LAPORAN PENELITIAN. Oleh : Azridjal Aziz, ST. MT. NIP Ir. Herisiswanto, MT. NIP Dibiayai oleh :

Transkripsi

1 LAPORAN PENELITIAN Pengembangan Cold Storage Hemat Energi Sebagai Mesin Refrigerasi Hibrida Memanfaatkan Panas Buang Kondensor Pada Drying Room Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon Subsitusi R-22 Oleh : Azridjal Aziz, ST. MT. NIP Ir. Herisiswanto, MT. NIP Dibiayai oleh : Dana PNBP Universitas Surat Perjanjian Pelaksanaan Penelitian No. 238/H19.2/PL/2008 Lembaga Penelitian Universitas Riau Tahun Anggaran 2008 LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU Tahun 2008

2

3 RINGKASAN Mesin refrigerasi/pendingin yang paling umum digunakan adalah mesin refrigerasi siklus kompresi uap. Sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain, panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untuk memenuhi prinsip-prinsip termodinamika. Panas yang terbuang ke lingkungan biasanya terbuang begitu saja tanpa dimanfaatkan. Demikian juga pada mesin pompa panas, sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pemanasan dengan cara menyerap panas dari lingkungan. Panas yang diserap dari lingkungan sebetulnya dapat digunakan untuk mendinginkan sesuatu, tapi biasanya cenderung dibiarkan terbuang. Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesin pompa panas diatas, maka dikembangkan suatu sistem yang menggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panas pada satu mesin, yang disebut mesin refrigerasi kompresi uap hibrida. Refrigeran halokarbon seperti R22 yang sering digunakan pada sistem ini belakangan diketahui berpotensi merusak lapisan ozon, sehingga pemakaiannya harus dihentikan. Dan sebagai gantinya digunakan refrigeran hidrokarbon, salah satunya adalah HCR22 yang ramah lingkungan. Pada penelitian ini dilakukan pengembangan Cold Storage Hemat Energi yang memanfaatkan chiller hasil pendinginan di evaporator untuk menghasilkan air dingin bertemperatur 0 o C yang akan digunakan di koil pendingin. Kajian tersebut dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik dari mesin kompresi uap hibrida dengan menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R22. Hasil penelitian menunjukkan: penggunaan massa refrigeran hidrokarbon HCR22 optimum pada mesin kompresi uap hibrida 400 gram pada COP 2,546. Terjadi penghematan/pemanfaatan energi sebesar daya pemanasan yaitu 58,12% yang dapat digunakan untuk pemanasan ruang atau untuk pengeringan. Penggunaan koil dummy air panas pada sisi panas (kondensor) sangat penting untuk menjaga kestabilan termodinamik mesin pendingin kompresi uap hibrida. Beda temperatur rata-rata antara koil pemanas/koil pendingin dengan temperatur ruang panas/temperatur ruang pendingin berkisar 3 5 o C. Penggunaan tangki air dingin kapasitas 45 liter sebagai thermal energy storage dengan temperatur awal 0 o C pada kondisi ice on coil dapat mempertahankan ruang dingin pada temperatur 24 o C selama 120 menit.

4 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, sebagai rasa terima kasih penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan dan rahmat-nya lah maka penulis akhirnya dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Dalam mengerjakan penelitian ini tidak sedikit hambatan yang penulis hadapi, tapi berkat dorongan serta bantuan dari berbagai pihak, baik moril maupun materil, hambatan tersebut dapat diatasi. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang terhingga banyaknya kepada : 1. Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah mendanai penelitian ini dari Dana Penelitian Andalan PNBP Universitas Riau Tahun Anggaran Bapak Dr. Syaiful Bahri, M.Si., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau dan Bapak M. Dalil ST. MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau, rekan-rekan dosen Jurusan Teknik Mesin, saudara Arief Fiandi, Erdonald Wahyudi, dan M. Fakhri selaku mahasiswa bimbingan tugas akhir dan mahasiswa teknik mesin lainnya yang telah membantu terwujudnya penelitian ini. Khususnya kepada istri tercinta Fivi Zulfianilsih, ST. MT. atas bantuan dan motivasinya serta semua pihak yang telah memberikan saran dan masukan dalam pembuatan penelitian ini. Penulis yakin sepenuhnya bahwa penelitian ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis akan berbesar hati atas saran dan kritik yang membangun agar penelitian selanjutnya dapat lebih baik lagi. Pekanbaru, Desember 2008 Azridjal Aziz, ST. MT. NIP

5 DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN.. RINGKASAN KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR ii iii iv v viii ix BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian Identifikasi dan Perumusan Masalah 2 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Mesin Refrigerasi Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Siklus Kompresi Ideal Siklus Kompresi Uap Nyata Mesin Refrigerasi Hibrida Refrigeran Refrigeran Alternatif untuk R Hidrokarbon sebagai Refrigeran 13 BAB III. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian 15

6 BAB IV. METODE PENELITIAN Peralatan Pengujian Evaporator Kondensor Alat Ekspansi Filter Sight Glass (kaca penduga) Pompa Sirkulasi Air Alat Ukur Alat Ukur Temperatur Alat Ukur Tekanan Alat Ukur Listrik Instalasi Alat Uji Refrigeran Uji Persiapan Perangkat Pengujian Pelaksanaan Pengujian Kinerja MesinRefrigerasi Hibrida Pengujian Massa Optimum Pengujian Kinerja Mesin Pendingin Kompresi Uap Hibrid Variabel-variabel yang Diukur 26 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Deskripsi Peralatan Pengujian yang Digunakan Pembahasan Massa Refrigeran HCR22 Optimum Daya pendinginan, Daya pemanasan dan Kerja Kompressor 28

7 (Perhitungan sisi refrigeran sekunder) Kinerja/Performansi Mesin Refrigerasi Hibrida 29 (COP,PF,TP) (Perhitungan Sisi Refrigeran Sekunder) Temperatur pada Sisi Panas dan Sisi Dingin Mesin 30 Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida Kondisi Temperatur pada Fungsi Tangki Air Dingin sebagai 31 Thermal Energy Storage (Ice on Coil pada sistem Chilled Water) BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 33 DAFTAR PUSTAKA 34 LAMPIRAN 35

8 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi 4 Tabel 2.2. Refrigeran Alternatit sebagai Pengganti R

