BAB IV PERHITUNGAN BEBAN PENDINGIN

31

BAB IV

PERHITUNGAN BEBAN PENDINGIN

4.1 Dasar Perhitungan

Perhitungan beban pendingin di sini adalah perhitungan jumlah panas yang harus diambil oleh evaporator. Adapun jumlah panas yang diambil oleh evaporator terdiri dari:

a. Panas yang berasal dari tanah, dimana panas ini mengalir dari bagian dasar tangki pembeku.

b. Panas yang berasal dari udara ruangan di sekeliling tangki pembeku, dinding tangki pembeku dan penutup tangki pembeku.

c. Panas yang berasal dari air sampai menjadi es dan es itu sendiri di dalam tangki pembeku.

4.2 Beban Pendingin pada Tangki Pembeku 4.2.1 Panas dari Tanah Melalui Dasar Tangki,

Perencanaan untuk bahan lantai dari dasar tanah melalui dasar tangki menggunakan bahan beton-styrofoam-pelat baja dengan mengasumsikan temperatur normal tanah sebesar 27o_{C. Sebelum memperhitungkan beban} pendingin melalui tanah ke dasar tangki, akan diberikan gambaran aliran panas dan tahanan pada beban pendingin terlebih dahulu. Gambar beban pendingin melalui tanah ke dasar tangki dapat dilihat pada gambar 4.1 dan hambatan beban pendinginnya dapat dilihat pada gambar 4.2.

32 Q R2 = A . 2 2 k b T1 R1 = A . 1 1 k b R3 = A . 3 3 k b T2 T3 T4 To Ro = A . ho 1 b1 = 1 50 m m b2 = 1 30 m m b3 = 6 m m T1 = 27oC T2 T3 T4 To = -12oC L = 20 m Tanah

Gambar 4.1. Skematik beban panas dari tanah melalui dasar tangki pembeku

Gambar 4.2. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari tanah melalui dasar tangki pembeku

Keterangan:

T1 = Temperatur tanah, 27oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton

= 0,76 W/m oC (Holman JP, “Perpindahan Panas”, Tabel A-3, hal. 584) k2 = Konduktifitas panas Styrofoam

33 k3 = Konduktifitas pelat baja

= 21,76 W/(m.oC) (Koestoer Artono Raldi, “Perpindahan Kalor”, Hal. 409) ko = Konduktifitas brine

= 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) L = Panjang penampang tangki pendingin, 20 m

Lebar penampang tangki pendingin, 8,5 m A = Luas penampang

= 20 m ×8,5 m = 170 m2

Panas yang mengalir pada dasar tangki:

total o i R T T Q= − dimana: Rtotal = R1 + R2 + R3 + Ro A h A k b A k b A k b R o total . 1 . . . 3 3 2 2 1 1 _{+ + +} =

Karena perhitungan brine tank dari dasar tangki memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut:

(

_Gr

)

n

C

Nu= .Pr

Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.

34

Tabel 4.1. Konstanta C dan n untuk temperature dinding seragam pada plat datar

Orientasi Plat GrL Pr C n Aliran

Permukaan plat atas panas, bawah dingin 105 _{- 2}×₁₀7

2×107 _{- 3×10}10 0,59 0,14 1/4 1/3 Laminar Turbulen Permukaan plat bawah panas, atas dingin 3×105 _{- 3×10}10 _{0,27 1/4 Laminar}

Panjang karakteristik L plat dapat diambil sebagai panjang sisi untuk plat bujur sangkar, rata-rata kedua sisi untuk plat persegi panjang, dan 0,9D untuk cakram lingkaran dengan diameter D.

Untuk menghitung koefisien perpindahan panas pada brine tank dari dasar tangki diperlukan beberapa ketentuan-ketentuan sebagai berikut:

a. Menentukan bilangan Grashof (Gr) Gr =

(

s ₂ o

)

3 v L T T g −

(Sumber: Incropera and De Witt, “Fundamental of Heat and Mass Transfer”, Third Edition, p. 549)

dimana: g = percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC) Tf = Temperatur film, 2 o s T T + ₍o_C) L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s)

Karena temperatur dinding pada plat baja (To) belum diketahui, maka nilai

temperatur dinding tersebut dapat diasumsikan dan perhitungan menggunakan metode iterasi.

