Studi Eksperimen Pengaruh Dimensi Pipa Kapiler Pada Sistem Air Conditioning Dengan Pre-Cooling

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A-918 Studi Eksperien Pengaruh Diensi Pipa Kapiler Pada Siste Air Conditioning Dengan Pre-Cooling Awan Satya Darawan dan Ary Bachtiar Khrisna Putra Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopeber (ITS) Jl. Arief Rahan Haki, Surabaya Indonesia e-ail: Abstrak Penggunaan air conditioner seakin banyak digunakan pada kehidupan sehari-hari diiringi dengan harga jual energi yang seakin ahal. Pada studi eksperien kali ini encoba engoptialisasi dan enigkatkan efisiensi energi pada siste air conditioner dengan cara enabahkan satu buah evaporator dan satu buah pre-cooling, diana pre-cooling dianfaatkan untuk eanaskan air yang nantinya akan digunakan untuk keperluan ruah tangga. Pada siste pengkondisian udara yang telah diodifikasi tersebut aka dilakukan studi eksperien dengan variasi panjang pipa kapiler, diaeter pipa kapiler d=0,054 in, dengan panjang kapiler 1 = 35 c, kapiler = 65 c, kapiler 3 = 95 c. Hasil yang didapat dari studi eksperien kali ini adalah seakin bertabahnya panjang pipa kapiler, kapasitas pendinginan evaporator, kerja kopresor dan COP dari siste juga akan seakin kecil dan juga engakibatkan teperatur asuk evaporator akan seakin kecil, yang akan engakibatkan efek pendinginan akan seakin besar. Pada variasi pipa kapiler terpendek 35 c enghasilkan data kapasitas pendinginan total sebesar,5 kw, kerja kopresor 0,433 kw, teperatur asuk evaporator 7,6 C, COP sebesar 5,1 dan HRR sebesar 1,16. Sedangkan pada variasi pipa kapiler terpanjang 95 c kapasitas pendinginan total sebesar 0,7 kw, kerja kopresor 0,33 kw, teperatur asuk evaporator 1,64 C, COP sebesar 4,35 dan HRR sebesar 1,6. Kata Kunci Refrigerasi; pipa kapiler; efisiensi; odifikasi pengkondisian udara. I. PENDAHULUAN I INDONESIA, konsuen alat pengkondisian udara dari Dtahun ke tahun seakin eningkat seiring dengan laju pertubuhan ekonoi dan laju pertubuhan penduduk dan juga dikarenakan negara kita yang berikli panas, tetapi disisi lain tarif pebayaran listrik engalai kenaikan yang cukup tinggi. Dala upaya enurunkan tingkat konsusi energi peralatan ruah tangga khususnya alat pengkondisian udara, salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan engoptialisasi efisiensi energi pada air conditioner. Untuk dapat engoptialisasi dan eningkatkan efisiensi energy, aka dilakukan uji experien dengan eodifikasi air conditioner enjadi ulti evaporator dengan enabahkan satu evaporator dan satu alat pre-cooling. Secara uu air conditioner yang ada di pasaran hanya enggunakan satu evaporator, dengan eodifikasi enjadi ulti evaporator akan dihasilkan satu evaporator tabahan, sehingga alat pengkondisian udara tersebut eiliki dua evaporator untuk engkondisikan udara pada dua ruangan. Selain satu evaporator tabahan, alat pengkondisian udara tersebut ditabahakan pre-cooling yang berguna sebagai kondensor tabahan agar dapat ebantu kondensor utaa untuk ebuang kalor yang telah diserap oleh dua buah evaporator yang ada pada syste selain itu pre-cooling juga diharapkan dapat eningkatkan COP siste [7], kalor yang dibuang elalui pre-cooling akan dianfaatkan untuk eanaskan air yang nantinya dapat dianfaatkan untuk keperluan ruah tangga. Pada air conditioner, expansion device yang biasa digunakan adalah pipa kapiler yang fungsinya untuk enurunkan tekanan dan engontrol aliran refrijeran sesuai dengan kondisi yang dibutuhkan. Keuntungan dari pipa kapiler yaitu cukup sederhana dan harga pipa kapiler juga tidak terlalu ahal. Agar efisiensi dapat encapai aksiu, panjang dan diaeter pipa kapiler harus tertentu, kopresor dan alat ekspansi harus encapai kondisi hisap dan buang, yang eungkinkan