Analisa komparasi eksperimental kinerja pompa kalor dengan menggunakan refrigerant R 134a dan MC 134 untuk produksi air panas

Transkripsi

1 Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. 1 No. Analisa komparasi eksperimental kinerja pompa kalor dengan menggunakan refrigerant R 134a dan MC 134 untuk produksi air panas I Gede Putu Adi Pratama, Hendra Wijaksana, I Nengah Suarnadwipa Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali Abstrak Ketersedian air panas pada sebuah hotel, usaha dibidang jasa penginapan atau rumah tangga semakin banyak diminati untuk memenuhi kenyamanan dari setiap penghuni rumah maupun penginapan. Terdapat berbagai jenis alat untuk menghasilkan panas sebagai pemanas air, diantaranya dengan menggunakan panas dari energi listrik (heater), energi panas matahari, boiler, dan pompa kalor. Dalam penelitian ini penulis mengangkat topik mengenai pompa kalor yang merupakan suatu alat yang cukup efektif untuk menghasilkan air panas. Pompa kalor ini akan menggunakan kondensor tipe tube in tube dengan aliran air yang masuk berlawanan arah dengan aliran refrigeran. Pada penelitian ini laju aliran air akan di variasikan dari 2 L/min, 3 L/min, 4 L/min sampai 5L/min serta refrigerant yang digunakan adalah R-134a dan MC-134 yang bersifat hidrokarbon. Dari hasil penelitian didapat daya listrik yang dikonsumsi ketika menggunakan refrigeran R-134a lebih tinggi mencapai Watt, Temperatur air yang dihasikan dari proses pemanasan pada kondensor tube in tube mencapai C, COP dari sistem pompa kalor pada laju alian air 5 L/min sebesar lebih kecil 1.82, dan ketika menggunakan MC- 134 daya yang dikonsumsi mencapai Watt, temperatur air mencapai C dan COP yang pada laju aliran air 5 L/min sebesar Kata kunci: Pompa Kalor, Refrigeran, Kondensor Tube in Tube, Kinerja Abstract Hot water has becoming more important to be provided whether by hotel, home stay or private houses to increase conveniences of their tenants. There are now various equipments available that can be used to produce hot water such as, heater, boiler and heat pump. This report describes heat pump which is hypothesized as very effective to produce hot water. This heat pump uses a tube in tube condenser type where water flow in the condenser is at a reverse direction relative to the flow of refrigerant. In this study, water flow rate was varied from 2 L/min, 3 L/min, 4 L/min and 5 L/min using two kind of hydro carbon refrigerants, i.e. R-134a and MC-134. This study found that when using R-134a refrigerant, heat pump consumed watt electric power. Under this conditions, heating processes in this condenser increased water temperature into C. In this system, COP was 1.82 when rate of water flow is 5 L/min. A different result was found when refrigerant in the system was changed with MC-134. Under this type of refrigerant, heat pump consumed watt electric power and heating process in condenser increased temperature into C. Under condition of MC-134, COP was 2.16 when water flow in the condenser was 5 L/min. Key words: Heat pump, refrigerant, tube in tube condenser, Perfomance 1. Pendahuluan Setiap industri berupaya untuk menciptakan sebuah teknologi tepat guna yang dapat memenuhi kebutuhan masyarakat akan kenyamanan. Industri perhotelan misalnya, menggunakan kenyamanan sebagai modal utama dalam menjalankan bisnis dibidang jasa. Untuk memenuhi keadaan yang nyaman tersebut, berbagai fasilitas disediakan seperti fasilitas air panas dan fasilitas pendingin ruangan. Ketersediaan fasilitas air panas merupakan salah satu unsur yang harus dipenuhi agar hotel dapat menjual jasanya kepada pelanggan. Berbagai mesin pemanas air saat ini telah dikembangkan menggunakan berbagai sumber energi, misalnya: (1) Pemanas air yang memanfaatkan energi dari sinar matahari, (2) Pemanas