ANALISA DAN UJI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI KONDENSOR KENDARAAN UNTUK PENUMPANG

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

EVANDER SARAGI NIM. 160401023

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2021

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang senantiasa melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Skripsi ini berjudul “ Uji Eksperimental Performansi Alat Penukar Kalor Jenis Kondensor Kendaraan Berkapasitas Mesin 1800 cc ”. Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing.

Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih kepada :

1. Orang tua yang tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, keringat, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Terang U.H.S.G Manik, ST, MT selaku dosen pembimbing yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, MT selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

4. Bapak Terang U.H.S.G Manik, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

6. Saudara-saudara penulis atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis.

7. Sahabat saya Rasyid Pratama dan Nazarul Abrar selaku rekan skripsi dalam menghadapi setiap masalah yang ada.

8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2016, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang.

Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Terima kasih.

Medan, Juni 2021 Penulis,

Evander Saragi NIM. 160401023

ABSTRAK

Kenyamanan dan kesejukan dalam berkendara khususnya pada mobil sangat diperlukan. Berbagai cara dan upaya yang dilakukan manusia sehingga kenyamanan berkendara dicapai. Salah satu cara yang lebih efektif untuk mendapatkan kenyamanan didalam mobil yaitu dengan memasang pengkondisian udara (air conditioning). Pemformansi system air conditioning sangat dipengaruhi oleh kerja kompresor. Sehingga tekanan kerja kompresor (suction) sangat berperan pada pemformansi system air conditioning yang berdampak bagi kerja kompresor, daya kompresor, dampak refrigasi, efficiency isentropis dan coefficient of performance (COP) dari system AC mobil khususnya pada AC mobil Toyota Kijang LGX 1800 cc. Berdasarkan hasil analisis dapat disimpulkan, bahwa perbandingan koefisien perpindahan panas menyeluruh terjadi pada laju aliran udara 2,871687 m³/s – 4,700423 m³/s, dimana sisi udara Uc = 1055,89 W/m²K – 1162,11 W/m²K yang terbesar. Begitu juga sisi freon Uc = 143,44 W/m²K - 533,53 W/m²K yang terbesar. Dimana pada kondisi ini memiliki koefisien perpindahan panas menyeluruh cukup besar dan perbandingan efektivitas yang menyesuaikan dengan kondisi suhu juga laju aliran. Dalam kondisi ini, secara experimental temperatur suhu keluar outlet kondensor lebih tinggi ±12 ^oC, sedangkan temperatur suhu keluar menggunakan freon lebih rendah ± 17 ^oC

Kata kunci : Alat Penukar Kalor, Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh, Performansi, Radiator Kendaraaan Berkapasitas Mesin 1800 cc

ABSTRACT

Comfort and coolness in driving, especially in cars, is very necessary. Various ways and efforts made by humans so that driving comfort is achieved. One of the more effective ways to get comfortable in the car is to install air conditioning. The performance of the air conditioning system is strongly influenced by the compressor work. So that the working pressure of the compressor (suction) plays a very important role in the formation of the air conditioning system which has an impact on compressor work, compressor power, refrigeration impact, isentropic efficiency and coefficient of performance (COP) of the car air conditioning system, especially on the Toyota Kijang LGX 1800 cc car air conditioner. Based on the results of the analysis, it can be concluded that the overall heat transfer coefficient ratio occurs at an air flow rate of 2.871687 m3/s – 4.700423 m3/s, where the air side Uc = 1055.89 W/m2K – 1162.11 W/m2K which biggest. Likewise, the freon side Uc = 143.44 W/m2K - 533.53 W/m2K is the largest. Where in this condition has a fairly large overall heat transfer coefficient and an effectiveness ratio that adjusts to temperature conditions as well as flow rate. In this condition, experimentally, the condenser outlet outlet temperature is ±12 oC higher, while the freon outlet temperature is ±17 oC lower.

Keywords : Heat Exchanger, Overall Heat Transfer Coefficient, Performance, Vehicle Radiator with 1800 cc Engine Capacity

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR NOTASI ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Batasan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Metodologi Pengumpulan Data ... 4

1.6 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Perpindahan Kalor ... 5

2.1.1 Perpindahan kalor konduksi ... 5

2.1.2 Perpindahan kalor konveksi ... 6

2.1.3 Perpindahan kalor radiasi ... 7

2.2 Refrigerant (Klorofluorokarbon) ... 8

2.2.1 Jenis senyawa refrigerant ... 8

2.3 Analisa Laju Aliran Fluida pada Venturimeter ... 10

2.4 Alat Penukar Kalor Kompak ... 11

2.5 Konstruksi Kondensor ... 15

2.6 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 17

2.6.1 Analisa perpindahan panas ... 20

2.7 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 26

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 26

3.2 Alat dan Bahan ... 26

3.3 Perangkat Lunak ... 34

3.4 Prosedur Pengujian ... 36

3.5 Analisa Data ... 37

3.6 Metode Pelaksanaan Penelitian ... 38

BAB IV ANALISA HASIL PENELITIAN ... 39

4.1 Data Hasil Penelitian ... 39

4.2 Analisa Perhitungan Laju Aliran Fluida pada Venturimeter ... 40

4.3 Analisa Perhitungan Secara Eksperimen ... 41

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 56

5.1 Kesimpulan ... 56

5.2 Saran ... 56

DAFTAR PUSTAKA ... 57

LAMPIRAN ... 59

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Dimensi kondensor Toyota Kijang LGX 1800 cc ... 26

Tabel 3.2 Tabulasi hasil pengujian... 37

Tabel 4.1 Data hasil pengujian pada laju aliran udara konstan = (0,23079 m³/s) ... 39

Tabel 4.2 Data hasil pengujian udara + Refrigerant 134-A 40 Tabel 4.3 Laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor ... 40

Tabel 4.4 Sifat udara kondensor pada 𝑇̅𝑐 1 = 350,04 K ... 45

Tabel 4.5 Sifat udara pada Venturi T̅_{𝑐 2} = 302,56 K ... 45

Tabel 4.6 Sifat udara kondensor pada T̅_{𝑐 1}= 310,85 K ... 45

Tabel 4.7 Sifat udara kondensor pada 𝑇̅𝑐 2 = 350,04 K ... 45

Tabel 4.8 Hasil perhitungan pada setiap variasi laju aliran udara secara eksperimen ... 53

Tabel 4.9 Hasil perhitungan pada setiap variasi laju aliran udara dan refrigerant... 53

Tabel 4.10 Perbandingan temperatur kedua fluida antara eksperimen dengan tambahan gas refrigerant ... 54

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan kalor konduksi ... 6

Gambar 2.2 Perpindahan kalor konveksi ... 6

Gambar 2.3 Perpindahan kalor radiasi ... 7

Gambar 2.4 Siklus kompresi uap Diagram p - h ... 9

Gambar 2.5 Diagram T – X Campuran ... 10

Gambar 2.6 Venturimeter... 10

Gambar 2.7 Susunan pelat sirip ... 12

Gambar 2.8 Bentuk sirip untuk alat penukar kalor pelat-sirip: (a) sirip rata segitiga; (b) sirip rata segiempat; (c) sirip bergelombang; (d) sirip offset strip; (e) sirip multilouver; (f) sirip perforated ... 13

Gambar 2.9 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat ... 14

Gambar 2.10 Pipa tunggal bersirip... 14

Gambar 2.11 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal ... 14

Gambar 2.12 Kontruksi kondensor ... 15

Gambar 2.13 Pipa inlet kondensor ... 15

Gambar 2.14 Pipa Outlet kondensor ... 16

Gambar 2.15 Sirip – sirip kondensor ... 16

Gambar 2.16 Saluran pipa kondensor ... 17

Gambar 2.17 Geometri Kondensor ... 18

Gambar 2.18 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada kondensor ... 22