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap Ideal 6 Gambar 2.2. Diagram P-h Siklus Kompresi Uap Ideal dan Aktual 8 Gambar 2.3. Siklus Kompresi Uap Ideal dengan Pendingin Air 9 Gambar 2.4. Temperatur Glide pada Campuran HC. 14 Gambar 4.1. Siklus Kompersi Uap Ideal dengan Pendingin Air 17 Gambar 4.2. Skema Aliran Air dalam Kotak Evaporator 18 Gambar 4.3. Skema Aliran Air pada Kondensor 19 Gambar 4.4. Termometer dan termokopel dengan penunjuk digital 21 Gambar 4.5. Pressure Gauge 21 Gambar 4.6. Instalasi Alat Uji Mesin Refrigerasi Hibrida 22 Gambar 5.1. Grafik Massa Refrigeran Optimum dan COP Optimum HCR22 28 Gambar 5.2. Daya kompresor, daya pemanasan dan daya pendinginan 28 Gambar 5.3. Gambar 5.3 COP, PF dan TP mesin refrigrasi hibrida dgn refrigeran HCR22 29 Gambar 5.4. Temperatur sisi panas mesin dg refrigeran HCR22 30 Gambar 5.5. Temperatur sisi dingin mesin dg refrigeran HCR22 30 Gambar 5.6. Temperatur keluar koil, ruang dingin dan air dingin 31 Gambar 5.7. Distribusi temperatur masuk dan keluar koil pendingin 32

10

11 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian Mesin refrigerasi yang berfungsi sebagai mesin pengkondisian udara (Air Conditioning) umumnya digunakan untuk mengkondisikan ruangan dengan memanfaatkan efek pendinginan dari evaporator yang memberikan rasa nyaman dan sejuk untuk penghuni atau orang yang bekerja di dalam ruangan tersebut baik di perumahan, perkantoran dan industri. Mesin refrigerasi adalah salah satu jenis mesin konversi energi, dimana sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pendinginan. Di sisi lain, panas dibuang oleh sistem ke lingkungan untuk memenuhi prinsip-prinsip termodinamika agar mesin dapat berfungsi. Panas dari kondensor yang terlepas ke lingkungan biasanya terbuang begitu saja tanpa dimanfaatkan. Demikian juga pada mesin pompa panas, sejumlah energi dibutuhkan untuk menghasilkan efek pemanasan dengan cara menyerap panas dari lingkungan. Panas yang diserap dari lingkungan sebetulnya dapat dimanfaatkan untuk mendinginkan sesuatu, tapi biasanya cenderung dibiarkan terbuang. Bertolak dari kasus mesin refrigerasi dan mesin pompa panas di atas, maka berbagai usaha telah dilakukan untuk mengembangkan suatu sistem yang menggunakan prinsip refrigerasi dan pompa panas dalam satu mesin. Pada mesin terpadu ini efek pendinginan dan efek pemanasan dapat dihasilkan dan dimanfaatkan secara bersamaan, sehingga daya guna mesin menjadi lebih tinggi. Mesin terpadu dengan fungsi ganda ini dikenal dengan mesin refrigerasi hibrida, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida. (Aziz, Azridjal, 2004) Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi hibrida dibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja. Refrigeran yang paling banyak digunakan adalah refrigeran halokarbon (halogenated refrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau R-22. (Agarwal, Radhey S, 1997). Namun dari hasil penelitian, refrigeran halokarbon R-22 menunjukkan sifat yang dapat merusak lapisan ozon dan berpotensi besar terhadap peningkatan efek pemanasan global, sehingga penggunaan refrigeran tersebut dicanangkan untuk dihapuskan pembuatan dan pemakaiannya. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004). 1

12 Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon R-22 adalah refrigeran hidrokarbon (hydrocarbon referigerant). Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yaitu dapat digunakan sebagai pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hemat energi, dan memenuhi standar internasional (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000). 1.2 Identifikasi dan Perumusan Masalah Pada perangkat pengkondisian udara sejumlah energi dibutuhkan untuk mendapatkan efek pendinginan yang memberikan rasa nyaman di sisi dalam ruangan sedangkan pada sisi luar panas dibuang (efek pemanasan) dari sistem ke lingkungan begitu saja tanpa dimanfaatkan. Panas yang dibuang ke lingkungan tersebut kandungan energinya cukup besar, lebih besar dari energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan sistem dan lebih besar dari energi yang diserap di ruangan yang dikondisikan. Panas yang dibuang ke lingkungan ini dapat digunakan untuk memanaskan udara maupun air yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Udara panas dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan sedangkan air panas dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan air panas antara lain untuk mencuci, mandi, dan memasak di rumah, kantor, industri, hotel dan rumah sakit. Pemanfaatan panas buang ini dapat menghemat biaya energi listrik atau energi gas yang dibutuhkan dalam proses pemanasan. Sebagian besar perangkat pengkondisian udara siklus kompresi uap menggunakan refrigeran halokarbon R-22 yang telah diketahui dapat merusak lapisan ozon yang berdampak negatif pada lingkungan global. Pada penelitian ini akan digunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dengan refrigeran hidrokarbon, perangkat pengkondisian udara tersebut tetap dapat digunakan, tanpa penggantian komponen. Mesin refrigerasi hibrida tentu saja memiliki keunggulan dan kekurangan, salah satu yang merupakan keunggulannya adalah peningkatan efisiensi penggunaan energi tetapi karena kedua sisinya sudah dimanfaatkan maka perubahan pada suatu sisi akan mempengaruhi proses di sisi yang lainnya. Penelitian ini perlu dilakukan untuk mengetahui karakteristik mesin menggunakan refrigeran hidrokarbon 2

13 subsistusi R-22, serta karakteristik mesin karena pemanfaatan evaporator dan kondensor secara bersamaan yang dapat mempengaruhi kinerja mesin. 3

14 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin Refrigerasi Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada di bawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Secara umum bidang refrigerasi mencakup kisaran temperatur sampai 123 K. Sedangkan proses-proses dan aplikasi teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut kriogenika (cryogenics). Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur di bawah 123 K dimana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen dan helium dapat mencair. (Arora, C. P, 2001) Tabel 2.1 Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi Jenis Mesin refrigerasi Refrigerasi Domestik Refrigerasi Komersial Refrigerasi Industri Refrigerasi transport Contoh Lemari es, dispenser air Pendingin minuman botol, box es krim, lemari pendingin supermarket Pabrik es, cold storage, mesin pendingin untuk industri proses Refrigerated truck, train and containers Pengkondisian udara domestik dan komersial Chiller Mobile Air Conditiong (MAC) AC window, split, dan package. Water cooled and air cooled chillers AC mobil Saat ini aplikasi refrigerasi meliputi bidang yang sangat luas, mulai dari keperluan rumah tangga, pertanian, sampai ke industri gas, petrokimia, perminyakan dsb. Berbagai jenis mesin refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam praktek. Namun demikian yang paling banyak digunakan adalah mesin refrigerasi siklus kompresi uap, termasuk untuk penggunaan kulkas, 4

