PENGARUH WATER STORAGE VOLUME TERHADAP UNJUK KERJA SOLAR ASSISTED HEAT PUMP WATER HEATER (SAHPWH) MENGGUNAKAN HFC-134a

Transkripsi

1 PENGARUH WATER STORAGE VOLUME TERHADAP UNJUK KERJA SOLAR ASSISTED HEAT PUMP WATER HEATER (SAHPWH) MENGGUNAKAN HFC-34a Wibawa Endra J, Tri Istanto Staf Pengajar - Jurusan Teknik Mesin - Fakultas Teknik UNS Keywords : Heat Pup Collector HFC-34a Water Storage Volue COP Abstract : Solar assisted heat pup water heater (SAHPWH) was one of the applications fro heat pup syste with the solar collector addition on evaporator to absorb the heat fro sunshine. The solar collector aied to increase the rigerant teperature in the evaporator. This research was conducted to test the perforance of SAHPWH by using rigerant HFC-34a with the variation of water storage volue at 50 l, 75 l, 00 l, 25 l, and 50 l. The experiental result showed that water storage volue enhanceent was caused COP increased whereas water teperatur yielded decreased. When water teperature in condenser tank increased with tie, rigerant ass flow rate, heat capacity also increase, and at the sae tie COP value decreased. Average values of COP ranged fro about and water teperature in condenser tank varied between 29.0 o C 6.3 o C. PENDAHULUAN Aplikasi siste rigerasi saat ini eliputi bidang yang sangat luas, ulai dari keperluan ruah tangga, pertanian, sapai ke industri gas, petrokiia, perinyakan, dan sebagainya. Berbagai jenis esin rigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat diteui dala kehidupan seharihari. Mesin rigerasi yang paling banyak digunakan saat ini adalah esin rigerasi siklus kopresi uap. Pengkondisian udara erupakan salah satu aplikasi penting teknologi rigerasi. Teknologi ini bisa enghasilkan dua hal esensial yang diperlukan dala pengkondisan udara; yakni pendinginan dan peanasan. Mesin pengkondisian udara yang bekerja sebagai pendingin biasanya disebut sebagai AC (Air Conditioning), sedangkan pada saat bekerja sebagai peanas disebut sebagai popa kalor (heat pup). Kedua fungsi tersebut bisa enyatu dala satu esin rigerasi, bisa juga terpisah enjadi dua bagian, tergantung pada ekanise yang digunakan. Solar assisted heat pup water heater (SAHPWH) erupakan salah satu aplikasi dari siste popa kalor dengan penabahan kolektor yang enyatu dengan evaporator. Penabahan kolektor untuk enyerap panas dari sinar atahari diana bertujuan untuk eningkatkan teperatur rigeran pada evaporator. Dala aplikasinya SAHPWH digunakan untuk eanaskan air dengan eanfaatkan energi panas yang keluar dari kondensor. Selaa ini kebanyakan asyarakat asih enggunakan peanas air elektrik atau solar water heater untuk eanaskan air daripada enggunakan popa kalor. Pada dasarnya popa kalor eiliki fungsi yang saa dengan peanas elektrik, akan tetapi enggunakan popa kalor lebih efisien, hal ini dikarenakan konsusi listrik yang diperlukan lebih sedikit dibanding peanas elektrik untuk kapasitas peanasan yang besar. Sebagai alat peanas air alternatif dapat diaplikasikan dala keperluan sehari - hari, isalnya pada perkantoran, ruah sakit atau ruah tangga. Konsusi listrik pada popa kalor hanya digunakan untuk enggerakkan kopresor yang berfungsi untuk ensirkulasikan rigeran ke seua koponen di dala esin rigerasi. Peakaian popa kalor dapat engurangi efek ruah kaca yang disebabkan oleh eisi gas buang dari penggunakan alat konvensional dengan BBM, dan popa kalor dapat bekerja hingga ala hari, udah dala instalasinya serta dapat enghasilkan air panas yang lebih panas setiap harinya dibandingkan dengan solar water heater. Begitu juga dengan SAHPWH yang epunyai kesaaan atau kelebihan dengan popa kalor tersebut (Morrison, 200). Kebutuhan air panas untuk setiap instansi atau perorangan adalah berbeda antara satu dengan yang lain. Volue dari tangki air panas disesuaikan dengan kebutuhan air panas dala instansi tersebut, sehingga perencanaan engenai siste peanas air yang baik sangat ebantu untuk engoptialkan unjuk kerja dari siste peanas air tersebut. Untuk itu diperlukan suatu penelitian untuk epelajari pengaruh water storage volue dari tangki air panas tersebut terhadap unjuk kerja siste peanas airnya. Penelitian ini enguji unjuk kerja SAHPWH dengan evariasikan water storage volue dari tangki air yang akan dipanaskan. E-ail : wibawa.ej@gail.co

