JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (2016) ISSN: ( Print) B-653

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) B-653 Rancang Bangun dan Studi Ekperimen Alat Penukar Pana untuk Memanfaatkan Energi Refrigerant Keluar Kompreor AC ebagai Pemana Air pada ST/D=8 dengan Variai Volume Air Fajri Chairbowo dan Djatmiko Ichani Juruan Teknik Mein, Fakulta Teknologi Indutri, Intitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 Indoneia djatmiko@me.it.ac.id Abtrak Kebutuhan mayarakat terhadap air hangat emakin meningkat. Hal itu diebabkan air hangat mempunyai berbagai manfaat. Air hangat efektif dalam melarutkan lemak ataupun abun, erta air hangat dapat melancarkan peredaran darah manuia ketika digunakan. Demi efiieni dalam penggunaan energi, penelitian yang dilakukan tentang pemanfaatan pana buang dari item refrigerai.. Sebelum pana dibuang ke lingkungan, water heater ditambahkan oleh penuli ke item refrigerai yang peletakkannya eudah proe komprei. Dimana water heater akan mengambil kalor dari refrigeran pemana yang melinta eudah dari kompreor. Sitem refrigerai yang digunakan mempunyai daya HP (746 Watt). Dalam penelitian ini udah ditetapkan diameter tube dari water heater adalah cm dengan jarak tranveral etiap tube 8 cm, fluida yang mengalir di dalam tube adalah R-22 dan fluida diam yang berada di dalam tangki adalah air. Langkah awal dari penelitian ini adalah melakukan pengujian item AC plit untuk mendapatkan data-data yang dibutuhkan dalam perancangan water heater. Tahap elanjutnya adalah tudi numerik dimana tudi numerik dilakukan ecara dua dimeni dengan kondii teady, incompreible, dan laminar dengan prinip Computational Fluid Dynamic (CFD), menggunakan perangkat lunak GAMBIT untuk tahap pembuatan domain dan diimulaikan dengan perangkat lunak FLUENT Tahap terakhir adalah ekperimen yang bertujuan untuk mengetahui water heater yang dibuat euai dengan rancangan penuli. Kemudian water heater yang udah dibuat, dipaang ke item AC plit. Pada tahap ekperimen, penuli melakukan variai terhadap volume air di tangki, yaitu 75 liter, 85 liter dan 00 liter. Hail dari imulai numerik menunjukkan fenomena perpindahan pana pada water heater, yang berupa kontur temperatur, kontur kecepatan dan velocity vector dalam bentuk dua dimeni tampak amping water heater. Hail dari tudi ekperimen ini menunjukkan nilai-nilai keeluruhan yang optimum untuk proe pemanaan air dengan water heater, yaitu pada pemilihan volume air 00 liter di water heater dengan nilai-nilai dari Wkomp=0,5004kW Qevap = 2,27 COP = 4,538. Kata Kunci Water Heater; Jarak Tube; Perpindahan Pana Tranien; Konveki Alami; Konveki Internal Tube. P I. PENDAHULUAN ada era globaliai ebagian mayarakat udah menggunakan perangkat pendingin udara atau air conditioner untuk mendinginkan temperatur di ruangan. Di amping dapat mendinginkan temperature di ruangan, air conditioner juga menyebabkan temperature di luar ruangan (lingkungan) meningkat akibat pana yang dilepakan oleh kondenor. Kebutuhan terhadap air hangat dalam kehidupan ehari-hari cukup tinggi terutama di rumah akit maupun penginapan. Air hangat dapat digunakan untuk memberihkan piring yang berlemak karena air hangat lebih efektif untuk melarutkan lemak dan abun jika dibandingkan dengan menggunakan air dingin. Selain itu, air hangat juga digunakan untuk keperluan mandi. Hal itu diebabkan karena manfaat mandi dengan air hangat cukup banyak, alah atunya dapat melancarkan peredaran darah manuia. Terdapat jeni-jeni alat pemana air di ekitar tetapi kebanyakan memerlukan daya yang tinggi dan biaya yang dikeluarkan pun cukup mahal. Untuk memenuhi kebutuhan mayarakat terhadap air hangat, penuli mencoba memanfaatkan pana yang terbuang atau wate heat dari air conditioner dengan menggunakan water heater untuk memanakan air. Water heater ini dapat memanakan air tanpa perlu daya tambahan karena