15 AC ruangan dan kendaraan. Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokkan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004). Proses pengambilan/penyerapan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Q e. Sedangkan proses pembuangan energi dalam bentuk panas ke lingkungan terjadi di kondensor dengan laju sebesar Q k. (Stoecker, W.F. and Jones, J.W. 1994). 2.2 Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Secara prinsip untuk mendinginkan suatu ruangan atau benda, kita harus mendekatkan ruang atau benda tersebut dengan suatu permukaan atau fluida yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur yang didinginkan. Dengan demikian energi dalam bentuk panas dapat dipindahkan dari ruang/benda ke permukaan /fluida dingin. Apabila diinginkan agar fluida tidak terbuang, fluida harus didaurkan melalui sistem sedemikian rupa, sehingga energi yang diambil dari ruang dingin dapat dibuang keluar/lingkungan. Proses pengambilan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Q e. Sedangkan proses pembuangan energi dalam bentuk panas ke sekeliling tersebut akan terjadi di kondensor dengan laju sebesar Q k. Siklus kompresi uap dibedakan antara siklus kompresi uap ideal dan siklus kompresi uap nyata. Pada siklus kompresi uap ideal proses berlangsung di dalamnya dengan kondisi ideal yang tidak akan ditemukan dalam penerapannya, sedangkan siklus kompresi sebenarnya berlangsung pada siklus kompresi uap nyata Siklus Kompresi Uap Ideal Secara umum ada dua bagian penting dalam siklus kompresi uap yaitu : 1. Bagian yang bertekanan tinggi mulai dari sisi keluar kompresor hingga sisi masuk katup ekspansi. 2. Bagian yang bertekanan rendah mulai sisi keluar katup ekspansi hingga sisi masuk kompresor. Sebuah siklus kompresi uap memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator, seperti digambarkan pada gambar

16 Keempat komponen tersebut sekaligus juga mewakili 4 proses termodinamika yang dialami oleh refrigeran pada siklus kompresi uap ideal, yaitu : 1. Proses 1-2 : Kompresi isentropik (adibatik dan reversibel) dari uap jenuh ke tekanan kondensasi. 2. Proses 2-3 : Pelepasan panas reversibel pada tekanan konstan sampai kondisi cair jenuh. 3. Proses 3-4 : Eskpansi irreversibel pada entalpi konstan sampai tekanan evaporasi. 4. Proses 4-1: Pemasukan panas reversibel pada tekanan konstan dari fasa campuran ke tingkat keadaan uap jenuh. Pada siklus kompresi uap jika pemanfaatannya adalah dari sisi evaporator dimana evaporasi berlangsung pada temperatur rendah (dingin) disebut mesin refrigerasi. Sedangkan jika pemanfaatannya adalah dari sisi kondensor dimana kondensasi berlangsung pada temperatur yang lebih tinggi (panas) disebut mesinpompa kalor. Sehingga penamaan siklus kompressi uap tersebut selalu diikuti oleh fungsi yang dibawakannya. a b Gambar 2.1 Siklus Kompresi Uap Ideal Untuk menyatakan unjuk kerja dari suatu siklus kompressi uap, yang ditinjau dampak refrigerasi, laju pelepasan kalor, kerja kompressi, Coefficient of 6

17 Performance (COP) dan Performance Factor (PF), yang dapat dijelaskan sebagai berikut (lihat gambar 2.1) : 1. Dampak Refrigerasi adalah besarnya panas yang dapat diserap oleh refrigeran persatuan massa. Besarnya dihitung dengan selisih entalpi refrigeran masuk dan keluar kondensor q e QE m (2.1) h 1 h 4 2. Kerja Kompresi adalah kerja yang diterima oleh refrigeran untuk tiap satuan massa refrigeran w k Wk h 2 h 1 (2.2) m 3. Coefficient of Performance (COP) adalah perbandingan dampak refrigerasi dengan kerja kompressor qe ( h1 h4 ) Cop (2.3) w ( h h ) k Dampak pelepasan adalah jumlah kalor yang dilepaskan refrigeran tiap satuan massa refrigeran q k Qk h 2 h 3 (2.4) m 5. Faktor Prestasi adalah perbandingan jumlah kalor yang dilepaskan kondensor dengan kerja kompressor qk ( h2 h3 ) PF (2.5) w ( h h ) k 2 1 Pada mesin refrigerasi hibrida,karena kedua sisinya sudah dimanfaatkan maka ditambahkan satu lagi performansi yang menyatakan jumlah total panas yang diserap dan dilepas dibandingkan dengan kerja kompressi, secara matematik dituliskan dengan : ( qk qe ) TP (2.6) w k 7

18 Siklus kompresi uap yang diuraikan di atas adalah siklus ideal. Sementara pada prakteknya siklus yang sebenarnya mengalami beberapa penyimpangan dari siklus ideal ini Siklus Kompresi Uap Nyata Siklus kompresi uap ideal yang diuraikan di atas tidak mungkin terjadi, sehingga pada siklus kompresi uap nyata terjadi beberapa terjadi. Pada kenyataannya siklus kompresi uap mengalami penyimpangan dari kompresi uap ideal. Penyimpangan dari siklus yang sebenarnya ini dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut : P (bars) sub dingin 3 3' 2 2' 4' 1' 4 1 panas lanjut siklus ideal siklus aktual h( kj / kg) Gambar 2.2 Diagram P-h siklus kompresi uap ideal dan aktual Penyimpangan ini terjadi karena penurunan tekanan di sepanjang pipa kondensor dan evaporator sehingga proses perubahan fasa tidak lagi isobarik. Cairan mengalami proses pembawahdinginan (sub-cooling) saat meninggalkan kondensor sebelum memasuki alat ekspansi. Uap refrigeran mengalami proses pemanasan lanjut saat meninggalkan evaporator sebelum memasuki kompresor. Pada saat proses kompresi, terjadi kenaikan entropi (kompresi tak isentropik). Pada katup ekspansi, proses ekspansi berlangsung non-adiabatik. Penurunan tekanan terutama disebabkan oleh adanya gesekan yang terjadi antara refrigeran dan dinding pipa saluran, sehingga kerja kompresi akan mengalami peningkatan. Pendinginan lanjut di kondensor sebenarnya dianggap menguntungkan karena dapat memastikan fluida yang memasuki katup ekspansi berada dalam fasa 8

