POLITEKNIK NEGERI JAKARTA. Setelah mempelajari dan melakukan pengujian pompa kalor, anda anda diharapkan dapat :

Transkripsi

1 I. Tujuan percobaan Setelah mempelajari dan melakukan pengujian pompa kalor, anda anda diharapkan dapat : Menjelaskan komponen utama dan fungsinya; Menjelaskan prinsip pompa panas; Menjelaskan karakteristik mesin pompa panas dan pendingin; Menjelaskan pengaruh laju aliran air dan udara pada karakteristik mesin; Menggambarkan keseimbangan energi pada sistem ; Menjelaskan fungsi kendali pada sistem; Menetukan langka langka operasi untuk optimasi sistem. II. Dasar teori Gambar skematis pengujian mesin pompa panas yang digunakan dalam percobaan ini adalah jenis siklus tekanan uap Rankine. Secara skematis peralatan pengujian dipelihatkan seperti Gambar

2 2

3 penjelasan 1. Bahan pending in (Refrigeran) yang diperlukan adalah Freon 12 (R12). 2. Kompresor berupa konpresor torak, semi hermetic, dengan pendingin udara. Kapasitas 9,46 m 3 /jam pada putaran 1450 rpm. 3. Motor listrik 3 fasa 415 V 50 Hz dengan daya maksimum 2,5 kw. Daya yang digunakan dapat dilihat pada meter daya. 4. AHU, (Air handling unit) kipas udara terpasang pada AHU dengan 3 kecepatan yang berbeda. Maksimum laju udara yang dihasilkan adalah 0,37 m 3 /det. Thermometer berfungsi mengukur temperatur bola kering dan basah terpasang pada saluran masukan dan keluaran AHU. Meter orifice yang dapat dipindah pindah terpasang pada saluran AHU. 5. Kondensor, tipe shell dan tabung (tube). 6. Intrumentasi. Ada 14 titik temperatur pada saluran yang diamati yang ditunjukkan dengan digital, yaitu : TA1 TA2 TA4 TA5 TW7 TW8 = temperature bola kering bola masuk. = temperatur bola basah udara masuk. = trperatur bola kering udara kelur. = temperatur bola basah udara keluar. = temperatur air masuk kondensor. = temperature air keluar kondenser. 3

4 TF1 TF2 TF3 TF4 TF5 TF6 TF7 = temperatur fluida bahan dingin masuk ke kompresor. = temperatur fluida bahan pendingin keluar dari kondensor. = temperatur fluida bahan pendingin keluar dari pendingin. = temperatur fluida bahan pendingin keluar dari penukar panas. = temperatur fluida bahan pendingin masuk ke katup ekspansi. = temperature fluida bahan pendingin masuk ke evaporator. = temperatur fluida bahan pendingin keluar dari evaporator. TF8 = temperatur fluida bahan pendingin setelah masuk ke penukaran panas kembali. Empat meter tekanan yang bekerja secara analog terpasang seperti dalam rangkaian untuk mengetahui tekanan fluida kerja. Laju aliran air diukur menggunakan flowmeter Laju aliran udara diukur menggunakan meter orifice yang dilengkapi dengan manometer. Meter daya digunakan untuk mengukur daya yang digunakan kompresor. Pada peralatan mesin pompa panas ini dilengkapi juga Sembilan katup kendali. V101= katup kendali aliran air. V102= katup untuk menghentikan keluaran fluida kerja dari kondensor. V103= katup untuk menghentikan keluaran fluida kerja dari kondensor. V104= katup untuk menghentikan masuknya fluida kerja dari kondensor. V105= katup seperti katup V104. V106= katup ekspansi. 4