kopresor eopa refrijeran dari evapotator yang saa besarnya dengan yang dilewatkan oleh alat ekspansi. Berkaitan dengan hal tersebut aka dilakukan serangakaian uji eksperien pada air conditioner yang enggunakan refrigeran MC- dengan enggunakan beberapa diensi panjang kapiler yang berbeda, yang hasilnya akan dianalisa pada eksperien kali ini. II. URAIAN PENELITIAN A. Siste Refrigerasi Refrijerasi erupakan proses penyerapan kalor dari ruangan berteperatur tinggi dan eindahkan kalor tersebut ke suatu ediu tertentu tertentu yang berteperatur lebih rendah sehingga didapatkan tercapainya suatu teperatur dan dipertahankannya terperatur tersebut di bawah teperatur lingkungan. Penyerapan dan peindahan kalor ini enggunakan suatu ediu yang disebut refrijeran. Siste refrijerasi adalah kobinasi kobinasi koponen, peralatan dan perpipaan, yang dihubungkan untuk enghasilkan efek pendinginan sehingga dapat enjadikan kondisi teperatur suatu ruangan berada di bawah teperatur

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A-919 seula. Pada prinsipnya dari siste refrigerasi eanfaatkan prinsip dasar terodinika diana kalor bergerak dari teperatur tinggi ke teperatur rendah pada suatu edia. Kondisi teperatur rendah yang dihasilkan oleh suatu siste refrigerasi diakibatkan oleh penyerapan panas pada reservoir dingin yang erupakan salah satu bagian siste refrigerasi tersebut. Panas yang diserap bersaa-saa energi (kerja) yang diberikan kerja luar dibuang pada bagian siste refrigerasi yang disebut reservoir panas. B. Modifikasi Siste Refrigerasi Uap Siste refrigerasi kopresi uap yang telah diodifikasi adalah siste yang eiliki koponen tabahan yaitu 1 unit evaporator dan 1 unit heat exchanger sebagai proses precooling. Gabar. 1. P-h Diagra Siste Refrigerasi Uap yang Telah Diodifikasi Gabar 1 adalah gabar siste kopresi uap yang sudah diodifikasi sehingga terdapat beberapa koponen tabahan pada siste tersebut. Berikut ini adalah proses-proses yang ebentuk siklus kopresi uap yang telah diodifikasi : a. Proses 1 : kopresi isentropi. b. Proses 3 : pelepasan kalor secara isobaris pada precooling, enyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating). c. Proses 3 4 : pelepasan kalor secara isobaris pada air cooled condensor, enyebabkan penurunan panas lanjut (desuperheating) dan proses pengebunan (kondensasi). d. Proses 5 & 6: titik percabangan sebelu asuk pipa kapiler 1 dan pipa kapiler. e. Proses 5 7 : proses penurunan tekanan dengan isoentalpi pada pipa kapiler 1. f. Proses 6 8 : proses penurunan tekanan dengan isoentalpi pada pipa kapiler. g. Proses 7 9 : penabahan kalor pada tekanan tetap pada evaporator 1, yang enyebabkan penguapan enuju uap jenuh atau uap panas lanjut (superheated). h. Proses 8 10: penabahan kalor pada tekanan tetap pada evaporator, yang enyebabkan penguapan enuju uap jenuh atau uap panas lanjut (superheated). 1) Kopresor Kopresor adalah jantung dari siste kopresi uap karena fungsinya untuk eopa refrigeran agar tetap bersirkulasi di dala siste selain itu kopresor berfungsi untuk engkopresi refrigeran uap agar epunyai tekanan yang tinggi untuk easuki kondensor.. h h 1 (1) W c ) Kondensor Kondensor Berfungsi sebagai alat penukar kalor, enurunkan teperatur refrigeran, dan engubah wujud refrigeran dari fasa gas enjadi fasa cair. Kondensor berfungsi sebagai pebuang panas (heat rejection) dari dala siste ke luar siste. a) Kapasitas pre-cooling Q pre cooling h h 3 () b) Kapasitas air cooled condensor h 3 h 4 (3) Q cond 3) Evaporator Koponen ini berfungsi untuk enyerap panas dari ruangan. Panas tersebut diserap dan dialirkan elalu heat exchanger keudian dipindahkan ke refrigeran. a) Kapasitas evaporator 1 Q e 1 h9 h7 b) Kapasitas evaporator Q e h10 h8 (5) 4) Alat ekspansi Alat ekspansi