝑖𝑖}� ... (2.11) 𝑞𝑞_𝑅𝑅 = 𝑡𝑡̇_𝑅𝑅 ∙ (ℎ_{𝑖𝑖𝑖𝑖} − ℎ_{𝑡𝑡𝑝𝑝𝑖𝑖})... (2.12) Dengan,

𝑞𝑞𝐶𝐶 = Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell (kW) 𝑞𝑞𝑅𝑅 = Laju kalor yang diterima oleh fluida sisi tube (kW) 𝑡𝑡̇_𝐶𝐶 = Laju massa aliran fluida sisi shell (kg/s)

𝐶𝐶_{𝑃𝑃𝐶𝐶} = Panas spesifik fluida sisi shell (kJ/kgK) 𝑇𝑇_{ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖} = Temperatur fluida masuk sisi shell (K)

𝑇𝑇_{ℎ𝑡𝑡𝑝𝑝𝑖𝑖} = Temperatur fluida keluar sisi shell (K)

𝑡𝑡̇_𝑅𝑅 = Laju massa aliran fluida sisi tube (kg/s) ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖 = Enthalpy fluida masuk sisi tube (kJ/kg)

ℎ𝑡𝑡𝑝𝑝𝑖𝑖 = Enthalpy fluida keluar sisi tube (kJ/kg)

Dalam penukar kalor pada umumnya, laju perpindahan kalor yang dilepas fluida kerja yang bertemperatur lebih tinggi sama dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh fluida yang memiliki termperatur lebih rendah. Dan dimana besarnya laju perpindahan kalor didapatkan melalui perhitungan nilai pembebanan refrigerasi pada ruangan, yang didapatkan sebesar 𝑞𝑞_𝑝𝑝, sehingga:

𝑞𝑞_𝑝𝑝 ≈ 𝑞𝑞_𝐶𝐶 ≈ 𝑞𝑞_𝑅𝑅 ... (2.13)

Sedangkan, laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD dapat ditentukan dengan Persamaan 2.14 :

𝑞𝑞 = 𝑈𝑈 𝐴𝐴 ∆𝑇𝑇𝑖𝑖𝑡𝑡 ... (2.14) Dengan,

U = Koefisien perpindahan kalor total A = Luasan penukar kalor

∆𝑇𝑇𝑖𝑖𝑡𝑡 = LMTD

Besarnya dari koefisien perpindahan kalor total dihitung melalui persamaan 2.15.

𝑈𝑈 = _{𝑝𝑝𝑡𝑡} ¹

𝑝𝑝𝑖𝑖 ℎ𝑖𝑖+^{𝑝𝑝𝑡𝑡𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖}_{𝑝𝑝𝑖𝑖} +𝑝𝑝𝑡𝑡 ln �𝑝𝑝𝑡𝑡 𝑝𝑝𝑖𝑖⁄ �

2𝑘𝑘 +𝑅𝑅𝑖𝑖𝑡𝑡+_ℎ𝑡𝑡¹ ... (2.15) Dimana :

𝑝𝑝_𝑡𝑡 = diameter luar tube (m) 𝑝𝑝𝑖𝑖 = diameter dalam tube (m)

ℎ𝑖𝑖 = perpindahan kalor pada sisi tube (W/m²K) ℎ_𝑡𝑡 = perpindahan kalor pada sisi shell (W/m²K) 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖 = fouling resistence pada sisi tube (m²K/W) 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑡𝑡 = fouling resistence pada sisi shell (m²K/W)

Dengan besarnya perpindahan panas pada masing-masing sisi dipengaruhi oleh bilangan nusselt (𝑁𝑁𝑝𝑝) dan diameter (d). Menurut persamaan 2.16.

ℎ =^{𝑁𝑁𝑝𝑝∙ 𝑘𝑘}_𝑝𝑝 ... (2.16) Dimana :

k = konduktifitas panas fluida (W/mK)

Dalam kasus ini, ditentukan perancangan metode LMTD dengan penukar kalor counter flow, yang dihitung berdasarkan grafik pada gambar 2.8.

∆T1

∆T2 Th1

Th2

Tc2 Tc1

Luasan Penukar Kalor yang diperlukan

Temperatur

Gambar 2.8 Grafik temperatur fluida kerja pada penukar kalor counter flow

Dimana, 𝑇𝑇𝐶𝐶₁ = 𝑇𝑇𝐶𝐶₂ = 𝑇𝑇𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖, hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh sistem evaporasi.