prinip kerja dari water heater ini adalah dengan memanfaatkan pana refrigeran yang keluar dari kompreor untuk memanakan air di water heater ebelum mauk ke kondenor. Kemudian penuli mencoba untuk mengembangkan model baru dengan menggunakan tranvere pitch (S T /D = 8) etiap tube di water heater dengan memvariaikan volume water heater. Hal terebut bertujuan untuk membandingkan karakteritik perpindahan pana yang didapat menggunakan (S T /D = 8) dengan diii air penuh dari volume water heater, diii air dengan pengurangan 20% dari volume total water heater dan dii air dengan pengurangan 40% dari volume total water heater. Siklu Komprei Uap II. TINJAUAN PUSTAKA Siklu komprei uap adalah item dimana fluida kerja mengalami proe penguapan dan pengembunan, erta proe komprei dan ekpani ecara teru-meneru. Sitem pendinginan udara merupakan item yang

2 B-654 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) memanfaatkan iklu komprei uap. Fluida kerja yang biaanya digunakan untuk memindahkan pana dalam iklu refrigerai adalah refrigeran. Refrigeran menyerap kalor dengan proe evaporai dan membuang kalor ke ruangan lain dengan proe kondenai. Pada item ini terdapat dua alat penukar pana. Alat penukar pana yang pertama evaporator yang berfungi menyerap pana dari ruangan dan memindahkannya ke fluida kerja (refrigeran). Alat penukar pana yang kedua adalah kondenor yang berfungi untuk memindahkan pana yang diterima oleh fluida kerja ke udara luar. Kemudian alat penukar pana yang ditambahkan penuli adalah water heater yang berfungi untuk menyerap energy pana refrigerant keluaran kompreor. Secara kemati iklu komprei uap yang diujikan bia digambarkan ebagai berikut. dimana: φ (t) = (T tube inlet + 5) T water (t) φ (t = 0) = (T tube inlet + 5) T water awal Penelitian Terdahulu Penelitian terdahulu telah dilakukan Daniel Santoo tentang pengaruh penambahan water heater di item refrigerai AC plit adalah ebagai berikut : Gambar. (a) Skema pengujian item AC plit penambahan water heater (b) P-h Diagram pengujian item AC plit penambahan water heater Untuk mengetahui performa dari alat item refrigerai digunakan beberapa rumuan ebagai berikut:. Kerja kompreor W komp = m ref(h out_komp h in_komp ) () 2. Kalor yang dipa kondenor kond = m ref(h in_kond h out_kond ) (2) 3. Kapaita pendinginan evap = m ref(h out_evap h in_evap ) (3) 4. Kalor yang dilepa water heater WH = m ref(h in_wh h out_wh ) (4) 5. COP item refrigerai COP = evap W komp Perpindahan Pana Tranien Dalam analia perpindahan pana ecara tranien untuk memanakan air perlu diketahui konep peramaan energi terlebih dahulu. Pada kau ini energy balance yang terjadi adalah energi yang dierap oleh air ama dengan energi yang diberikan oleh water heater.berikut uraian rumu perpindahan pana tranient yang digunakan Peramaan pada Pana yang Diberikan Water Heater (Q HE ) Q HE = U.A 2 (6) Peramaan pada Pana yang Dierap oleh Air (Q water ) Q water = m. C p. ( dφ dt (7) Sehingga etelah proe integral, didapatkan peramaan: φ(t) U.A ln =. t (8) φ ( t= 0 ) 2.m.Cp (5) Gambar 2. Pengaruh water heater terhadap temperatur fungi waktu Pada grafik diata, inlet merupakan temperature maukkan heat exchanger, outlet merupakan temperature keluaran heat exchanger, dan air merupakan temperature air yang dipanakan. Pada waktu awal, temperature inlet heat exchanger memiliki temperature tertinggi dibandingkan pada outlet dan temperature air. Pada grafik diata menunujukkan bahwa emua temperatur memiliki trend naik. Pada grafik diata juga menunujukkan bahwa temperatur air pada kondii makimum mendekati temperatur makimum outlet heat exchanger. III. URAIAN PENELITIAN Penelitian ini dilakukan dengan tiga tahap yaitu tahap perancangan water heater, tahap imulai numerik, dan terakhir adalah tahap ekperimen. Tahap Perancangan Tahap perancangan water heater ini dimulai dari dengan mencari poteni energi pana