Gambar 3.1 Kondensor Toyota Kijang LGX 1800 cc ... 26

Gambar 3.2 Thermocouple type J dan K ... 27

Gambar 3.3 Anemometer ... 28

Gambar 3.4 Data akuisisi temperatur ... 28

Gambar 3.5 Blower ... 29

Gambar 3.6 Inverter ... 30

Gambar 3.7 Saluran udara dan venturimeter... 30

Gambar 3.8 Blower Keong ... 31

Gambar 3.9 Selang Karet ... 31

Gambar 3.10 Refrigerant cair ... 32

Gambar 3.11 Pressure Gauge Single Manifold ... 32

Gambar 3.12 Selang R22 ... 33

Gambar 3.13 Hair Dryer ... 33

Gambar 3.14 Box ... 33

Gambar 3.15 Software DAQami ... 34

Gambar 3.16 Desain 2D ... 35

Gambar 4.1 Distribusi suhu kondensor secara ekseperimen ... 44

Gambar 4.2 Perbandingan temperature udara masuk dan keluar kondensor ... 54

Gambar 4.3 Perbandingan temperature udara masuk dan keluar Gas refrigerant kondensor ... 55

DAFTAR NOTASI

NOTASI KETERANGAN SATUAN

𝐴 Luas bidang perpindahan panas m²

𝐴_{𝑓𝑟,𝑐} Luas frontal m²

𝐴_{𝑓𝑓,𝑐} Luas bebas alir udara m²

𝐴_𝑡,𝑜 Luas permukaan luar pipa m²

𝐴_𝑓 Luas permukaan sirip m²

𝐴_𝑐 Luas perpindahan panas sisi udara m²

𝐶_𝑐 Kapasitas kalor udara W/K

𝐶_𝑚𝑎𝑥 Kapasitas kalor maksimum W/K

𝐶_𝑚𝑖𝑛 Kapasitas kalor minimum W/K

𝐶_𝑟 Rasio kapasitas kalor -

𝑐_𝑝,𝑐 Kalor jenis udara J/kg.K

𝑇_𝑤,𝑜 Diameter luar pipa m

𝑇_𝑤,𝑖 Diameter dalam pipa m

𝐷_ℎ𝑡 Diameter hidrolik pipa m

𝐷_ℎ𝑓 Diameter hidrolik sirip m

𝐹_𝑙 Panjang sirip m

𝐹_𝑡 Ketebalan sirip m

𝐹_𝑤 Lebar sirip m

𝐹_𝑝 Pitch sirip m

𝑓 Frekuensi blower Hz

𝐺 Kecepatan massa kg/m².s

𝐻 Tinggi inti kondensor m

ℎ Koefisien perpindahan panas konveksi W/m².K

𝑘 Konduktivitas termal bahan W/m.k

𝑘_𝑐 Konduktivitas termal udara W/m.k

𝑘_𝑓 Konduktivitas termal sirip W/m.k

𝑘_𝑡 Konduktivitas termal pipa W/m.k

𝐿 Panjang alir udara m

𝐿_𝑝 Pitch louver m

𝐿_𝑙 Panjang louver m

𝐿_ℎ Tinggi louver m

𝐿_𝑡 Panjang pipa m

𝑚̇_𝑐 Laju aliran massa udara kg/s

𝑚 Parameter sirip -

𝑁_𝑡 Jumlah pipa -

𝑁_𝑓 Jumlah baris sirip -

𝑁_𝑝,𝑓 Jumlah puncak sirip / baris -

𝑁_𝑓/𝑏 Jumlah sirip perbaris -

𝑁𝑢_𝑐 Bilangan Nusselt sisi udara -

𝐿𝑀𝑇𝐷 Log Mean Temperature Difference -

𝑃𝑟_𝑐 Bilangan Prandl sisi udara -

𝑄 Debit m³/s

𝑄_𝑐 Debit udara m³/s

𝑞 Laju perpindahan panas W

𝑞_𝑚𝑎𝑥 Laju perpindahan panas maksimum W

𝑞_𝑐 Laju perpindahan panas sisi udara W

𝑅𝑒_𝐿𝑝 Bilangan Reynold sisi udara -

𝑅_𝑡𝑜𝑡 Tahanan termal total K/W

𝑅_{𝑡𝑤𝑎𝑙𝑙} Tahanan termal dinding pipa K/W

𝑅_{𝑡𝑆𝑛𝑃𝑏} Tahanan termal permukaan pateri K/W

𝑇_𝑤,𝑜 Lebar luar pipa m

𝑇_𝑤,𝑖 Lebar dalam pipa m

𝑇_𝑤 Lebar pipa m

𝑇_𝑝 Pitch pipa m

𝑇_𝑠 Temperatur permukaan plat ^oC atau K

𝑇_∞ Temperatur sekitar plat ^oC atau K

𝑇_{𝑐,𝑖 1} Temperatur udara masuk kondensor ^oC atau K

𝑇_{𝑐,𝑜 2} Temperatur udara keluar kondensor ^oC atau K

𝑇̅_𝑐 Temperatur udara rata-rata ^oC atau K

𝑈 Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m².K 𝑈_𝑐 Koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi udara W/m².K

𝑊 Lebar inti kondensor m

𝐸_𝑏 Penyimpangan kesetimbangan energi %

∆𝑃 Perbedaan tekanan Pa

𝜀 Efektivitas kondensor -

𝜂_𝑓 Efisiensi sirip tunggal -

𝜂_𝑜,𝑐 Efisiensi sirip menyeluruh -

𝜎 Konstanta Stefan-Blotzman W/m².K⁴

𝜌 Massa jenis fluida di dalam tabung aliran kg/m³ 𝜌_𝑐

̅̅̅ Massa jenis udara kg/m³

𝜗_𝑐

̅̅̅̅ Viskositas kinematik udara m²/s

𝜃 Sudut louver derajat

𝜆 Kekasaran dinding pipa m

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pengkondisian udara merupakan suatu proses pendinginan udara untuk mencapai temperatur dan kelembapan yang sesuai dengan persyaratan pada kondisi udara dari suatu ruangan tertentu. Sistem pengkondisian udara dalam hal ini sangat berperan penting, dimana hal ini terlihat semakin banyak digunakan perlengkapan diberbagai bidang perlengkapan manusia antara lain ruang kerja, bahkan pengkondisian udara diberbagai kendaraan yang semuanya bertujuan agar setiap orang yang berada dalam ruangan tersebut terasa merasa nyaman.

Dengan menggunakan alat pengkondisian udara yang terdapat didalam mobil, pengendara dapat menginginkan kondisi udara yang ada didalam kabin sesuai yang dikehendaki. Di kota – kota besar, dengan kondisi jalanan yang macet dan udara yang panas, AC (Air Conditioner) sangat diperlukan untuk mendapatkan kenyamanan berkendara. Karena jika tidak adanya pengkondisian udara, hal ini akan sangat berpengaruh pada perilaku saat dijalan. Selain memberikan kenyamanan dalam berkendara. AC mobil juga membantu pengendara saat berkendara dalam kondisi hujan, kaca mobil tidak berembun dan akan tetap menjadi bening. Sehingga tidak mengganggu pandangan mata saat berkendara.

Sistem pengkondisian udara adalah suatu proses pengkondisian udara dimana udara itu didinginkan, dikeringkan, dibersihkan dan disirkulasikan yang selanjutnya jumlah dan dan kualitas dari udara yang dikondisikan tersebut dikontrol. Dalam hal ini penggunaan pengkondisian udara bertujuan untuk menkondisikan suatu ruangan dimana terdapat control pengguna. Dalam melakukan fungsinya secara continue memerlukan sumber energi untuk menggerakkan kompresor agar dapat mengkompresikan aliran refrigerant yang berasal dari evaporator agar mencapai tingkat keadaan tertentu sehingga kemudian mampu melepaskan energi panasnya pada saat mengalami kondensasi kondensor. Mesin pengkondisian udara merupakan salah satu mesin konversi energi, konversi energi yang dilakukan oleh mesin pengkondisian udara adalah upaya untuk menghasilkan efek pendinginan, sehingga temperatur udara yang masuk dan keluar berbeda.