Viskositas dinamik pada brine dapat ditentukan dari grafik viskositas dinamik

35

Gambar 4.3. Viskositas Sodium Chloride Brines

Nilai viskositas kinematik brine dapat ditentukan dengan membagi nilai viskositas dinamik dengan densitas brine. Nilai densitas brine dapat ditentukan dari tabel sifat-sifat brine. Tabel sifat-sifat brine dapat ditentukan dapat dilihat pada tabel 4.2.

36

Tabel 4.2. Sifat-sifat Sodium Chloridea _{Brine murni} 1)

NaCl2 Murni, % Massa Panas Spesifik pada 15o_C, J/(kg.K) Awal Pengkristalan, o_C Densitas pada 16o_{C, kg/m}3

Densitas pada Bermacam Temperatur, kg/m3 NaCl2 Brine -20oC -10oC 0oC 10oC 0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 25,2 4184 3925 3879 3836 3795 3753 3715 3678 3640 3607 3573 3544 3515 3485 3456 3427 3402 3376 3356 3330 3310 3289 0,0 -2,9 -3,6 -4,3 -5,0 -5,8 -6,6 -7,3 -8,2 -9,1 -10,1 -10,9 -11,9 -13,0 -14,1 -15,3 -16,5 -17,8 -19,1 -20,6 -15,7 -8,8 0,0 0,0 51,7 62,5 73,4 84,6 95,9 107,2 118,8 130,3 142,2 154,3 166,5 178,9 191,4 204,1 217,0 230,0 243,2 256,6 270,0 283,7 297,5 1000 1035 1043 1049 1057 1065 1072 1080 1086 1094 1102 1110 1118 1126 1134 1142 1150 1158 1166 1174 1182 1190 1119,4 1127,6 1135,8 1144,1 1153,4 1160,7 1169,1 1177,6 1186,1 1194,7 1038,1 1045,8 1053,7 1061,2 1069,0 1076,8 1084,8 1092,4 1100,3 1108,2 1116,2 1124,2 1132,2 1140,3 1148,5 1156,7 1165,0 1173,3 1181,7 1190,1 1036,5 1043,9 1051,4 1058,9 1066,4 1074,0 1081,6 1089,6 1097,0 1104,7 1112,5 1120,4 1128,3 1136,2 1144,3 1154,1 1160,5 1168,7 1177,0 1185,3 1034,0 1041,2 1048,5 1055,8 1063,2 1070,6 1078,1 1085,6 1093,2 1100,8 1108,5 1116,2 1124,0 1131,8 1139,7 1147,7 1155,8 1163,9 1172,0 1180,3

Catatan: a _{Massa NaCl yang diperlukan = (massa NaCL murni yang diperlukan)/(% kemurnian).} b _{Massa air per satuan volume = Massa brine dikurang massa NaCl.}

b. Menentukan bilangan Prandtl (Pr)

1) 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook, SI Edition, 1791 Tullie Circle, N. E., Atlanta, GA 30329, Table 2, p. 21.2

37 Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)

c. Menentukan bilangan Rayleigh (Ra)

Nilai Bilangan Rayleigh adalah hasil kali bilangan Grashof dengan bilangan Prandtl.

Nilai koefisien perpindahan panas konveksi yang mengalir dari plat baja ke daerah brine dapat ditentukan dari nilai temperatur dinding pada pelat baja. Karena temperatur dinding pada plat baja belum diketahui maka dapat menggunakan beberapa asumsi untuk nilai temperatur dinding plat baja tersebut.

Untuk menentukan beberapa parameter perhitungan panas yang mengalir dari dasar tangki ke daerah brine, maka perlu diketahui beberapa ketentuan. 1. Nilai densitas brine

Nilai densitas brine dapat diketahui dari tabel sifat-sifat brine (lihat tabel 4.2). Nilai tersebut dapat ditentukan dari temperatur brine dan % massa kemurnian

brine. Temperatur brine yang diketahui adalah -12oC dan % massa kemurnian

brine sebesar 21% (Sumber: Quality Control . Karena nilai temperatur brine

tersebut tidak diketahui di tabel, maka dengan menggunakan metode interpolasi, nilai densitas brine tersebut dapat diketahui.