19 alat ekspansi kompresor cair dan dapat meningkatkan efek refrigerasi. Pemanasan lanjut dianggap menguntungkan karena dapat memastikan refrigeran yang memasuki kompresor seluruhnya berada pada fasa uap. Pemanasan lanjut dibedakan menjadi pemanasan lanjut internal dan pemanasan lanjut eksternal. Pemanasan lanjut internal merupakan pemanasan lanjut yang terjadi di dalam evaporator, sedangkan pemanasan lanjut eksternal terjadi di luar evaporator. Pada sistem pendinginan, pemanasan lanjut eksternal cendrung berdampak negatif terhadap kinerja sistem yaitu akan mengakibatkan turunnya efek refrigerasi dan koefisien performansi Mesin Refrigerasi Hibrida Alasan paling umum digunakan dalam usaha memodifikasi siklus kompresi uap sederhana adalah efisiensi penggunaan energi. Pengembangan mesin kompresi uap ideal dilakukan untuk mendapatkan efisiensi penggunaan energi yang lebih baik sehingga dapat melayani berbagai kebutuhan untuk pendinginan dan pemanasan yang memanfaatkan energi buangan sistem. Berdasarkan keterangan ini, diambil suatu terobosan untuk meningkatkan efisiensi maka kedua sisi dingin dan panasnya dimanfaatkan sekaligus. Siklus kompressi uap seperti ini dikenal sebagai mesin refrigerasi hibrida. Mesin refrigerasi hibrida ini tentu saja memiliki keunggulan dan kekurangan salah satu yang merupakan keunggulannya adalah peningkatan efisiensi penggunaan energi tetapi karena kedua sisinya sudah dimanfaatkan maka perubahan pada suatu sisi diharapkan tidak akan menggangu proses di sisi yang lainnya, sehingga umumnya dilengkapi dengan penambahan komponen dummy. 3 Q k air 2 kondensor W k evaporator 1 4 P (bars) air Q sub Gambar 2.3 Siklus dingin Kompressi Uap Ideal dengan Pendingin Air 3 3' 9 2'

20 Pada mesin refrifgerasi hibrida dengan siklus ideal, jika prestasinya ditinjau dari sisi air (gambar 2.3), maka kapasitas pendinginan pada evaporator adalah : Q e. mae CP, ae T ae (2.7) dimana : Q e = dampak pendinginan evaporator (Watt). m ae = laju masa air masuk evaporator (kg/s) C Pae = kalor jenis air (J/(kgK)) T ae = perbedaan temperatur air di evaporator ( o C) Kapasitas pemanasan pada kondensor : Q k. m ak CP, ak T ak (2.8) dimana : Q k = dampak pemanasan kondensor (Watt). m ak = laju masa air masuk kondensor (kg/s) C Pak = kalor jenis air (J/(kgK)) T ak = perbedaan temperatur air di kondensor ( o C) Daya kompressor : W k V I Cos (2.9) m dimana : W = daya kompresor (Watt) k m = efisiensi motor = 0,7 cos = faktor daya = 0,7 V I = tegangan motor listrik (V) = arus motor listrik (A) Untuk mengetahui sampai dimana tingkat keandalan sistem pendingin, dikenal beberapa besaran yang biasa dipakai, yaitu COP (coefficient of performance) dan PF (performance factor). Koefisien performansi adalah perbandingan antara efek pendinginan yang diperoleh terhadap energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor. 10

21 Koefisien performansi pada evaporator utama :. Q e COP (2.10). W k PF atau faktor performansi didefinisikan sebagai perbandingan efek pemanasan di kondensor terhadap energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor. Qk PF (2.11) W k Di samping kedua parameter di atas (COP dan PF), untuk mesin refrigerasi kompresi uap hibrida dikenalkan parameter baru yaitu total performansi (TP). Totap performansi didefinisikan sebagai perbandingan antara dampak pendinginan ditambah dampak pemanasanan terhadap daya yang dibutuhkan kompresor. 2.3 REFRIGERAN Refrigeran adalah fluida kerja yang digunakan untuk memindahkan panas di dalam siklus refrigerasi. Berdasarkan fungsinya selama refrigeran dibagi menjadi dua jenis yaitu refrigeran primer yang digunakan dalam siklus kompresi uap dan refrigeran sekunder yang digunakan untuk membawa kalor bertemperatur rendah. Pada sistem kompresi uap, refrigeran menyerap kalor dari suatu ruang melalui proses evaporasi dan membuang kalor ke ruang lain melalui proses kondensasi. Sifat-sifat yang dipertimbangkan dalam memilih refrigeran, adalah: sifat kimia, sifat fisik dan sifat termodinamik. Berdasarkan sifat-sifat kimianya refrigeran yang baik : tidak beracun, tidak bereaksi dengan komponen refrigerasi, dan tidak mudah terbakar, serta tidak berpotensi menimbulkan pemanasan global (GWP rendah (Global Warming Potential)) dan tidak merusak lapisan ozon (ODP rendah (Ozone Depleting Potential)). Hal ini diperlukan agar kelestarian lingkungan terjaga, karena lapisan ozon di stratosfir berfungsi melindungi bumi dari radiasi sinar ultra violet yang berbahaya (antara lain dapat menimbulkan kanker kulit, dapat membunuh phytoplankton yang merupakan bagian dari rantai kehidupan laut). Berdasarkan sifat fisik dan termodinamiknya refrigeran yang baik mampu menghasilkan kapasitas refrigerasi per satuan daya kompresi yang tinggi. 11

22 2.3.1 Refrigreran Alternatif untuk R-22 Hidrokarbon (HC) merupakan salah satu refrigeran alternatif pengganti R-22. Refrigeran HC tidak berpotensi merusak ozon karena ODP = 0 dan GWP yang kecil. Refrigeran HC juga tidak mengalami reaksi kimia dengan oli pelumas yang digunakan untuk refrigeran R-22. Tabel 2.2 Refrigeran alternatif sebagai pengganti R-22 Parameter Refrigeran R-22 R-12 Propana Iso- butana Rumus kimia CHClF 2 CCl 2 F 2 C 3 H 8 C 4 H 10 Temperatur kritis [ o C] ,8 97,0 135,1 Titik didih pada 1 atm [ o C] -41,4-26,8-41,9-11,6 Massa jenis - uap jenuh pada 0 o C [kg/m 3 ] 21,2 18,2 10,39 4,56 - cair jenuh pada 45 o C [kg/m 3 ] Kapasitas Panas Spesifik - uap jenuh pada 0 o C [kj/kgk] 0,614 0,642 1,85 1,61 - cair jenuh pada 45 o C [kj/kgk] 1,46 1,02 2,8 2,58 Konduktifitas Termal - uap jenuh pada 0 o C [mw/mk] 9,4 8,3 15,6 12,98 - cair jenuh pada 45 o C [mw/mk] 63,4 60,7 83,7 82,4 ODP 0, GWP Pada Tabel 2.2 ditampilkan beberapa jenis refrigeran yaitu : R-22, R-12, propana dan isobutana. Kelemahan utama R-22, karena potensi perusakan ozon dan pemanasan globalnya relatif tinggi dari ke tiga jenis refrigeran lainnya. Berbeda dengan refrigeran hidrokarbon untuk mesin yang sebelumnya menggunakan refrigeran R-22 maka refrigeran hidrokarbon dapat langsung menggantikannya tanpa melakukan penggantian komponen. Berdasarkan uraian di atas, maka refrigeran yang baik pengganti R-22 adalah hidrokarbon. Kelemahan hidrokarbon yang menonjol adalah mudah terbakar, namun hal ini tidak terlalu mengkhawatirkan jika prosedur keamanan penggunan hidrokarbon diterapkan dengan baik serta telah diakui dan diatur oleh berbagai 12

