PERANCANGAN MESIN PENGKONDISIAN UDARA HIBRIDA MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA VAKUM
Hasan Basri, Kaidir, Mulyanef
Program Studi Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri-Universitas Bung Hatta Jl. Gajah Mada No.19 Olo Nanggalo Padang 25143
Telp. 0751-7054257 Fax. 0751-7051341 Email : hasan.basri525@yahoo.co.id
ABSTRAK
Pemerintah Indonesia telah melakukan beberapa usaha guna mengatasi krisis energi nasional. Di antara nya dengan mengeluarkan kebijakan sebagai landasan untuk pengembangan dan peningkatan kapasitas penyedian energi kedepan. Pemerintah telah mengelurkan Instruksi Presiden Nomor 10 Tahun 2005 tentang Penghematan energi dan terakhir Instruksi Presiden RI No. 2 Tahun 2008 tentang Hemat Energi dan Air. Salah satu implementasi usaha mengatasi krisis energi ini adalah dengan upaya menghemat pemakaian energi pada mesin pengkondisian udara hibrida, yaitu sebagai pendingin udara sekaligus untuk memanaskan air. Penelitian ini merupakan teknologi baru untuk penghematan energi listrik. Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan prototipe mesin refigerasi hibrida hemat energi yang dapat berfungsi secara bersamaan sebagai pendingin udara ruangan sekaligus pemanas air. Pengkondisian udara mendisipasikan panas pada salah satu komponen nya, panas tersebut yang dimamfaatkan untuk memanaskan air, dengan menambahkan alat penukar kalor yang disisipkan diantara kompresor dan kondensor. Penukar kalor yang digunakan jenis helikal dari tembaga. Dari hasil perencanaan di peroleh pipa penukar kalor dengan diameter ¼ inc, panjang pipa 5,2 meter, serta jumlah lilitan sebanyak 13,26, dan ditambah kolektor surya vakum dengan jumlah 10 tabung, panjang tiap satu tabung 0,5 meter. Untuk membantu memeprecepat air hangat yang diinginkan dengan temperatur 500C sebanyak 100 liter dengan waktu 1 jam.
Kata Kunci: Pengkondisian udara, perpindahan panas, penukar kalor tipe helikal, pemanas air, kolektor surya vakum
ABSTRACT
Indonesian govemment hast done some efforts to rolve national energy crisis. For example the government builds policy as fomdation for development and mcrease energy providing capacity for future. The gevornment gwes president innstruction member 10, 2005 about saving of energy and president instruction RI No. 2 2008 about saving of Energy and Water. One of the implementation of solving energy crisis is to save the using energy in hybrid condisioner machine, that is air cooler and heater. This resarch is a new technology to save electric energy. The aim of this research is to produce prototpe hybrid refrigerasy machine save energy tuhich the fuction are as coller and heater. Air conditioner to dissipation of the not in one of the componentthe not is use to heater of water, with adds a tool for process of makingcalor, between compresor and condensor. A changing of calor that is use from helical copper from this result the pipe of calor that have diameter ¼ inc, long of pipe 5,2 meter, and thesum of coil 13,26 and solar vacum colector with 10 tube, long of each tube 0,5 meter to accelrate teh warm water in 500C temperature as much as 100 litre an hour.
Keywords: Air conditioning, heat transfer, heat exchanger type helic, water heater, solar collector vacuum tubes
1. Pendahuluan
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi dewasa ini cukup pesat, baik di bidang konversi energi, Material logam dan bukan logam. Salah satu nya dengan cara penghematan energi. Penghematan energi adalah pemamfaatan energi yang memang benar – benar diperlukan. Penghematan energi bila dilaksanakan secara sistematis akan berpotensi mengurangi konsumsi energi yang besar. Dalam upaya melakukan penghematan energi, pemerintah telah menetapkan keputusan presiden RI No 10 Tahun 2005 tentang hemat energi dan terakhir intruksi presiden RI No 2 Tahun 2008 tentang Hemat energi dan air. Implementasi kebijakan pemerintah ini sangat perlu untuk menjaga kesehatan energi nasional yang memerlukan dukungan seluruh masyarakat. Dengan kian terbatas nya sumber nergi, kita harus melakukan konservasi dan penghematan energi agar kegiatan pada sektor industri tidak terganggu, penghematan energi menghadapi kendala besar karena masyarakat kita terutama diperkotaan sejak lama terjebak gaya hidup konsumtif.
