DISAIN EVAPORATOR JENIS SHELL AND TUBE PADA MESIN REFRIGERASI SIKLUS KOMPRESI UAP HIBRIDA

Transkripsi

1 DISIN EVPORTOR JENIS SHELL ND TUBE PD MESIN REFRIGERSI SIKLUS KOMPRESI UP HIBRID zridjal ziz () () Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau BSTRK Mesin refrigerasi yang efek pendinginan dan efek pemanasannya dilakukan sekaligus dinamakan mesin refrigerasi hibrida. Efek pendinginan dilayani oleh suatu penukar kalor yang dinamakan evaporator, dimana di dalamnya terjadi proses perubahan fasa refrigeran/fluida yang mengalir di dalamnya dari cairan menjadi uap (penguapan/evaporasi) Disain evaporator dipengaruhi oleh kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi, temperatur dan laju massa air memasuki evaporator. Pada disain ini digunakan R22 sebagai refrigeran dengan temperatur evaporasi 5 o C, dengan kapasitas pendinginan di evaporator 2,056 kw, serta temperatur permukaan evaporator 8 o C. Dari disain diperoleh evaporator dengan pipa tembaga 3/8 inci, panjang 20,69 m, dengan 66 laluan tingkat (6 laluan pertingkat), luas permukaan perpindahan kalor 0,675 m 2, koefisien perpindahan kalor tota72,7496 W/m 2. o C. Evaporator didisain dengan aliran silang jenis shell and tube. BSTRCT Refrigeration machine which effect of refrigeration and its warming effect are done together named as hybrid refrigeration machine. Refrigeration effect served by a heat exchanger named evaporator, where in it happened the process of change of refrigerant phase from liuid to the vapour (evaporation) Design the evaporator influenced by capacities of refrigeration design, type of refrigerant that used to analyse the state level of thermodynamics in evaporator, evaporation temperature, temperature and water mass flow rate to enter the evaporator. t this design used R22 as refrigerant with the evaporation temperature 5 o C, with the refrigeration capacities in evaporator 2,056 kw, and also temperature of surface evaporator 8 o C. From designed is obtained the evaporator with the copper pipe is 3 / 8 inch, evaporator long is 20,69 m, 66 pass with level (6 pass perlevel), surface area of heat transfer is 0,675 m2, overall heat transfer coefficient is 72,7496 W / m2. o C. Evaporator is designed with the cross flow stream and type of shell and tube. Keywords: heat exchanger, evaporator, refrigeration. PENDHULUN Perkembangan industri yang pesat membuat laju konsumsi energi semakin tinggi, sehingga cadangan energi yang tersedia semakin menipis. Keterbatasan cadangan energi dan semakin meningkatnya kebutuhan energi tersebut mengakibatkan harga energi semakin mahal. Berbagai usaha terus dilakukan untuk melestarikan energi, antara lain adalah dengan meningkatkan efisiensi penggunaan energi dan mencari sumber-sumber energi baru. Salah satu usaha dalam meningkatkan efisiensi pemakaian energi adalah dengan memanfaatkan kembali (recovery) energi yang selama ini dibiarkan terbuang pada suatu mesin konversi energi. 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 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