air yang menggunakan bahan bakar solar (boiler) dan (3) pemanas air yang menggunakan teknologi pompa kalor (heat pump). Pompa kalor adalah mesin pemanas yang sangat diminati oleh industri karena memiliki keuntungan dari segi konsumsi energi untuk mengoperasikan pompa kalor dan energi yang dihasilkan pada proses pemanasan air. Semakin tingginya perhatian para pecinta lingkungan terhadap isu pemanasan gelobal dan menipisnya lapisan ozon, maka penggunaan bahan - bahan yang merusak lingkungan diupayakan untuk dikurangi. Salah satu bahan yang dianggap dapat merusak lingkungan adalah CFC. Maka dari itu pentingnya pengurangan penggunaan refrigeran jenis HFC yang terkandung dalam R 134a dengan mengganti ke alternative baru yang lebih ramah lingkungan yaitu refrigeran yang terbuat dari bahan alami jenis hidrokarbon (HC). Rasta (2009) telah melakukan penelitian yang memanfaatkan panas buang kondensor sebagai pemanas air. Namun penelitian yang dilakukan adalah menggunakan tipe kondensor sirip biasa yang dicelupkan kedalam air dan proses pemanasan hanya memanfaatkan air yang berada di dalam bak Korespondensi: Tel : - oinkputu@gmail.com 1

2 penampung air untuk dipanaskan yang menyebabkan meningkatnya temperatur hingga panas air menjadi setara dengan temperatur kondensor, hal ini akan berpengaruh kepada proses perpindahan panas pada kondensor yang dimanfaatkan sebagai pompa kalor. Suputra (2006) telah melakukan penelitian mengenai penggantian refrigeran yang dimanfaatkan untuk proses pendinginan pada mesin pendingin. Penelitian yang dilakukan oleh Suputra berfokus kepada performa bagian air contioning atau penyejuk udara ruangan pada mesin. Pompa kalor yang akan digunakan menggunakan tipe kondensor tube in tube dan dua buah penampung air, maka proses pemanasan air yang pada kondensor tidak terjadi secara berulang ulang dan lebih efisien dalam menghasilkan air panas. Penggantian refrigeran dari yang sebelumnya menggunakan R 134a ke refrigerant jenis hidrokarbon sebagai fluida yang bersirkulasi dalam mesin pompa kalor, dapat mengurangi penggunaan refrigeran sintetis dan ramah lingkungan. Dengan melajutkan penelitian sebelumnya, yaitu dengan menggunakan kondensor tipe tube in tube dan refrigeran hidrokarbon pada pompa kalor, maka diharapkan air panas yang dihasilkan lebih optimal, proses perpindahan panas dari kondensor ke air menjadi lebih baik karena tidak terjadi proses pemanasan yang berulang ulang, performa mesin menjadi lebih baik dari segi konsumsi energinya dan lebih ramah lingkungan. Berdasarkan uraian singkat dan latar belakang di atas maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana performa pompa kalor ketika dilakukan penggantian refrigeran R-134a ke MC- 134 (hidrokarbon) dan variasi laju aliran air yang masuk kedalam kondensor tipe tube in tube terhadap pemanasan air, daya yang dibutuhkan kompresor, dan COP Pemanasan?. Untuk memberikan arah perencanaan dan analisa diberikan batasan masalah sebagai berikut: 1. Refrigeran yang digunakan adalah R-134a dan MC 134a 2. Sistem mesin pompa kalor yang digunakan adalah traineer Air Conditioning, Refrigeration, and Heat Pump Unit di lab Teknik Pendingin dan Tata Udara Politeknik Negeri Bali 3. Terlindung dari sinar matahari 4. Pengujian difokuskan pada konsumsi energi listrik, COP pemanasan, dan Proses pemanasan air pada kondensor. 5. Kondisi lingkungan sekitar dianggap konstan 2. Dasar Teori 2.1 Heat Pump (Pompa Kalor) Mesin yang berfungsi untuk memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya dengan proses daur siklus kompresi uap. Pada mesin kompresi uap terdapat dua bagian yang berfungsi sebagai penyerap kalor yang dimafaatkan sebagai penyejuk ruangan dan bagian pembuang kalor pada kondensor. Panas yang dihasilkan oleh proses pengembunan ini akan diserap oleh air yang akan merubah teperatur air menjadi lebih tinggi. 