enjadi koponen penentu dala siste pendinginan. Refrijeran pada fase cair dari kondensor yang akan diuapkan di evaporator dikontrol oleh alat ekspansi yang enyebabkan fasenya berubah enjadi capuran cair jenuh dan uap keudian tekanannya pun juga ikut turun. Pada penelitian kali ini alat ekspansi yang digunakan adalah pipa kapiler. Pipa kapiler erupakan pipa berdiaeter kecil, karena ukuran diaeternya yang lebih kecil dibandingkan pipa kondenser, hal ini akan enyebabkan penurunan tekanan akibat penyepitan aliran sehingga terjadi gesekan dan percepatan aliran refrigeran di dala pipa kapiler. Proses ideal ekspansi berlangsung secara isoentalpi. Besarnya perubahan entalpi pada proses ekspansi adalah : h (6) 5 h 7 C. Koefisien Unjuk Kerja (COP) Theral Koefisien unjuk kerja (COP) theral adalah unjuk kerja teoritis yang didapatkan dari perbandingan kalor yang diserap oleh evaporator dengan dayang yang dibutuhkan kopresor : COP theral Qe total W c h h h h 9 7 h h D. Heat Rejection Ratio (HRR) Laju perpindahan panas pada kondensor jika kaitannya dengan kapasitas refrigerasi dinyatakan sebagai Heat Rejection Ratio (HRR) dapat dinyatakan dengan ebagi (4) (7)

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A-90 besarnya kalor yang dilepaskan kondensor dibagi dengan besarnya kalor yang diserap oleh refrigeran. Qc total h HRR Qe total 9 h h h 3 h h h h 7 E. Heat Exchanger Alat penukar kalor (Heat Exchanger) erupakan sebuah alat yang berfungsi untuk enurunkan atau eningkatkan eningkatkan teperatur sebuah siste dengan eanfaatkan suatu edia pendingin atau peanas sehingga kalor dapat berpindah dari teperatur tinggi ke teperatur rendah. Pada eksperien kali ini heat exchanger yang dugunakan adalah jenis concentric tube dengan jenis aliran conter flow [5] (8) counter flow digunakan peruusan sevagai berikut : 1 1 NTU ln untuk (C r < 1) (10) C r 1 C r 1 F. Penelitian Terdahulu Pada tahun 01 Hernadi [1], telah elakukan penelitian Analisa Pengaruh Panjang Pipa Kapiler 6 dan 3 Berdiaeter 0,054 inch pada Mesin Pendingin Cascade Teperatur Rendah dengan Capuran Refrigeran Ethane dan CO Gabar. 3. Grafik Perbandingan Teperatur in Evap dengan Mass Flow Rate Gabar.. Concentric Tube Heat Exchanger Dengan Aliran Counter Flow Untuk engetahui kinerja heat exchanger aka dapat digunakan effectiveness dari heat exchanger itu sendiri. Untuk encari hal tersebut aka harus diketahui nilai perpindahan kalor aktual dan perpindahan kalo aksiu (q ax ) atau perpindahan kalor yang diharapkan dari heat exchanger. Cc T c, o Tc, i (9) C in T h, i Tc, i Untuk engevaluasi kinerja Nuber of Transfer Units (NTU) heat exchanger tipe concentric tube dengan aliran Dari gabar diatas enunjukan bahwa perubahan panjang serta diaeter pipa kapiler sangat berpengaruh pada teperatur asuk evap LS dan laju aliran assa pada siste. Penurunan teperatur asuk evap LS akan eperlabat laju aliran refrigeran pada siste. Penurunan teperatur evap LS ini diakibatkan oleh penurunan tekanan yang dihasilkan oleh pipa kapiler diana penurunan tekanan ini akan enghasilkan terperatur yang rendah, diana seakin kecil diaeter pipa kapiler dan seakin panjang pipa kapiler aka seakin rendah teperature yang dihasilkan. A. Skea Modifikasi Siste Pengkondisian Udara III. METODELOGI PENELITIAN Gabar. 4. Skea Modifikasi Siste Pengkondisian Udara