Bangunan gedung – gedung bertingkat dan industri, adalah tempat paling besar menggunakan energi listrik, terutama untuk penerangan, sistem
pendingin udara (Air Conditioning, AC ), lift dan motor – motor pengerak lainnya.Dari katagori peralatan tersebut, pemakaian energi listrik untuk mesin pengkondisian udara atau AC paling besar mencapai 72 % dari total pemakaian listrik di tambah lagi dalam perencanaan awal selalu melebihi kapsitas sebesar 10 -15 %. Pemborosan energi listrik terjadi pada saat AC tidak sedang beroperasi pada beban puncak, atau pada saat sedang beban rendah (partial load), AC tetap harus bekerja pada full load, sehingga kosumsi daya listrik untuk AC relatif tetap tinggi.
Salah satu upaya untuk menghemat pemakaian energi pada AC adalah dengan mengembangkan mesin pengkondisian udara hibrida, yaitu sebagai pendingin udara sekaligus untuk memanaskan air. Penelitian ini merupakan teknologi baru untuk penghematan energi listrik.
Pada pemanas air, penukar panas ditempatkan diantara kondensor dan kompresor. Air yang berada didalam tangki penyimpanan kemudian di sirkulasikan kedalam penukar panas kemudian kembali lagi ke tangki penyimpanan. Ditambah leagi dengan kolektor surya vakum agar panas air yang diingin kan tercapai dalam waktu yang singkat. Panas buangan dari mesin refrigerasi di manfaatkan untuk
memanaskan air yang disirkulasikan, menggunakan perangkat penukar panas tersebut. Perpindahan panas didalam pipa – pipa pada perangkat penukar panas (pada bagian refrigeran). Adapun tujuan perencanaan pembuatan mesin pengkondisian udara udara hibrida ini adalah, Merencanakan Prototipe mesin pengkondisian udara siklus kompresi uap hibrida, Merencanakan mesin refigerasi yang dapat berfungsi secara bersamaan sebagai mesin pendingin udara dan pemanas air / pengering, Merencanakan mesin refigerasi hibrida yang dapat meningkatkan efisiensi pemamfaatan energi, Melakukan implementasi dan pengembangan mesin pengkondisian udara hibrida yang dapat menghemat energi mencapai 60 %.
2. Tinjauan Pustaka
2.1 Siklus Mesin Pengkondisian Udara Kompresi Uap
Dalam sistem pengkondisian udara dikenal dua jenis siklus, yaitu siklus komprei uap dan siklus Absorbsi. Siklus yang paling banyak digunakan adalah siklus kompresi uap. Prinsip kerja siklus ini , uap refigeran di kompresikan sampai mencapai tekanan kondensor, kemudian uap yang bertekanan dan bertemperatur tinggi ini di kodensasikan di kondensor,
sehingga terjadi perubahan fasa menjadi cairan yang bertekanan tinggi. Fluida kerja yang bertekanan tinggi ini di ekspansikan dalam katup ekspansi hingga tekanan dan temperatur turun dan terbentuk campuran cair dan uap. Campuran refrigeran ini diuapkan dalam evavorator sambil menyerap kalor dari lingkunga yang di kondensasikan. Skema mesin pengkondisian udara kompresi uap ditunjukan dalam gambar.
Gambar 1 Skema Mesin Pengkondisian Udara Kompresi Uap
2.2 Mesin Refrigerasi Hibrida
Mesin pengkondisian udara uap sederhana yang dijelaskan diatas pada aplikasinya selalu mengalami modifikasi sesuai dengan keperluan. Pertimbangan yang paling umum digunakan sebagai alasan untuk memodifikasi siklus kompresi uap ini adalah efisiensi penggunaan energi. Jika siklus ini dimamfaatkan untuk pendinginan udara, maka siklus ini dikenal sebagai siklus refigerasi, sementra pada sisi panas nya terjadi pembuangan kalor kelingkungan. demikian. Demikia juga sebaliknya, jika sisi panas nya yang dimanfaat kan dikenal sebagai pompa kalo,
sementara sisi dinginnya menyerap kalor dari lingkungan.
Untuk meningkatkan efisiensi penggunaanenergi, maka kedua sii dingin dan panasnya dimanfaatkan sekaligus. Mesin siklus kompresi uap seperti ini dikenal sebagai mesin refrigerasi hibrida. Mesin refrigerasi hibrida yang akan diteliti ditunjukan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2 Skema Mesin Reprigerasi Udara Siklus Kompresi Uap Hibrida 2.3 Sistem Pemanasan ACWH
Pada sistem Pengkondisian udara pemanas air terdapat dua buah hal penting yang sangat berkaitan, yaitu unit AC dan penukar kalor. Pada sistem ACWH, alat penukar kalor yang dipasang sebelum kondenser sehingga sebagian panas tersebut dimanfaatkan untuk memanaskan air. (heat recovery)
Dapat dilihat siklus sistem ACWH (Air Conditioner Water Heat). Proses-proses pada tiap bagain dapat dijelaskan sebagai berikut :
Proses 1-2: Uap refrigeran dihisap kompresor kemudian ditekan sehingga tekanan dan temperatur refrigeran naik.