Dengan persamaan sebagai berikut :

∆𝑇𝑇_{𝑖𝑖𝑡𝑡} =^∆𝑇𝑇_ln^{1−∆𝑇𝑇}_∆𝑇𝑇1²

∆𝑇𝑇2

... (2.17)

∆𝑇𝑇𝑖𝑖𝑡𝑡 di atas merupakan nilai LMTD untuk penukar kalor counter flow yang memerlukan faktor koreksi LMTD, sehingga persamaan menjadi :

𝑞𝑞 = 𝑈𝑈 𝐴𝐴 ∆𝑇𝑇𝑖𝑖𝑡𝑡 𝐹𝐹 ... (2.18) Dimana,

F = faktor koreksi LMTD untuk penukar kalor shell and tube satu laluan sisi shell dan laluan sisi tube genap, ditentukan dengan grafik faktor koreksi LMTD

Gambar 2.9 Faktor koreksi shell and tube heat exchanger dengan jumlah laluan shell, satu dan jumlah laluan tube, kelipatan dua.

Diperolehnya nilai koefisien perpindahan kalor, LMTD, dan faktor koreksi LMTD, maka dapat diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan.

3. Daya Pompa

Dalam Tugas Akhir ini digunakan rumus umum dalam pencarian daya pompa, yaitu :

𝐵𝐵𝐵𝐵𝑃𝑃 = 𝛾𝛾 ∙ 𝑄𝑄 ∙ 𝐵𝐵𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖... 2.19

Dimana,

𝛾𝛾 = berat jenis fluida (N/m³) 𝑄𝑄 = debit aliran fluida (m³/s)

𝐵𝐵_{𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖} = Head effektif pompa (m), yang dipengaruhi oleh head kedalaman (𝐵𝐵_𝑧𝑧) dan head loss

(𝐵𝐵𝑖𝑖)

Untuk pencarian head loss pompa (𝐵𝐵𝑖𝑖) dilakukan melalui pressure drop total yaitu :

𝐵𝐵_𝑖𝑖 =^∆𝑃𝑃_𝛾𝛾^{𝑖𝑖𝑡𝑡𝑖𝑖}... 2.20

Presure drop total yang ada pada instalasi cold storage, dipengaruhi oleh : 1. Pressure Drop Komponen

∆𝑃𝑃𝑘𝑘𝑡𝑡𝑡𝑡𝑝𝑝 = 4𝑖𝑖^{𝜌𝜌𝑈𝑈}₂²∑ �^𝐶𝐶_𝐶𝐶^𝑝𝑝

𝑖𝑖�... 2.21

Dengan,

𝑖𝑖 = faktor gesek Fanning

𝑖𝑖 = 0.046 ∙ 𝑅𝑅𝑝𝑝^−0.2, untuk 3 × 10⁴ < 𝑅𝑅𝑝𝑝 < 10⁶... 2.22 𝑖𝑖 = 0.079 ∙ 𝑅𝑅𝑝𝑝^−0.25, untuk 4 × 10³ < 𝑅𝑅𝑝𝑝 < 10⁵ ... 2.23

𝜌𝜌 = massa jenis fluida (kg/m³) 𝑈𝑈 = kecepatan aliran (m/s)

𝐶𝐶_𝑝𝑝

𝐶𝐶_𝑖𝑖 = panjang equivalent terhadap diameter pipa, yang didapatkan melalui tabel Equivalent in pipe diameter of various valve and fittings (lampiran)

2. Pressure Drop Pipa

Untuk Pressure drop dari pipa, perumusan secara umum sama dengan Pressure drop dari komponen, namun tidak dipengaruhi oleh panjang equivalent melainkan panjang dari tube yang terpasang, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

∆𝑃𝑃𝑝𝑝𝑖𝑖𝑝𝑝𝑖𝑖 = 4𝑖𝑖 �_𝑝𝑝^𝐶𝐶

𝑖𝑖�^{𝜌𝜌𝑈𝑈}₂²... 2.24

3. Pressure Drop Chiller Water

Pressure drop ini merupakan pressure drop yang dalam Tugas Akhir ini berada dalam sisi Shell, sehingga :

