Analisis Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Line Suction Terhadap Performansi Mesin Pendingin 1)

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK MESIN Vol 4, No 2, Oktober 2002: Analisis Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Line Suction Terhadap Perforansi Mesin Pendingin ) Ekadewi Anggraini Handoyo Dosen Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Agus Lukito Alunus Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Abstrak Mesin pendingin yang kebanyakan bekerja dengan dasar siklus pendingin kopresi uap ebutuhkan energi input (uunya listrik) dala julah cukup besar Dala artikel ini dibahas pengaruh usaha elilitkan pipa kapiler pada line suction terhadap perforansi suatu esin pendingin, dala eksperien ini digunakan freezer Perforansi yang diaati adalah COP dan waktu pendinginan Waktu pendinginan didapat dari waktu untuk enurunkan C o air gara dari 6 o C enjadi 5 o C dan seterusnya hingga -3 o C Dari eksperien yang dilakukan didapat bahwa pipa kapiler yang dililitkan pada line suction dapat eningkatkan COP freezer sedang waktu pendinginan tidak banyak berubah Kata kunci: siklus pendingin, line suction, pipa kapiler Abstract A refrigerator ostly operates on vapor-copression refrigeration cycle needs a lot of energy (usually electricity) as an input An attept to wire the capillary tube to line suction will be analyzed in this article to find its effect to the refrigerator s perforance The experient is carried on a freezer The perforance analyzed is its COP and tie needed to cool down C o brine fro 6 o C to 5 o C and so on until -3 o C Fro the experient, it is found that wiring capillary tube could increase the freezer s COP, yet the tie needed to cool the brine is not uch effected Keywords: refrigeration cycle, line suction, capillary tube Pendahuluan Pada dewasa ini khususnya di perkotaan, esin pendingin erupakan suatu peralatan yang dapat dijupai pada hapir setiap perkantoran, gedung-gedung dan ruah tangga Mesin pendingin dapat berfungsi sebagai refrigerator, freezer, chiller baik untuk kebutuhan Air Conditioning aupun untuk penunjang proses produksi Gedung perkantoran dan pusat perbelanjaan yang biasanya erupakan gedung bertingkat yang tidak berjendela sangat eerlukan esin pendingin untuk engkondisikan udara dala gedung Catatan : Diskusi untuk akalah ini diteria sebelu tanggal Februari 2003 Diskusi yang layak uat akan diterbitkan pada Jurnal Teknik Mesin Volue 5 Noor April 2003 Seua esin pendingin bekerja berdasarkan prinsip Huku Terodinaika II yang dinyatakan oleh Clausius, yaitu bahwa tidak ada suatu peralatan yang bekerja secara siklus yang dapat eindahkan panas dari benda berteperatur rendah ke benda berteperatur tinggi dengan sendirinya, selalu diperlukan input energi dari luar Input energi ini biasanya berupa energi listrik Mengingat seakin ahalnya harga listrik dan engingat seakin enipisnya suber energi tak terbaharui yang tersedia, aka diperlukan usaha untuk engheat energi dengan eningkatkan efisiensi kerja peralatan khususnya dala hal ini esin pendingin Saat ini, kebanyakan esin pendingin bekerja berdasarkan siklus pendingin kopresi uap (vapor copression refrigeration cycle) Pada siklus pendingin ini terdapat 4 koponen utaa yaitu: evaporator, kopresor, kondensor ) Penelitian dilakukan bersaa Al Dr Ir Raharjo Tirtoadodjo, DEA 94