23 standar internasional yaitu : BS4434:1995(Inggris), AS/NZ 1677:1998 (Australia / New Zeland) dan DIN 7003 (Jerman ) Hidrokarbon Sebagai Refrigeran Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon, campuran propanabutana-isobutana, sebagai refrigeran alternatif pengganti R-22, yaitu : 1. Pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen. 2. Ramah lingkungan, potensi perusakan ozon nol (non-odp) dan potensi pemanasan global dapat diabaikan (non-gwp). 3. Hidrokarbon, gas alam yang mudah didapat di Indonesia. Refrigeran hidrokarbon dapat terbakar jika bercampur dengan udara pada komposisi yang tepat dan titik nyalanya tercapai. Komposisi yang harus dihindari ini adalah jika hidrokarbon berada pada komposisi 2% 10% volume. Kedua kondisi ini, komposisi dan titik nyalanya, tidak boleh terjadi secara serentak baik didalam sistem refrigerasi maupun diluar sistem. Agar tidak mudah terbakar refrigeran hidrokarbbon dapat diberi substansi tambahan agar sifat mampu nyalanya turun (LFS Low Flammable Subtance). Penelitian refrigeran hidrokarbon dengan LFS sudah mulai banyak dilakukan beberapa sudah mulai digunakan. Refrigeran hidrokarbon berasal dari campuran propana-butana-isobutana merupakan campuran zeotropik, yang sifat-sifat dari senyawa pembentuknya masih terbawa (tidak berubah). Campuran ini bukan zat tunggal, tetapi merupakan campuran yang senyawa-senyawa pembentuknya masih dapat dipisahkan melalui proses distilasi. Refrigeran campuran hidrokarbon akan mengalami kenaikan atau penurunan temperatur (temperature glide) selama terjadi perubahan fasa dalam siklus refrigerasi (lihat Gambar 2.4). Titik didih campuran berubah seiring dengan berubahnya komposisi campuran dalam fasa cair. Hal ini disebabkan karena laju penguapan komponen campuran tidak sama. Campuran fasa uap lebih kaya dengan komponen yang memiliki titik didih lebih rendah, sedangkan campuran fasa cair lebih kaya dengan komponen yang titik didihnya lebih tinggi. Akibatnya apabila campuran mengalir sepanjang evaporator, maka titik didih campuran akan naik, dan temperatur evaporasi juga akan bertambah. Pada tekanan evaporator, titik cair jenuh akan lebih rendah daripada titik uap jenuh. 13

24 Fenomena serupa juga terjadi pada kondensor, yaitu temperatur kondensasi akan menurun di sepanjang kondensor. P (bars) garis isotermal 3 2 Temperatur glide di Kondensor 4 1 Temperatur glide di Evaporator h( kj / kg) Gambar 2.4. Temperatur Glide pada Campuran HC Akibat yang timbul karena adanya temperature glide adalah sebagai berikut: 1. Komposisi campuran mungkin berbeda antara fasa uap dan fasa cair, oleh karena itu pengisian refrigeran ke dalam sistem refrigerasi sebaiknya dilakukan dalam fasa cair. 2. Kalau sistem refrigerasi mengalami kebocoran, ada kemungkinan komposisi kebocoran berbeda dengan komposisi refrigeran. Sebagai akibatnya komposisi refrigeran di dalam sistem berubah dan dapat mempengaruhi kinerja sistem. 14

25 BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : - mempelajari parameter yang mempengaruhi karakteristik perangkat pengkondisian udara (Air Conditioning) yang telah dimodifikasi menjadi mesin refrigerasi hibrid, diantaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi (COP) dan performansi faktor (PF). - mempelajari penggunaan air sebagai media penyerapan panas buang yang diperoleh dari kondensor serta pengaruhnya terhadap tekanan dan temperatur sistem - mempelajari penggunaan air sebagai refrigeran sekunder pada cooling coil (indoor unit) dengan tekanan dan temperatur sistem - mempelajari penghematan energi yang dihasilkan dari mesin refrigerasi hibrida 3.2 Manfaat Penelitian Pada penelitian ini direalisasikan sebuah prototipe mesin refrigerasi kompresi uap hibrida yang menggunakan refrigeran hidrokarbon yang dapat menghasilkan efek pendinginan dan pemanasan secara bersamaan, sehingga pemborosan energi yang terbuang percuma berupa panas buang dari perangkat pengkondisian udara (air conditioning) dapat dikurangi seminimal mungkin. Panas buang dari perangkat pengkondisian udara dapat digunakan sebagai pemanas untuk memanaskan air baik pada rumah tangga, perkantoran, rumah sakit, gedung komersil, maupun industri, sehingga terjadi penghematan energi yang cukup berarti, apalagi penggunaan refrigeran hidrokarbon dapat menghemat penggunaan energi listrik. 15

26 BAB IV METODE PENELITIAN Tahapan-tahapan pengerjaan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Tahap Persiapan Penelitian Pada tahapan ini akan dilakukan studi literatur dan pendalaman pemahaman terhadap konsep mesin refrigerasi hibrida yang menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dan mempelajari buku-buku dan jurnal-jurnal penelitian terbaru yang relefan. Studi literatur ini dapat dilakukan di perpustakaan maupun melalui internet. 2. Tahap Penyiapan Alat Uji Pada tahapan ini dilakukan penyiapan alat uji yang ada di Lab. Perawatan dan Perbaikan Teknik Mesin, UNRI dengan menyesuaikan dan menambahkan perangkat/peralatan yang disesuaikan dengan kebutuhan penelitian, seperti penambahan ruang pendingin dengan ukuran 1,6 m x 2 m x 2 m. Alat uji yang digunakan adalah dengan memodifikasi perangkat pengkondisian udara dan melakukan penambahan beberapa komponen yang dapat melayani pengujian untuk pengambilan data yang diperlukan. 3. Tahap Pengumpulan Data Pada tahapan ini dilakukan pengambilan data-data yang diperlukan dengan menggunakan beberapa macam alat ukur antara lain : pressure gauge, termometer, multimeter, stopwatch. Data-data yang diambil meliputi temperatur air masuk dan keluar koil pendingin (indoor unit) pada ruang pendingin, temperatur air masuk dan keluar koil pemanas pada ruang pemanas, temperatur udara melewati sirip koil pendingin, temperatur ruang pendingin, temperatur tangki air dingin, temperatur tangki air panas, temperatur ruang pemanas. laju aliran air masuk dan keluar evaporator, laju aliran air masuk dan keluar kondensor, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator. 16