2 Disain Evaporator Jenis Shell and Tube pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida (zridjal ziz) 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 hibrid, karena mesin refrigerasi paling banyak beroperasi dengan siklus kompesi uap, maka mesin ini disebut mesin refrigerasi siklus kompresi uap hibrida. [2] 2. TINJUN PUSTK Sebuah siklus kompresi uap ideal [,4,5,8] memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator, seperti digambarkan pada gambar. Katup ekspansi 3 4 Q k Kondensor Evaporator Q e Kompresor Gambar. Siklus Kompresi Uap Ideal 2 W kom Gambar 2. Diagram Fasa p-h Kompresi Uap Ideal Fungsi masing-masing komponen utama adalah sebagai berikut :. Kompresor berfungsi mengisap uap refrigeran dari sisi keluar evaporator yang bertemperatur dan bertekanan rendah dan menekannya menjadi uap refrigeran yang bertemperatur dan bertekanan tinggi sebelum masuk ke kondensor. 2. Kondensor berfungsi untuk mengkondensasikan atau mengembunkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi dengan mendinginkannya dengan air atau udara, atau terjadi pelepasan kalor ke lingkungan melalui dinding kondensor sehingga fasanya berubah menjadi cair. 3. Katup Ekspansi/pipa kapiler berfungsi menurunkan tekanan refrigeran cair dari kondesor dan mengatur laju aliran refrigeran, agar sesuai dengan beban pendinginan. Dalam sistem pendinginan yang kecil dapat digunakan pipa kapiler. 4. Evaporator berfungsi untuk mengevaporasikan atau menguapkan cairan refrigeran pada tekanan dan temperatur rendah, dan selama proses evaporasi refrigeran mengambil atau menyerap kalor dari lingkugan sehingga terjadi proses pendinginan. Kalor yang diserap dapat berupa kalor dari cairan atau udara dari lingkungan yang didinginkan. Evaporator Jenis evaporator yang digunakan pada sistem pendingin berdasarkan konstruksinya adalah :. Jenis pipa bersirip (finned tube) 2. Jenis pipa polos (tube) 3. Jenis shell and tube (tipe cangkang) 4. Jenis pelat permukaan (plate surface) Jenis evaporator berdasarkan pemasukan cairan adalah:. Evaporator banjir (flooded evaporator) 2. Evaporator kering (dry or direct-expansion evaporator) Berdasarkan sirkulasi fluida yang didinginkan (udara atau cairan) dibedakan atas: konveksi paksa dan konveksi bebas. Berdasarkan cara pengaturan refrigeran dibedakan atas jenis langsung (direct expansion) dan jenis tak langsung (indirect expansion) Untuk jenis langsung, kalor di evaporator langsung diserap oleh fluida (udara atau air) untuk digunakan langsung dalam proses pendinginan. Untuk jenis tidak langsung penyerapan kalor di evaporator dengan media cair (air, brine), kemudian media cair yang telah didinginkan ini baru digunakan dalam proses pendinginan. Biasanya media penyerapan kalor dengan media cair digunakan pada sistem pendingin yang menggunakan sistem chiller atau menggunakan secondary cycle (jenis tak langsung).

3 Jurnal Teknik Mesin Vol. 2, No 2, Desember 2005 ISSN Dalam disain evaporator pada penelitian ini digunakan evaporator jenis shell and tube (tipe cangkang) untuk pendinginan tidak langsung, dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang (Holman, 99). Laluan pipa di dalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas evaporator ini. 3. METODOLOGI Langkah-langkah yang dilakukan dalam disain evaporator pada penelitian ini mengikuti flow chart seperti pada Gambar (3). MULI dalam cangkang. Laluan pipa didalam tabung dibuat berselang seling yang tujuannya untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas evaporator ini. Data wal Disain Data awal yang diperlukan dalam disain evaporator adalah kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi refrigeran, temperatur dan kecepatan air memasuki evaporator. Kecepatan Refrigeran Pipa evaporator yang digunakan dalam perancangan ini adalah pipa tembaga dan dimensinya akan diasumsikan berdasarkan ukuran pipa tembaga yang tersedia di pasaran kemudian dianalisa berdasarkan data pada tabel () berikut ini : INPUT JENIS REFRIGERN, TEMPERTUR EVPORSI, TEMPERTUR PERMUKN EVPORTOR, LJU MSS IR DI EVPORTOR, TEMPERTUR IR MSUK EVPORTOR PILIH TIPE PENUKR KLOR, KECEPTN REFRIGERN (PEMILIHN PIP EVPORTOR) Tabel. Kecepatan aliran refrigeran yang dianjurkan Kecepatan refrigeran [m/s] Refrigeran Saluran Cair hisap Kondensor moniak 0,5-,27 20,32-25,40 25,4 30,48 R-2 0,4-0,5 7,62-9,4 9,4-,43 R-22 0,5-0,64 7,62-9,4 9,4-,43 R-502 0,5-0,64 7,62-9,4 9,4-,43 ir 0,5-,27 0,5-0,25 9,4-,43 HITUNG NLISIS TERMODINMIK (KPSITS EVPORTOR), TEMPERTUR IR KELUR, LMTD, PROSES PENGUPN REFRIGERN, KPSITS REFRIGERN RT-RT, PROSES KONVEKSI PKS PD SISI IR, HITUNG FKTOR PENGOTORN, KOEFISIEN PERPINDHN PNS TOTL, LUS PERMUKN EVPORTOR, PNJNG PIP EVPORTOR NO Kecepatan aliran refrigeran di evaporator dihitung dengan persamaan : v ref m ref () Beda Temperatur Rata-rata Logaritmik (LMTD) Temperatur air keluar evaporator dihitung dengan persamaan : PERIKS SUMSI TEMPERTUR PERMUKN EVPORTOR DENGN HSIL PERHITUNGN YES STOP Qe m. w C pw T (2) Sedangkan beda temperatur rata-rata logaritmik (LMTD) (holman 9) adalah : TLm F T Lmcf (3) Gambar 3. Flow Chart Disain Evaporator Pada disain evaporator ini digunakan Evaporator jenis tabung dan pipa (sheel and tube) dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir di luar pipa dan masih di Penguapan Refrigeran liran refrigeran didalam evaporator merupakan aliran dua fase. Pada saat memasuki evaporator, persentase uap refrigeran rendah tetapi pada saat memasuki bagian lebih dalam lagi persentase uapnya meningkat sehingga kecepatan alirannya juga 60

4 Disain Evaporator Jenis Shell and Tube pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida (zridjal ziz) meningkat. Penguapan refrigeran tersebut disertai perpindahan panas dari lingkungan ke dalam refrigeran, yang mana prosesnya sangat rumit dan kompleks Tabel (2). Permukaan Horizontal Tabel 2. Penguapan refrigeran [4], kw / m Koefisien panas penguapan, h b diperoleh : 2 h, W / m. K 042 ( Tx ) / 3 / 3 5,56 ( Tx ) 3,96 2 2,253( Tx ) W / m... (4) pengotor (impurities) dalam fluida kerja atau terbentuknya karat pada pipa. Terbentuknya lapisan pengotor pada permukaan pipa meningkatkan tahanan perpindahan panas diantara dua fluida kerjanya. Efek tersebut akan ditanggulangi dengan menambahkan tahanan termal pada saat disain, yang sering disebut faktor pengotoran (fouling factor) seperti ditunjukkan pada Tabel (3). Tabel 3. faktor pengotoran beberapa fluida kerja Fluida kerja ir pengisi boiler (<50 0 C) ir pengisi boiler (>50 0 C) ir sungai (<50 0 C) Bahan bakar minyak Refrigeran Uap air R f (m 2. K/W) 0,000 0,0002 0,0002-0,00 0,0009 0,0002 0,000 untuk 0,2< p < 0,7 Mpa untuk 0,7 < p < 4 Mpa [4] 4 / ,2 p ( Tx ) W / m (5) Kapasitas refrigeran rata-rata dihitung dengan rumus Qm. x mref h fg 2 Konveksi Paksa pada Sisi ir [4] (6) Pipa evaporator disusun dengan pola selang-seling (staggered) dengan jarak antar pipa sedemikian rupa. Koefisien perpindahan panas konveksi sisi air evaporator, dihitung dengan menggunakan sifat-sifat termofisik air pada temperatur rata-rata, sehingga kecepatan air pada kotak evaporator tanpa pipa adalah : V max ST ST D o V w (7) Koefisien konveksi rata-rata pada sisi air dihitung holman 9 menggunakan persamaan Zhukauskas : / 4 k m 0,36 Pr h 2 w o C C Re D max Pr Pr Do s Faktor Pengotoran (8) Pengoperasian normal dari evaporator sebagai suatu penukar kalor, sering mengalami pengotoran akibat Koefisien perpindahan panas total Perpindahan panas yang terjadi didalam