PENGARUH DEBIT ALIRAN AIR TERHADAP PROSES PENDINGINAN PADA MINI CHILLER

Transkripsi

1 PENGARUH DEBIT ALIRAN AIR TERHADAP PROSES PENDINGINAN PADA MINI CHILLER Senoadi 1,a, A. C. Arya 2,b, Zainulsjah 3,c, Erens 4,d 1, 3, 4) Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti Kampus A, Jl. Kyai Tapa No. 1, Grogol, Jakarta, Indonesia 2) Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti Kampus A, Jl. Kyai Tapa No. 1, Grogol, Jakarta, Indonesia a senoadi@trisakti.ac.id, b arya@trisakti.ac.id, c zainul@trisakti.ac.id, d erens@trisakti.ac.id *Senoadi Abstrak Sistem AC water chiller terdiri dari dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Pada siklus primer yang bertindak sebagai fluida kerja adalah refrigeran dan pada siklus sekunder yang bertindak sebagai fluida kerja adalah air. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui penyerapan panas terjadi secara maksimal oleh air. Penelitian ini dilakukan dengan menganalisa Qmax dan NTU dari sistem water chiller tersebut. Variasi laju aliran volume dilakukan dari 3 l/menit sampai 5,5 l/menit dengan selisih 0,5 l/menit setiap pengujian. Dari hasil pengolahan data dan analisa grafik didapat bahwa Qmax terbesar adalah 5469,591 W dan NTU terbesar yaitu 1,88 dicapai pada laju aliran volume 5,5 l/menit. Jadi laju aliran volume chilled water berpengaruh terhadap Qmax dan NTU pada sisi FCU dari sistem water chiller. Kata kunci : AC water chiller, laju aliran volume, siklus primer, siklus sekunder

2 Pendahuluan Air Conditioner adalah sistem atau mesin yang dirancang untuk menyamankan suhu udara dan kelembapan suatu area di sekitar dengan cara mengambil serta memindahkan panas dengan menggunakan suatu medium perantara. Media perantara ini dikenal dengan nama refrigeran. Adapun sebab mengapa gas refrigeran dipilih sebagai bahan yang disirkulasikan, yaitu karena bahan ini mudah menguap dan bentuknya bisa berubah-ubah, yang berbentuk cairan dan gas. Dapat disimpulkan dari pernyataan diatas bahwa kita bisa mendinginkan ruangan tertutup dengan jalan mengambil panas yang ada diruangan tersebut. Chiller adalah mesin refrigerasi yang berfungsi untuk mendinginkan air pada sisi evaporatornya. Air dingin yang dihasilkan selanjutnya didistribusikan ke mesin penukar kalor (FCU/Fan Coil Unit). Sistem water chiller terdiri dari dua siklus yaitu siklus primer dan siklus sekunder. Pada siklus primer yang bertindak sebagai fluida kerja adalah refrigeran dan pada siklus sekunder yang bertindak sebagai fluida kerja adalah air. Air disirkulasikan pompa yang dapat diatur laju alirannya dengan flow meter. Sangat penting untuk mengatur laju volume air pendingin agar didapat pendinginan maksimal, karena air pendingin inilah yang nantinya akan mengambil panas ruangan. Dengan laju aliran yang tinggi mungkin akan didapat pendinginan ruangan yang cepat, tetapi penyerapan panas ruangan tidak maksimal, karena kecepatan tinggi akan mempengaruhi fluida pendingin untuk mengambil panas ruang. Kemudian untuk mengetahui laju aliran volume yang sesuai untuk sistem Mini Chiller ini agar diperoleh perpindahan panas yang maksimal dapat dilakukan dengan menganalisa NTU (Number Transfer Unit) NTU merupakan parameter yang tidak berdimensi yang digunakan untuk menganalisa perpindahan panas yang terjadi pada suatu alat penukar panas. Yang menjadi tolak ukur adalah, bahwa dengan NTU yang besar akan didapat laju perpindahan panas yang besar dari suatu alat penukar panas. Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dengan melakukan pengujian langsung pada prototype Mini Chiller. Alat ini sebenarnya merupakan AC split yang sudah dimodifikasi. Gambar 1. Diagram Skematik Mini Chiller Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dengan menggunakan langsung prototype mini chiller. Mini Chiller ini sebenarnya merupakan AC split yang dimodifikasi menjadi water Chiller. Berikut ini metode penelitiannya: 1. Menghidupkan mesin/sistem water chiller secara keseluruhan. 2. Mengatur kecepatan blower FCU maksimal yaitu 6 m/s. 3. Menjalankan pompa air, kemudian mengatur volume air pendingin yang akan mengalir ke FCU. Untuk pengujian pertama volume diatur sebesar 5,5 l/menit selanjutnya diatur selisih 0,5 l/menit. 4. Mencatat masing-masing temperatur yang terbaca pada masing-masing