NaCl2 Murni, % Massa Panas Spesifik pada 15o_C, J/(kg.K) Awal Pengkristalan, o_C Densitas pada 16o_{C, kg/m}3

Densitas pada Bermacam Temperatur, kg/m3 NaCl2 Brine -20oC -10oC 0oC 10oC 21 22 3376 3356 -17,8 -19,1 243,2 256,6 1158 1166 1169,1 1177,6 1165,0 1173,3 1160,5 1168,7 1155,8 1163,9

Dari tabel tersebut, nilai densitas brine dapat diketahui. Diketahui:

38 Tbrine = -12oC (data dari Quality Control)

% massa brine = 21% (data dari Quality Control) Maka nilai densitasnya:

(

) (

)

(

C

) (

C

)

C C o o o o 12 20 10 20 − − − − − − ₌

(

) (

)

(

)

−ρ − 3 3 3 1 , 1169 0 , 1165 1 , 1169 m kg m kg m kg

(

)

(

C

)

C o o 8 10 − − ₌

(

3

)

−ρ 3 1 , 1169 1 , 4 m kg m kg 1,25 =

₍

₎

ρ − 3 3 1 , 1169 1 , 4 m kg m kg 1169,1 kg/m3 -ρ = 25 , 1 1 , 4 _{kg m}3 = 3,28 kg/m3 ρ = (1169,1 – 3,28) kg/m3 = 1165,82 kg/m3

2. Nilai Viskositas kinematik

Nilai viskositas kinematik brine, dapat ditentukan dengan membagi nilai viskositas dinamik terhadap densitasnya. Nilai viskositas dinamik dapat ditentukan dengan membaca grafik pada gambar 4.3.

Diketahui:

Tbrine = -12oC (data dari Quality Control)

% massa brine = 21% (data dari Quality Control)

Dari data tersebut dapat ditentukan viskositas dinamiknya dengan menarik garik tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai viskositas dinamiknya. Nilai viskositas dinamik brine menurut hasil pengukuran sebesar = 4,65 mPa . s

Dari hasil tersebut dapat ditentukan nilai viskositas kinematiknya.

υ =

ρ µ

39 = ₃ 82 , 1165 . 65 , 4 m kg s mPa = ₃ 82 , 1165 . 00465 , 0 m kg s Pa = 2 ₃ 82 , 1165 . 00465 , 0 m kg s m N = 2 ₃ 2 82 , 1165 . . 00465 , 0 m kg s m s m kg = 2 ₃ 82 , 1165 . . 00465 , 0 m kg s s m kg =

( )

₃ 82 , 1165 . 00465 , 0 m kg s m kg = 3,98861×10-6 _m2_/s

3. Konduktivitas panas brine

Nilai konduktivitas panas brine dapat ditentukan dengan mengetahui temperatur brine dan % massa brine. Nilai tersebut dapat ditentukan dengan membaca grafik pada gambar 4.4.

40

Gambar 4.4. Konduktivitas panas Sodium Chloride Brines

Diketahui:

Tbrine = -12oC (data dari Quality Control)

% massa brine = 21% (data dari Quality Control)

Dari data tersebut dapat ditentukan konduktivitas panas dengan menarik garis tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai konduktivitasnya.

Nilai konduktivitas panas brine menurut hasil pengukuran sebesar 0,43 W/(m.K).

4. Panas spesifik brine

Nilai panas spesifik brine dapat ditentukan dengan mengetahui temperatur

brine dan % massa brine. Nilai tersebut dapat ditentukan dengan membaca

41

Gambar 4.5. Panas spesifik Sodium Chloride Brines

Diketahui:

Tbrine = -12oC (data dari Quality Control)

% massa brine = 21% (data dari Quality Control)

Dari data tersebut dapat ditentukan nilai panas spesifik dengan menarik garis tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai panas spesifiknya. Nilai panas spesifik brine menurut hasil pengukuran sebesar 3,365 kJ/(kg.K)

42 Dari hasil perhitungan didapatkan data-data hasil perhitungan sifat-sifat brine yaitu:

Fluida = Sodium Chloride

X [mass %] = 21,00

T [°C] = -12,00

Density [kg/m3_{] = 1165,82}

Specific heat [kJ/(kg.K)] = 3,365 Conductivity [W/(m.K)] = 0,43

Dynamic viscocity [mPa·s] = 4,65 mPa . s Kinematic viscocity [m2_{/s] = 3,98861×10}-6

Freeze point [°C] = -17,95

Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode tryal error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding plat baja (T4) adalah -11,74212oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan.