Kondensor merupakan komponen yang sangat penting dari kendaraan yang digunakan sebagai sistem pendingin, terutama kenyamanan dalam berkendara.

Pada sirkulasi Air Conditioner, umumnya udara adalah media perpindahan panas.

Untuk sistem pendingin ini, udara disekitar perangkat yang suhunya berbeda masuk melalui kinerja dari kompresor, kemudian udara yang panas didorong oleh fan kondensor menuju alat penukar kalor (Kondensor). Penambahan sirip merupakan salah satu pendekatan untuk meningkatkan laju pendinginan kondensor. Dan ini berfungsi untuk menyediakan area perpindahan panas yang lebih besar dan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi udara terbuka yang melewati kondensor. Mesin pendingin dapat memiliki kapasitas yang lebih baik sehingga menghasilkan keuntungan daya yang terjadi pada kenaikan suhu pada kondensor tetapi menurunkan kapasitas refrigerant.

Penelitian terkait kondensor telah banyak dilakukan diantaranya “Analisa Pemforma Sistem Air Conditioning Mobil tipe ET 450 dengan Variasi Tekanan Kerja Kompresor” yang dilakukan oleh Adi Purnawan dkk. Dimana pada peneltian ini bertujuan menganalisis untuk mendapatkan pemformasi pada masing – masing variasi tekanan kerja kompresor baik secara eksperimen. Beban pendingin yang lebih besar akan melepaskan suhu yang lebih besar ke udara, bahwasanya semakin besar laju pelepasan kalor yang dibuang oleh kondensor berpengaruh terhadap banyaknya kalor yang diserap oleh evaporator sehingga dampak refrigasi juga meningkat dengan demikian ruangan yang berkapasitas besar dan kondisi dalam ruangan yang berkapasitas besar dan kondisi dalam ruangan berpengaruh terhadap besar panas yang akan dikeluarkan juga oleh kondensor. Adi Purnawan dkk juga menjelaskan bahwa ketika tekanan kondensor meningkat maka suhu kondensor juga akan meningkat, mengingat tekanan berbanding lurus dengan suhu.

Oleh karena itu, keefektifan sebuah APK (Alat Penukar Kalor) yakni kondensor sangat penting untuk diperhatikan, mulai dari pengaruh laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor juga freon dengan perpindahan panas menyeluruh sisi udara (fluida dingin), pengaruh laju aliran udara terhadap efektivitas kondensor pada sirkulasi Air Conditioning serta laju aliran udara yang optimal terhadap penurunan temperatur pada kondensor. Dalam hal ini, penulis akan membahasnya secara terperinci terkait hal tersebut.

1.2 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu pengujian dilakukan dengan rencana awal data yang ditetapkan sebagai berikut:

1. Kondensor yang digunakan adalah Kondensor Kijang LGX 1800 cc.

2. Laju aliran udara divariasikan dengan 5 laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor yaitu dengan frekuensi blower 22 Hz, 27 Hz, 32 Hz, 337 Hz, dan 42 Hz

3. Debit udara yang masuk ke kondensor konstan yakni lpm (0,23079 m³/s), dengan temperatur 80 - 82 ⁰C.

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu sebagai berikut:

1. Mengetahui pengaruh laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor dengan perpindahan panas menyeluruh sisi udara (fluida dingin)

2. Mengetahui pengaruh laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor dengan efektivitas kalor kondensor yang dipakai pada kendaraaan berkapasitas mesin 1800 cc.

3. Membandingkan penurunan temperatur udara panas dan juga campuran dengan freon yang masuk juga saat keluar kondensor secara eksperimen.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini yaitu sebagai berikut:

1. Sebagai informasi dalam menentukan laju aliran udara yang optimal untuk mendinginkan udara yang melalui kondensor pada debit udara yang konstan yakni 5 laju aliran (0,23079 m³/s), dengan temperatur 80 - 82 ⁰C.

2. Sebagai penerapan dan pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang alat penukar kalor dari kondensor.

3. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada Laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.5 Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data dari penelitian ini yaitu sebagai berikut:

1. Studi Lapangan, dimana penulis melakukan pengamatan langsung dari alat penukar kalor (Kondensor Test) di Laboratorium dan Fasilitas Lantai 3 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

2. Study Literatur, dimana penulis melakukan kajian dari buku-buku yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas dalam skripsi ini.

3. Diskusi.

1.6 Sistematika Penulisan

Skripsi ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut:

• Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metode pengumpulan data, dan sistematika penulisan.

• Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan perpindahan kalor, alat penukar kalor kompak, konstruksi kondensor, analisa perpindahan panas pada kondensor, dan efektivitas alat penukar kalor.

• Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini berisikan waktu dan tempat penelitian, alat dan bahan, prosedur pengujian, analisa data, dan metode pelaksanaan penelitian.

• Bab IV : Analisa Hasil Penelitian

Bab ini berisikan data hasil penelitian dan perbandingan analisa perhitungan secara eksperimen.

• Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.

• Daftar Pustaka

Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun skripsi.

• Lampiran

Pada lampiran dapat dilihat tabel suhu saat pengujian untuk setiap debit.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) adalah perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material.

Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk menentukan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.1.1 Perpindahan kalor konduksi

Perpindahan kalor konduksi merupakan proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair, atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor tanpa diikuti perpindahan partikel/molekul benda tersebut. Perpindahan kalor dengan cara konduksi biasa terjadi pada jenis zat penghantar yang berbentuk padat, seperti besi saat dipanaskan lalu dipegang ujung yang lain, pasti lama kelamaan sisi ujung besi juga akan panas. Syarat terjadinya konduksi kalor suatu benda adalah adanya perbedaan suhu antara dua tempat pada benda tersebut. Persamaan yang digunakan dalam perpindahan kalor secara konduksi dikenal dengan persamaan Fourier [1].

𝑄 = 𝑘 . 𝐴 .^𝑑𝑇

𝑑𝑥…….

dimana :

Q = Energi Kalor (Watt)

k = Koefisien perpindahan konduksi kalor konduksi (W/mk) A = Luas Permukaan (m²)

𝑑𝑇

𝑑𝑥 = Gradien temperature (K/m)

Gambar 2.1. Perpindahan kalor konduksi [7]

2.1.2 Perpindahan kalor konveksi

Perpindahan kalor konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida. Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua, yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa/ eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection). Perhatikan perpindahan kalor konveksi seperti pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Perpindahan kalor konveksi [7]

Konveksi terbagi menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa.

Konveksi bebas terjadi karena fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakkan fluida tersebut lebih disebabkan oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut. Logikanya, kalau suhu fluida tinggi, tentunya dia akan menjadi lebih ringan dan mulai bergerak keatas. Sementara konveksi paksa terjadi karena bergeraknya fluida bukan karena alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower, dan sebagainya.

Pada perpindahan kalor konveksi akan berlaku hukum pendinginan Newton yaitu [5]:

𝑄 = ℎ 𝐴 (𝑇𝑠 − 𝑇^∞) Dimana :

Q = Energi Kalor (Watt)

h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2K) A = Luas permukaan (m2)

TS = Temperatur permukaan (K) T∞ = Temperatur Ambient (K)

2.1.3 Perpindahan kalor radiasi

Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan energi terjadi melalui bahan antara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah- daerah hampa. Mekanismenya di sini adalah sinaran atau radiasi elektromagntik.