27 4. Tahap Analisis Data Data yang diperoleh akan ditabulasikan dan dilakukan perhitungan sesuai prinsip-prinsip termodinamika yang berlaku, selanjutnya akan diplot dalam berbagai grafik yang dapat memberikan informasi-informasi mengenai pengaruh temperatur masuk dan keluar evaporator, temperatur masuk dan keluar kondensor, laju aliran air pengisi dan laju aliran massa refrigeran, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator terhadap unjuk kerja sistem 5. Tahap Pembuatan Laporan Pada tahapan ini seluruh hasil yang diperoleh dari tahapan sebelumnya dibuat dalam bentuk laporan hasil penelitian. Laporan hasil penelitian ini juga dapat dipublikasikan di jurnal-jurnal ilmiah terakreditasi, atau dipublikasikan di seminar-seminar yang relefan, sehingga dapat diperoleh masukan-masukan untuk kesempurnaan penelitian selanjutnya. 4.1 Peralatan Pengujian Instalasi alat uji Mesin Pendingin Kompresi Uap Hibrida mempunyai komponenkomponen utama yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, meja alat uji, pompa air sirkulasi, serta instrumen pengrukuran. Air Qk Katup Ekspansi Kondensor Evaporator Kompresor Wk Qe Air Gambar 4.1 Siklus Kompressi Uap Ideal dengan Pendingin Air 17

28 4.1.1 Evaporator Evaporator adalah alat penukar kalor yang dalam proses perpindahan panasnya fluida kerjanya, dalam hal ini refrigeran mengalami perubahan fasa. Seperti halnya alat penukar kalor lainnya, evaporator memiliki banyak jenis. Dari hasil perancangan yang digunakan adalah evaporator jenis tabung dan pipa (shell and tube ) dimana refrigeran mendidih dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin dan masih didalam cangkang. Laluan pipa di dalam tabung dibuat berselang-seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas evaporator ini. Refrigeran Air masuk Kotak evaporator Air keluar Gambar 4.2 Skema aliran air dalam kotak evaporator Kondensor Bentuk kondensor direncanakan sama dengan bentuk evaporator yaitu jenis tabung dan pipa (Sheel and Tube) tetapi fenomenanya berbeda dengan evaporator karena refrigeran mengembun didalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang. Laluan pipa didalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas kondensor ini Alat ekspansi Salah satu komponen pengatur aliran dalam sistem pendingin adalah akat ekspansi. Alat ini secara umum memiliki dua fungsi yaitu mengekspansikan cairan 18

29 refrigeran dari tekanan kondensor menjadi tekanan evaporator dan mengatur suplai cairan refrigeran ke evaporator pada laju aliran yang sesuai dengan beban pendinginan. Alat penurun tekanan yang digunakan pada pengujian ini adalah jenis pipa kapiler, yaitu pipa tembaga dengan diameter dalam yang sangat kecil hanya beberapa milimeter atau kecil dari satu milimeter. Refrigeran Air masuk Kotak Kondensor Kotak evaporator Air keluar Gambar 4.3 Skema aliran air pada kondensor Filter Alat ini berfungsi untuk mengurangi kandungan air yang tercampur di dalam refrigeran, ini diperlukan mengingat pengaruh kandungan air pada pipa refrigeran sangat buruk yaitu : Membentuk zat yang korosif jika bereaksi dengan refrigeran Menyumbat saluran refrigeran, pada katup ekspansi dan pipa kapiler. Filter di pasang diantara kondensor dan pipa kapiler yang berfungsi untuk melindungi kapiler dari pengaruh air yang terbawa dalam refrigeran sehingga kapiler dapat bekerja dengan optimal Sight glass ( kaca penduga ) Sight glass biasanya dipasang pada jalur cair pada sistem pandingin. Sight glass akan menunjukkan gelembung-gelembung udara jika jumlah refrigeran dalam sistem 19

30 sedikit. Jika jumlah refrigeran cukup maka sight glass akan penuh dengan cairan. Sight glass tidak akan memperlihatkan apapun jika tidak ada cairan pada saluran. Sight glass mungkin akan menunjukkan beberapa gelembung ketika sistem ini pertama kali dijalankan atau pada saat sistem berhenti. Kondisi ini adalah kondisi normal, dimana tidak menunjukkan adanya kekurangan jumlah refrigeran pada sistem Pompa Sirkulasi Air Untuk mensirkulasikan air pada evaporator dan kondensor dibuat pemipaan sederhana, dengan menggunakan beberapa katup. Instalasi pemipaan tidak terlalu panjang, namun diperlukan tinggi yang cukup agar air dapat bersikulasi dengan baik. Pompa yang digunakan harus tahan terhadap temperatur rendah dan sedang. Agar laju air masuk ke evaporator dan kondensor mudah diukur, maka sistem sirkulasi air dilengkapi dengan katup-katup pengatur. Untuk instalasi siklus refrigeran maka kompresor, sight glass, filter, pipa kapiler, evaporator dan kondensor, ditempatkan pada bagian atas meja dudukan alat. Koil pendingin, koil pemanas, pompa air sirkulasi, ditempatkan di bagian bawah meja dudukan alat. 4.2Alat Ukur Alat ukur digunakan untuk mengukur besaran-besaran pada pengujian. Alat ukur yang diperlukan yaitu alat ukur tekanan, temperatur, tegangan listrik, arus listrik dipasang pada titik-titik yang perlu diuji dan diambil datanya Alat Ukur Temperatur Alat ukur temperatur di pasang pada pipa saluran refrigeran, dengan tujuan agar temperatur pada masing-masing keadaan dapat diketahui. Alat pengukur temperatur yang digunakan pada pipa saluran refrigeran adalah termokopel dengan penunjuk digital. Alat ukur temperatur juga digunakan untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar pada kondensor dan evaporator. Selain itu juga digunakan untuk 20

31 mengukur temperatur ruangan pendingin dan ruangan pemanas. Pada pengujian kali ini digunakan termometer digital. Gambar 4.4 Termometer dan termokopel dengan penunjuk digital Alat Ukur Tekanan Alat ukur tekanan digunakan untuk mengukur tekanan yang terjadi pada masingmasing keadaan pipa saluran refrigeran. Alat ukur yang digunakan pada pengujian kali ini adalah tabung bourdon. Gambar 4.5 Pressure gauge Alat ukur Listrik Pengukuran daya kompressor dilakukan dengan mengetahui tegangan listrik masukan ke kompresor dan pengukuran arus listrik pada saat kompressor beroperasi. Tegangan listrik di ukur menggunakan Voltmeter dan arus listrik diukur dengan menggunakan ampermeter. Daya kompresor dapat dihitung dengan persamaan : 21