Bilangan Grashoff: Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g −

dimana: g = percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC) Tf = Temperatur film, 2 o 4 T T + ₍o_C) L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s)

43 Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g − =

( )

(

( )

)

(

_-6

)

2 ₄ 2 3 3 1 10 3,98861 20 . 12 -11,74212 -. 2 12 74212 , 11 1 9,81 s m m C C . s m 2 o o × − − + − − = 4,93305×1015 Bilangan Prandtl:

Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)

Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr = 4,93305×1015 _{. 1} = 4,93305×1015 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,27 (4,93305×1015_{. 1)}1/4 = 2262,2782055

Koefisien perpindahan panas:

ho = L k Nu. _o =

(

)

m K m W 20 . 43 , 0 2782055 , 262 . 2 × =

(

)

m C m h kcal o 20 . . 162222 , 1 43 , 0 2782055 , 262 . 2 ×

44 =

(

)

m C m h kcal o 20 . . 369981 , 0 2782055 , 262 . 2 × =

(

)

m C cm W o 20 . 86 369981 , 0 2782055 , 262 . 2 × =

(

)

m C cm W o 20 . 0043021 , 0 2782055 , 262 . 2 × =

( )

m C m W o 20 . 01 , 0 0043021 , 0 2782055 , 262 . 2 × =

(

)

m C m W o 20 . 43021 , 0 2782055 , 262 . 2 × = 48,673619 W/(m2.oC)

Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari dasar tangki.

R1 = b1

( )

k1.A = _0,15m

(

_0,76W

(

_m.o_C

)

_×170m2

)

= 0,001160991 o_C/W R2 = b2

(

k2.A

)

= _0,13m

(

_0,045W

(

_m.o_C

)

_×170m2

)

= 0,016993464oC/W

45 R3 = b3

( )

k3.A = _0,006m

(

_21,76W

(

_m.o_C

)

_×170m2

)

= 1,62197×10-6o_C/W Ro = 1

(

h_o.A

)

= ₁

(

_48,673619W

(

_m2_.o_C

)

_×170m2

)

= 1,20853×10-4o_C/W Maka: Rtotal = (0,001160991 + 0,016993464 + 0,016993464 + 1,20853×10-4₎ o_C/W = 0,01827693 o_C/W

Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari dasar tangki adalah:

Q = total o i R T T − =

{

( )

}

W C C o o 01827693 , 0 12 27− − = 2.133,837606 Watt

Untuk menentukan temperatur T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

Q = 1 2 1 R T T − _T 2 = T1 – R1. Q = 27o_{C – (0,001160991} o_{C/W × 2.133,837606 W)} = 24,5226344 o_C Q = 2 3 2 R T T − T3 = T2 – R2. Q = 24,5226344 oC – (0,016993464 oC/W × 2.133,837606 W) = -11,7386583oC

46 Q = 3 4 3 R T T − _{T4 = T3 – R3. Q} = -11,7386583 o_{C – (1,62197×10}-6o_{C/W × 2.134,751737 W)} = -11,7421193 o_C Ketelitian:

ε

= 100% 4 4 4 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T =

(

)

100% 7421193 , 11 7421193 , 11 74212 , 11 × − − − − = 0,000006%

Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari dasar tangki dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.6.

www.perumprasarana perikanan .com

47 b1 = 150 mm b2 = 130 mm b3 = 6 mm T1 T2 T3 T4 To = -12 o_C L = 2 0 m Ti = 32oC R2 = A . 2 2 k b Q Ti T1 T2 T3 T4 To Ri = A . h 1 i R1 = ₁.A 1 k b _R 3 = A . 3 3 k b Ro = A . h 1 o 4.2.2 Panas dari udara Ruangan Melalui Sisi Tangki kiri dan kanan

Perencanaan melalui sisi kiri-kanan tanki: beton-styrofoam-pelat baja

Gambar 4.7. Skematik beban panas dari sisi kiri dan kanan tangki pembeku

Gambar 4.8. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari sisi kiri dan kanan tangki pembeku

Keterangan:

Ti = Temperatur udara ruang, 32oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton

48 k2 = Konduktifitas panas Styrofoam

= 0,045 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,585) k3 = Konduktifitas pelat baja

= 21,76 W/(m.oC) (Koestoer Artono Raldi, “Perpindahan Kalor”, Hal. 409) ko = Konduktifitas brine

= 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) = 0,369981 kcal/h.m.oC

= 0,004302 W/cm.oC = 0,43021 W/m.oC

L = Panjang penampang tangki pendingin, 20 m Lebar penampang tangki pendingin, 1,05 m A = Luas penampang

= 20 m ×1,05 m = 21 m2

Karena perhitungan brine tank dari sisi kanan dan kiri memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut:

(

_Gr

)

n

C

Nu= .Pr

Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.

