RANCANGAN SISTEM REFRIGERASI PADA MODEL MESIN PENGHASIL ES SERUT. Agus Slamet Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang

Transkripsi

1 RANCANGAN SISTEM REFRIGERASI PADA MODEL MESIN PENGHASIL ES SERUT Abstract Agus Slamet Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang Cooling on food products, pharmaceuticals and drugs less effective use ice block to get a uniform cooling effect and less practical. To overcome these constraints the form of ice blocks replaced with a form of shaved ice (ice planer). Before the shaved ice-producing machine is made, a compact model needs to be made in advance, especially the design of refrigeration systems which is the major part of the machine. The design of refrigeration systems include cooling load, required compressor power and evaporator pipe length in order to freeze the water until it reaches a temperature of-12 0 C. Kyeword: refrigeration, model, shaved ice PENDAHULUAN Es blok (ice block) yang merupakan salah satu produk dari sistem refrigerasi atau mesin freezer banyak digunakan untuk mendinginkan produk makanan maupun produk farmasi atau obat-obatan untuk menjaga kualitasnya tetap baik dan biasanya dalam waktu yang tidak terlalu lama antara lain penyimpanan sementara dan saat distribusi. (ASHRAE, 2003). Pendinginan menggunakan es blok ini kurang efektif untuk mendapatkan efek pendinginan yang merata dan kurang praktis untuk penempatan es tersebut. Untuk mengatasi kendala tersebut maka bentuk es blok diganti dengan bentuk es serut (ice planer), yang pada saat ini sudah banyak digunakan pada produk makanan, farmasi dan obat-obatan. Agar dapat menghasilkan es serut dalam jumlah banyak biasanya es blok dari produk mesin freezer dibawa ke mesin penyerut es tersendiri sehingga diperlukan energi untuk transportasi dari mesin freezer ke mesin penyerut es sehingga tidak efisien. Cara mengatasi permasalahan ini bisa dirancang pembuatan Model Mesin Refrigerasi Penghasil Es Serut. Pada model ini akan memadukan mesin freezer dengan mesin serut secara compact,sehingga menjadi satu mesin yang keluaran produknya langsung berupa es serut (ice planer). Model mesin refrigerasi terpadu dengan keluaran produk es dalam bentuk serutan kapasitas produksinya masih dalam kapasitas kecil atau kapasitas laboratorium. Rancangan ini bisa ditindaklanjuti dengan pembuatan bangun modelnya, sehingga dapat diuji unjuk kerjanya. PEMBAHASAN Batasan Rancangan Untuk merancang model mesin refrigerasi penghasil es serut maka perlu dilakukan rancangan meliputi rancangan bentuk alat,pemilihan bahan, perhitungan komponen dan pembuatan serta cara perakitan alat penghasil es serut. Batasan rancangan model mesin ini adalah untuk kapasitas es serut 1 kg/jam dengan bahan baku air suhu 30 0 C menjadi es blok bersuhu C, refrigeran yang digunakan R-134a. Sistem refrigerasi pada model mesin penghasil es serut ini yang perlu dirancang adalah : - Beban pendinginan total - Kompresor refrigeran hermatic untuk menaikan tekanan refrigeran ke kondensor dengan suhu kondensasi 48 0 C. - Evaporator jenis bar-tube, berfungsi sebagai penyerap energi panas dari air sehingga mampu membeku, dengan suhu evaporasi C Rancangan model mesin penghasil es dalam bentuk serutan dapat dilihat pada gambar 1 berikut : (Mohammad Romiyadi,dkk, 2011). 128