4 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A-91 Gabar 4 adalah siste pengkondisian udara yang telah diodifikasi yang terdapat beberapa koponen yaitu : kopresor, pre-cooling, air cooled condensor, pipa kapiler dan evaporator. B. Alat Ukur Berikut ini adalah alat ukur yang digunakan pada eksperien kali ini : 1. Therocouple tipe K : 13titik pengukuran teperatur.. Pressure Gauge : high pressure dan 1 low pressure. 3. Flow eter 4. Apereeter 5. Data akuisisi C. Prinsip Pengujian Pengujian pada siste pengkondisian udara yang telah diodifikasi pada kali ini enggunakan refrijeran Musicool- dengan tekanan suction kopresor sesuai rekoendasi dari PT. Pertaina yaitu 60Psig 80 Psig []. Variasi panjang pipa kapiler yang digunakan adalah 35 c, 65 c dan 95 c diana panjang pipa kapiler tersebut didapatkan dari software DanCap [3]. Pengabilan data dilakukan setelah siste sudah dala kondisi steady state diana teperatur dan tekanan pada setiap titik pengukuran sudah tidak engalai perubahan yang signifikan. Data yang diolah data rata-rata dari pengukuran pada saat siste telah steady, ada 5 data yang diabil setiap 5 enit. Gabar. 6. Grafik Tekanan Suction = f (Panjang Pipa Kapiler) Grafik pada Gabar 6. enunjukkan trendline tekanan suction yang turun seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler. Turunya tekanan suction kopresor disebabkan karena seakin panjang pipa kapiler eiliki pressure drop yang lebih besar sehingga engakibatkan sekanan suction seakin rendah.yang akan diwisuda pada periode setelah peuatannya. IV. HASIL DAN ANALISA Gabar. 5. Grafik Laju Aliran Massa Refrigeran = f (Panjang Pipa Kapiler) Grafik pada Gabar 5. enunjukkan trendline yang turun seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler. Turunya laju aliran assa refrigeran seiring dengan bertabah panjangnya pipa kapiler disebabkan karena pertabahan panjang pipa kapiler akan engakibatkan pressure drop seakin besar. Hal ini akan engakibatkan head kopresor seakin besar juga sesuai dengan karakteristik kopressor aka kondisi ini akan engakibatkan laju aliran assa pada kopresor turun. Gabar. 7. Grafik Teperatur Masuk Evap = f (Panjang Pipa Kapiler) Grafik pada Gabar 7. enunjukkan trendline teperatur asuk evap yang turun seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler. Turunya teperatur asuk evaporator seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler disebabkan karena seakin panjang pipa kapiler akan engakibatkan tekanan suction yang seakin kecil hal ini juga akan engakibatkan teperatur asuk evaporator seakin rendah. Gabar. 8. Grafik Kapasitas Evap Total = f (Panjang Pipa Kapiler)

5 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A-9 Grafik pada Gabar 8. enunjukkan trendline kapasitas evap total yang turun seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler. Turunya kapasitas evaporator seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler disebabkan karena seakin panjang pipa kapiler eiliki ass flow rate yang seakin kecil kondisi ini akan epengaruhi kapasitas evaporator karena nilai pengali berupa ass flow rate akan seakin kecil sehingga kapasitasnya enjadi kecil. penurunan kapasitas konensor total. Hal ini akan berdapak seakin tinginya perbandingan antara kapasitas kondensor dengan kapasitas evaporator seiring dengan bertabah panjangnya pipa kapiler. Gabar. 11. Grafik Effectiveness = f (Panjang Pipa Kapiler) Gabar. 9. Grafik COP = f (Panjang Pipa Kapiler) Grafik pada Gabar 10. enunjukkan trendline yang turun seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler. Turunya nilai COP siste seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler disebabkan karena seakin panjang pipa kapiler eiliki ass flow rate yang seakin kecil, kondisi ini akan epengaruhi kapasitas evaporator dan daya kopresor pada siste enjadi seakin kecil juga, tetapi penurunan kapasitas evaporator tidak sebanding dengan penurunan kerja kopresor aka hal ini akan engakibatkan nilai COP seakin kecil. Grafik pada Gabar 1. enunjukkan trendline yang naik. Nilai effectiveness heat exchanger yang naik diakibatkan karena nilai relatif konstan. Sedangkan nilai engalai penurunan yang signifikan seiring dengan bertabah panjangnya pipa kapiler yang enyebabkan laju aliran assa refrigeran turun. Nilai yang relatif konstan dan yang seakin enurun akan enyebabkan effectiveness heat exchanger seakin naik. Gabar. 