evaporator mencakup tiga proses, yaitu penguapan refrigeran dibagian dalam pipa, proses konveksi paksa dibagian luar pipa, dan proses konduksi pada dinding pipa. Tahanan termal total pipa evaporator ditentukan dengan mengevaluasi koefisien perpindahan panas total (U), yaitu dengan persamaan: U. R'' 0 0 f, i R' ' f,0 (9) 0 i. hb i h0 Luas Permukaan dan Panjang Pipa Evaporator Luas permukaan perpindahan panas di evaporator dapat dihitung: Q e 0 U 0 Lm (0) Panjang pipa tembaga yang diperlukan untuk evaporator adalah: 0 L tot () D Untuk mendapatkan hasil disain yang memuaskan maka perhitungan di atas dapat diulang kembali untuk dicocokkan dengan asumsi awal (diiterasi). 0

5 Jurnal Teknik Mesin Vol. 2, No 2, Desember 2005 ISSN HSIL DN PEMBHSN Kapasitas refrigerasi rancangan (Q evaporator) ditetapkan sebesar 7000 Btu/h, pada temperatur evaporasi 5 o C. Refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator menggunakan R22. ir memasuki evaporator pada kecepatan maksimum 000 liter/jam, dengan temperatur air masuk 27 o C. Pada disain ini digunakan adalah evaporator jenis tabung dan pipa (Sheel and Tube) dimana refrigeran mendidih di dalam pipa dan air sebagai fluida pendingin mengalir diluar pipa dan masih di dalam cangkang. [4] Ukuran pipa yang dipilih sesuai tabel dengan memperhatikan kecepatan refrigeran di dalam evaporator adalah pipa tembaga berdiameter 3/8 in, dimana: D i = 8 mm, D o = 9,5 mm, luas penampang dalam 0,7088 cm 2, dengan k = 40 W/mK. Diagram P-h asumsi perancangan dapat dilihat pada Gambar (4). Temperatur permukaan evaporator diasumsikan sekitar T s = 8 0 C. Ukuran basah penampang kotak evaporator adalah (0,36 0,36) m 2. Sebagai data awal perancangan ditetapkan : Tekanan Evaporasi = 583,78 kpa [ Te = 5 0 C] Tekanan Kondensasi = 729 kpa [Tk = 45 0 C] Sifat Termofisi k Tabel 2. Sifat-sifat termodinamik R-22 Titik (uap jenu) 583,7 Titik 2 (uap panas lanjut) Titik 2 (uap jenuh) Titik 3 (cair jenuh) Titik 4 (x= 0,25) Tekanan, 583, kpa 8 8 Enthalpi, 406,6 433,59 256,4 256,4 46,56 kj/kg Kalor jenis tekanan 0,747 -,064,3725,86 konstan, kj/kg. K Massa 7,56 jenis, 24,82 kg/m ,6 05,8 Viskosita s, Pa.s 2-3,52 28,8 - Kondukti vitas 0,009 termal, 8 0,022 0,0778 W/m.K Entropi, kj/kg. K,742 9,7429, Gambar 4. Diagram P-h asumsi perancangan Data termodinamik dan termofisik perancangan menggunakan tabel sifat-sifat termodinamika R-22 sebagai refrigeran, data perancangan hasil analisis termodinamika dapat dilihat pada Tabel (2). Proses termodinamika di dalam kompresor terjadi secara isentropik dari tingkat keadaan ke tingkat keadaan 2, s = s 2 =,74463 (kj/kgk), maka untuk mencari h 2 dan v 2 dapat dicari dengan interpolasi. Dari analisa tingkat keadaan termodinamika siklus kompresi uap pada gambar 4 diperoleh :. Kapasitas Refrigerasi (Q e ) 2,056 kw 2. Laju aliran massa refrigeran ( 0-3 kg/s 3. Daya Kompresor (W k ) = 0,7 HP m. ref ) = 3,7 x Kompresor yang digunakan adalah jenis hermetik dengan daya HP 4. Koefisien Prestasi (COP) = 3,9 5. Laju aliran panas yang dibuang kondensor (Q k ) = 2,58 kw Gambar 5. Distribusi temperatur air-refrigeran di evaporator 62