Jadi radiasi merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet (atau photons). Untuk mempermudah pemahaman, perhatikan Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Perpindahan kalor radiasi [7]

2.2 Refrigerant (Klorofluorokarbon)

Salah satu komponen yang penting pada sistem AC adalah refrigerant atau juga sering disebut dengan refrigerant . Refrigerant yang digunakan pada sistem AC ini termasuk di dalam senyawa kimia yang tidak memiliki warna, tidak memiliki bau dan tidak mudah terbakar. Refrigerant adalah senyawa kimia atau gas yang biasanya digunakan sebagai fluida untuk menyerap beban pendingin dari alat pendingin, ruangan atau tempat-tempat lain yang ingin dikondisikan suhu udaranya.

Refrigerant pada sistem pendingin AC merupakan fluida yang mengalir di dalam sistem AC. Refrigerant berfungsi sebagai fluida yang digunakan untuk menyerap panas dari udara pada ruangan sehingga suhu di dalam ruangan tersebut menjadi bersuhu rendah atau dingin.

Siklus kerja refrigerant pada sistem AC ini adalah refrigerant akan ditekan oleh kompresor sehingga tekanan dan temperaturnya naik serta wujud refrigerant berubah menjadi gas, kemudian refrigerant dikirim ke kondensor yang berfungsi sebagai penyerap panas refrigerant sehingga wujud refrigerant akan berubah menjadi cair dengan tekanan dan temperatur yang masih tinggi. Setelah melewati kondensor, refrigerant akan menuju ke receiver dryer yang berfungsi untuk menyaring kotoran dan menyerap air yang terbawa oleh refrigerant agar tidak ikut bersirkulasi pada sistem AC. Setelah melewati receiver dryer kemudian refrigerant menuju ke katup ekspansi untuk dikabutkan dan diturunkan temperatur dan tekanannya. Setelah itu refrigerant menuju ke evaporator untuk menyerap panas pada udara sehingga temperatur udara menjadi dingin. Siklus tersebut terjadi berulang-ulang ketika sistem AC hidup.

2.2.1 Jenis Senyawa Refrigerant 1. Refrigerant Senyawa Halokarbon

Pada kelompok refrigerant senyawa halokarbon diturunkan dari hidrokarbon (HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propana (C3H8) dengan mengganti atom-atom hidrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl), fluor (F), atau brom (Br). Apabila seluruh atom hidrogen digantikan oleh atom Cl dan F maka refrigerant yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlorida, fluoride

dan karbon. Refrigerant ini disebut refrigerant chlorofluorocarbon (C5C). Apabila hanya sebagian saja dari atom hidrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrigerant yang sudah terbentuk dinamakan: hydrochlorofluorocarbon (HCFC).

Kemudian pada refrigerant halokarbon yang tidak mengandung atom khlorida dinamakan: hydrofluorocarbon (HFC). Berdasarkan penjelasan di atas refrigerant halokarbon bisa dituliskan sebagai berikut [9]:

𝐶𝑚, 𝐻𝑛, 𝐹𝑝 𝐶𝑙𝑞

Untuk senyawa halokarbon yang jenuh ditulis dengan (n + p + q) = 2m + 2, sedangkan untuk senyawa yang tidak jenuh ditulis dengan (n + p + q) = 2m.

Kemudian Disini:

• m adalah jumlah dari atom C

• n menyatakan jumlah dari atom H

• p menyatakan jumlah atom dari F, dan

• q menyatakan jumlah atom Cl.

2. Refrigerant Campuran Zeotropik

Pada refrigerant campuran zeotropik akan menguap dan mengembun pada temperatur yang berbeda, hal semacam ini akan menimbulkan terjadinya temperatur glide baik pada evaporator maupun pada kondensor. Maksudnya yaitu refrigerant akan mengalami perubahan fasa pada tekanan yang konstan namun temperatur nya akan terus berubah

Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap Diagram p – h [9]

3. Refrigerant Campuran Azeotropik

Kelompok refrigerant Azeotropik yaitu campuran refrigerant tak bereaksi yang tidak bisa dipisahkan dengan cara destilasi. Refrigerant Azeotropik ini pada konsentrasi, tekanan dan temperatur tertentu akan bersifat azeotropik.

Maksudnya yaitu akan mengembun dan menguap pada temperatur yang sama, ini mirip seperti pada refrigerant tunggal. Walaupun begitu pada kondisi (konsentrasi, temperatur atau tekanan) yang lain refrigerant yang ini bisa saja bersifat zeotropik.

Gambar 2.5 Diagram T – X Campuran [9]

2.3 Analisa Laju Aliran Fluida pada Venturimeter

Venturimeter dapat dipakai untuk mengukur laju aliran fluida, misalnya menghitung laju aliran air atau udara yang mengalir melalui pipa. Dan venturimeter juga dapat digunakan sebagai pengukur volume fluida yang mengalir tiap detik.

Gambar 2.6 Venturimeter [17]

Untuk menghitung laju aliran fluida pada bagian venturimeter dapat menggunakan persamaan menghitung debit sebagai berikut :

Luas permukaan

𝐴 = 𝜋 . 𝑟² (2.1)

sehingga,

𝑄 = 𝑉 . 𝐴

(2.2) 2.4 Alat Penukar Kalor Kompak

Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperatur yaitu fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah. Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida untuk pemanasan aliran fluida yang lain. Maka terjadi dua fungsi sekaligus yaitu memanaskan fluida yang dingin dan mendinginkan fluida yang panas [18] .

Secara bebas dapat diartikan, alat penukar kalor kompak merupakan salah satu yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas dengan kerapatan tinggi. Kerapatan tinggi yang dimaksud adalah rasio antara luas permukaan bidang yang mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar kalor. Namun hal tersebut bukan berarti alat penukar kalor kompak harus selalu memiliki dimensi dan massa yang kecil. Dengan pengertian yang sama, juga dapat ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700 m²/m³ [20]

Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak yang menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang lebih besar dari pada alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan sebagai fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan kerapatan permukaan perpindahan panasnya (β). Jenis konstruksi dasar yang digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah :

a. Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip pada satu atau lebih sisi-sisinya.

b. Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang kecil.

c. Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperature pada saat pengoperasian, pengotoran, kontaminasi fluida, dan pertimbangan produksi. Jenis yang umum digunakan pada alat penukar dengan permukaan yang ditambahkan adalah jenis pelat-sirip dan pipa-sirip. Pada alat penukar kalor jenis plat-sirip, sirip-sirip ini diapit oleh pelat secara paralel seperti yang ditampilkan oleh Gambar 2.5, terkadang sirip ini digabungkan dengan pipa yang bentuknya telah disesuaikan. Berikut ini yang tergolong dalam pelat-sirip adalah sebagai berikut:

a. Sirip lurus dan sederhana, misalnya sirip segitiga sederhana dan segiempat.

b. Sirip sederhana namun bergelombak (berombak).

c. Sirip bercelah, misalnya offset strip, louver, sirip berlubang, dan sirip pin.

Dengan memvariasikan panjang geometris dasar untuk setiap jenis permukaan plat-sirip adalah mungkin untuk memperoleh berbagai permukaan geometris spesifik. Walaupun pada umumnya kerapatan sirip antara 120-700 sirip/m, namun aplikasinya memungkinkan hingga 2100 sirip/m. Ketebalan sirip pada umumnya antara 0,05-0,25 mm. Ketinggian (puncak) sirip antara 2-20 mm.

Sebuah alat penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m² tiap meter kubiknya mampu ditempati sirip dengan kerapatan 600 sirip/m.

Adapun susunan dari pelat-sirip adalah sebagai berikut.