Proses 2-2: Panas refrigeran ditransfer kepada air di dalam penukar kalor sehingga air mengalami kenaikan temperatur sedangkan refrigeran mengalami penurunan dan sebagian telah berubah fasa menjadi cairan.
Proses 2’-3:Refrigeran didinginkan lagi menggunakan udara luar sehingga mencapai titik jenuh
Proses 3-4: Cairan refrigeran dengan tekanan dan temperatur tinggi diekspansikan sehingga mengalami penurunan tekanan dan temperatur.
Proses 4-1: Refrigeran di evaporator dalam keadaan temperatur rendah sehingga dapat menyerap kalor ruangan. Cairan refrigeran menguap secara berangsur-angsur karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan.
Selama proses penguapan di dalam pipa terdapat campuran refrigeran fase cair dan uap. Proses ini berlangsung pada tekanan tetap sampai mencapai derajat.
Gambar 3 Prinsip kerja ACWH
Air di dalam tangki yang menerima kalor dari refrijeran, diukur temperaturnya dengan menggunakan termokopel. Termokopel dipadang pada pipa keluar kompresor, di dalam tangki air,dan pipa keluar kompresor. Pemasangan demikian dapat mengetahui distribusi temperatur air panas didalam tangki penyimpanan air. Pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya digunakan dua bentuk alat penukar kalor yakni tipe coil dan helical.
Faktor penyebab tingginya temperatur air ACWH alat penukar kalor model helical antara lain temperatur refrijeran yang lebih tinggi dibandingkan ACWH alat penukar kalor model coil. Selisih temperatur yang besar antara refrijeran yang mengalir masuk dan keluar menyebabkan jumlah kalor yang diberikan ke air lebih besar. Faktor lain yang mempengaruhi adalah bentuk geometri
dari alat penukar kalor itu sendiri. Bentuk helical memiliki hambatan yang lebih besar sehingga menyebabkan kerja kompresor yang lebih besar. Akibatnya tekanan lebih tinggi diikuti oleh temperatur refrijeran yang tinggi. Pada model ini untuk mendapatkan air panas dengan tempertur minimal 50oC memelurkan waktu yang cukup lama.
3. Metodologi Penelitian 3.1Diagram Alir Penelitian
Gambar 4 Diagram Alir Penelitian 3.2 Waktu Dan Tempat Penlitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan Desember 2014 - april 2015 dengan tempat penelitaia di Laboratorium Pendingin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Universitas Bung Hatta.
4. Perencanaan Penukar Kalor Dibantu Dengan Kolektor Surya Vakum
4.1 Perencaaan Penukar Kalor Tipe Helik
Perencanaan ini mengunakan pengkondisian udara berdaya 1.5 PK dengan spesifikasi produk:
Merk AC : Panasonic Power source : 220 V ; 50 Hz. Cooling capacity : 12000 Btu/ Daya Input : 1550 W. Running Ampere : 7,3 A.
Refrigerant : R22 ; Berat Refigerant : 1,15 Kg.