6 Disain Evaporator Jenis Shell and Tube pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida (zridjal ziz) Ref keluar air garam masuk Ref masuk Gambar 6. Skema liran air di evaporator air garam keluar Rekapitulasi hasil disain evaporator :. Evaporator, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in yang disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 3 cm maka jumlah laluan seluruhnya adalah 66 laluan dan disusun dalam tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data hasil perancangan evaporator 2. Temperatur permukaan, Ts adalah 9,7 o C 3. Luas total permukaan pipa, o adalah 0,675m 2 4. Panjang total pipa, L adalah 20,69 m. 5. Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h 0 =29,08 W/m 20 C 6. Koefisien perpindahan kalor total, U 0 =72,7496W/m 2. o C Gambar 7. Disain evaporator pipa polos 5. KESIMPULN DN SRN Kesimpulan yang dapat diambil dari dari penelitian ini adalah:. Data awal dalam disain evaporator ini adalah : kapasitas refrigerasi rancangan, jenis refrigeran yang digunakan untuk menganalisis tingkat keadaan termodinamik di evaporator, temperatur evaporasi, temperatur dan laju massa air memasuki evaporator. 2. Dimensi hasil disain evaporator jenis shell and tube : Keterangan Kapasitas Pendinginan Tube Jumlah Panjang satu laluan Panjang total Luas Permukaan Perpindahan Panas Tingkat Layout Bahan Koefisien perpindahan kalor total Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator Configurasi aliran Nilai 2,056 kw 66 laluan (d = 3/8 inch) 3 cm 20,69 m 0,675 m 2 (6 laluan pertingkat) suare Tembaga (k=380 W/m o C) 72,7496 W/m 2. o C 29,08 W/m 20 C Persegi (0,36 x 0,36) m 2 Counter flow

7 Disain Evaporator Jenis Shell and Tube pada Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Hibrida (zridjal ziz) Untuk pengembangan penelitiannya selanjutnya pada disain evaporator pada mesin refrigerasi kompresi uap hibrida ini ada beberapa saran yang perlu diperhatikan :. Data awal disain sangat mempengaruhi dimensi evaporator, gunakan data awal disain sesuai dengan kegunaan evaporator apakah beroperasi pada suhu di bawah 0 o C atau di atas 0 o C. 2. Pencocokan asumsi temperatur permukaan evaporator dengan hasil perhitungan dilakukan sampai hasilnya sama, sehingga akan diperoleh dimensi evaporator yang lebih baik. 8. Reynolds, William., Perkins, Henry., Engineering Thermodynamics, 2 nd ed., Singapore, McGraw-Hill Co, Stoecker, W.F. and Jones, J.W., Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga, Jakarta, 994. UCPN TERIM KSIH Penelitian ini merupakan bagian dari hasil penelitian yang didanai oleh Lemlit UNRI, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian Universitas Riau yang mendanai penelitian ini melalui Dana Penelitian SPP / DPP UNRI 2005 kontrak no : 39/J.9.2/2005, serta mahasiswa bimbingan tugas akhir gustiar dan gus Setiadi, sehingga penelitian ini dapat terlaksana sepenuhnya. PUSTK. rora, C. P, Refrigeration and ir Conditioning, Mc. Graw-Hill International Edition, ziz, zridjal, Pembuatan dan Pengujian Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Refrigeran HCR-2 yang Sekaligus Bertindak Sebagai Mesin Refrigerasi pada Lemari Pendingin (Cold Storage) dan Pompa Kalor pada Lemari Pengering (Drying Room), Tesis, Jurusan Teknik Mesin, ITB, Bandung, ziz, zridjal, Refrigeran Hidrokarbon sebagai lternatif Pengganti Refrigeran Halokarbon, Jurnal Sains dan Teknologi, FT Unri, Pekanbaru, Holman, J.P., Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta, Moran, M.J., Saphiro, H.N., Fundamental of Engineering Thermodinamycs, 3 rd ed, New York, John Wiley & Sons, Inc., Pasek,.D., Tandian, N.P.,, Short Course on the pplications of Hydrocarbon Refrigerants, International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2000, Bandung, Pasek,.D., Tandian, N.P., driansyah W., Training of Trainer Refrigeration Servicing Sector, Training Manual, ITB, Bandung, 2004.