Gambar 2.7 Susunan pelat-sirip [2]

Gambar 2.8 Bentuk sirip alat penukar kalor: (a) sirip datar bentuk segitiga; (b) sirip datar bentuk segiempat; (c) sirip bergelombang; (d) offset strip fin; €

multilouver fin; (f) perforated fin [13]

Alat penukar kalor jenis pipa-sirip pada umumnya menggunakan pipa berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga terkadang digunakan. Penambahan sirip dapat digunakan pada sisi luar, dalam, atau luar dan dalam pipa, tergantung pada penggunaannya. Sirip-sirip tersebut digabungkan pada pipa dengan cara pengelasan, pematrian, penekanan (extrusion), tension winding. Beberapa jenis yang tergolong pipa dengan sirip pada sisi luar yaitu :

a. Sirip kontinyu pada susunan pipa yang terbagi lagi dalam sirip sederhana dan sirip bergelombang.

b. Sirip normal pada pipa tunggal, disebut juga sebagai pipa tunggal bersirip.

c. Sirip longitudinal pada pipa tunggal.

Khusus untuk sirip kontinyu, ciri-ciri untuk jenis ini adalah memeliki kerapatan sirip antara 300-600 sirip/m, ketebalan sirip antara 0,1-0,25 mm, panjang alir sirip antara 25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m²/m³ pada 400 sirip/m.

Gambar 2.9 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat [20]

Gambar 2.10 Pipa tunggal bersirip [20]

Gambar 2.11 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal [20]

2.5 Kontruksi Kondensor

Sistem pendingin digunakan untuk membuang panas yang berlebihan dan menjaga suhu kabin agar temperaturnya tetap stabil. Pembuangan ini terjadi pada saat proses perubahan refrigerant dari wujud gas hingga menjadi cair. Refrigerant sendiri berasal dari salah satu komponen Ac, yaitu kompresor dimana Komponen AC ini berkesinambungan dengan kipas pendingin. Kondensor adalah alat penukar kalor kompak yang menggunakan gas sebagai fluida kerjanya yang secara luas digunakan pada kendaraan otomotif memiliki tipikal kerapatan sirip antara 400- 1000 sirip/m (10-25 sirip/in). Adapun konstruksi Kondensor terdiri dari beberapa komponen seperti pada Gambar berikut ini.

Gambar 2.12 Kontruksi Kondensor 1. Pipa Inlet

Pipa Inlet berfungsi untuk menerima atau aliran masuknya gas refrigerant yang memiliki tekanan dan bertemperatur tinggi kedalam kondensor yang telah dipompa oleh kompresor sehingga pada kondensor menjadi cair.

Gambar 2.13 Pipa Inlet Kondensor 2. Pipa Outlet

Tangki air bawah berfungsi untuk menampung udara yang telah didinginkan oleh inti kondensor dan selanjutnya disalurkan ke kabin melalui pompa. Pada setiap

komponen juga dipasangkan pipa aliran sehingga kondensasi terjadi secara bersirulasi.

Gambar 2.14 Pipa Outlet Kondensor 3. Sirip - sirip

Sejumlah kalor yang terdapat pada refrigerant dilepaskan ke udara bebas dengan bantuan fan motor. Agar proses pelepasan kalornya bisa lebih cepat, pipa kondesor didesain berliku dan dilengkapi dengan sirip, maka dari itu pembersihan dari sirip – sirip pipa kondensor sangat penting agar perpindahan kalor refrigerant tidak terganggu. Jika sirip – sirip kondensor dibiarkan dalam kondisi yang kotor, akan mengakibatkan turunnya peforma kinerja AC yang membuat AC menjadi kurang dingin.

Gambar 2.15 Sirip – sirip Kondensor 4. Saluran Pipa

Saluran pipa (tube pitch) pada kondensor ini berfungsi sebagai penyerap panas, sekaligus aliran atau jalur berlangsungnya fluida. Dimana ketika panasnya diserap refrigerant akan berubah menjadi wujud cair. Panas pada refrigerant diserap menggunakan bantuan kipas agar prosesnya maksimal. Selanjutnya refrigerant akan dihembuskan keluar AC melalui sirip – sirip dan receiver dryer.

Gambar 2.16 Saluran pipa Kondensor a. Pipa (tube) kondensor

Pipa pada inti kondensor menjadi salah satu elemen penting dalam menjalankan fungsi penukaran kalor pada kondensor. Pipa kondensor selain fungsi utamanya sebagai elemen untuk menyalurkan refrigerant panas ke modulator , pipa kiri ataupun kanan, juga berperan sebagai elemen untuk memperluas bidang yang akan mengalami perpindahan kalor sehingga laju perpindahan panasnya akan meningkat. Pada umumnya jenis pipa berdasarkan bentuk penampangnya yang digunakan untuk kondensor atau compact heat exchangers terbagi dua, yaitu pipa tabung (circular tube) dan pipa rata (flat tube), namun tidak tertutup kemungkinan untuk pengembangan bentuk pipa yang lain.

b. Sirip (fin) kondensor

Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan panas adalah dengan cara memperluas bidang yang mengalami konveksi. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan sirip agar dindingnya lebih luas terhadap fluida lingkungan.

Konduktivitas termal material sirip memiliki dampak besar terhadap distribusi temperatur di sepanjang sirip.

2.6 Analisa Perpindahan Panas pada Kondensor

Perpindahan panas yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti kondensor. Gas refrigerant yang dipompakan masuk ke dalam kondensor pada temperatur ± 40^oC akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur gas dengan dinding pipa kondensor

bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas kondensor (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap kondensor sehingga perbedaan temperatur antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi.

Untuk mengetahui perpindahan panas menyeluruh pada sistem ini adalah suatu keharusan untuk mengetahui sifat-sifat fisis fluida kerjanya, dalam hal ini yaitu udara dan gas refrigerant. Sifat-sifat fisis tersebut dapat ditinjau melalui temperatur sebelum dan sesudah masuk kondensor. Variasi temperatur pada lapisan batas dapat mempengaruhi laju perpindahan panas, namun ini dapat ditangani dengan mengevaluasi semua sifat pada temperatur rata-rata. Dan temperatur rata- rata pada aliran eksternal (sirip dan dinding luar pipa kondensor) dapat diperoleh dan laju aliran massa fluida yang mengalir melalui sirip kondensor juga dapat dihitung.

1. Parameter perhitungan luas perpindahan panas

Untuk menentukan parameter-parameter luas perpindahan panas perhatikan Gambar 2.17 berikut.

Gambar 2.17 Geometri Kondensor [22]

Dari Gambar 2.17 di atas, maka perhitungan berbagai luasan permukaan perpindahan panas yang relevan dalam pengujian untuk kerja kondensor adalah sebagai berikut [15] .

a. Luas frontal inti kondensor (𝐴𝑓𝑟,𝑟)

𝐴_{𝑓𝑟,𝑟} = 𝐿 𝑥 𝐻

(2.3) b. Luas aliran bebas (free flow area) pada sisi udara (𝐴𝑓𝑓,𝑐)

𝐴_{𝑓𝑓,𝑐} = 𝐴_{𝑓𝑟,𝑟}− (𝑇_𝑙,𝑜 . 𝐻. 𝑁_𝑡) − (𝐹_𝑙 . 𝐹_𝑡 . 𝑁_𝑓/𝑏 . 𝑁_𝑓)

(2.4) c. Luas perpindahan panas pada tabung sisi luar (𝐴𝑡,𝑜)

𝐴_𝑡,𝑜 = 2 (𝑇_𝑙,𝑜+ 𝑇_𝑤,𝑜) . 𝐻 . 𝑁_𝑡

(2.5) d. Luas perpindahan panas pada sirip (𝐴𝑓)

𝐴_𝑓 = 2 (𝐹_𝑤 + 𝐹_𝑡) . 𝐹_𝑙 . 𝑁_𝑓/𝑏 . 𝑁_𝑓

(2.6) e. Luas perpindahan panas total pada sisi venturi (𝐴𝑐)