5 V107= katup untuk mengisi kembali fluida kerja. V108= katup ekspansi otomatis. Katup V101, katup kendali air. Katup ini yang diatur selama pengujian untuk mendapatkan laju aliran air yang dikehendaki. Katup katup lain hanya berfungsi sebagai katup pemeliharaan. Khusus katup V108, katup ini bekerja secara otomatis tergantung pada temperatur fluida pendingin keluaran dari evapotor. Siklus termodinamika Prinsip kerja pompa kalor atau heat pump : Fasa perubahan dari cairan ke uap (penguapan) dan uap ke cair (pengembunan/ kondensasi membutuhkan dan melepas sejumlah panas). Temperatur pengembungan dan penguapan suatu zat tergantung tekanan. Makin tinggi tekanan, makin tinggi temperatur penguapan maupun pengembunan. Sebagai contoh, air akan menguap pada temperatur 0 C jika pada kondisi vakum, dan sebaliknya akan mengembun pada temperatur 200 C bila tekanannya sangat besar. Jenis cairan lain, seperti eter, refrigeran dan sejenisnya, akan menguap di bawah temperature 0 C jika tekanan berada di bawah tekanan atmosfer. Untuk itu sangat baik mengunakan cairan yang akan menguap pada temperatur rendah dan tekanan sekitar 1 atmosfir. Dengan mempertahankan tekanan di atas 1 atmosfir, maka kebocoran yang terjadi lebih mudah diketahui. 5

6 Prinsip kerja sebagai berikut, eter setelah memulai pompa hampa, diembunkan dan dikembalikan ke cairan. Eter yang telah diembunkan kemudian lewatkan ke ketel penguapan dan eter akan mulai menguap lagi, demikian seterusnya. Dalam usaha untuk mengembunkan kebali uap, perlu menaikkan tekanan pada pengembun (kondenser). Dengan menggunakan pompa, dibanding pompa vakum sistem akan mempunyai tekanan diatas tekanan atmosfer. Dengan tekanan makin tinggi, volume spesifik uap makin kecil, sehingga volume kompresor lebih kecil juga pipa pipa dan penukaran panas. 6

7 Cara kerja siklus pemampatan pompa panas secara rici dalah sebagai berikut (lihat Gambar 6.1). Fluida kerja dimampatkan kedalam kompresor dari tinggi 1 menjadi 2. Pada tekanan tinggi ini, fluida kerja didinginkan dengan udara di kompresor dan dengan air pendingin di kondensor pada tekanan tetap (2-3). Pada kondisi ini panas akan dibuang ke air. Ini merupakan kerja dari pompa panas. Fluida kerja, kemudian dilewatkan penukar panas (3-4), hingga kondisi pendinginan lanjut (sub cooled). Proses ini berlangsung terus sampai kondisi 5. Fluida kerja diekspansikan, dengan menggunakan katup ekspansi, tekanan akan turun. (proses 5-6), dan fluida kerja akan menguap di dalam evaporator pada AHU (proses 6-7). Pada proses penguapan, fluida kerja akan menganbil panas dari udara yang dilewatkan AHU. Untuk memastikan bahwa tidak ada fluida kerja dalam bentuk cair sebelum masuk kompresor, fluida kerja R12 dilewatkan penukar panas (proses 7-8). Kondisi uap panas lanjut terjadi sampai kompresor (8-1). Kerja yang dihasilkan mesin pompa kalor yaitu dengan bertambah panasnya air pendingin pada pepengembun (kondensor) ini dibanding dengan daya masuk kompresor tersebut coefficient of performance (COP) mesin pompa kalor. Kondisi termodinamik fluida kerja dalam sistem di atas dapat digambarkan pada diagram T-S dan p-h seperti gambar dibawah ini. Gambar 6.4 dan 6.5 tampak berbeda siklus P-h dengan menggunakan penukar kalor (gambar 6.5) dan tampa penukar kalor (gambar 6.4) untuk proses P-h dengan perbandingan lanjut (gambar 6.5) akan ddiproses COP yang lebih tinggi. 7