2.2 Siklus Kompresi Uap Siklus daur kompresi uap merupakan daur yang banyak digunakan dalam sistem refrigerasi. Pada proses ini kompresor berkerja untuk menekan uap refrigeran kemudian diembunkan menjadi cairan lalu tekanannya di turunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali. Gambar 2.1 Diagram Mollier dan Keadaan Fisik Refrigeran (Sumber: Wiranto Arismunandar, Penyegaran Udara, hal. 107) 2.3 Refrigeran Refrigeran adalah suatu media (fluida) perambat panas yang menyerap panas dengan menguapkan pada temperatur dan tekanan rendah serta melepaskan panas dengan jalan mengembunkannya pada temperatur yang dan tekanan yang tinggi. Jadi refrigeran yang ada pada sistem (refrigeration cycle) mudah mengalami perubahan phase dari cair menjadi gas maupun sebaliknya. 2.4 Laju Pemanasan Air Laju Pemanasan Air adalah kecepatan peningkatan temperatur oleh sistem pemanasan air pada kondensor tube in tubesatuan waktu tertentu. Laju pemanasan air (q air) dapat dihitung dengan persamaan berikut: = (h h ) (2.1) q_kon = Kalor yang dilepas oleh kondensor (kj/s), h3= enthalpi akhir kondensor (kj/kg), h2= enthalpi awal kondensor (kj/kg), = laju aliran massa refrigerant. 2.2 Kerja Kompresor Kerja kompresi (kj/kg) merupakan perubahan enthalpi proses 1 2 gambar 2.4. yang dinyatakan sebagai berikut: 2

3 = (h h ) (2.3) wc = Kerja Kompresor (kj/kg) h1= enthalpi awal kompresi (kj/kg), h2 = enthalpi akhir kompresi (kj/kg) 2.3 Daya Kompresor Daya kompresor merupakan hasil kali antara laju aliran massa dengan kenaikan enthalpi gas selama pross kompresi isentropik. Jika dilihat dari refrigeran maka persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut: =. (2.4) = kerja kompresor (kj/kg) == daya kompresor (kj/s), = laju aliran massa (kg/s) Dan dilihat dari daya listrik yang terukur menggerakan motor kompresor maka persamaan dapat dituliskan sebagai berikut: =.. cos (2.5) Pc = daya kompresor (Watt), V = tegangan listrik (Volt), I = kuat arus listrik (Ampere), Cosθ = Faktor Daya 2.4 COP Heating Secara aktual COP Pemanasan air dapat dihitung dengan membagi laju pemanasan air (q _air) dengan daya listrik yang terukur. Yang dapat dituliskan sebagai berikut: = (2.6) COP Pemanasan = koefisien prestasi atau untuk kerja, = Laju pemanan Air (kj/s), = daya kompresor (kj/s) 3. Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. dimana suatu studi atau analisa harus terstruktur dengan baik sehingga dapat dengan mudah menerangkan atau menjelaskan penelitian yang dilakukan. 3.1 Instalasi Penelitian Diagram skematik pompa kalor yang akan digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.1. Proses Sirkuasi air dan refrigeran untuk memproduksi air panas dengan menggunakan kondensor tipe tube in tube dan dua buah penampung air. Gambar 3.1 Skematik Pompa Kalor Dengan Kondensor Tube In Tube Keterangan: (1) Bak penampung air dingin kapasitas 45,4 L, (2) Bak penampungan air panas 45,4 L (3)Pompa air dengan kapasitas 30 L/min, (4) Katup bypass, (5) Katup untuk mengatur laju aliran air, (6) Kondensor tube in tube (7) Flowmeter air, (8) Flowmeter refrigeran, (9)Katup ekspansi, (10) Evaporator, (11) Kompresor, (12) P1, P2, dan P3 pengukur tekanan, (13) T1, T2, T3, Pengukur temperatur (thermocouple) 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Rata rata Temperatur yang dihasilkan dari proses pemanasan air pada kondensor tube in tube pada refrigerant R 134a dan MC-134 dengan laju aliran air 5 sampai 2 Liter/menit. Temperatur Air ( C) y = x y = x Laju Aliran Air (L/min) TEMPERATUR AIR ( C) MC 134 TEMPERATUR AIR ( C) R-134 Linear (TEMPERATUR AIR ( C) MC 134) Linear (TEMPERATUR AIR ( C) R-134) Gambar 4.1 Grafik Laju Aliran Air Terhadap Temperatur Air 3