32 W=η V I Cosφ (4.1) k m dimana : W = daya kompresor (Watt) k η m = efisiensi motor = 0,7 cosφ = faktor daya = 0,7 V I = tegangan motor listrik (V) = arus motor listrik (A) 4.3 Instalasi Alat Uji Gambar 4.6 Instalasi Alat Uji Mesin Refrigerasi Hibrida Instalasi ini merupakan instalasi mesin pendingin kompresi uap hibrida yang berfungsi sebagai mesin pendingin pada lemari pendingin dan pompa kalor pada 22

33 lemari pengering. Untuk instalasi siklus primer ( siklus refrigeran), kompressor, sight glass, filter drier, katup ekspansi, kondensor dan evaporator ditempatkan di atas meja dudukan. Sedangkan koil pendingin, koil pemanas, pompa air sirkulasi, ditempatkan di bagian bawah meja dudukan alat. 4.4 Refrigeran Uji Refrigeran yang digunakan dalam sistem refrigerasi hibrida ini adalah hidrokarbon jenis Hycool HCR-22. Refrigeran hidrokarbon jenis Hycool HCR-22 ini hasil produksi PT. Citra Total Buana Biru, salah satu produsen refrigeran hidrokarbon di Indonesia. Penanganan refrigeran hidrokarbon untuk digunakan sebagai refrigeran pada mesin refrigerasi harus mengikuti petunjuk baku, dalam hal ini digunakan Petunjuk Praktis Konversi dan Perbaikan Peralatan Refrigerasi dengan Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon secara aman. 4.5 Persiapan Perangkat Pengujian Sebelum dilakukan pengujian untuk pengambilan data maka dilakukan persiapan perangkat pengujian yang meliputi : 1. Pengisian refrigeran uji Pengisian refrigeran uji meliputi beberapa tahap kegiatan yaitu pengurasan, pemeriksaan kebocoran, pemvakuman dan pengisian refrigeran. 2. Pengisian air sebagai beban pendinginan dan pemanasan di kotak evaporator dan kotak kondensor. 3. Memasang alat ukur untuk mengukur temperatur, tekanan, kuat arus dan tegangan listrik kompresor pada titik-titik yang telah ditentukan (gambar 4.6) 4. Menjalankan perangkat pengujian (running test), untuk mengetahui bagaimana kerja perangkat pengujian sebelum dilakukan pengambilan data, untuk memastikan kondisi perangkat pengujian dan disesuaikan dengan proses pengambilan data pengujian nantinya. 23

34 4.6 Pelaksanaan Pengujian Kinerja Mesin Refrigerasi Hibrida Pengujian yang dilakukan adalah pengujian performansi mesin refrigerasi antara lain dampak pemanasan, dampak pendinginan, daya kompresi, COP, PF, TP. Pengujian proses pendinginan dan pemanasan pada ruang pendingin, dilakukan untuk mengetahui karakteristik pendinginan termasuk pengaruhnya terhadap tekanan dan temperatur sistem primer Pengujian Massa Optimum Massa optimum refrigeran adalah jumlah massa refrigeran tertentu yang diisikan kedalam sistem yang memberikan performansi (COP) yang terbaik. Prosedur pengujian massa optimum : 1. Persiapkan alat-alat ukur yang akan digunakan. 2. Hubungkan kabel listrik mesin ke sumber arus listrik. 3. Pasangkan dan hidupkan alat ukur termometer digital di saluran masuk dan saluran keluar kotak evaporator dan kotak kondensor. 4. Pasangkan dan hidupkan termometer digital pada saluran masuk dan saluran keluar air pada kotak evaporator dan kotak kondensor. 5. Pastikan katup air panas dan dingin ke koil dalam keadaan terbuka. 6. Atur katup air panas dan dingin sesuai dengan laju aliran massa air yang diinginkan. 7. Hidupkan switch on kompresor 8. Hidupkan pompa air panas dan pompa air dingin 9. Lalu lihat temperatur air panas dan dingin yang terbaca pada alat ukur temperatur digital sampai kondisinya stabil (temperatur yang dinginkan). 10. Jika kondisi stabil telah dicapai lakukan pencatatan data dengan cara manual Tambahkan massa refrigeran kedalam sistem sebanyak gram dan catat penambahan massa ini, kemudian lakukan lagi prosedur 3. 24

35 12. Lakukan prosedur 4 berulang-ulang hingga tidak terjadi lagi perubahan temperatur air dingin pada tangki evaporator dengan penambahan massa refrigeran atau arus listrik ke kompresor semakin besar dan bunyi kompressor semakin keras Pengujian Kinerja Mesin Pendingin Kompresi Uap Hibrid Prosedur menjalankan mesin untuk pengambilan data pengujian kinerja mesin refrigerasi hibrida : 1. Persiapkan alat-alat ukur yang akan digunakan. 2. Hubungkan kabel listrik mesin ke sumber arus listrik. 3. Pasangkan dan hidupkan alat ukur termometer digital di saluran masuk dan saluran keluar kotak evaporator dan kotak kondensor. 4. Pasangkan dan hidupkan termometer digital pada saluran masuk dan saluran keluar air pada kotak evaporator dan kotak kondensor. 5. Pastikan katup air panas dan dingin ke koil dalam keadaan terbuka. 6. Atur katup air panas dan dingin sesuai dengan laju aliran massa air yang diinginkan. 7. Hidupkan switch on kompresor 8. Hidupkan pompa air panas dan pompa air dingin. 9. Lalu lihat temperatur air panas dan dingin yang terbaca pada alat ukur temperatur digital sampai kondisinya stabil (temperatur yang dinginkan). 10. Lalu hidupkan switch fan (high/low) untuk melakukan pengujian. 11. Setelah kondisinya stabil, catat temperatur air yang masuk dan keluar kotak evaporator dan kondensor, catat temperatur dan tekanan sistem yang masuk dan keluar evaporator dan kondensor, catat temperatur lingkungan, catat kuat arus dan tegangan listrik kompresor. 12. Lalu amati perubahan temperatur yang terjadi setiap 5 menit, lalu catat semua perubahan temperatur dan tekanan yang terjadi. 25