Karena beban pendingin pada sisi kanan dan kiri berbentuk plat vertikal, maka konstanta C dan eksponen n dapat dilihat pada tabel 4.3. di bawah ini:

Tabel 4.3. Konstanta C dan n untuk temperatur dinding seragam pada plat datar

Jenis aliran GrL Pr C N

Laminar 104 _{- 10}9 _{0,59 ¼}

Turbulen 109 _{- 10}13 _{0,10 1/3}

Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding beton (T1) dan plat baja (T4) adalah

49 22,5175oC dan -11,969487oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding beton dan plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan.

Bilangan Grashoff: Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g −

dimana: g = percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC) Tf = Temperatur film, 2 o 4 T T + (oC) L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2_/s) Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g − =

( )

(

( )

)

(

_-6

)

2 ₄ 2 3 3 1 10 3,98861 20 . 12 -11,969487 -. 2 12 969487 , 11 1 9,81 s m m C C . s m 2 o o × − − + − − = 4,93305×10-15 Bilangan Prandtl:

Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)

Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr

50 = 4,93305×10-15 _{. 1} = 4,93305×10-15 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,10 (4,93305×10-15_{. 1)}1/3 = 17.023,09864

Koefisien perpindahan panas:

ho = L k Nu. _o =

(

)

m C m W o 20 . 43021 , 0 09864 , 023 . 17 × = 366,1757099 W/(m2.oC)

Karena bagian luar brine tank berhubungan langsung dengan udara ruang, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya dapat menggunakan persamaan berikut.

hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4

= 1,42_×

{

(

32₋22,5175

)

oC 20m

}

14

= 1,178315 W/(m2.oC)

Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri.

Ri = 1

( )

h_i.A

51 = 0,0404128 oC/W R1 = b1

( )

k1.A = _0,15m

(

_0,76W

(

_m.o_C

)

_×21m2

)

= 0,009398496 oC/W R2 = b₂

(

k₂.A

)

= _0,13m

(

_0,045W

(

_m.o_C

)

_×21m2

)

= 0,137566138 oC/W R3 = b₃

( )

k₃.A = _0,006m

(

_21,76W

(

_m.o_C

)

_×21m2

)

= 1,31303×10-5o_C/W Ro = 1

(

ho.A

)

= ₁

(

_366,1757099W

(

_m2_.o_C

)

_×21m2

)

= 1,30044×10-4o_C/W Maka: Rtotal = (0,0404128 + 0,009398496 + 0,137566138 + 1,31303×10-5 + 1,30044×10-4₎ o_C/W = 0,187520627 oC/W

Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari dasar tangki adalah:

Q = total o i R T T − =

{

( )

}

W C C o o 187520627 , 0 12 32− − = 234,6408531 Watt

52 Untuk menentukan temperatur T1, T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

Q = i i R T T − ₁ T1 = Ti – Ri. Q = 32oC – (0,0404128oC/W × 234,6408531 W) = 22,51750165oC Q = 1 2 1 R T T − _T 2 = T1 – R1. Q = 22,5175o_{C – (0,009398496}o_{C/W × 234,6408531 W)} = 20,31222882o_C Q = 2 3 2 R T T − _T 3 = T2 – R2. Q = 20,3122288oC – (0,137566138oC/W × 234,6408531 W) = -11,96640706oC Q = 3 4 3 R T T − _{T4 = T3 – R3. Q} = -11,96640706oC – (1,31303×10-5o_{C/W × 234,6408531 W)} = -11,96714674 oC Ketelitian: Untuk T1: ε = 100% 1 1 1 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T = 100% 51750165 , 22 51750165 , 22 5175 , 22 × − = 0,000007%

53 Untuk T4: ε = 100% 4 4 4 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T =

(

)

100% 96948795 , 11 96948795 , 11 969487 , 11 × − − − − = 0,000008%

Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari sisi kanan dan kiri dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.9.

www.perumprasarana perikanan .com

Gambar 4.9. Hasil perhitungan beban pendingin dari sisi kanan dan kiri menggunakan Microsoft