8 8

9 Keterangan gambar 6.1 Proses : 1-2. proses pemampatan, idealnya proses insentropik pelepasan kalor pada pendingin, idealnya isobarik pelepasan kalor pada pendingi, proses isobar dan isothermik pelepasan kalor pada penukar panas pelepasan kalor pada pipa saluran ekspansi, insenthalpik menyerapan panas pada evaporator (pengisat) penyerapan panas pada penukar panas penyerapan panas pada pipa saluran. Pada kenyataannya proses tak berlagsung ideal, pada kompresor fluida kerja naik temperaturnya. Selain itu turun sepanjang pipa karena gesekan, sehingga diagram yangdiperoleh tidak seperti diagram idealnya. COP (coefficient of performance) Pada mesin kalor, perbandingan keluaran dan masukan energi selalu lebih kecil dari pada 1 dan dikenal sebagai efisiensi. Pada proses mesin pompa kalor, panas 9

10 diperoleh dari temperatur rendah ke temperatur yang lebih tinggi dengan menambahkan kerja. Perbandinga keluaran dan masukan daya ini lebih besar dari 1 dan biasa disebut coefficient of performance (COP). COP ini dapat dihitung dari hasil pengukuran kondisi thermodnamika maupun hasil pengukuran daya kompresor, kalor pemanas air, dan pendinginan udara. Secara thermodinamika dengan mengetahui tekanan dan teperatur fluida kerja pada titik tijauan seperti gambar 6.1, 6.4, dan 6.5, COP dapat dituliskan sebagai berikut : COP mesin pendingin = h 1 h 6 h 2 h 1 COP mesin pompa kalor = h 2 h 5 h 2 h 1 Untuk menghitung COP cara lain, dibutuhkan parameter parameter lain. Perlu diinget dalam menentukan COP secara riil, masukkan energi pada peralatan tambahan seperti fan dan pompa perlu diperhitungkan. 10

11 Rumus yang digunakan dan perhitungan. Untuk menentukan COP di atas diperlukan rumus dan data sesuai dengan gambar 6.1 sebagai berikut: T A1 T F3 T A2 T F4 T A4 T F5 T A5 T F6 T A8 T F7 T F1 T F8 T F2 11

12 Keterangan dapat dilihat pada gambar 6.1 Tekanan masuk kompresor (P1). Tekanan keluar kompresor (P2). Tekanan masuk katup ekspansi (P5). Tekanan keluaran evaporator (P7). Laju aliran fluida kerja (F1). Laju aliran air (F2). Daya masukan kompresor (Wc). Penurunan manometer (ΔP). Rumus yang digunakan. 1. Laju aliran udara. Mu = 0,0830 (ρ u Δ P)0,5 m u = laju aliran udara (kg/det). U = kerapatan udara (kg/m 3 ). P = u (volume spesifik). Ρ = diperoleh dari tabel atau psychometric chart. 12

13 2. Q ud pada evaporator Q u e V = m ud (h u1 h u2 )(kw) 13

14 Q ud e V panas yang diambil dari udara (kw) h u1 entalpi udara pada stasiun masukan ( kj kg ) h u2 entalpi udara pada stasiun keluaran ( kj kg ) hu1 dan hu2 diperoleh dengan mengukur temperatur bola basah TA2 dan temperatur bola kering TA1 masuk untuk h1 dan temperatur keluaran bola TA4 dan bola kering TA3 untuk menghitung h2. 3. Q air, pada pengembun/kondenser. Qa = ma Cp (Tw8 Tw7) Q a = panas yang dilepas kepengembun (kw) C P = rata rata spesifik air ( kj kg ) T w8 = temperatur keluar air dari pengembun ( C) T w7 = temperatur masuk air dari pengembun ( C) m a = laju aliran air ( kg detik ) 4. Daya kompresor (wk) Rumusnya dapat dilihat dari meter daya (kw) secara langsung 5. Coeficien of performance COP = 1 T L T h = T H T L T H H = temperature tinggi L = temperatur rendah 14

15 Pada mesin refrigerasi COP = = T L T H T L T L T H 1 T L 15