3 thermocouple pada menit ke 5, 10, 15,..., Mengulang langkah 2 dan 3 dengan memvariasikan volume air pendingin. MULAI Persiapan Perlengkapan Instalasi Alat Ukur Operasi Mesin Perhitungan Data Hasil Hasil Pengujian Untuk contoh perhitungan diambil dari data hasil pengujian pada laju aliran volume sebesar 5,5 liter/menit dengan mengambil nilai rata-rata untuk masingmasing temperatur pengujian T h,i = 29,14 0 C = 302,14 K v = 6 m/s T h,o = 20,47 0 C = 293,47 K L = 0,8 m T c,i = 14,87 0 C = 297,87 K Z = 0,15 m T c,o = 19,08 0 C = 292,08 K = 5,5 l/menit = m 3 /s Pendataan (menit ke- 5,10,15,...,50) Variasi Volume Aliran Air Perhitungan dengan T h,i = Udara masuk FCU T h,o = udara dihasilkan FCU T c,i = Air masuk FCU T c,o = Air keluar FCU L = Lebar saluran FCU Z = Tinggi saluran FCU = Laju aliran volume air V = Kecepatan udara Analisa Grafik Kesimpulan Perhitungan laju aliran massa udara (ṁ h ) ṁ h = ρ. A. v a. Penghitung temperatur rata-rata (T h ) h STOP Gambar 2. Metodologi Penelitian h = 24,805 0 C = 297,81 K b. Penghitung massa jenis udara (ρ)

4 ρ (24,805) =? Diketahui : T h = 297,805 K = 24,805 0 C 998,6655 kg/m 3 Dari tabel A-15 Properties of air at 1 atm pressure dalam lampiran d Didapat: T bawah = 20 o C dan ρ bawah =1,204 kg/m 3 T atas = 25 o C dan ρ atas = 1,184 kg/m 3 Dengan metoda interpolasi dapat dihitung ρ (24,48) yaitu : 1,203 kg/m 3 Dari tabel A-9 Properties of water dalam c. lampiran didapat M Penghitung luas saluran FCU (A) A = Z. L = 0,8 m. 0,15 m = 0,12 m 2 T bawah = 15 o C dan cp bawah = 4186 J/kg K ṁ h = ρ. A. v ṁ h = 1,203 kg/m 3. 0,12 m 2. 6 m/s T atas J/kg,K = 20 o C dan cp atas = 4182 = 0,866 kg/s Dengan metode interpolasi (c p,c ) dapat dihitung yaitu : Perhitungan laju massa aliran air ( ṁ c ) 4184,42 J/kgK ṁ c = ρ. V C c = ṁ c. C p,c = 383,293 W/K a. M Penghitung temperatur rata-rata (T c ) Perhitungan C h C h = ṁ h. C p,h Kapasitas spesifik untuk fluida panas (C p,h ) = 16,98 0 C= yang akan dipakai adalah pada temperatur 298,98 K rata rata untuk fluida panas (udara). h = b. 24,805 0 C. M Penghitung massa jenis air (ρ) ρ (16,98) =? Dari tabel A-15 Properties of air at 1 atm Dari tabel A-9 Properties of saturated pressure water dalam lampiran Didapat C p,h 1007 J/kgK untuk h = Didapat : T bawah = 15 o 24,805 0 C C dan ρ bawah = 999,1 kg/m 3 C h = ṁ h. Cp,h = 872,223 W/K C min = C c = 383,293 W/K T atas = 20 o C dan ρ atas = 998 kg/m 3 Dengan metoda interpolasi dapat dihitung ρ (17,18) yaitu : Jadi laju aliran massa air dapat (untuk V =5,5 l/menit = m 3 /s) sebagai berikut: ṁ c = ρ. ṁ c = 998,666 kg/m m 3 /s = 0,0916 kg/s Perhitungan perpindahan panas aktual Perhitungan C c C c = ṁ c. C p,c Kapasitas spesifik untuk fluida panas (C p,c ) yang akan dipakai adalah pada temperatur rata rata untuk fluida dingin (air). = 298,98 K = 16,98 0 C Perhitungan perpindahan panas maksimum Qmax = C min (T h, i T c, i ) = 383,293 W/ 0 Ck (29,14 0 C - 14,87 0 C) = 5469,591 W