2 Analisis Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Line Suction Terhadap Perforansi Mesin Pendingin (Ekadewi Anggraini H, et al) dan alat ekspansi seperti dapat dilihat pada gabar Saluran keluar evaporator yang akan asuk ke kopresor disebut sebagai line suction Refrigerant (orang sering enyebut freon) saat engalir dala evaporator dan line suction berada pada teperatur rendah (biasanya lebih rendah kira-kira 0-5 o C dari teperatur ruangan yang didinginkan) Setelah ke luar dari kopresor, refrigerant engalir dala kondensor dengan teperatur lebih tinggi kira-kira 0-5 o C dari teperatur udara sekitar Dengan deikian refrigerant ke luar kondensor dan asuk alat ekspansi (biasanya pipa kapiler) pada teperatur yang lebih tinggi dari pada di line suction Kondisi ini ebuat beberapa orang tertarik encoba elilitkan pipa kapiler ke line suction Artikel ini ebahas bagaiana pengaruh usaha elilitkan pipa kapiler ke line suction terhadap perforansi esin pendingin kopresi uap, dala hal ini COP dan waktu pendinginan beban 2 Teori Dasar Siste pendingin kopresi uap yang beroperasi secara steady dapat diilustrasikan seperti pada gabar Pada gabar tersebut terlihat kerja utaa yang berupa input dari luar dan perpindahan panas utaa yang berasal dari ruangan yang didinginkan dan yang ke luar ke udara sekitar Perubahan energi kinetik dan energi potensial saat enganalisa tiap koponen diabaikan, karena besar perubahan entalpi saat elalui koponen tersebut jauh lebih besar disbanding perubahan energi kinetik dan potensial Saat refrigerant engalir elalui evaporator, perpindahan panas dari ruangan yang didinginkan enyebabkan refrigerant enguap Dengan engabil refrigerant pada evaporator sebagai volue atur, dari keseibangan assa dan Huku Terodinaika I didapat perpindahan panas per satuan assa refrigerant yang engalir sebesar: in () 4 Laju perpindahan panas in disebut kapasitas pendinginan atau dapak refrigerasi Dala syste satuan SI, kapasitas dinyatakan dala kwatt Dala syste satuan English, kapasitas dinyatakan dala Btu/ja Satuan lain yang sering dipakai adalah ton of refrigeration, yang saa dengan 200 Btu/enit atau 2 kj/enit Refrigerant eninggalkan evaporator keudian dikopresi hingga tekanan dan teperatur tinggi oleh kopresor Diasusikan tidak ada perpindahan panas dari dan ke kopresor Dengan enerapkan keseibangan assa dan laju energi (Huku Terodinaika I) pada volue atur yang elingkupi kopresor, didapat power input per satuan assa refrigerant yang engalir sebesar: K W (2) 2 Keudian, refrigerant engalir elalui kondensor, diana refrigerant engebun dan eberikan panas ke udara sekitar yang lebih rendah teperaturnya Untuk volue atur elingkupi refrigerant di kondensor, laju perpindahan panas dari refrigerant per satuan assa refreigerant yang engalir adalah: out (3) 2 3 Akhirnya, refrigerant pada state 3 asuk katup ekspansi (bisa berupa pipa kapiler) dan berekspansi ke tekanan evaporator Proses ini biasanya diodelkan sebagai proses throttling yang enghasilkan: h4 = h3 (4) Gabar Koponen dari Syste Pendingin Kopresi Uap Tekanan refrigerant turun dala ekspansi yang ireversibel dan dibarengi dengan adanya kenaikan entropy jenis Refrigerant keluar katup ekspansi pada state 4 yang berupa fase capuran uap-cair 95

3 JURNAL TEKNIK MESIN Vol 4, No 2, Oktober 2002: Dala syste pendingin kopresi uap, power input netto saa dengan power untuk enggerakkan kopresor, karena katup ekspansi tidak eerlukan dan tidak enghasilkan power Besaran yang enunjukkan unjuk kerja esin pendingin adalah Coefficient of Perforance (COP) didefinisikan sebagai perbandingan antara kapasitas pendinginan dengan power input Dengan enggunakan kuantitas seperti di atas, COP / h h in 4 = = (5) h2 h W K / 3 Eksperien Eksperien dilakukan pada freezer yang dirancang oleh Dewono dan Kosala Mahinda 2) dengan spesifikasi: - Kopresor tipe heretic : silinder reciprocating, noinal speed: 48 rps, dengan bore 2,9, stroke:,8 dan displaceent 4,48 c 3 - Kondensor: Terbuat dari tebaga dengan diaeter 3/6 dan panjang 34,96 - Evaporator: Terbuat dari aluiniu dengan diaeter ¼ dan panjang 5,7 - Pipa Kapiler: Terbuat dari tebaga dengan diater 0,03 dan panjang 2,582 Refrigerant yang digunakan adalah R-406A (sebagai pengganti R-2) Eksperien dilakukan