refrigerant keluaran kompreor yang dapat dimanfaatkan untuk memanakan air. Berikut adalah data yang diperoleh: Temperatur keluar kompreor = 90,2 0 C Tekanan Dicharge = 233 pi Langkah elanjutnya adalah menentukan kapaita kalor yang akan diberikan water heater terhadap air. Pada perencanaan ini bahwa temperatur keluar dari water heater yang diharapkan adalah pada temperatur 50 0 C. Dimana propertie keluaran kompreor ama dengan propertie maukan water heater. Berikut adalah perencanaanya: WH = m ref(h in_wh h out_wh ) WH = 0,025 kg kj. (458,82 423,98) kg WH = 435,5 W Selanjutnya adalah menentukan waktu pemanaan air untuk mencapai temperatur 45 0 C dengan kapatia water heater yang telah ditentukan. Berikut adalah cara perhitungannya: t = m.cp.(δt) t 00 kg.480 J Kg.K.(38 303)K t = 435,5 J t = 4397,24 t = 4 jam

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) B-655 Langkah berikutnya adalah menentukan panjang water heater. Analia perpindahan pana yang dilakukan adalah ebagai berikut: ) Perpindahan Pana Konveki pada Aliran Internal Pipa Tahapan untuk mencari koefiien konveki aliran internal pipa adalah ebagai berikut: Mencari Propertie Referigerant Propertie referigerant diperoleh dengan dari temperatur film yaitu temperatur mauk dan temperatur keluar. Berikut propertie refrigeran yang didapatkan menggunakan oftware REFPROP TABEL. PROPERTIES REFERIGERANT Menghitung Bilangan Reynold Peramaan untuk menghitung Reynold number yaitu: Re = 4ṁ πdµ Re = 4.0,025 kg π.9,525 x 0 3 m.,48 x 0 5 Pa. Re = 2603,429 Menghitung Bilangan Nuelt Setelah diperoleh bilangan Reynold>2300 maka aliran pada internal pipa adalah turbulen. Maka peramaan yang digunakan untuk mencari bilangan Nuelt adalah Nu = 0,0265.Re 4/5.Pr 0,3 Nu = 0,0265.( 2603,429) 4/5. 0,96 0,3 Nu = 280,523 Mencari Koefiien Konveki Aliran Internal Pipa Berikut adalah peramaan untuk menghitung aliran internal pada pipa: h i = Nu k D h i = 280,253. 0,044 W m.k 9,525 x 0 3 m h i = 425,77 W m 2.K 2) Perpindahan Pana Konveki Alami Tahapan untuk mencari koefiien konveki alami adalah ebagai berikut: Mencari Propertie Air Propertie air diperoleh dengan dari temperatur ratarata antara temperatur film tube dengan temperatur awal air ebelum dipanakan. Berikut propertie air yang didapatkan menggunakan oftware REFPROP TABEL 2. PROPERTIES AIR Menghitung Bilangan Nuelt Berikut adalah peramaan yang digunakan untuk menghitung Nuelt Number Nu = C.Ra n Nu = 0,48.(,79 x 0 6 ) 0,25 Nu = 7,56 Mencari Koefeien Konveki Alami Berikut adalah peramaan yang digunakan untuk menghitung koefeien konveki alami h o = Nu k D h o = 7,56.0,644 W m.k 9,525 x 0 3 m h o = 87,6 W m 2.K 3) Menghitung Overall Perpindahan Pana Berikut adalah Overall Perpindahan Pana yang terjadi pada pemana air ini: U = U = + h i ho W + 443,88 m 2 W 87,6.K m 2.K U = 323, W m 2.K 4) Menghitung Lua Pipa Berikut adalah peramaan untuk menghitung lua pipa: Tair akhir lnthi+5 Thi+5 Tair awal A = A = U.t 2m.Cp air ln (C) 323, W m 2.K.3979,3 J 2.00 kg.480 kg C A = 0,047 m 2 5) Menghitung Panjang Pipa Panjang pipa diperoleh dengan peramaan lua elimut tabung, yaitu : L = A πd 0,04904 m2 L = π.0, m L =,58 meter Tahap Simulai Simulai dilakukan ecara 2 dimeni, dimana tahap imulai dibagi menjadi tiga tahap, yaitu pre-proceing, proceing, dan pot proceing. ) Pre-Proceing Pemodelan geometri dibuat dalam 2 dimeni. Berikut adalah bagian dan geometri yang akan digunakan untuk imulai : Menghitung Bilangan Rayleigh Berikut adalah peramaan yang dipakai untuk menghitung Rayleigh Number: Ra = gβ(t Tair)D 3 vα Ra = 9,8 m2 /. 4,57 x 0 4 K. ( )K. (9,525 x 0 3 m) 3 Ra =,79 x 0 6 5,54 x 0 7 m2 m2.,56x 0 7 Gambar 3. (a) Bagian temperatur yang diimulaikan dan (b) geometri untuk imulai Setelah pembuatan geometri, langkah elanjutnya adalah pembuatan mehing. Meh yang digunakan adalah