4 Dari gambar 4.1 grafik laju aliran terhadap temperature air menunjukan bahwa capain temperatur air tertinggi berada pada laju aliran air 2 L/min dengan temperatur C ketika menggunakan refrigerant R-134a dan ketika menggunakan refrigerant MC-134. Temperatur air yang ideal untuk mandi yaitu berkisar antara 40 C sampai dengan 45 C. 4.2 Rata rata laju pemanasan air yang dihasilkan pada refrigerant R 134a dan MC-134 dengan laju aliran air 5 Liter/menit sampai 2 Liter/menit. q air (kj/s) Laju Aliran Air (L/min) q air (kj/s) MC 134 q air (kj/s) R-134 Gambar 4.2 Grafik Laju Aliran Terhadap Laju Pemanasan Air Gambar 4.2 menunjukan grafik laju aliran air terhadap laju pemanasan air ketika menggunakan refrigerant R-134a dan MC 134 pada heat pump dengan menggunakan kondensor tipe tube in tube dimana laju aliran antara air dan fluida mengalir secara counter flow. Laju aliran air yang divariasikan dari 2 L/min, 3 L/min, 4 L/min, dan 5 L/min, maka nilai dari laju pemanasan air secara berturut turut ketika menggunakan MC 134 adalah 1.51 kj/s, 1.57 kj/s, 1.42 kj/s, dan 1.23 kj/s, ketika menggunakan refrigerant R-134a laju pemansan air yang didapat secara berturut turut adalah 1.63 kj/s, 1.72 kj/s, 1.45 kj/s dan 1.23 kj/min. Jadi semakin besar laju aliran air yang menggalir pada heat pump khususnya pada bagian kondensor tube in tube dengan tipe aliran counter flow menumjukan semakin besar laju aliran air yang mengalir maka laju pemanasan air akan kecil oleh karena proses perpindahan kalor yang terjadi secara konvensi semakin cepat. 4.3 Rata rata daya listrik pada refrigerant R- 134a dan MC-134 dengan laju aliran air 5 Liter/menit sampai 2 Liter/menit Gambar 4.3 dibawah menunjukan grafik laju aliran air terhadap daya listrik, dimana semakin tinggi laju aliran air yang menggalir maka daya listrik yang dikonsumsi semakin kecil. Dari gambar tersebut juga menunjukan bahwa ketika menggunakan refrigerant R-134a daya yang dikonsumsi lebih besar di bandingkan dengan MC - 134, hal ini disebabkan nilai densitas yang dimiliki oleh MC-134 lebih rendah yang berarti refrigerant MC-134 memiliki sifat yang lebh ringan. DAYA (WATT) daya R134a daya mc LAJU ALIRAN AIR L/MIN Gambar 4.3 Grafik Laju Aliran Air Terhadap Daya Listrik 4.4 Rata rata COP yang dihasilkan pada refrigerant R 134a dan MC-134 dengan laju aliran air 5 sampai 2 Liter/menit. COP y = x y = x Laju aliran air (L/min) COP MC 134 COP R-134 Linear (COP MC 134) Linear (COP R-134) Gambar 4.4 Grafik Laju Aliran Air Terhadap COP Gambar 4.4 menunjukan grafik Laju aliran Air terhadap COP (Coefisien Of Performance), dari grafik tersebut menunjukan ketika laju aliran air semakin tinggi maka COP yang didapat semakin rendah mencapai 2.16 ketika mengunaka MC-134 dan 1.82 ketika menggunakan R-134a. dari kurva parabola pada grafik menynjukan bahwa COP yang optimal terdapat pada laju aliran air 3 L/min dengan COP yang didapat adalah 2.78 ketika manggunakan MC-134 dan 1.82 ketika menggunakan R-134a. 5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Hasil penelitian yang dilakukan pada pompa kalor dengan mengganti refrigerant dari R-134a ke MC 134 serta laju aliran air yang divariasikan dari 5 L/min, 4 L/min, 3 L/min, dan 2 L/min maka dapat ditari kesimpulan sebagai berikut: 4

5 1. Pada pemakain refrigerant R-134a temperatur air yang dihasilkan lebih tinggi namun tidak berbeda jauh dengan pemakain MC-134, perbedaan yang didapat pada laju aliran 5 L/min, 4 L/min, 3 L/min, dan 2 L/min air sebesar 5.65 %, 1.18%, 1.71%, dan 1.44%. 