DESAIN PERANCANGAN DAN PEMILIHAN KONDENSER UNTUK MESIN PENDINGIN AIR COOLED CHILLER DENGAN DAYA KOMPRESOR 3 PK. Angga Panji Satria Pratama

Transkripsi

1 DESAIN PERANCANGAN DAN PEMILIHAN KONDENSER UNTUK MESIN PENDINGIN AIR COOLED CHILLER DENGAN DAYA KOMPRESOR 3 PK Angga Panji Satria Pratama ABSTRAK Chiller merupakan mesin refrigerasi non direct expansion yang biasa dipakai untuk beban pendinginan yang besar. Media pendingin lain yaitu berupa air atau udara yang mengalir bersirkulasi melewati heat exchanger. Air cooled chiller yang memakai kompresor dari Copeland dengan berdaya 3 PK ingin digunakan untuk merancang sebuah kondenser. Dari hasil perhitungan diperoleh kapasitas kondenser sebesar 10,945 kw dengan temperatur masuk kondenser C dan temperatur keluar kondenser C. Daya fan yang bervariasi harus diberikan dengan diameter hub berbeda beda. Daya terkecil yaitu 716 Watt untuk tipe A dan 1925 Watt untuk tipe E. Kata Kunci: Chiller, kompresor, condenser, heat exchanger, fan NOMENCLATURE Temperature Simbol Definisi Satuan Differential C A luas keseluruhan m 2 A c luas aliran bebas m 2 P daya fan kw Q c kapasitas condenser kw A kond luas tube condenser m 2 D o diameter luar tube m G kecepatan massa kg/m 2.s g gravitasi bumi m/s 2 R w U hambatan pada fin dan tube W/m 2.C perpindahan kalor keseluruhan W/m 2.C h i perpindahan kalor di v 1 volume spesifik dalam tube W/m 2.C sebelum masuk h o perpindahan kalor di kondenser m 3 /kg luar tube W/m 2.C L panjang tube m v 2 volume spesifik sesudah keluar LMTD Log Mean kondenser m 3 /kg

2 v m rata rata v 1 dan v 2 m 3 /kg W daya kompresor kw SUBSCRIPTS A p /A i rasio luas fin dan tube dengan luas permukaan dalam tube f factor gesek r i ro N η s resistansi fouling di luar tube resistansi fouling di dalam tube banyaknya baris pada heat exchanger efisiensi fin PENDAHULUAN Salah satu pengembangan dalam pengkodisian udara adalah pemanfaatan sistem refrigerasi tidak langsung dimana refrigeran sebagai bahan pendingin tidak kontak langsung dengan beban yang akan didinginkan namun melalui media pendingin lain yaitu berupa air atau udara yang mengalir bersirkulasi menuju beban melewati koil koil pendingin. Sistem yang lebih dikenal dengan istilah air cooled chiller banyak digunakan untuk pemakaian beban pendinginan yang besar seperti hotel, rumah sakit, supermarket dan lain sebagainya. Salah satu parameter yang mempengaruhi unjuk kerja sistem pendingin ini adalah beban pendinginan diterima oleh media udara sebagai pendinginan beban karena akan mempengaruhi temperatur keluar evaporator. Didalam evaporator, air sebagai bahan pendingin sekunder yang telah didinginkan sampai temperatur tertentu kemudian dialirkan oleh sebuah pompa menuju koil koil pendingin dalam ruangan. Air ini akan bersirkulasi terus menerus selama sistem pendinginan bekerja. TUJUAN PENELITIAN Tujuan dari penulisan ini adalah menentukan dan memilih spesifikasi air cooled kondenser yang sesuai dengan daya kompresor yang diberikan. DASAR TEORI Pada siklus aktual terjadi pemanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk kompresor. Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang digunakan atau dapat juga karena penyerapan kalor di jalur masuk (suction line) antara evaporator dan kompresor. Begitu juga dengan refrigerant cair mengalami pendinginan lanjut sebelum masuk katup ekspansi atau pipa kapiler. Keadaan di atas adalah peristiwa yang normal dan melakukan fungsi yang diinginkan untuk menjamin bahwa seluruh refrigeran yang memasuki kompresor dalam keadaan 100% uap. Perbedaan yang penting antara aktual dan ideal terletak pada penurunan tekanan di dalam kondenser dan evaporator. Siklus ideal dianggap tidak mengalami penurunan tekanan pada kondenser dan evaporator, tetapi pada siklus actual terjadi penurunan tekanan karena adanya gesekan antara refrigeran dengan dinding pipa (friction). Akibat dari penurunan tekanan