36 13. Lakukan beberapa kali pengambilan data 14. Setelah selesai percobaan dilakukan, mesin dimatikan. Setelah pengujian selesai dilakukan matikan mesin sesuai prosedur berikut ini : 1. Matikan kompresor. 2. Matikan pompa/fan kondensor dan evaporator. 3. Cabut kabel listrik mesin dari sumber arus listrik. 4.7 Variabel-Variabel Yang di Ukur 1. Temperatur saat memasuki kompresor (T1) 2. Tekanan saat memasuki kompressor (P1) 3. Temperatur saat memasuki kondensor (T2) 4. Tekanan saat memasuki kondensor (P2) 5. Temperatur keluaran kondensor (T3) 6. Tekanan keluaran kondensor (P3) 7. Temperatur saat memasuki evaporator (T4) 8. Tekanan saat memasuki Evaporator (P4) 9. Temperatur air masuk koil pemanas pada ruang pemanas (Th in) 10. Temperatur air keluar koil pemanas pada ruang pemanas (Th out) 11. Temperatur air masuk koil pendingin pada ruang pendingin (Tc in) 12. Temperatur air keluar koil pendingin pada ruang pendingin (Tc out) 13. Temperatur udara keluar koil pendingin (Tout Coil) 14. Temperatur air tangki air panas (Tw Hot) 15. Temperatur air tangki air dingin (Tw Cold) 16. Temperatur air keluar ruang pendingin (Trc out) 17. Temperatur ruang pemanas (TR Hot) 18. Temperatur ruang pendingin (TR Cold) 26

37 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Deskripsi Peralatan Pengujian yang Digunakan Deskripsi peralatan pengujian yang digunakan sebagai berikut : 1. Kompresor, kompresor yang digunakan : - kompresor hermetik jenis rotari - daya kompresor sebesar 1 HP 2. Evaporator, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in yang disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 31 cm maka jumlah laluan seluruhnya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data rancangan evaporator : - Temperatur permukaan, Ts adalah 9,17 o C - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6175 m 2 - Panjang total pipa, L adalah 20,69 m - Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h 0 = 219,018 W/m 2. 0 C - Koefisien perpindahan kalor total, U 0 = 172,7496 W/m 2. 0 C 3. Kondensor, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in ini disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 33 cm maka jumlah laluannya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data rancangan kondensor : - Temperatur permukaan, Ts adalah 40,93 o C - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6489 m 2 - Panjang total pipa, L adalah 21, 74 m - Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h 0 = 315,738 W/m 2. 0 C - Koefisien perpindahan kalor total, U 0 = 236,469 W/m 2. 0 C 4. Pipa kapiler, menggunakan pipa tembaga dengan diameter 1,7 mm, yang bekerja pada temperatur kondensasi 45 o C dan temperatur evaporasi 5 o C panjang pipa kapiler adalah 1,65 m Hasil pengujian pengujian lengkap dapat dilihat pada lampiran. 27

38 Energi (Watt) Performansi 5.2 Pembahasan Massa Refrigeran HCR22 Optimum Massa refrigeran optimum COP HCR-22 Poly. (COP HCR-22) Gram Gambar 5.1 Grafik massa refrigeran optimum dan COP optimum HCR22 Pada gambar 5.1 terlihat bahwa massa refrigeran optimum HCR22 sebesar 400 gram pada COP 2,546. Terlihat bahwa penggunaan jumlah refrigeran lebih atau kurang dari nilai optimum akan menyebabkan performansi mesin pendingin turun Daya pendinginan, Daya pemanasan dan Kerja Kompressor (Perhitungan sisi refrigeran sekunder) Daya Kompresor, pemanasan, panas dummy dan pendinginan Wk Q R Panas Q R Dingin Q Dummy Waktu (Menit) Gambar 5.2 Daya kompresor, daya pemanasan dan daya pendinginan Pada gambar 5.2 dapat dilihat daya pendinginan, daya pemanasan dan kerja kompresor, terhadap waktu pemakaian mesin pendingin. Tampak bahwa daya pemanasan dan pendinginan mencapai kondisi relatif stabil setelah 30 menit. Besar daya pemanasan seharusnya merupakan jumlah dari daya pendinginan ditambah dengan kerja kompresor. Terlihat bahwa daya pendinginan dan daya pemanasan

39 Waktu (menit) cenderung sama, hal ini terjadi karena sebagian daya pemanasan yang tidak digunakan di ruang pemanas di buang di koil pemanas dummy. Daya pemanasan berguna rata-rata adalah 1,172 kw, rata-rata panas yang terbuang di dummy adalah 0,845 kw, sehingga terjadi penghematan energi untuk pemanasan (panas berguna) sekitar 58,12 %. Hal ini menunjukkan penghematan adalah sejumlah energi panas yang diterima/digunakan pada ruang pemanas (Q R Panas). Panas dummy penting ditambahkan untuk menjaga agar panas di kondensor dapat tetap dibuang ke lingkungan untuk menjaga keseimbangan termodinamik sistem pendingin yang digunakan. Dengan penambahan koil panas dummy, kestabilan sistem dapat dijaga dengan baik, sehingga memenuhi hukum termodinamika. Jika koil dummy tidak ditambahkan, maka akan terjadi akumulasi panas di ruang pemanas, sehingga temperatur dan tekanan kondensor akan terus naik dan mengakibatkan kerja kompresor makin berat dan dapat memperpendek umur kompresor Kinerja/Performansi Mesin Refrigerasi Hibrida (COP,PF,TP)(Perhitungan Sisi Refrigeran Sekunder). Pada Gambar 5.3 dapat dilihat bahwa COP dan PF relatif hampir sama setelah kondisi mesin stabil, karena, PF di sini dihitung berdasarkan panas buang yang digunakan di ruang pemanas, tidak berdasarkan panas buang keseluruhan. PF tidak memperhitungkan panas yang dibuang di koil panas dummy COP, PF dan TP Satuan COP PF TP Gambar 5.3 COP, PF dan TP mesin refrigrasi hibrida dgn refrigeran HCR22

40 Temperatur (Celcius) Temperatur (Celcius) Temperatur pada Sisi Panas dan Sisi Dingin Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida Pada gambar 5.4 dapat dilihat temperatur sisi panas pada mesin pendingin yang diuji. Tampak bahwa temperatur sisi panas relatif stabil setelah waktu pengoperasian mesin selama 30 menit, temperatur relatif stabil sampai lebih kurang 2 jam pengoperasian mesin. Beda temperatur rata-rata antara ruangan pemanas dengan temperatur rata-rata koil berkisar 3 o C Temperatur Sisi Panas Thin Thout Trata2 TRhot Tw Hot Waktu (t) menit Gambar 5.4 Temperatur sisi panas mesin dg refrigeran HCR22 Pada gambar 5.5 dapat dilihat temperatur sisi dingin pada mesin pendingin yang diuji. Nampak bahwa temperatur sisi dingin relatif stabil setelah waktu pengoperasian mesin selama 30 menit, setelah itu temperatur sisi dingin cenderung stabil. Beda temperatur rata-rata antara ruang pendingin dengan temperatur rata-rata koil pendingin berkisar 5 o C Temperatur Sisi Dingin Tcin Tcout Trata2 TRcold Tw Cold Waktu (t) menit Gambar 5.5 Temperatur sisi dingin mesin dg refrigeran HCR22 30