2. Daya listrik yang di konsumsi ketika melakukan percobaan laju aliran air dari 5 L/min, 4 L/min, 3 L/min, dan 2 L/min didapat dimana dengan menggunakan refrigerant R-134a daya listrik yang dikonsumsi oleh pompa kalor lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan refrigeran MC-134 dengan dengan persentase perbedaan daya listrik pada 5L/min sebesar 18.66%, 4 L/min sebesar 23.44%, 3L/min sebesar 25.50%, dan pada 2 L/min sebesar 23.72% 3. Ketika menggunakan refrigerant R- 134a COP yang didapat pada masing masing percobaan laju aliran dari 5L/min sampai 2 L/min dengan range sebesar 1.82 sampai dengan Dan ketika dilakukan pnggantian ke MC- 134 COP yang didapat pada masing masing percobaan perubahan laju aliran air dari 5L/min sampai dengan 2 L/min didapat COP dengan range dari 2.16 sampai dengan Jadi dapat diketahui bahwa dengan menggunakan refrigeran MC-134 maka pompa kalor bekerja lebih baik dan efisien. Jadi ketika menggunakan refrigeran MC- 134 lebih efektif dalam pompa kalor, karena lebih hemat daya listrik dan ramah lingkungan. 5.2 Saran 1. Dari percobaan yang dilakukan untuk mendapatkan hasil pemanasan yang optimal dan daya listrik yang lebih effisien pada pompa kalor dengan kapasitas 1 Pk serta menggunakan type kondensor tube in tube maka laju aliran air yang mengalir untuk dipanaskan di kondensor adalah 3 L/min dengan menggunakan refrigeran MC Ketika menggunakan refrigeran MC- 134 ketika pengisian maupun pemakuman teknisi wajib menjauhkan bahan bahan yang dapat menimbulkan percikan api oleh karena refrigeran tersebut terbuat dari bahan yang mudah terbakar. Pengecekan kebocoran pada setiap sambungan harus dilakukan secara teliti dengan menggunakan busa sabun agar tidak terjadi kebocoran yang dapat menimbulkan kebakaran apabila bahan hidrokarbon terkena api. Untuk meningkatkan performa dari pompa kalor ini maka diperlukan penelitian yang lebih lanjut agar menjadi lebih baik dari sebelumnya. Daftar pustaka [1] Anonim (2012), Computer Controlled Refrigeration Unit THAR22C Manual. Edibon. [2] Anonimus (2014), Pompa kalor (Heat pump), Diakses 24 September ogspot.com/2011/11/pompa-kalorheat-pump.htmlanonimus (2014), Refrigerant Ramah Lingkungan, Diakses 5 November [3] Anonimus, 2014, General Technical Information Refrigerant Musicool. PT. Pertamina [4] Arismunandar, W., Saito, H. (2002) Penyegaran Udara, Cetakan ke 6, PT Paradnya Paramita Jakarta. [5] Arora, C. P. (2001) Refrigeration and Air Conditioning, Second edition, Tata McGraw-Hill, Inc., Singapore, 2001 [6] Metty Trisna Negara, Wijaksana Hendra, Suarnadwipa Nengah, Sucipta Made, (2010) Analisa Performansi Sistem Pendingin Ruangan dan Efisiensi Energi Listrik pada Sistem Water Chiller Dengan Penerapan Metode Cooled Energy Storage. Universitas Udayana, Denpasar, Bali. [7] Pratama Adi (2009), Analisa Performansi Refrigerator Dengan Proses Retrofit dari R 134a Ke Hycool 134. PS. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara, Politeknik Negeri Bali [8] Rasta I Made (2009), Pemanfaatan energi Panas Terbuang Pada Kondensor AC Central Jenis Water Chiller untuk Pemanas Air Hemat Energi, Jurnal Ilmian Teknik Mesin Cakra Vol. 3 no.2, Bukit Jimbaran. [9] Sila Sastrawan I Wayan (2006), Uji Eksperimental Unjuk Kerja Kontainer Pendigin Dengan Campuran Refrigerant R 134a dan Refrigerant Musicool 134 Pada Tekanan Kerja, Universitas Udayana, Denpasar Bali. [10] Stocker, Wilbert F.m Jcrold W.j., (1992), Refrigerasi dan Pengkodisian Udara, Alih Bahasa Supratman Hara, 5

6 Edisi Ke 5, Penerbit Erlangga, Jakarta. [11] Sugiatno dkk (2004), Pemanfaatan Limbah Panas dengan Menggunakan Heat Pump Untuk Menunjang Konversi Energi. Proseding seminar Nasional Rekayasa, Kimia dan Proses, Bandung. [12] Suputra Yasa I Putu, (2006), Analisa Pengaruh Penggunaan Duckting Terhadap energi Listrik Pada Ruang Kontainer Dengan Menggunakan Campuran I Gede Putu Adi Pratama menyelesaikan studi D3 di Politeknik Negeri Bali, pada tahun 2009, kemudian melanjutkan program sarjana di Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana pada tahun 2012, dan menyelesaikannya pada tahun Bidang penelitian yang diminati adalah Pompa Kalor 6