5 kemudian : T 1m = F. T 1m,CF = 7,6 0 C Jadi U.A = = 719,683 W/ 0 C Perhitungan koefisien perpindahan panas Menghitung Number Transfer Unit (NTU) NTU = = 1,88 U.A = Alat penukar panas yang digunakan adalah alat penukar panas aliran melintang maka, = F. dimana faktor koreksi yang dipakai adalah 1 (F=1) Dimana = = 29,14 0 C 19,08 0 C = 10,06 0 C = 20,47 0 C 18,47 0 C = 5,6 0 C Perhitungan COP (Coefisient of Performance) Perhitungan COP diambil data dengan debit 5,5 liter karena menurut analisa memiliki kemampuan pendinginan terbaik Diketahui Cooling effect =5469,591 W Power input AC+pompa = 840 W W = 990W COP= = = 5,51 = 7,6 0 C Tabel 1. Hasil Perhitungan Grafik 1. Grafik Hasil Perhitungan Grafik 2 di bawah ini menampilkan hubungan antara NTU, Temperatur dan Laju Aliran Volume. Grafik 2. Hubungan Antara NTU,Qmax dan Laju Aliran Volume Dari Grafik 2 dapat dianalisa bahwa semakin besar laju aliran volume air pendingin maka

6 akan berpengaruh terhadap temperatur masuk air pendingin (Tc,i) ke dalam FCU dan temperatur keluar air pendingin (Tc,o) serta temperatur udara yang dihembuskan kelingkungan (Th,o) oleh FCU yang akan mempengaruhi dalam perhitungan Tlm, yang juga secara langsung dapat berpengaruh terhadap nilai NTU. Grafik tersebut memperlihatkan bahwa semakin besar laju aliran volume air pendingin maka temperatur air pendingin yang masuk FCU (Tc,i) semakin besar sedangkan air pendingin yang keluar FCU (Tc,o) semakin kecil. Hal ini mengakibatkan dengan meningkatnya laju aliran volume chilled water maka selisih antara temperatur nair pendingin masuk dan keluar (Tc,i dan Tc,o) semakin kecil yang akan berpengaruh terhadap NTU. Hal ini terjadi karena semakin besar laju aliran volume maka kemampuan air pendingin untuk menyerap panas dari lingkungan semakin cepat yang akan berpengaruh terhadap pendinginan yang dilakukan oleh refrigerant pada evaporator. Dengan demikian pendinginan yang dilakukan pada evaporato oleh refrigeran terhadap air pendingin akan terjadi secara maksimal. Artinya penyerapan panas yang dilakukan oleh air pendingin terhadap kalor pada ruangan yang dikondisikan sebanding dengan penyerapan panas yang dilakukan refrigeran terhadap panas yang diserap oleh air pendingin. Tetapi sebaliknya, dengan laju aliran volume air pendingin yang semakin kecil mengakibatkan penyerapan panas yang dilakukan oleh refrigerant terhadap air pendingin kurang maksimal. Hal ini terjadi karena untuk laju aliran pendingin yang rendah mengakibatkan perpindahan panas yang terjadi antara refrigerant dengan air pendingin terjadi tidak maksimal. Dapat dikatakan bahwa perpindahan panas yang dilakukan oleh refrigeran terhadap air pendingin terjadi lebih cepat jika dibandingkan terhadap penyerapan panas yang dilakukan air pendingin pada FCU terhadap udara dalam ruangan yang dikondisikan. Grafik 2 memperlihatkan hubungan antara laju aliran volume air pendingin terhadap perpindahan panas maksimum (Qmax) dan NTU. Pada awalnya terjadi sedikit penurunan NTU di laju aliran antara volume 3 l/enit