2 diasumsikan uap jenuh. Refrigeran dikompresikan oleh kompresor dan keluar menuju kondensor mempunyai tingkat keadaan uap superheated. Di dalam kondensor terjadi proses kondensasi isotermal dengan melepaskan energi panas ke lingkungan. Saat keluar kondensor menuju katup ekspansi tingkat keadaan refrigeran diasumsikan cair jenuh. Di dalam katup ekspansi terjadi penurunkan tekanan secara entalpi konstan mengalir masuk ke dalam evaporator dengan tingkat keadaan campuran dua fasa. Proses evaporasi terjadi di dalam evaporator dengan menyerap energi panas lingkungannya, sehingga tingkat keadaan refrigeran keluar evaporator diasumsikan uap jenuh. (W.F.Stoecker,1992) Gambar 1. Rancangan Model Mesin Penghasil Es Serut Keterangan : 1. Rangka utama. 7. Liner 2. Sistem Refrigerasi 8.Dinding kompsit 3. Motor Listrik 9. Luncuran es 4. Reducer 10. Penyerut es 5. Dudukan Motor 11. Pemukul 6. Poros engkol 12. Klem liner Gambar 2. Diagram Blok Sistem Refrigerasi Standar Prinsip Kerja Mesin refrigerasi dihidupkan sampai kondisi tunak (steady state) yaitu pada evaporator mencapai suhu C. Bahan baku air bersuhu 30 0 C dimasukan ke dalam liner, dan control pengatur waktu diseting 1 jam untuk menghidupkan motor listrik memutar poros engkol yang dapat mendorong es blok bersuhu C di dalam liner keluar ke luncuran es dan langsung meluncur ke tempat penyerut es sehingga menghasilkan es serut. Analisis Rancangan Siklus Sistem Refrigerasi Prinsip kerja mesin pendingin adalah siklus kompresi uap standar yang dikembangkan dari siklus Carnot. Fluida kerja atau refrigeran dalam sebuah mesin pendingin disirkulasikan di dalam saluran pipa-pipa. Tingkat keadaan refrigeran saat keluar dari evaporator atau masuk ke kompresor Gambar 3. Diagram p-h Sistem Refrigerasi Standar Dampak Refrigerasi Spesifik Kemampuan evaporator menyerap energi panas disebut dampak refrigerasi atau refrigerant effect (RE), dan bila dibagi persatuan massa refrigerant menjadi dampak refrigerasi spesifik yang besarnya adalah : ( Kharagpur, 2008) Q in = RE = h 1 h 4 (kj/kg) [1] Adapun h merupakan entalpi spesifik yang nilainya berdasarkan tingkat keadaannya masing-masing. Jika RE dikalikan dengan laju aliran massa refrigerant maka merupakan kapasitas (kw) pendinginan dari sistem refrigerasi. RANCANGAN SISTEM REFRIGERASI PADA MODEL MESIN PENGHASIL ES SERUT (Agus Slamet ) 129

3 Kerja Spesifik Kompresor Untuk menaikan tekanan refrigerant tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2 dapat dihitung besarnya energy kerja spesifik kompresor yang dibutuhkan yaitu W C = h 1 h 2 (kj/kg) [2] (Moran,M.J, Howard N. Shapiro,2006) Beban Pendinginan Besarnya beban refrigerasi atau beban pendinginan yang harus dihitung untuk merancang evaporator dan daya kompresor yang dibutuhkan. Perhitungan beban pendinginan antara lain adalah dimulai dengan besarnya beban produk, beban transmisi, beban ventilasi, dan beban infiltrasi. Beban Produk Air merupakan bahan baku dari es blok yang dihasilkan dari mesin refrigerasi dengan tinggkat keadaan kondisi awalnya adalah massa 1 kg, suhu 30 0 C. Tingkat keadaan akhir yang hendak dicapai berupa produk es blok dengan suhu C. Persamaan yang digunakan untuk menghitung energy panas sensible dari air suhu 30 0 C menjadi 0 0 C dan es dari suhu 0 0 C menjadi es C adalah: Q sensibel = m c air. T (kj). [3] Adapun c air adalah panas spesifik air 4,186 kj/kg.k. Untuk menghitung energy panas laten yaitu perubahan fasa cair ke fasa padat dari air bersuhu 0 0 C menjadi es 0 0 C, persamaan yang digunakan adalah: Q laten = m x energy panas laten air (kj), sedangkan besarnya energy panas laten spesifik air membeku adalah 334 kj/kg. Dari