𝐴_𝑐 = 𝐴_𝑡,𝑜+ 𝐴_𝑓

(2.7) f. Diameter hidrolik sirip (𝐷ℎ𝑓)

𝐷_ℎ𝑓 = 4 . 𝐴_{𝑓𝑓,𝑐} . 𝐿 𝐴_𝑐

g. Luas perpindahan panas total pada sisi udara (𝐴𝑐)

𝐴_𝑐 = 2 (𝑇_𝑙,𝑖+ 𝑇_𝑤,𝑖) . 𝐻 . 𝑁_𝑡

(2.10) h. Luas aliran bebas (free flow area) pada sisi air (𝐴𝑓𝑓,ℎ)

𝐴_𝑓𝑓,ℎ = 𝑇_𝑙,𝑖 . 𝑇_𝑤,𝑖 . 𝑁_𝑡

(2.11) i. Diameter hidrolik pipa (𝐷ℎ𝑡)

𝐷_ℎ𝑡 = 4 (𝑇_𝑙,𝑖 . 𝑇_𝑤,𝑖) 2 (𝑇_𝑙,𝑖+ 𝑇_𝑤,𝑖) dimana :

𝐿 = Panjang kondensor (m) 𝐻 = Tinggi kondensor (m)

(2.8)

(2.12)

𝑇_𝑙,𝑜 = Panjang pipa bagain luar (m) 𝑇_𝑙,𝑖 = Panjang pipa bagain dalam (m) 𝑁_𝑡 = Jumlah pipa

𝐹_𝑙 = Panjang sirip (m) 𝐹_𝑡 = Tebal sirip (m) 𝑁_𝑓 = Jumlah sirip

𝑇_𝑤,𝑜 = Lebar pipa bagian luar (m) 𝑇_𝑤,𝑖 = Lebar pipa bagian dalam (m) 𝑇_𝑝 = Tube pitch (m)

𝐹_𝑑 = Kedalaman sirip (m) 𝑇_𝑑 = Jarak area sirip (m)

2.6.1 Analisa perpindahan panas a. Kesetimbangan energi

Dalam penelitian ini, udara panas dari udara terbuka mengalir di dalam pipa kondensor, memindahkan panas ke udara luar yang mengalir dalam saluran.

Dimana laju perpindahan panas di sisi fluida panas dan di sisi fluida dingin dapat dihitung sebagai berikut [12] :

Untuk sisi fluida udara kondensor dan freon :

𝑞_𝑐 = 𝑚̇ 𝑐_{𝑐 𝑝,𝑐} (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑜 2}) (2.13) Untuk sisi fluida dingin (venturi) :

𝑞_𝑐 = 𝑚̇ 𝑐_{𝑐 𝑝,𝑐} (𝑇_𝑐,𝑜− 𝑇_𝑐,𝑖) (2.14) Sehingga diperoleh kesetimbangan energi:

Eb = (1 - ^𝑞𝑐

𝑞_𝑐 ) (2.15)

dimana :

𝑞_𝑐 = Laju perpindahan panas di sisi udara (W) 𝑇_{𝑐,𝑖 1} = Suhu masuk udara (K)

𝑇_{𝑐,𝑜 2} = Suhu keluar udara (K)

𝑞_𝑐 = Laju perpindahan panas di sisi udara (W) 𝑚̇ = Laju aliran massa udara (kg/s) _𝑐

𝑐_𝑝,𝑐 = Kalor spesisik udara (J/kg.K) 𝑇_{𝑐,𝑖 2} = Suhu masuk udara (K) 𝑇_{𝑐,𝑜 2} = Suhu keluar udara (K)

Sehingga dapat dihitung perpindahan panas menyeluruh (U) yang dapat digunakan dalam metode LMTD yaitu [15] :

𝑞 = 𝑈. 𝐴 . ∆𝑇_𝑚 (2.16) Untuk mencari ∆𝑇𝑚

∆𝑇_𝑚 = (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑜 2}) − (𝑇_{𝑐,𝑜 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2})

ln[ (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑜 2})/ (𝑇_{𝑐,𝑜 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2})] (2.17)

b. Analisa sisi udara

▪ Bilangan Reynolds

Untuk bilangan Reynolds sisi udara menurut Hessel greaves dapat menggunakan persamaan berikut [22]:

𝑅𝑒

_𝐿𝑝

=

^{𝑚̇ . 𝐿𝑐 𝑝}

𝜌_𝑐

̅̅̅ . 𝐴_{𝑓𝑓,𝑐} . 𝜗̅̅̅̅_𝑐

(2.18) dimana :

𝑅𝑒_𝐿𝑝 = Bilangan Reynolds sisi udara 𝑚̇_𝑐 = Laju aliran massa udara (kg/s) 𝐿_𝑝 = Louver pitch (m)

𝜌_𝑐

̅̅̅ = Massa jenis udara (kg/m³)

𝐴_{𝑓𝑓,𝑐} = Luas aliran bebas (free flow area) pada sisi udara (m²) 𝜗_𝑐 = Viskositas kinematik (m²/s)

▪ Bilangan Nusselt

Menurut Chan etal.’s bilangan Nusselt dapat menggunakan persamaan berikut [22]:

𝑁𝑢_𝑐 = 𝑅𝑒_𝐿𝑝^0,51 𝑃𝑟¹³ (𝜃 90)

0,27

(𝐹_𝑝 𝐿_𝑝)

−0,14

(𝐹_𝑙 𝐿_𝑝)

−0,29

(^𝑇𝑑

𝐿_𝑝)

−0,23

(^𝐿𝑙

𝐿_𝑝)

0,68

(^𝑇𝑝

𝐿_𝑝)

−0,28

(^𝐹𝑡

𝐿_𝑝)

−0,05

(2.19)

Sehingga dapat dihitung koefisien perpindahan panas pada sisi fluida dingin yaitu sebagai berikut [7] :

ℎ

_𝑐

=

^{𝑁𝑢𝑐 . 𝑘𝑐}

𝐿_𝑝 (2.20)

dimana :

ℎ_𝑐 = Koefisien perpindahan panas sisi udara (W/m²K) 𝑁𝑢_𝑐 = Bilangan Nusselts sisi udara

𝑘_𝑡 = Konduktivitas termal pipa (W/m.K) 𝐿_𝑙 = Panjang louver (m)

𝐹_𝑙 = Panjang sirip (m) 𝐹_𝑡 = Tebal sirip (m) 𝐹_𝑝 = Pitch sirip (m) 𝑇_𝑤 = Lebar pipa (m) 𝑇_𝑝 = Pitch pipa (m)

Perpindahan panas menyeluruh (U), untuk sistem radiator juga dapat dianalogikan seperti aliran listrik seperti pada Gambar 2.18 berikut ini.