sampai volume 3,5 l/menit dan kemudian perlahan-lahan naik di volume 4 l/menit. Peningkatan NTU yang cukup tajam terjadi pada laju aliran volume air pendingin antara 4,5-5,5 l/mnt, yang terus naik dari angka 1,814 sampai angka 1,878 yang merupakan titik maksimum dari NTU yang dapat dicapai dari Mini Chiller pada sisi FCU. Dari grafik dapat juga diketahui bahwa laju perpindahan panas maksimum dan NTU (Number of Transfer Unit) cenderung meningkat seiring dengan kenaikan laju aliran volume air pendingin. Peningkatan nilai perpindahan panas dan NTU terjadi karena semakin besar laju aliran volume chilled water maka berpengaruh terhadap penyerapan panas oleh air pendingin (chilled water) terhadap udara ruangan. Dengan meningkatnya laju aliran volume maka, kecepatan fluida juga mening-kat, sehingga pengambilan panas ruangan juga meningkat yang menyebabkan perubahan temperatur ( T lm ) semakin kecil yang mengakibatkan meningkatnya nilai NTU. Naik turunya nilai NTU, sangat dipengaruhi oleh perubahan temperatur chilled water yang terjadi pada masing masing laju aliran volume chilled water. Kemudian laju perpin-dahan panas maksimum dari gambar 4.13 terjadi pada laju aliran volume air pendingin (chilled water) 5,5 l/mnt yaitu sebesar 5469,591 Watt. Kesimpulan Laju aliran volume air pendingin berpengaruh terhadap NTU NTU (Number of Transfer Unit) dari sistem AC water chiller. Semakin besar laju aliran volume maka NTU juga mengalami peningkatan volume Laju aliran volume air pendingin berpengaruh terhadap Qmax (maximum possible heat transfer rate) dari sistem water chiiler. Semakin besar laju aliran volume maka Qmax juga mengalami peningkatan. NTU (Number of Transfer Unit) terbesar diperoleh untuk laju aliran volume air pendingin 5,5 l/menit yaitu sebesar 1,878. Karena kapasitas maksimal pompa hanya 5,5 l/menit maka hasil data yang didapat untuk NTU (Number of Transfer Unit) yang

7 didapat juga belum maksmal karena masih mengalami peningkatan.kemungkinan angka masih dapat naik lagi dengan kapasitas volume diatas 5,5 l/menit. COP (Coeffisient of Performance) yang dapat dihasilkan secara maksimal oleh Mini Chiller ini adalah 5,517. Referensi 1. ASHRAE, Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers. SI Edition, (2005) 2. W.F. Stoecker, J.W. Jones, Refrigeration and Air Conditioning, 2 nd edition (2000) 3. W. Arismunandar, H. Saito. Penyegaran Udara. Jakarta, PT. Pradnya Paramita (2005) 4. J. P. Holman, Perpindahan Kalor, Jakarta: Erlangga (1988) /02/materi-singkat-teknik-pendingin.html. Internet diakses pada 20 Juni rticle/view/ diakses pada 20 Juni Internet diakses pada 20 Juni I Made Rasta, Pengaruh Aliran Volume Chilled Water Terhadap NTU pada FCU Sistem AC Jenis Water Chiller. Jurusan Teknik Mesin. Fakultas Teknologi Industri. Universitas Kristen Petra. Jurnal Teknik Mesin Vol. 9, No. 2, (Oktober 2007) Pita, Edward G., Air Conditioning Principles and System: an Energy Approach, John Wiley and Sons, Inc., New York (1981) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)