Dalam penelitian ini material penukar kalor, menggunakan pipa tembaga dengan spesifikasi sebagai berikut :
Diameter Luar (dO) : 6,35 mm Diameter dalam (dI) : 5,91 mm
Konduktifitas Thermal Bahan : 385 W/moC
Data perencanaan penukar kalor sebagai berikut :
Volume Air (Va) 100 liter
Massa Air (mair) 100 kg
Temperatur awal Air (T1)
28oC
diinginkan(T0)
Waktu Yang Gunakan (s)
3600 detik (1jam)
Panas Jenis Air (Cair) 4,2 kj/kgoC Temperatur Inlet (T cin) 72oC Temperatur Outlet (T out) 48oC Temperatur Rata-Rata (Ta) 24oC
Laju aliran refrigeran (ṁ)
0,0057 kg/s
Panas Jenis uap freon (Cp)
1.583 J/kg oC
Rangkaian thermal di penukar kalor
Rth =
Dimana :
T in = Tempratur inlet (OC) T out = Temperatur Outlet (OC) Ta = Temperatur rata-rata (OC) Rth =
=
=
Rth = = 0,017 oC /WMendapatkan bilangan Reynolds, menggunkan parameter refigeran sebagai berikut :
Rapat massa (ρ) 146 Kg/m3
Viskositas (µ) 15,9 x 10-5 Ns/m2 Maka Laju Refigeran, VR :
V=
Dimana :
VR = Laju refigeran (m/s) m = laju aliran refigeran (kg/s) ρ = Rapat massa (kg/m3
)
= 0,64 ms Bilangan Reynolds, Re Re = Dimana : = Kerapatan massa (kg/m3) V = Kecepatan (m/s) µ = Viskositas (Ns/m2) Re = = 5,18 x 104
Bilangan Prandtl untuk Refrigeran R-22 yaitu Pr= 0,839. Maka bilangan Nusselt bisa dihitung, dengan terlebih dahulu menetapkan nilai diameter helik
D =0,125 m. Nu = 0,023 .Re 0,85 . Pr 0.4 (d1/D)0,1 Dimana : Re = Bilangan Reynolds Pr = Prandlt dI = Diameter dalam (mm) D = Diameter helik (mm) Nu = 0,023 .Re 0,85 . Pr 0.4 (d1/D)0,1 = 0,023 . 5,18*104 . 0,85 .0,839 0,4 ( 5,91 mm/ 0.125 m)0,125 = 171
Sementara untuk h1 (koefisien Perpindahan panas pada sisi dalam pipa) dihitung dengan mengunakan nilai konduktifitas thermal refrigeran dengan nilainya (kf) = 0,02 W/m oC. maka koefisien perpindahan panas pada sisi dalam pipa adalah:
h1 =
Dimana :
Nu = bilangan nuselt
Kf = konduktifitas nilai refigeran (W/m oC)
dI = Diameter dalam penukar kalor (mm)
h1 =
= 171 * 0,02 W/ m oC / 5,91 mm
h1= 3,42 W/m oC / 0,0059 m
h1 = 579,6 W/ m2oC (koefisien
perpindahan panas dalam pipa)
Kalor yang diterima pipa (QP) Qp = -K * A * dt/dx
= - 385 W/m0C * π d2/4 * dt/dx = -385 W/m0C * 3,14 (0,006)m2/4 * (24)0C/0,001m = 261,12 Watt
Maka laju perpindahan panas pada pipa adalah 261,12 W
Koofisien perpindahan panas yang dibutuhkan air pemanasan memerlukan Energi (W) sebesar:
W = mair * Cair * ∆t
Dimana : mair = massa air (kg) Cair = Panas jenis air (kj/kgoC) ∆t = selisih temperatur (O C) W = mair * Cair * ∆t W = 100 kg *4,2 kJ/kg oC * 240C W = 10080 kJ
Sementara itu luas penampang luar pipa, A0 =π *do2/4 maka nilai ho (koefisien perpindahan panas pada sisi luar pipa) yang diperlukan adalah:
Ho= = W/ π do2/4* ∆T *s
Ho =10080 / 3.14 *0,0062/4 * 24 *3600 kJ /m oC s
Ho =552,33 J/ s m 0C
= 552,33 W/ m 0C
Panjang pipa tembaga yang dibutuhkan
Nilai panjang pipa tembaga yang diperlukan, L. Dihitung dengan menyelesaikan persamaan ,h0, dan h1, dengan nilai konduktifitas bahan (k) = 0,55 W/ m oC .maka digunakanlah persamaan :
Rth =
+
0,017 oC / W = ++
0,017 oC/W=
+
+
O,017 oC/W=
0,39 L = 2,05 L = 2,05/0,39 L= 5,2 mMaka didapatlah panjang pipa tersebut yaitu: 5,2 meter
Jumlah lilitan (N)
Jumlah lilitan pipa tembaga yang membentuk helik dapat dihitung dengan mengunakan persamaan:
N = L/ π Di Dimana :
L = panjang pipa penukar kalor Di = Diameter helik
N = 5,2 m / 3,14 * 0,125 m
N = 5,2 m / 0,392 m
N = 13,26 lilitan
Jadi jumlah lilitan koil pipa tembaga helikal adalah 13.26 lilitan
Laju perpindahan panas pada air Q= m *cp * ΔT