perhitungan persamaan tersebut di atas didapatkan beban produk adalah Q produk = Q sensibel + Q laten = 484,876 kj, jika waktu yang dibutuhkan adalah 1 jam maka laju aliran energy atau daya yang dibutuhkan adalah 134,6 W. Beban Transmisi Bagian dari beban pendinginan ini adalah aliran energi panas berasal dari lingkungan yang menembus pada sisi-sisi dinding komposit, yaitu 4 dinding sisi vertikal dan 2 dinding sisi horisontal. Dinding komposit direncanakan mempunyai 2 lapis terdiri dari kayu setebal 15 mm dan styrofoam tebal 40 mm, masing-masing mempunyai konduktivitas termal bahan (k 1 ) sebesar 0.12 W/m.K dan k 2 = 0.01 W/m.K. Untuk menghitung laju perpindahan energi panas (pinerpan) pada 4 sisi dinding vertikal terlebih dahulu harus menentukan besarnya koefisien pinerpan konveksi sisi luar (h o ) maupun dalam (h i ) dengan persamaan Nuselt Number sebagai berikut : (Frank P. Incropera,David P. DeWitt, 1996) [4] Persamaan Nuselt number untuk sisi dinding horisontal untuk dinding luar : N ul = = 0,15 R al 1/3 Sedangkan untuk dinding dalamnya : [5] N ul = = 0,27 R al ¼ [6] Adapun Reyleigh Number (R al ) dihitung dengan : [7] Untuk dinding luar T s = 30 0 C dan T = 35 0 C, sedangkan dinding dalam T s = C dan T = C berdasarkan suhu tersebut maka nilai sifat termodinamika β, α dan ν dapat dibaca pada tabel Thermophysical Properties of Gases at Atmospheric Pressure. Nilai koefisien pinerpan konveksi h o dan h i digunakan untuk mencari koefisien pinerpan total (U) : [8] Dari perhitungan tersebut diatas maka laju pinerpan yang mengalir melalui dinding-dinding komposit atau sebagai beban transmisi dapat dihitung dari perbedaan suhu lingkungan T,o = 35 0 C dengan suhu udara di ruang pendingin T,i = C dengan persamaan: ( Kharagpur, 2008) Q = U. A.(T,o - T,i ) (Watt) [9] Jika dari data yang telah ditentukan dihitung dengan persamaan tersebut akan didapatkan beban transmisi sebesar : Q transmisi = Q trns,vertical + Q trns,horizontal = 4,954 W Beban Ventilasi (W.F.Stoecker,1998) Beban pendinginan ini disebabkan adanya udara ingkungan yang masuk ke ruang pendingin melalui 130 TEKNIS Vol. 6 No.3 Desember 2011 :

4 lubang liner. Untuk menghitung laju pinerpannya adalah : Q vent = ρ.v.c p.a (T,o - T,i ) (kw) [10] Nilai c p udara = 1,0071 kj/kg.k, kecepatan udara ditentukan v= 1,5 m/s, massa jenis udara = 1,151 kg/m 3 dan diameter liner dipilih 100 mm, maka beban ventilasi akan didapatkan sebesar 10,773 W. Beban Infiltrasi Adanya tutup liner yang digunakan untuk memasukan bahan baku air dan keluarnya es blok dari liner, maka akan terjadi pergantian sebagian udara lingkungan dengan udara dingin di dalam ruang pendingin, juga kemungkinan melalui celahcelah yang ada pada konstruksi sistem refrigerasi, sehingga bisa menambah beban pendinginan yang disebut dengan beban infiltrasi. Penghitungan beban infiltrasi menggunakan persamaan yang sama dengan beban ventilasi dan dikalikan dengan waktu pembukaan tutup liner, laju pinerpannya akan didapat dari pembagian dengan 3600 detik, maka beban infiltrasinya sebesar 14,24 W. Beban pendingan total sistem refrigerasi ini adalah dengan menjumlahkan beban produk, beban transmisi, beban ventilasi dan beban infiltrasi, sehingga didapatkan sebesar 164,57 W. Kebutuhan Daya Kompresor Menentukan daya kompresor berdasarkan beban total pendingan, dengan tingkat keadaan yang telah ditentukan dalam rancangan ini maka dari persamaan [1] akan didapat dampak refrigerasi spesifik 118,79 kj/kg dan laju aliran massa