3 ini, kompresi pada titik 1 dan titik 2 memerlukan kerja lebih banyak dibandingkan dengan siklus ideal. Gambar 1. Perbandingan siklus kompresi uap aktual dengan ideal Penjelasan gambar di atas adalah sebagai berikut: Garis 4 1 menunjukkan penurunan tekanan yang terjadi pada refrigeran saat melewatu suction line dari evaporator ke kompresor. Garis 1 1 menunjukkan terjadinya panas lanjut pada uap refrigeran yang ditunjukkan dengan garis yang melewati garis uap jenuh. Proses 1 2 adalah proses kompresi uap refrigerant di dalam kompresor. Pada siklus ideal proses kompresi diasumsikan isentropik, yang berarti tidak ada perpindahan kalor antara refrigeran dan dinding silinder. Pada kenyataannya proses yang terjadi bukan isentropik tetapi politropik. Garis 2 3 menunjukkan adanya penurunan tekanan yang terjadi pada pipa pipa condenser. Sedangkan pada garis 3 3 menunjukkan penurunan tekanan yang terjadi di jalur cair (liquid line). Prinsip kerja dari kompresor scroll adalah menggunakan dua buah scroll (pusaran). Satu scroll dipasang tetap dan salah satu scroll lainnya berputar pada orbit. Refrigerant dalam bentuk vapor masuk dengan tekanan rendah dihisap dari saluran hisap oleh scroll, sehingga menimbulkan gaya sentrifugal dan memampatkan sehingga temperatur dan tekanannya meningkat. Kemudian dikeluarkan melalui saluran tekan yang letaknya pada pusat orbit yang memiliki luas area kecil pada scroll tersebut. STUDI LITERATUR Air cooled scroll chiller didesain untuk beroperasi pada temperatur lingkungan antara 40 sampai 115 F (4,4 sampai 46 C). Dan dapat beroperasi dibawah temperatur lingkungan hingga temperatur 0 F (-17,8 C). Kompresor scroll memiliki rasio tekanan dari 2,77 sampai 3,58 dengan effisiensi isentropik 70% dan kapasitas 3 PK (2,238 kw). Refrigeran yang digunakan adalah R 134a atau CH 2 FCF 3 (1,1,1,2 - tetrafluoroethane). Desain tube yang dipilih adalah jenis copper dan material untuk fin adalah alumunium. Diameter tube yang ideal untuk air cooled chiller adalah 0,25 0,75 inci (6,5 19 mm) dengan ketebalan 0,01 0,02 inci (0,25 0,5 mm). Jarak fin yang disyaratkan adalah 0,005 0,008 inci (0,13 0,2 mm). Adapun persamaan yang dipakai untuk mencari panjang tube adalah:! =!!"#$ (1.1)

4 ! =!!!! ƞ! (1.2) "#$ =! (1.3)! = "#$!! (1.4) Fan atau kipas beroperasi di bawah beberapa hukum tentang kecepatan, daya, dan tekanan. Perubahan dalam kecepatan (putaran per menit atau RPM) berbagai fan yang berasal dari daya motor akan mengakibatkan perubahan tekanan dan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan fan pada RPM baru. Dari buku Hydraulic and compressible flow turbomachines (A.T. Sayers), diketahui bahwa pada umumnya jumlah sudu berkisar antara dua sampai delapan buah sementara rasio diameter hub (D h )/diameter tip (D t ) berkisar pada nilai 0,3 0,6. Daya fan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:! =! =!! (1.5) (1.6) HASIL DAN PEMBAHASAN T i T o U (W/m 2.C) LMTD Q (kw) A (m 2 ) A tube (m2) L tot n L , , , , , , , ,1 45,1 153, , , , , , , ,2 45,2 153, , , , , , , ,9 54,9 157, , , , , , , , , , , , , , Temperatur masuk kondenser adalah C dan temperatur keluar kondenser adalah C. Mass flow yang didapat merupakan awal untuk semua perhitungan. Jika mass flow terdapat kesalahan maka akan mempengaruhi nilai akhir. Mass flow yang didapat adalah 0,067 kg/s yang didapat dengan rumus empiris dan disimulasikan pada software Coolpack. Kapasitas kondenser termasuk besar yaitu 10,9 kw yang dapat ditentukan dengan daya kompresor 2,2 kw. Range temperatur di dalam

5 kondeser adalah antara C dengan pressure drop 0,03 bar dan subcooling 2 C Panjang Tube Hubungan Temperatur Keluar Kondenser dengan Panjang Tube Temperatur Gambar 2. Hubungan temperatur keluar kondenser dengan panjang tube. tubenya. Sebaliknya, makin kecil nilai perpindahan kalor maka makin panjang tubenya. Parameter lain yang menentukan panjang tube adalah temperatur. Temperatur masuk condenser adalah C dan temperatur keluar kondenser adalah C. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa makin besar temperatur maka makin pendek tubenya dan makin kecil temperaturnya maka makin panjang tubenya. Tube dibagi menjadi 60 baris, yang terdiri dari 15 baris dan 4 kolom. Hal ini bertujuan agar dimensi casing tidak lebih dari 2 x 2 m. Tipe A Panjang Tube Hubungan nilai U dengan Panjang Tube pada Kondenser U (W/m 2.K) Gambar 3. Hubungan nilai U dengan panjang tube Panjang tube dapat didefinisikan dengan beberapa parameter yaitu perpindahan kalor, temperatur dan kapasitas kondenser. Perpindahan kalor yang didapat adalah berbanding terbalik dengan panjang tube, makin besar perpindahan kalor maka makin pendek dh dt Ta Tif p (Pa) Q (m 3 /s) Pm (W) 0,13 0, ,7 4,7 716,2 0,15 0, ,9 4, ,161 0, ,9 4,7 1022,9 0,163 0, ,4 4,7 1004,4 0,169 0, ,2 4, Tipe E dh dt Ta Tif p (Pa) Q (m 3 /s) Pm (W) 0,129 0, ,7 4,7 1227,6 0,150 0, ,8 4,7 1608,2 0,161 0, ,9 4,7 1793,6 0,163 0, ,9 4,7 1841,1 0,169 0, ,9 4,7 1925,3