Gambar 2.18 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada kondensor [12]

(2.21) Tahanan termal total yang terjadi pada kondensor yaitu [12]:

𝑅_𝑡𝑜𝑡 = 1 𝑈𝐴

𝑅_𝑡𝑜𝑡 = 𝑅_{𝑡,𝑎𝑖𝑟}+ 𝑅_{𝑡,𝑤𝑎𝑙𝑙}+ 𝑅_{𝑡,𝑆𝑛𝑃𝑏}+ [ 1

𝑅_{𝑡,𝐹𝑖𝑛} + 1 𝑅_{𝑡,𝐵𝑎𝑟𝑒}] 𝑅_𝑡𝑜𝑡 = 1

ℎ_{𝑐 1} . 𝐴_{𝑐 1}+ 𝑇_𝑡

𝑘_𝑐 . 𝐴_{𝑐𝑜𝑛𝑑} + 𝑅_{𝑡,𝑆𝑛𝑃𝑏}

+ [

1

( 1

𝜂_𝑜,𝑐 ℎ_{𝑐 2} 𝐴_𝑓)

+ 1

1

[ℎ_{𝑐 2} (𝐴_{𝑐 2}− 𝐴_𝑓)] ]

Menurut Incropera [7] , untuk menentukan efisiensi sirip dari perpindahan panas pada kondensor yaitu:

𝜂_𝑜,𝑐 = 1 − ^𝐴𝑓

𝐴_𝑐 (1 − 𝜂_𝑓) (2.22)

𝜂

_𝑓

=

^{tanh 𝑚 (}

𝐹𝑙 2) 𝑚 (^𝐹𝑙

2) (2.23)

dimana,

𝑚 = √

_𝑘^{2 . ℎ𝑐}

𝑓 . 𝐹_𝑡 (2.24) dimana :

𝑅_𝑡𝑜𝑡 = Tahanan termal total (W)

𝑅_{𝑡𝑤𝑎𝑙𝑙} = Tahanan termal pada dinding (W) 𝑅_{𝑡𝑆𝑛𝑃𝑏} = Tahanan termal pada solder (W)

ℎ_𝑐 = Koefisien perpindahan panas sisi udara (W/m²K) 𝑘_𝑐 = Konduktivitas termal sirip (W/m.K)

𝑚 = Parameter sirip 𝐹_𝑙 = Panjang sirip (m) 𝐹_𝑡 = Tebal sirip (m)

𝐴_𝑓 = Luas perpindahan panas pada sirip (m²)

𝐴_𝑐 = Luas perpindahan panas total pada sisi udara (m²)

Untuk menentukan perpindahan panas maksimum bagi penukar kalor kompak ini, maka pertama-tama harus memahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam penukar kalor kompak ini yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksimum ini ialah yang nilai 𝑚̇ 𝑐-nya minimum, karena neraca energi mensyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu mesti sama dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang mempunyai nilai 𝑚̇ 𝑐 yang lebih besar yang akan dibuat mengalami beda suhu maksimum, maka tentu fluida yang satu lagi akan harus mengalami perubahan suhu yang lebih besar dari maksimum, dan ini tentu saja tidak mungkin. Jadi, perpindahan panas maksimum yang bisa dinyatakan sebagi berikut [6]:

𝑞_𝑚𝑎𝑥 = (𝑚̇ 𝑐_𝑝 )_𝑚𝑖𝑛 (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2}) 𝑞_𝑚𝑎𝑥 = 𝐶_𝑚𝑖𝑛 (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2}) (2.25) dimana :

▪ Untuk sisi fluida udara panas dan dingin

𝐶_𝑐 = 𝑚̇ 𝑐_{𝑐 𝑝,𝑐} (2.26) Untuk perbandingan kapasitas (𝐶𝑟) antara kapasitas minimum dengan kapasitas maksimum adalah sebagai berikut [12] :

𝐶

_𝑟

=

^{𝐶𝑚𝑖𝑛}

𝐶_𝑚𝑎𝑥 (2.27)

dimana :

𝑚̇ _𝑐 = Laju aliran massa udara kondenosr (kg/s) 𝑐_𝑝,𝑐 = Kalor spesisik udara kondensor (J/kg.K) 𝑇_{𝑐,𝑖 1} = Suhu masuk udara inlet (K)

𝑇_{𝑐,𝑜 2} = Suhu keluar outlet (K) 𝑐_𝑝,𝑐 = Kalor spesisik udara (J/kg.K) 𝑇_{𝑐,𝑖 2} = Suhu masuk udara (K) 𝑇_{𝑐,𝑜 2} = Suhu keluar udara (K)

2.7 Efektivitas Alat Penukar Kalor

Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter efektivitas tersebut merupakan suatu gambaran untuk kerja sebuah penukar kalor . Panas yang dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang diserahkan dari fluida panas. Dimana efektivitas penukar kalor (heat exchange effectiveness) dapat juga didefinisikan sebagai berikut [6]:

Efektivitas =

𝜀 =

Perpindahan panas nyata

perpindahan panas maksimum yang memungkinkan

Perpindahan panas yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin. Menurut J.P. Holman [6], untuk penukar kalor aliran lawan arah yaitu:

𝑞 =

𝑚

̇

_𝑐 𝑐_𝑝,𝑐

(

𝑇_𝑐,𝑜 − 𝑇_𝑐,𝑖

)

= 𝑚_ℎ

̇

𝑐_𝑝,ℎ (𝑇_ℎ,𝑖− 𝑇_ℎ,𝑜) (2.28) Atau dapat dituliskan dari pernyataan J.P Holman [6] terkait efektivitas alat penukar kalor sebagai berikut.

𝜀 =

^{𝑞𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙}

𝑞_𝑚𝑎𝑥 (2.29)

dimana :

▪ Untuk sisi udara kondensor

𝜀 =

^{𝐶𝑐 (𝑇𝑐,𝑖 1− 𝑇𝑐,𝑜 2)}

𝐶_𝑚𝑖𝑛 (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2}) (2.30)

▪ Untuk sisi udara venturi

𝜀 =

^{𝐶𝑐 (𝑇𝑐,𝑜 2− 𝑇𝑐,𝑖 2)}

𝐶_𝑚𝑖𝑛 (𝑇_{𝑐,𝑖 1}− 𝑇_{𝑐,𝑖 2})

(2.31)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan pada 10 Februari 2021 s/d 15 Mei 2021 di Laboratorium Lt.3, di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2 Alat dan Bahan

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Kondensor Toyota Kijang LGX 1800 cc

Kondensor digunakan sebagai alat penukar kalor yang akan mengubah temperatur suhu udara melalui media pendingin.

Gambar 3.1 Kondensor Toyota Kijang LGX 1800 cc

Untuk dimensi kondensor yang digunakan pada penelitian ini adalah:

Tabel 3.1 Dimensi kondensor Toyota Kijang LGX 1800 cc

No. Parameter Lambang Dimensi (m)

1 Panjang Radiator 𝐿 0,54

2 Tinggi Pipa Modulator 𝐻 = 𝑇_ℎ 0,343

3 Lebar Kondensor 𝑊 = 𝑇_𝑤,𝑜 0,38

4 Dimensi Pipa Masuk (outlet) - 0,004

5 Dimensi Pipa Keluar (intlet) - 0,01

6 Dimensi Pipa Kondensor - 0,02

7 Dimensi Pipa Modulator - 0,034

8 Penampang Sisi dalam pipa 𝑇 x 𝑇 0,0005 x 0,0175

9 Penampang Sisi Luar Pipa 𝑇_𝑙,𝑜 x 𝑇_𝑤,𝑜 0,0015 x 0,0185

10 Pitch louver 𝐿_𝑝 0,00054

11 Tinggi louver 𝐿_ℎ 0,00024

12 Panjang louver 𝐿_𝑙 0,0085

13 Lebar dalam pipa 𝑇_𝑑 0,0021

14 Sudut louver θ

15 Jarak Antar Saluran pipa (Tube Pitch) 𝑇_𝑝 0,009

16 Tebal Saluran Pipa 𝑇_𝑡 0,02

17 Jumlah Saluran Pipa 𝑁_𝑡 34

18 Panjang Sirip 𝐹_𝑙 0,008

19 Pitch sirip 𝐹_𝑝 0,0015

20 Lebar Sirip (fins) 𝐹_𝑤 = 𝑇_𝑤,𝑜 0,02

21 Tebal Sirip 𝐹_𝑡 0,0001

22 Jumlah Baris Sirip 𝑁_𝑓 33

23 Jumlah Potongan Penampang Sirip - 16 potongan

24 Jumlah Sirip Perbaris 𝑁_𝑓/𝑏 278

25 Susunan Pipa-Sirip - Segaris (in line)

2. Thermocouple

Thermocouple digunakan untuk membaca suhu udara masuk, udara keluar, suhu awal, suhu ruangan dan suhu melewati sirip kondensor. Berikut spesifikasi dari thermocouple yang digunakan.