refrigerant 1,385x10-3 kg/s, jika dikalikan dengan hasil perhitungan dari persamaan [2] akan didapatkan daya kompresor refrigeran dengan jenis hermatic yang dibutuhkan sebesar 60,92 W. Panjang Pipa Evaporator Agar evaporator mampu menyerap beban pendinginan pada system refrigerasi maka harus diperhitungkan luas permukaan perpindahan energy panas pada pipa evaporator. Diameter pipa evaporator dipilih yang ada di pasaran yang sesui dalam hal rancangan ini adalah pipa tembaga ½ inch. Diasumsikan seluruh panjang pipa menempel pada dinding luar liner yang berisi air, sehingga rangkaian termal secara seri terdiri dari tahanan termal konduksi air, tahanaan termal konduksi dinding liner, tahanan termal dinding pipa tembaga evaporator dan tahanan termal konveksi aliran refrigeran di dalam pipa evaporator. Untuk menentukan besarnya koefisien pinerpan konveksi aliran refrigeran di dalam pipa digunakan persamaan: (W.F.Stoecker,1992) Nu =h.d o /k = 0,023(Re) 0,8 (Pr) 0,4 [11] Sedangkan Reynold number (Re) adalah : Besarnya nilai Prand number (Pr) adalah: [12] [13] Dari persamaan [12], [13] dan [11] akan didapatkan nilai koefisien pinerpan konveksi aliran refrigeran di dalam pipa sebesar 8,63 W/m 2.K. Nilai konduktivitas termal bahan k dari air, dinding silinder dan pipa tembaga diketahui berturut-turut 0,613 W/m.K, 60,5 W/m.K dan 401 W/m.K. Koefisien pinerpan total dengan acuan diameter luar pipa U o nilainya ditentukan dengan menggunakan persamaan [8] yaitu sebesar 4,863 W/m 2.K. Luas permukaan pinerpan pada pipa evaporator ditentukan berdasarkan beban pendingan dengan persamaan [9], sehingga didapat A o =0,1217 m 2, dari nilai luas ini maka panjang pipa evaporator dihitung sebesar 6,11 m. KESIMPULAN Berdasarkan uraian dari pendahuluan dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut: - Model mesin es serut ini memadukan mesin freezer dengan mesin serut secara compact,sehingga menjadi satu mesin yang keluaran produknya langsung berupa es serut (ice planer). - Batasan rancangan model mesin ini untuk kapasitas es serut 1 kg/jam dengan bahan baku air suhu 30 0 C menjadi es blok bersuhu C, refrigeran yang digunakan R-134a. - Rancangan Sistem refrigerasi pada model mesin es serut ini meliputi perhitungan: a. beban pendinginan total didapat sebesar 164,57 W. b. kompresor refrigeran hermatic untuk menaikan tekanan refrigeran ke kondensor dengan suhu kondensasi 48 0 C membutuhkan daya 60,92 W. c. evapotator jenis bar-tube, berfungsi sebagai penyerap energi panas dari air sehingga mampu membeku, dengan suhu evaporasi C, dibutuhkan pipa tembaga diameter ½, panjang pipa evaporator 6,11 m. RANCANGAN SISTEM REFRIGERASI PADA MODEL MESIN PENGHASIL ES SERUT...(Agus Slamet ) 131

5 DAFTAR PUSTAKA ASHRAE, 2003, The Design Contruction And Operation of Sustainable Building, Ashrae INC, Boston Frank P. Incropera,David P. DeWitt, 1996, Introduction to Heat Transfer, 3 nd edition John Wiley & Son, New York, Kharagpur, 2008, Refrigeration And Air Conditioning, EE IIT, New Delhi Mohammad Romiyadi,dkk, 2011, Model Mesin Penghasil Serbuk Es Berkapasitas 1 Kg/Jam Memadukan Prinsip Mesin Pendingin Dan Mesin Penghancur Es, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin, Polines, Semarang. Moran,M.J, Howard N. Shapiro,2006, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 5 nd edition, John Wiley & Son, New York. Stocker Wilbert F., 1998, Refrigeration And Air Conditioning, McGraw-Hill,Inc,Sydney. 132 TEKNIS Vol. 6 No.3 Desember 2011 :