1. Grafik NTU HE = f (Panjang Pipa Kapiler) Gabar. 10. Grafik HRR = f (Panjang Pipa Kapiler) Grafik pada Gabar 11. enunjukkan trendline yang naik. Naiknya HRR pada siste disebabkan karena seakin panjang pipa kapiler eiliki ass flow rate yang seakin kecil, sehigga kapasitas evaporator dan kapasitas kondensor akan seakin kecil, tetapi pada pipa kapiler yang terpanjang eiliki teperatur yang lebih tinggi hal ini dikarenakan laju aliran assa yang lebih kecil akan ebuat suhu refrigeran lebih tinggi diana suhu yang akin tinggi akan ebuat selihih entalpi seakin besar pada proses pelepasan kalor ke lingkungan sehingga penurunan laju aliran assa tidak sebanding dengan Grafik pada Gabar 13. enunjukkan trendline yang naik. Naiknya nilai NTU pada siste seiring dengan bertabahnya panjang pipa kapiler disebabkan karena turunnya laju aliran assa seiring dengan bertabah panjangnya pipa kapiler akan ebuat nilai seakin turun, sedangkan nilai relatif konstan hal ini akan ebuat heat capacity ratio seakin turun, turunya nilai dan kenaikan nilai effectiveness yang tidak begitu signifikan akan ebuat nilai NTU enjadi turun. V. KESIMPULAN Dari studi eksperien yang telah dilakukan pada siste pengkondisian uadara yang telah diodifikasi dengan satu unit kopresor, satu unit pre-cooling, dan dua unit evaporator dengan enggunakan refrigeran MC-, aka diperoleh beberapa kesipulan sebagai berikut :

6 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No., (016) ISSN: ( Print) A Pada hasil analisa data nilai COP dan HRR dari siste yang telah diodifikasi adalah 5,1 dan 1,16.. Dengan elakukan variasi panjang pipa kapiler dapat disipulkan sebagai berikut : a. Laju aliran assa refrigeran terbesar pada variasi panjang pipa kapiler 35 c yaitu 0,0067. b. Kerja kopresor terbesar pada variasi panjang pipa kapiler 35 c yaitu 0,433 kw. c. Kapasitas evaporator terbesar pada variasi panjang pipa kapiler 35 c yaitu,4 kw. d. Teperatur terendah yang dapat dicapai pada asukan evaporator adalah pada variasi panjang pipa kapiler 95 c, teperatur asuk evaporator 1 adalah 1,64 C dan teperatur asukan evaporator adalah 1,74 C. e. Nilai COP terbesar pada variasi pipa kapiler 35 c yaitu 5,1. 3. Perfora dari heat exchanger tipe concentric tube pada proses pre-cooling dapat diketahui dari nilai effectiveness dan NTU. Nilai effectiveness dan NTU seakin naik seiring dengan bertabah panjangnya pipa kapiler, pada panjang pipa kapiler terpanjang yaitu 95 c eiliki nilai effectiveness sebesar 0,795 dan NTU sebesar,066 DAFTAR PUSTAKA [1] Hernandi, 01, Analisa Pengaruh Panjang Pipa Kapiler 6 dan 3 Berdiaeter 0,054 inch pada Mesin Pendingin Cascade Teperatur Rendah dengan Capuran Refrigeran Ethane dan CO. Depok, Universitas Indonesia. [] [3] [4] Moran, M.J and Howard N. Shapiro, 000, Fundaental of Engineering Therodynaics. John Wiley & Sons Inc. Chicester. [5] P.Incropera, Frank., P.Dewitt, David., L.Bergan, Theodore, S.Lvine, Adrienne., Fundaental of Heat and Mass Transfer Seventh Edition,Asia, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. [6] Stoecker, Wilbert F., and Jones, Jerold W.,198, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara edisi kedua. Jakarta, Indonesia, Erlangga. [7] Rustadi, Rudi, 013, Peanfaatan Air Kondensat Dari Evaporator Yang Biasa Terbuang Untuk Meningkatkan Unjuk Kerja AC Split. Politeknik Negeri Bandung. [8] Firdaus, Aneka., 010, Analisa Pengaruh Penggunaan Refrigeran Hidrkarbon Musicool- Pengganti Freon- Terhadap Kinerja Alat Air Conditionig, Seinar Tahunan Teknik Mesin, ISBN, Sriwijaya University, Palebang-Indonesia.