∆𝑃𝑃𝑖𝑖 =^{𝑖𝑖∙𝐺𝐺𝑖𝑖2∙(𝑁𝑁}_2D^{𝑏𝑏+1)∙𝐶𝐶𝑖𝑖∙𝑣𝑣}

e𝜙𝜙_𝑖𝑖 ... 2.25

Dengan,

𝑖𝑖 = exp(0.576 − 0.19 ln 𝑅𝑅𝑝𝑝) ... 2.26 𝜙𝜙_𝑖𝑖 = �_𝜇𝜇^{𝜇𝜇𝑏𝑏}

𝑤𝑤�^0.14... 2.27 𝐺𝐺𝑖𝑖 = mass flux sisi Shell (kg/m²s)

𝑁𝑁_𝑏𝑏 = Jumlah tube

𝐶𝐶_𝑖𝑖 = Diameter internal shell (m) De = Diameter Equivalent (m) 𝑣𝑣 = volume spesifik (m³/kg)

3. Performansi melalui Lumped Capacitance Method

Dalam Tugas Akhir ini, analisa performansinya sebatas dari pengaruh pembebanan ikan berdasarkan perancangan cold storage terhadap waktu dan temperatur pendinginan. Sehingga

dipilih penggunaan lumped capacitance method untuk mengetahui gejala dari perancangan cold storage ini.

KESIMPULAN

1. Estimasi nilai beban panas dari pendinginan ikan pada cold storage, ditunjukkan pada Tabel 5.1 di bawah ini :

Tabel 5.1 Hasil Analisa Pembebanan Cold Storage

ITEM SATUAN NILAI

JENIS PEMBEBANAN

Transmisi Watt 2652.79

Infiltrasi Watt 105.6

Produk kJ 1358191.2

WAKTU PENDINGINAN PRODUK Time (beban ikan = 10 ton) jam 6.73

2. Hasil perancangan thermal chiller water dan daya pompa ditampilkan pada Tabel 5.2 di bawah ini :

Tabel 5.2 Hasil Perancangan Chiller Water dan Perhitungan Daya Pompa

ITEM SATUAN NILAI

Chiller Water

Diameter Eksternal tube (d_o) m 0.03175

in 1.25

Tebal Tube m 0.004572

in 0.18

Tube Gauge BWG 7

Jumlah Tube (Nt) tube 162 Jumlah Laluan (Np) pass 8 Diameter Shell (Ds) m 0.635

in 25

Pitch size (Pt) m 0.0396875 in 1.5625 Jarak antar Baffle (B) m 0.1

Pressure drop shell Pa 1479.9848 Pressure drop tube Pa 763.44385

Panjang Tube (L) m 1.54

ITEM SATUAN NILAI

Pompa

Pressure drop komponen Pa 41.9

Pressure drop pipa Pa 162.4

Pressure drop heat exchanger Pa 1479.9848 Pressure drop total Pa 1684.3

Head kedalaman m 2.5

Head loss m 0.17

Head effektif (H_eff) m 2.67 Debit aliran (Q) m³/s 0.0019111 Break Horse Power (BHP) Watt 51.2

3. Hasil dari analisa performansi adalah sebagai berikut :

a. Pada saat nelayan istirahat, penggunaan sistem palka (Balok Es) untuk kondisi cold storage penuh menghasilkan temperatur akhir yang lebih rendah dari penggunaan sistem cold storage. Terlihat pada tabel berikut :

Tabel 5.3 Perbandingan temperatur akhir penggunaan sistem cold storage dengan sistem palka sewaktu nelayan istirahat

Temperatur akhir setelah selesai istirahat (^oC) cold storage palka

hari pertama 4.07 17.63

hari ke-14 2.88 -0.70

b. Penambahan ikan di setiap tangkapan mengakibatkan peningkatan temperatur cold storage tetapi temperatur tersebut cenderung menurun dari tangkapan sebelumnya. Terlihat pada tabel berikut :

Tabel 5.4 Penurunan temperatur pada saat setiap kali tangkapan Tangkapan Temperatur (^oC)

hari pertama hari ke-14

I 1.036 0.297

II 0.261 0.177

III 0.240 0.170

IV 0.237 0.169

c. Penambahan ikan dalam cold storage akan memperlambat laju pendinginan ikan.

Terlihat pada tabel 5.5 dibawah ini :

Tabel 5.5 Waktu pendinginan pada setiap tangkapan Temperatur Akhir (^oC) Untuk Pendinginan tiap 3 Jam

hari pertama hari ke-14

I 0.02 0.01

II 0.0 0.01

III 0.0 0.01

IV 0.0 0.01