Dimana : m = Massa air (kg) Cp = Panas jenis uap freon (J/kgoC) ΔT = Selisih temperatur (oC) Q= 100 kg/s . 1,583 j/kg0C .240C Q= 3799,2 Watt T lmtd Tlmtd = Dimana : = T2 – T1 = T1 – T3 = = -1,83/-0,606 = 30,550c
Dengan asumsi fluida dingin dan panas konstan maka koofisien perpindahan panas kesluruhannya adalah:
Q = U *A * Tlmtd
3799,2 W = U * 3,14 (4,8)2 m/4 * 30,550C
U =450,12 w / 218,84 m2 0C = 2,05 w / m2 0C
4.2 Kolektor Surya Vakum
Dalam perencanaan mesin pengkondisian udara hibrida ini, peneliti menambah kolektor surya vakum agar temperatur air panas yang diinginkan tercapai dengan waktu yang singkat. Temperatur air panas yang diinginkan dari mesin pengkondisian udara hibrida ini adalah C dengan banyak air 100 liter, dengan waktu 4-5 jam (tanpa
menggunakan kolektor). Dengan menambahkan kolektor tabung vakum surya ini maka temperatur air panas yang diinginkan bisa tercapai dengan waktu 1 jam, dengan banyak jumlah air yang sama. Jadi kolektor ini hanya berfungsi untuk membantu proses mempercepat pemanasan air yang diinginkan. Adapun spesifikasi tabung vakum surya ini adalah, sebagai berikut:
Panjang tabung 0,5 m Diameter luar 58 mm Jumlah tabung 10 buah
Pipa panas tembaga 10 (1 di dalam setiap tabung)
4.3 Hasil Dari Perencanaan Mesin Pengkondisian Udara Hibrida Menggunakan Kolektor Surya Vakum
Gambar 5 Mesin Pengkondisian Udara Hibrida menggunakan kolektor surya vakum
Gambar 6 Layout Mesin Pengkondisian Udara Hibrida menggunakan
kolektor surya vakum 5. Kesimpulan
a. Penukar kalor yag direncanakan pemamfaatan panas buang pengkondisian udara jenis split 1,5 PK sebagai berikut :
Merek AC : Panasonic
Cooling Capasity : 12000 Btu Material Pemanas : Tembaga Koefesien Perpindahan Panas dalam pipa : 261,12 W/m2 0C Koefesien Perpindahan Panas Luar pipa : 552,33 W/m2 0C
Refigeran : R-22
Panjang Pemanas (L): 5,2 meter Jumlah Lilitan : 13,26 lilitan Diameter Lilitan : 0,125 m b. Sistem Pemipaan
Diameter Luar : 0,24 inc Diameter Dalam : 0,23 inc
Temperatur Refigeran Masuk : 72oC
Temperatur Refigeran Keluar: 480C
Tebal Minimum pipa: 0,011 inc c. Tangki Air Panas
Volume Tangki : 130 liter Tinggi Tangki : 720 mm Diameter Tangki : 480 mm Tekanan : 0,669 psi d. Kolektor Tabung Vakum Surya
Tinggi Tabung : 0,5 meter Diameter Tabung Vakum : 0,058 meter
Diameter Pipa Tembaga Tabung : 0,0013 meter
Jumlah Tabung: 10 Buah e. Kontruksi Mesin
Panjang : 1,2 meter Tinggi : 1,6 meter
Beban yang diberikan : 40 Kg Tegangan Geser : 60 Kg cm2 6. Daftar Pustaka
[1] B. wahiba et. All, 2010. Feasibility
geothermal heat pump used for air
conditioning in Algeria International
journal of hydrogen energy.
[2] Bergero. S dan Chairi. A, 2011. On
the performances of a hybrid air –
conditioning system in different
climant conditions. Energy.
[3] Chen. H et all, 2011. Experimental
study on a hybrid photovoltaic/heat
pump system. Applied Thermal
Engineering.
[4] Frank P.Incropera,. David P.De Witt.
1996. Fundamentals of Heat and
Mass Transfer, Fourth edition.
Printed in the United States of
American.
[5] J.P.Holman. 1991. Perpindahan
Kalor,Edisi ke enam (terjemahan
oleh E.Jasjfi Penerbit Erlangga
Jakarta.
[6] Kaidir. 2008. Thermodinamika
Teknik Jilid 1. Penerbit Bung Hatta
University Pess. Padang.
[7] Kaidir, 2009. Heat Recevery From A
Hybrid Air Conditioning system For
Water Heating. Proceeding
International Conference On
Contruction Industry, pp. 163 - 168
[8] Prihadi Setyo Darmanto. 1993.
Bahan kursus singkat perencanaan
penukar kalor. Laboratorium
termodinamika. ITB.
[9] Wilbert F.Stoecker,Jerold
W.Jones.1995. Refrigerasi dan
pengkondisian udara edisi kedua
(terjemahan Supratman Hara)