Tipe : Thermocopule type J dan K

Jangkauan pengukuran : -40 sampai +800 ^oC

Toleransi : ±0,75%

Gambar 3.2 Thermocouple type J dan K

3. Anemometer

Anemometer digunakan untuk mengukur tingkat kecepatan angin laju aliran udara pada selang yang terhubung pada inlet kondensor. Berikut ini spesifikasi dari anemometer yang digunakan.

Model : Lutron LM-8000 A

Kelembapan : 10 to 95 %RH,oC/oF

Satuan : m/s, km/h, mph, knots, ft/min, Jangkauan Pengukuran : 0.4 to 30.0 m/s

Gambar 3.3 Anemometer 4. Data akuisisi temperatur

Data akuisisi temperatur digunakan untuk mengumpulkan/mencatat suhu yang terbaca oleh thermocouple. Adapun spesifikasi dari data akuisisi temperatur adalah sebagai berikut.

Model : Cole-Parmer 18200-40 Input temperatur : 7 Channel

Frekuensi maksimum : 2 Hz (1 sampel per detik) Konektivitas : USB

5. Blower

Blower digunakan untuk menghembuskan udara ke permukaan radiator agar terjadinya perpindahan panas. Berikut ini spesifikasi blower yang digunakan.

Model : SE6

Jenis motor : Motor induksi 3 fasa

Daya : 950 Watt

Tegangan : 380 Volts

Frekuensi : 50 Hz

Putaran : 2800 rpm

Gambar 3.5 Blower

6. Inverter

Inverter digunakan untuk mengatur kecepatan putaran blower dengan cara mengubah frekuensi motor blower. Berikut ini spesifikasi inverter yang digunakan.

Model : ATV12H075M2

Daya maksimum : 0,75 kW Tegangan input : 200-240 V Tegangan output : 200-240 V

Frekuensi : 50/60 Hz

Gambar 3.6 Inverter

7. Saluran udara yang dilengkapi dengan venturi meter

Saluran udara ini digunakan untuk menyalurkan udara dari blower hingga sampai ke inti kondensor (condensor core). Saluran udara ini dilengkapi dengan venturi meter yang seharusnya berfungsi untuk mengukur debit udara yang mengalir ke kondensor.

Gambar 3.7 Saluran udara dan venturimeter

8. Blower Keong

Blower Keong digunakan sebagai tekanan dari suhu awal yang akan masuk dan melewati pipa – pipa kondensor. Yang merupakan suhu udara menuju kondensor. Berikut ini spesifikasi Blower keong yang digunakan.

Model : DB125A

Kapasitas maksimum : 34 lpm

Ukuran : 20 cm x 18 cm x 20 cm / 110cm Panjang kabel Tegangan : 220 V – 230 V

Daya keluaran : 150 W

Ampere : 1.0 A

Cycles : 50/60

Kecepatan rata - rata : 3000 - 3600 rpm

Gambar 3.8 Blower Keong

9. Selang Karet

Selang karet merupakan saluran penghubung dari blower keong yang berfungsi membantu menyalurkan fluida ke kondensor.

Gambar 3.9 Selang Karet 10. Refrigerant cair

Refrigerant berperan mengubah udara panas yang diserap evaporator menjadi lebih dingin saat dihembuskan oleh kompresor atau biasanya disebut sebagai obat Air Conditioner. Berikut ini spesifikasi yang digunakan:

Model : KLEA HFC-134a

Berat isi : 390 gram Tekanan : 60 – 70 psi

Gambar 3.10 Refrigerant cair

11. Pressure Gauge Single Manifold

Pressure gauge manifold berfungsi mengukur tekanan yang ada didalam refrigerant, sekaligus sebagai valve penghubung laju aliran. Berikut ini spesifikasi dari pressure gauge single manifold :

Model : Starmec PGS466LC

Satuan : psi

Jangkauan maximum : 500 psi

Gambar 3.11 Pressure Gauge Single Manifold

12. Selang R22

Berfungsi sebagai penghubung laju aliran dari refrigerant pada manifold dan diteruskan ke kondensor. Adapun selang ini terdapat 2 unit untu sebagai penghubung aliran. Yang satu untuk pengukuran manifold, dan yang satunya diteruskan untuk keluar dari manifold.

Gambar 3.12 Selang R22 13. Hair Dryer

Adapun fungsi dari hair dryer adalah alat sebagai sumber udara panas yang dimana sebagai suhu panas awal yang akan dimasukkan ke inlet kondensor

Gambar 3.13 Hair Dryer 14. Box

Box ini berfunsi sebagai tempat suhu pengkondisian udara (suhu panas) yang bertujuan agar suhu ruangan terbuka bebeda dengan suhu ruangan terbuka.

Berikut spesifikasi dari box :

Ukuran : 58 x 48 cm

Gambar 3.14 Box

3.3 Perangkat Lunak

1. Software DAQami / Measurement Computing

Adapun Software yang digunakan untuk meng-export data pengukuran suhu adalah Measurement Computing . Yang dimana software ini dihubungkan dengan Cole – Parmer yang dibantu dengan kabel USB – TC

Gambar 3.15 Software DAQami

Adapun susunan beberapa komponen peralatan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar 2D dengan menggunakan Autocad seperti Gambar 3.16

Gambar 3.16 Desain 2D

Skema pengujian kondensor pada Gambar 3.16 di atas menggambarkan bahwa pada pengujian ini, sumber udara panas menggunakan heater/hair dryer pada box hingga suhu 83^oC akan dialirkan ke kondensor. Dengan laju aliran konstan yang mengalir ke kondensor. Sebelumnya udara yang mengalir ke kondensor, juga sudah disambungkan dengan alat pengukur tekanan refrigerant yang akan dialirkan juga kedalam kondensor secara bersamaan, maupun secara tidak bersamaan. Hal ini juga bersamaan dengan pengaturan besar laju aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang kondensor.

Karena kelalaian penulis yang lupa untuk mengambil gambar dalam bentuk real setelah dilakukan rancang bangun, maka dapat dilihat dari video presentasi.

Yang dimana penulis merekam kondisi saat berlangsungnya penelitian

3.4 Prosedur Pengujian

Adapun prosedur pelaksanaan penelitian ini adalah sebagai berikut ini : 1. Hal pertama yang dilakukan yaitu menghubungkan setiap thermocouple ke

setiap bagian yang di ukur suhunya dengan menggunakan cole pamer yang terhubung ke laptop, untuk mendeteksi suhunya.

2. Menghidupkan hair dryer dan memanaskan suhu yang ada didalam box.

3. Selanjutnya jika suhu cukup panas didalam box hingga mencapai 80º C, hidupkan blower keong didalam box yang sudah terhubung ke inlet kondensor dan selang refrigerant.

4. Selanjutnya menyetel anemometer agar udara yang melalui kondensor konstan pada laju aliran untuk mendapatkan debit udara.

5. Kemudian menghidupkan blower dan menyetel inverter sesuai dengan frekuensi yang diinginkan yakni 22 Hz, 27 Hz, 32 Hz, 37 Hz, dan 42 Hz, yang akan dihembuskan melewati sirip kondensor.

6. Setelah diperoleh differential pressure, maka hasil dari record program software yang terdektsi dapat di export menjadi database Ms.Excel, maka dapat dimasukkan pada tabel tabulasi hasil penelitian.

7. Selanjutnya jika sudah berlangsung secara bersamaan, maka pengujian bisa dilaksanakan secara berulang dengan mengganti frekuensi blower yang akan melewati sirip.