di dala ruangan yang tidak dikondisikan di Surabaya Beban pendinginan dala ruang freezer dibuat seraga selaa eksperien, yaitu berupa pendinginan air gara yang erupakan capuran dari 500 gra air dan 60 gra gara Penggunaan air gara 2% diaksudkan agar tidak terjadi proses pebekuan, karena diketahui bahwa teperatur beku air gara 2% adalah 7,5 o F (-8,05 o C) Sebelu eksperien dilakukan, seua alat ukur yaitu teroeter dan pressure gage dikalibrasi Kalibrasi Teroeter: Keena teroeter digunakan untuk engukur es dan enunjukkan angka 0 ± 0,2 o C, keudian digunakan untuk engukur air hangat dan seuanya enunjukkan angka yang saa yaitu 60 ± 0,2 o C Kalibrasi Pressure gage: Sebelu dipasang, kelia pressure gage diset pada 0 psig Keudian kelia pressure gage dihubungkan dengan kopresor Setelah kopresor dijalankan, teraati bahwa kelia pressure gage tersebut enunjukkan angka yang saa Kalibrasi dilakukan pada tekanan 30, 60, 90, 20, 50 psig Eksperien dilakukan untuk 3 kondisi yaitu: - pipa kapiler tidak dililitkan pada line suction - sebagian pipa kapiler ( dari panjang) dililitkan pada line suction - Seluruh pipa kapiler dililitkan pada line suction Eksperien dilakukan 4 kali untuk asingasing kondisi Prosedur Ekperien: Measang seua teroeter dan pressure gage 2 Mengisi refrigerant 3 Menjalankan freezer selaa ± ja untuk encapai kondisi steady 4 Measukkan bejana yang berisi air gara 2% sebanyak 560 gra ke ruang freezer Bejana ini telah dilengkapi dengan teroeter 5 Agar beban pendinginan saa, aka pengukuran dilakukan pada saat yang saa yaitu: saat air gara ulai encapai teperatur 6 o C hingga -3 o C diana pengaatan dilakukan tiap penurunan C o Pengukuran teperatur dan tekanan diabil di 5 titik seperti pada gabar 2 6 Selain pengukuran teperatur dan tekanan, waktu yang diperlukan untuk enurunkan teperatur air gara sebesar C o juga dicatat 7 Mengulangi prosedur eksperien selaa 4 kali (epat hari berbeda) 8 Mengulangi prosedur no 3 s/d no 6 untuk 2 kondisi yang lain 2) Alunus Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Gabar 2 Titik pengukuran dala eksperien 96

4 Analisis Pengaruh Pipa Kapiler yang Dililitkan pada Line Suction Terhadap Perforansi Mesin Pendingin (Ekadewi Anggraini H, et al) 4 Hasil Eksperien dan Diskusi Contoh siklus pendingin dari freezer yang diaati dapat dilihat pada diagra P-h pada lapiran Dari diagra P-h didapat besar entalpi (h) untuk tiap titik COP freezer berubah terhadap teperatur ruang beban Dari eksperien yang dilakukan, terlihat dala gabar 3 bahwa COP esin pendingin enurun saat teperatur air gara akin rendah Teperatur ruang beban dapat diperkirakan endekati atau saa dengan teperatur air gara Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Saat teperatur air gara akin rendah berarti beda teperatur antara air gara dengan refrigerant dala evaporator akin kecil Hal ini berakibat kapasitas pendinginan freezer enurun Dengan enurunnya kapasitas pendinginan aka COP juga enurun COP Teperatur air gara (C) berarti pipa kapiler tidak dililitkan pada line suction, berarti panjang pipa kapiler yang dililitkan pada line suction, berarti seluruh pipa kapiler yang dililitkan Gabar 3 COP Freezer Fungsi Teperatur Air Gara Pengaruh usaha pelilitan pipa kapiler terhadap COP freezer COP esin pendingin yang dala eksperien ini freezer eningkat jika pipa kapiler dililitkan pada line suction seperti terlihat pada gabar 3 COP didapat dengan ebagi kapasitas pendinginan dengan daya input kopresor seperti pada persaaan (5) Pada eksperien ini tidak dapat diukur laju aliran assa refrigerant karena keterbatasan alat yang ada Karena ini, aka kapasitas pendinginan pada gabar 4 dan daya kopresor pada gabar 5 erupakan besaran per laju aliran assa refrigerant Kapasitas pendinginan (kj/kg Teperatur air gara (C) Gabar 4 Kapasitas Pendinginan/Laju Aliran