Excel

4.2.3 Panas dari udara Ruangan Melalui Sisi Tangki depan dan belakang Perencanaan sisi depan-belakang tanki beton-styrofoam-pelat baja

54 b1 = 150 mm b2 = 130 mm b3 = 6 mm T1 = 24,9oC T2 T3 T4 = -4,9oC To = -12 o_C L = 8 ,5 m Ti = 32oC Q Ti T1 T2 T3 T4 To Ri = A . hi 1 R1 = A . 1 1 k b R2 = A . 2 2 k b R3 = A . 3 3 k b Ro = A . ho 1

Gambar 4.10. Skematik beban panas dari sisi depan dan belakang tangki pembeku

Gambar 4.11. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari sisi depan dan belakang tangki

pembeku. Keterangan:

Ti = Temperatur udara ruang, 32oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton

= 0,76 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,584) k2 = Konduktifitas panas Styrofoam

= 0,045 W/m o_{C (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,585)}

k3 = Konduktifitas pelat baja

55 ko = Konduktifitas brine

= 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) = 0,369981 kcal/h.m.oC

= 0,004302 W/cm.oC = 0,43021 W/m.o_C

L = Panjang penampang tangki pendingin, 8,5 m Lebar penampang tangki pendingin, 1,05 m A = Luas penampang

= 8,5 m ×1,05 m = 8,925 m2

Karena perhitungan brine tank dari sisi depan dan belakang memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut:

(

_Gr

)

n

C

Nu= .Pr

Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.

Karena beban pendingin pada sisi kanan dan kiri berbentuk plat vertikal, maka konstanta C dan eksponen n dapat dilihat pada tabel 4.3. (lihat halaman IV-16).

Tabel 4.3. Konstanta C dan n untuk temperatur dinding seragam pada plat datar

Jenis aliran GrL Pr C N

Laminar 104 _{- 10}9 _{0,59 ¼}

Turbulen 109 _{- 10}13 _{0,10 1/3}

Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding beton (T1) dan plat baja (T4) adalah 23,776649oC dan -11,968375oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding beton dan plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan. Bilangan Grashoff:

56 Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g −

dimana: g = percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC) Tf = Temperatur film, 2 o 4 T T + ₍o_C) L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s) Gr =

(

4 ₂ o

)

3 v L T T g − =

( )

(

( )

)

(

_-6

)

2 ₄ 2 3 3 1 10 3,98861 8,5 . 12 -11,968375 -. 2 12 968375 , 11 1 9,81 s m m C C . s m 2 o o × − − + − − = 3,78689×10-14 Bilangan Prandtl:

Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)

Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr = 3,78689×10-14 _{. 1} =3,78689×10-14 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,10 (3,78689×10-14_{. 1)}1/4 = 7.234,816921

57 ho = L k Nu. _o =

(

)

m C m W o 5 , 8 . 43021 , 0 816921 , 234 . 7 × = 366,1757099W/(m2.oC)

Karena bagian luar brine tank berhubungan langsung dengan udara ruang, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya dapat menggunakan persamaan berikut.

hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4

= 1,42×

{

(

32−23,776649

)

oC 8,5m

}

14

= 1,408302077 W/(m2_.o_C)

Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri.

Ri = 1

( )

h_i.A = ₁

(

_1,408302077W

(

_m2_.o_C

)

_×8,925m2

)

= 0,079560216 o_C/W R1 = b1

( )

k1.A = _0,15m

(

_0,76W

(

_m.o_C

)

_×8,925m2

)

= 0,022114109 o_C/W R2 = b2

(

k2.A

)

= _0,13m

(

_0,045W

(

_m.o_C

)

_×8,925m2

)

= 0,32368503 o_C/W R3 = b3

( )

k3.A = _0,006m

(

_21,76W

(

_m.o_C

)

_×8,925m2

)

= 3,08947×10-5o_C/W Ro = 1

( )

ho.A

58 = ₁

(

_366,1757099W

(

_m2_.o_C

)

_×8,925m2

)

= 3,05986×10-4o_C/W Maka: Rtotal = (0,079560216 + 0,022114109 + 0,32368503 + 3,08947×10-5 + 3,05986×10-4₎ o_C/W = 0,425696236 oC/W

Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari sisi depan dan belakang adalah:

Q = total o i R T T − =

{

( )