6 Daya Fan (W) Hubungan Diameter Hub dengan Daya Fan Diameter Hub Gambar 4. Hubungan diameter hub dengan daya fan Tipe A Tipe E Daya fan dapat ditentukan jika memiliki 2 parameter yaitu debit udara dan pressure drop. Dalam penulisan ini, penulis memvariasikan diameter hub agar dapat dibandingkan dan mendapatkan variasi data. Terdapat 5 diameter yaitu, 0,129; 0,15; 0,161; 0,163; 0,169 m. Diameter ini diambil dari pasaran agar dapat dijumpai oleh para pembeli. Untuk deameter hub 0,129 didapat jarak antar blade sebesar 0,135 m, lebar blade sebesar 0,146, luas aliran udara sebesar 0,105 m 2 dan kecepatan fan 10,9 m/s. Dan hasil perhitungan, makin besar diameter maka kecepatan putarnya makin cepat dan sebaliknya. Kelimanya memiliki jumlah blade yang sama yaitu 3 buah. Kecepatan fan biasa disebut kecepatan yang tegak lurus dengan blade atau kecepatan absolut. Kecepatan absolut lebih kecil daripada kecepatan blade dikarenakan tumbukan antara kecepatan blade dengan kecepatan relatif (w). Kecepatan relative adalah kecepatan awal atau kecepatan masuk kemudian ditumbuk oleh blade yang mempunyai kecepatan blade sehingga terjadi tumbukan dan menghasilkan kecepatan absolut. Aliran masuk dan aliran absolut merupakan axial sehingga kecepatan masuk dan kecepatan keluar sejajar. Terdapat 5 tipe diameter hidraulik dalam menentukan factor gesek, yaitu tipe A, tipe B, tipe C, tipe D, dan tipe E. Masing masing tipe memiliki karakteristik yang berbeda beda. Hal ini untuk mentukan besaran pressure drop sehingga daya fan dapat diketahui. Hasil perhitungan membuktikan tipe A dengan diameter hub 0,129 m adalah yang paling kecil dayanya (716 Watt) dan tipe C dengan diameter hub 0,169 m yang paling besar dayanya (1925 Watt). Oleh karena itu pemilihan fan dapat ditentukan dengan kebutuhan konsumen. KESIMPULAN 1. Heat exchanger pada kondenser yang paling sederhana adalah tipikal fin dan tube. 2. Kapasitas kondenser yaitu 10,9 kw yang dapat ditentukan dengan daya kompresor 2,2 kw dan mass flow 0,067 kg/s. Range temperatur di dalam kondeser adalah antara C dengan pressure drop 0,03 bar dan subcooling 2 C. 3. Temperatur masuk condenser adalah C dan temperatur keluar condenser adalah C. 4. Daya fan tergantung dari 5 tipe diameter hidraulik, yaitu tipe A, dan tipe E. Tipe A adalah yang

7 paling kecil dayanya (716 Watt) dan tipe C yang paling besar dayanya (1925 Watt). DAFTAR PUSTAKA As ari Aris, Moh Base of The Air Conditioning System. Cirebon: SMK Negeri 1 Cirebon. ASHRAE Refrigeration. ASHRAE Handbook Commite. Aurora, C.P. Refrigeration and Air Conditioning. New York: Tata McGraw Hill Publishing Company Limited. Bhatia A. HVAC Chiller System. Continuing Education and Development, Inc. Brenmen, Earls Christopher Fundamentals of Multiphase Flow. New York: California Institute of Technology. Dossat, Roy J Principle of Refrigeration 2th. Houston: John Wiley. Hesselgreaves, John. E Heat Exchangers. Amsterdam: Pergamon. Holman J.P Heat Transfer 8 th SI Metruc Edition. New York: McGraw Hill. Incropera, Frank P., and David P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, New York: John Wiley and Sons, Inc., Kuppan T Heat Exchanger Design Handbook. India: Marcel Dekker, Inc. Sayers, A.T. Hydraulic and Compressiblr Flow Turbomachinery. Shah, Ramesh K., and Sekulit, Dusan P Fundamental of Heat Exchangers Design. New York: John Wiley and Sons, Inc. Smith, Eric C Advanced in Thermal Design of Heat Exchangers. New York: John Wiley and Sons. Wang, Shan K. Handbook of Air Conditioning and Refrigeration. New York: McGraw Hill. Widodo, Sapto Sistem Refrigerasi dan Tata Udara. Jakarta: Diknas.