Massa Refrigerant Fungsi Teperatur Air Gara Kapasitas pendinginan freezer tidak terlalu banyak berubah dengan elilitkan pipa kapiler ke line suction eskipun dari gabar 4 terlihat ada kenaikan Meskipun refrigerant elepas panas saat engalir dala pipa kapiler yang dililitkan pada line suction, naun titik 4 dala diagra P-h bergeser ke kanan Keungkinan hal ini terjadi karena pipa kapiler juga eneria panas dari lingkungan aupun kopresor engingat teperatur refrigerant saat keluar pipa kapiler (asuk evaporator) sangat rendah yaitu sekitar - 5 o C Dari diagra P-h terlihat bahwa karena pipa kapiler dililitkan pada line suction aka titik (suction kopresor) bergeser ke kanan, diana saat seluruh pipa kapiler dililitkan ternyata titik berada di daerah superpanas, sedang keluaran kopresor hapir saa untuk seua kondisi Pergeseran ini ebuat enthalpy asukan kopresor (h) lebih tinggi sedang enthalpy keluaran (h2) hapir saa, sehingga kerja kopresor lebih ringan Entalpi h paling tinggi saat seluruh pipa dililitkan sehingga daya input kopresor juga paling rendah pada kondisi itu Hal ini dapat dilihat pada gabar 5 Daya kopreso (kj/kg) Teperatur air gara (C) Gabar 5 Daya Kopresor/Laju Aliran Massa Refrigerant Fungsi Teperatur Air Gara Karena kapasitas pendinginan sedikit eningkat dan daya input kopresor enurun saat pipa kapiler dililitkan pada line suction, aka COP freezer eningkat 97

5 JURNAL TEKNIK MESIN Vol 4, No 2, Oktober 2002: Pengaruh usaha pelilitan pipa kapiler terhadap Waktu Pendinginan Waktu penurunan teperatur C (deti C - 5C 4C - 3C 2C - C 0C - '-C' -2C' - '-3C' Penurunan teperatur air gara Gabar 6 Waktu Penurunan Teperatur Air Gara Pengaatan terhadap waktu pendinginan air gara dala ruang beban dilakukan ulai air gara encapai 6 o C hingga -3 o C, diana pengukuran dilakukan untuk penurunan tiap C o Dari gabar 6 dapat dilihat bahwa waktu pendinginan yang diperlukan bertabah dengan akin rendahnya teperatur air gara Naun, terjadi sesuatu yang aneh diana saat teperatur air gara turun dari o C enjadi 0 o C dan dari 0 o C enjadi - o C, waktu yang diperlukan justru enurun dan keudian untuk berikutnya eningkat kebali Hal ini perlu diselidiki lebih lanjut Pada artikel ini tidak dibahas lebih jauh karena hal ini di luar tujuan eksperien Dari gabar 6 terlihat bahwa usaha elilitkan pipa kapiler pada line suction tidak ebuat waktu pendinginan lebih singkat Hal ini dapat diengerti karena kapasitas pendinginan tidak banyak berubah Usaha yang dilakukan orang untuk eningkatkan perforansi esin pendingin adalah dengan eng kontak kan pipa (bukan pipa kapiler) yang keluar dari kondensor dengan line suction seperti pada gabar 7 Dengan elakukan hal ini, aka refrigerant saat asuk kopresor lebih super panas dan refrigerant saat asuk katup ekspansi (bisa pipa kapiler) dala kondisi lebih sub-cooled, teperatur lebih rendah Jika refrigerant asuk katup ekspansi lebih sub-cooled aka pada diagra P-h titik 4 lebih ke kiri dengan deikian titik 5 juga lebih kekiri Kondisi ini berakibat kapasitas pendinginan esin pendingin lebih besar Dengan ebuat kapasitas pendinginan lebih besar, aka waktu pendinginan tentunya akan lebih singkat 5 Kesipulan Dari eksperien yang dilakukan dapat diabil kesipulan: - COP esin pendingin enurun saat teperatur ruangan beban akin rendah - COP esin pendingin eningkat jika pipa kapiler dililitkan pada line suction - Waktu pendinginan tidak berubah jika pipa kapiler dililitkan pada line suction Daftar Pustaka Cengel, YA, Boles, MA, Therodynaics: an engineering approach, 3 rd ed, McGraw Hill Moran, MJ, Shapiro, HN, Fundaentals of Engineering Therodynaics, 4 th ed, John Wiley & Sons, Inc Stoecker WF, Jones, JW, Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, 2 nd ed, Penerbit Erlangga 992 Gabar 7 Modifikasi Siste Pendingin Kopresi-Uap 98