}

W C C o o 425696236 , 0 12 32− − = 103,3600871 Watt

Untuk menentukan temperatur T1, T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

Q = i i R T T − _{1 T1 = Ti – Ri. Q} = 32o_{C – (0,079560216} o_{C/W × 103,3600871 W)} = 23,776649 oC Q = 1 2 1 R T T − T2 = T1 – R1. Q = 23,776649oC – (0,022114109 oC/W×103,3600871 W) = 21,49093279 o_C Q = 2 3 2 R T T − _T 3 = T2 – R2. Q = 21,49093279o_{C – (0,32368503}o_{C/W×103,3600871 W)}

59 = -11,96518004oC Q = 3 4 3 R T T − _T 4 = T3 – R3. Q = -11,96518004oC – (3,08947×10-5o_{C/W×103,3600871 W)} = -11,96837332 oC Ketelitian: Untuk T1:

ε

= 100% 1 1 1 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T = 100% 77664911 , 23 77664911 , 23 776649 , 23 × − = 0,0000005% Untuk T4: ε = 100% 4 4 4 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T =

(

)

100% 96837332 , 11 96837332 , 11 968375 , 11 × − − − − = 0,000014%

Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari sisi kanan dan kiri dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.12.

60 Ti = 32oC To = 5oC b = 0, 05 m T2 T1 L = 20 m

www.perumprasarana perikanan .com

Gambar 4.12. Hasil perhitungan beban pendingin dari sisi depan dan belakang menggunakan

Microsoft Excel

4.2.4 Panas dari Udara Ruangan Melalui Tutup Tanki,

Perencanaan tutup tanki terbuat dari bahan kayu jenis Mapel.

61 R1 = A . 1 1 b k Q Ti T1 Ri = A . h 1 i To Ro = A . h 1 o T2

Gambar 4.14. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari tanah melalui tutup tangki

pembeku

Keterangan:

Ti = temperatur udara ruang, 32o_C

To = temperatur udara di dalam tangki, 5oC

b1 = tebal kayu, 50 mm =0,05 m

k1 = konduktivitas panas kayu jenis Mapel

= 0,166 W/m oC (Holman J.P, Perpindahan panas, table A-3 p,584)

L = Panjang penampang tutup tangki pendingin, 20m

Lebar penampang tutup tangki pendingin, 8,5m

A = Luas penampang

= 20m × 8,5m = 170 m2

Karena fluida yang berhubungan dengan dinding atas dan bawah tutup tangki adalah udara, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya menggunakan persamaan berikut:

4 / 1 42 , 1 ∆ = L T

h (Khanna, “Heat and Mass Transfer”, p. 202)

Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding kayu (T1) dan dinding kayu bagian dalam (T2) adalah 20,615oC dan 16,385oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding kayu (T1) dan dinding kayu bagian dalam (T2), maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan.

62 Koefisien perpindahan panas antara tutup tangki dengan udara ruang:

hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4 = 1,42_×

{

(

32₋20,615

)

oC 20m

}

14 = 1,233428855 W/(m2.oC) ho = 1,42 [(T2 – To)/L]1/4 = 1,42_×

{

(

16,385₋5

)

oC 20m

}

14 = 1,233428855W/(m2.oC)

Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri.

Ri = 1

( )

h_i.A = ₁

(

_1,23342885W

(

_m2_.o_C

)

_×170m2

)

= 0,004769 oC/W R1 = b1

( )

k1.A = _0,05m

(

_0,166W

(

_m.o_C

)

_×170m2

)

= 0,001771793 oC/W Ro = 1

(

ho.A

)

= ₁

(

_1,233428855W

(

_m2_.o_C

)

_×170m2

)

= 0,004769106 oC/W Maka: Rtotal = (0,004769 + 0,001771793 + 0,004769106) oC/W = 0,011310005 oC/W

63 Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari tutup tangki adalah:

Q = total o i R T T − =

{

}

W C C o o 011310 , 0 5 32− = 2387,2668Watt

Untuk menentukan temperatur T1 dan T2 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:

Q = i i R T T − _{1 T1 = Ti – Ri. Q} = 32oC – (0,004769oC/W × 2387,2668 W) = 20,6148714 oC Q = 1 2 1 R T T − T2 = T1 – R1. Q = 21,6148714oC – (0,001771793oC/W × 2387,2668 W) = 16,38512 oC Ketelitian: Untuk T1: ε = 100% 1 1 1 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T = 100% 6148714 , 21 6148714 , 21 615 , 20 × − = 0,000624% Untuk T2: ε = 100% 2 2 2 × − n perhitunga n perhitunga asumsi T T T