4 TEMPERATUR (K) B-656 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) jeni Quad-Map. Adapun model mehing yang digunakan ebagai berikut: Gambar 4. Mehing tube dari Water Heater Langkah elanjutnya adalah menentukan boundary condition dimana untuk tube dikondiikan ebagai wall dengan input temperatur yang telah ditentukan euai dengan perhitungan. Sedangkan untuk dinding tangki dinding dikondiikan ebagai dinding adiabati. TABEL 3. BOUNDARY CONDITION. Tube Temperatur : 363 K 2. Tube 2 Temperatur : 345,24 K 3. Tube 3 Temperatur : 338 K 4. Tube 4 Temperatur : 352,85 K 5. Tube 5 Temperatur : 323 K 6. Left Wall, Right Wall, Bottom Wall, Top Wall Dinding Adiabati 2) Proceing Tahapan pemodelan yang dilakukan dalam proe ini antara lain adalah mengatur olver model, vicou model, material, boundary condition, erta initialize condition. Setelah eluruh pemodelan ditentukan, dilakukan proe iterai untuk menyeleaikan proe imulai. TABEL 4. PROPERTIES MATERIAL AIR. Denity (kg/m 3 ) 998,2 2. Specific Heat (J/kg.K) Thermal Conductivity (W/m.K) 0,6 TABEL 5. PROPERTIES TEMBAGA. Denity (kg/m 3 ) Specific Heat (J/kg.K) Thermal Conductivity (W/m.K) 387,6 TABEL 6. PROPERTIES FIBER GLASS. Denity (kg/m 3 ) Specific Heat (J/kg.K) Thermal Conductivity (W/m.K) 0,038 3) Pot-Proceing Dari hail imulai diperoleh data perpindahan pana viualiai ditribui temperatur dan viualiai ditribui kecepatan di ekitar water heater. Selanjutnya data terebut diolah dalam bentuk grafik. Tahap Ekperimen Poii Water Heater pada item AC diletakkan etelah kompreor. Volume air di tangki pada ekperimen ini divariaikan 75 liter; 85 liter; dan 00 liter. Sebelum ekperimen, dilakukan terlebih dahulu pengecekan kebocoran pada item AC dengan melihat apakah terjadi perubahan tekanan pada preure gauge etelah ebelumnya dilakukan proe vakum. Jika tidak terjadi kebocoran maka langkah elanjutnya adalah memaukkan refrigeran pada uction. Laju alir maa diukur menggunakan flowmeter yang diletakkan etelah outlet kondener. Sedangkan untuk temperatur diukur menggunakan thermocouple yang peletakkannya etelah outlet kompreor, outlet water heater, outlet kondener, outlet kapiler dan outlet evaporator. Pengukuran tekanan dilakukan pada uction, dicharge, dan etelah keluaran kondenor. Sedangkan untuk pengukuran temperatur dilakukan pada etiap titik keluaran komponen AC plit. Pengambilan data dilakukan elama 5 menit ekali. Analia Numerik IV. HASIL ANALISA DATA ) Analia Ditribui Temperatur Untuk mendapatkan data temperatur maka digunakan metode io-urface. Dimana jarak etiap tube diwakilkan dengan koordinat titik Y. Berikut gambar kontur ditribui temperatur di ekitar water heater dan grafik ditribui temperatur terhadap jarak vertikal di water heater Gambar 5. Kontur ditribui temperatur TEMPERATUR TEMPERATUR Y (mm ) Gambar 6. Grafik ditribui temperatur terhadap jarak vertikal (Y) pada water heater Pada Gambar 8 menunjukkan grafik ditribui temperatur dan jarak vertikal (Y) pada water heater uperheater jeni material gla fiber pada etiap wall dan copper pada etiap tube. Ditribui temperatur dianalii pada poii ; 50 mm; 230 mm; 30 mm; 390 mm; 470 mm. Dari grafik dapat dilihat bahwa trendline grafik mengalami penurunan. Bearnya temperatur

5 Q erap air (kw) COP Q air cooled kond (kw) JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) B-657 berkurang eiring bertambahnya jarak kearah vertikal. Dimana nilai temperatur terbear (T=356,492 0 K) terletak pada jarak vertikal dengan y=50 mm dan nilai temperatur terkecil (T=337,,668) terletak pada jarak vertikal dengan y=470 mm. Nilai temperatur berkurang eiring bertambahnya jarak yang terkena fluida pendingin 2) Analia Aliran Kecepatan Berikut gambar kontur ditribui kecepatan di ekitar water heater Gambar 7. Kontur ditribui kecepatan Ditribui kecepatan lokal pada model ditunjukkan oleh pektrum warna kontur aliran. Kontur dengan pektrum warna merah merupakan daerah yang memiliki nilai kecepatan