64 = 100% 38512 , 16 38512 , 16 385 , 16 × − = 0,000785%

Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari tutup tangki dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.15.

www.perumprasarana perikanan .com

Gambar 4.15. Hasil perhitungan beban pendingin dari tutup tangki menggunakan Microsoft

Excel

4.3 Panas yang Diambil Evaporator

Dari beban produksi (product load) yang harus diambil evaporator untuk mengubah air menjadi es:

e

65 Keterangan:

m = kapasitas produksi per jam (freezing time 24 jam) = 50.000 kg/hari = 2.083,333 kg/jam

Cp = panas jenis air, 4,184 kJ/kg oC (Cengel & Boles, Thermodynamics and engineering Approach, table A3 p.766)

Tin = temperatur air masuk, 28 oC (data operasi pabrik)

Te = temperatur titik beku air (es), 0 oC

To = temperatur brine, -12 oC

Cf = panas jenis es, 2,11 kJ/kg oC (Cengel & Boles, Thermodynamics and engineering Approach, table A3 p.767)

Karena panas yang diambil dari air ke evaporator digunakan untuk pembuatan es, maka nilai panas laten pembentukan diperlukan untuk perhitungan panas evaporator.

Sehingga:

e

Q = m

[

Cp.

(

Tin −Te

)

+hie +Cp.

(

Te −To

)

]

di mana: hif = panas laten pembentukan, 335,2 kJ/kg (Ashrae 1998, p 11.38) Maka: e Q = m

[

C_p.

(

T_in −T_e

)

+h_ie +C_p.

(

T_e −T_o

)

]

= 2.083,333 kg/jam . [4,184 kJ/(kg.o_C)×(28-0)o_{C) + 335,2 kJ/kg} + 2,11 kJ/(kg.oC) × (0-(-12)o_C] = 995.150 kJ/jam = 276,4305556 kJ/s = 276,4305556 kW = 276.430,5556 Watt

Dari hasil perhitungan tiap-tiap beban pendingin pada freeze tank, maka total beban pendingin adalah:

66

total

Q = Q_{daridasartangki} + (2×Q_{darisisikanan−kiri}) + (2×Q_{darisisidepan−belakang}) +

gki tan tutup dari

Q + Qyangdiambilevaporator

= (2133,837606 + (2×234,6408531) + (2× 103,3600871) + 2387,266842 + 276.430,5556) Watt

= 281.289,6609 Watt = 281,2896609 kW

Karena menggunakan tiga buah unit brine tank, maka total beban pendinginnya adalah:

total

Q = 3×281,2896609 kW = 843,8689828 kW

Untuk menanggulangi beban akibat kebocoran-kebocoran, maka beban keseluruhan harus ditambah 10% dari beban keseluruhan.

Sehingga:

total

Q = 843,8689828 kW + (10%×843,8689828) kW = 928,2558 kW

Kompresor yang terpasang pada sistem refrigerasi ini adalah kompresor dengan spesifikasi data sebagai berikut:

Merk : Surely

Jenis : Reciprocating Compressor Multi Cylinder

Model : VZ – 6A x 4 set

Jumlah silinder : 8 silinder Diameter silinder : 132 mm Panjang langkah torak : 106 mm

Putaran : 1000 rpm

Jumlah tingkat tekanan : Satu tingkat Refrigeran : Amonia (NH3)

Kapasitas refrigerasi : 257.100 kcal/jam/set = 257.100 × 4,184 = 1.075.706,4 kJ/jam = 298,8073333 kJ/s = 298,8073 kW

67 Minyak pelumas : Clavus Oil 46

Pabrik pembuat : Hasegawa Refrigerating Industries, LTD Osaka Japan

Maka kompresor yang dibutuhkan adalah sebanyak :

n = comp total P Q = kW kW 8073 , 298 255881 , 928 = 3,10653

Maka kompresor yang digunakan adalah sebanyak 4 buah.

Hasil-hasil perhitungan panas yang diambil evaporator dan total beban pendingin dihitung dengan menggunakan Microsoft Excel dan perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.16.

www.perumprasarana perikanan .com

Gambar 4.16. Hasil perhitungan panas yang diambil evaporator dan total beban pendingin