yang tinggi, edangkan pektrum berwarna biru menunjukkan nilai kecepatan yang rendah. Kecepatan aliran melewati bagian kiri dan kanan tube yang memiliki kontur hampir erupa, hal ini dikarenakan bentuk tube yang berbentuk lingkaran. Kontur yang mempunyai kecepatan terbear terjadi di daerah ekitar tube. Analia Grafik Ekperimen ) Analia Grafik Kalor yang dierap Air Variai Volume Air terhadap Waktu Q erap air time (menit) 75 Liter 85 Liter 00 Liter Gambar 8. Grafik nilai penyerapan air pada water heater variai volume air terhadap waktu Gambar 0 menunjukkan jumlah nilai kalor yang dierap air keeluruhan dari yang terbear ampai terkecil dimulai pada volume air 00 liter kemudian 85 liter dan terakhir 75 liter. Hal ini diebabkan dengan kenaikan volume air maka akan menyebabkan kenaikan kalor yang dierap air. Walaupun pada awal waktu tampak kalor yang dierap air pada variai 75 liter adalah bear. Hal itu terjadi karena volume 75 liter air kenaikan temperatur airnya tinggi pada awal waktu. 2) Analia Grafik Pelepaan Kalor Air Cooled Condener Variai Volume Air terhadap Waktu Gambar 9. Grafik nilai pelepaan kalor air cooled condener variai volume air terhadap waktu Gambar 0 menunjukkan nilai kalor air cooled condener yang dilepa keeluruhan dari yang terkecil ampai terbear dimulai pada volume air 75 liter kemudian 85 liter dan terakhir 00 liter. Hal ini udah euai dengan teori dimana emakin bear volume air maka kalor yang di lepakan air cooled condener juga emakin bear. 3) Analia Grafik COP Variai Volume Air terhadap Waktu Q air cooled kondener time (menit) COP time (menit) Gambar 0. Grafik nilai COP (Coeffecient of Performance) variai volume air terhadap waktu Gambar menunjukka nilai COP keeluruhan dari yang terbear ampai terkecil dimulai dari volume air 00 liter kemudian 85 liter dan terakhir 75 liter. Hal ini diebabkan kapaita pendinginan terbear terjadi pada volume 00 liter dan kerja kompreor teringan juga terjadi pada volume 00 liter. Dimana COP merupakan hail bagi antara kapaita pendinginan dengan kerja kompreor. V. KESIMPULAN 75 Liter 85 Liter 00 Liter 75 Liter 85 Liter 00 Liter Berdaarkan analii numerik dan ekperimen yang dilakukan maka didapatkan keimpulan, ebagai berikut:. Didapatkan hail variai volume water heater terhadap karakteritik perpindahan pana berupa kapaita pendinginan dan lama waktu pemanaan. Kapaita pendinginan terbear terjadi volume air 00 liter dan waktu tercepat pemanaan terjadi pada volume air 75 liter. 2. Diperoleh kenaikan temperatur air pada water heater dengan memanfaatkan energy refrigerant keluar kompreor. Adapun kenaikan temperatur tercepat untuk mencapai 45 terjadi pada volume air 75 liter dimana hanya memerlukan waktu hingga menit ke Didapatkan kenaikan COP dengan penambahan water heater pada item refrigerai. Adapun COP rata-rata keeluruhan dari terbear ampai terkecil didapatkan

6 B-658 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5 No. 2 (206) ISSN: ( Print) dengan variai volume 00 liter, 85 liter dan 75 liter air. 4. Melalui analii numerik dapat diketahui fenomena perpindahan pana yang terjadi pada water heater adalah natural convection dan kecepatan yang berikulai ecara laminar yang diebabkan adanya perbedaan temperatur yang cukup ignifikan. DAFTAR PUSTAKA [] Incropera, Frank P., De Witt, David P. (2002). Fundamental of Heat and Ma Tranfer. New York: John Wiley & Son Inc. [2] Moran, Michael J. & Shapiro, H.N Fundamental of Engineering Thermodynamic (5th Edition). Inggri: John Wiley & Son. [3] Daniel Santoo, dan F. Dalu Setiaji Pemanfaatan Pana Buang Pengkondii Udara Sebagai Pemana Air dengan Menggunakan Penukar Pana Helikal. Salatiga: Univerita Kriten Satya Wacana. [4] Prabowo, Triyogi Yuwono, Herman Saongko, Dyah Arum W & Edy Suanto Rancang Bangun Kondenor Pada Refrigerator dengan Simulai Numerik dan Ekperimen. Surabaya: Intitut Teknologi Sepuluh Nopember.