2 2 TINJAUAN PUSTAKA Ito et al (999) enyatakan bahwa energi surya dapat digunakan untuk eanaskan rigeran di dala evaporator dari sebuah popa kalor. Dengan enggunakan sebuah kolektor surya sebagai edia penguap, teperatur penguapan dari rigeran di evaporator akan naik karena penyerapan energi panas radiasi surya oleh evaporator, sehingga enghasilkan unjuk kerja popa kalor yang lebih tinggi. Hawlader et al (2000) elakukan penelitian tentang prestasi dari siste solar assisted heat pup water heater, diana dala siste tersebut ditabahkan kolektor surya plat datar sebagai evaporator dan rigeran yang digunakan adalah R- 34a. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan bertabahnya water storage volue, aka teperatur kondensor enurun bersaaan dengan penurunan teperatur rigeran pada evaporator sehingga enyebabkan kehilangan energi panas yang lebih rendah pada sisi kolektor dan enaikkan efisiensi kolektor dan COP. Anderson et al (2002) elakukan penelitian untuk enentukan unjuk kerja dari solar-boosted heat pup water heater. Siste eanfaatkan kolektor plat datar dari bahan aluuniu untuk enyerap sinar atahari dan energi lingkungan serta enggunakan rigeran R-22. Energi diserap dan keudian ditransfer ke air di dala tangki oleh pipapipa kondensor. Dala penelitian tersebut salah satunya dilakukan pada berbagai kondisi beban. Sebuah siklus peanasan penuh diana elibatkan peanasan tangki yang berisi hanya air dingin, sebuah siklus peanasan setengah diana tangki diisi dengan setengah air panas dan setengah air dingin, dan sebuah siklus peanasan singkat diana sejulah kecil air panas dibuang dan diganti dengan air dingin. Siklus-siklus ini diulangi lebih dari periode 24 ja selaa bulan Februari di Sydney, Australia. Didapatkan hasil bahwa COP tertinggi dihasilkan untuk tangki yang berisi penuh air dingin, dan COP dari ketiga siklus tersebut enurun seiring dengan bertabahnya waktu. Ki et al (2004) elakukan penelitian tentang sebuah odel dinaik dari sebuah siste peanas air yang digerakkan oleh sebuah popa kalor yang dirancang untuk enyelidiki perilaku teral transien dari siste yang terdiri dari sebuah popa kalor dan sebuah lintasan sirkulasi air panas. Unjuk kerja dinaik dievaluasi sebagai perubahan teperatur air panas untuk berbagai ukuran tangki penyipanan (reservoir) air panas. Dala penelitian tersebut didapatkan hasil bahwa seakin kecil volue reservoir aka COP dari siste akan engalai penurunan. Pada dasarnya siste SAHPWH bekerja berdasarkan siklus rigerasi kopresi uap. SAHPWH ini terdiri dari epat koponen utaa, yaitu kopresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator yang enyatu dengan kolektor surya plat datar. Susunan 4 koponen tersebut secara skeatik ditunjukkan pada Gabar. Energi surya dapat digunakan untuk eanaskan rigeran di dala evaporator dari sebuah popa kalor dengan enggunakan sebuah kolektor surya plat rata sebagai edia penguapan/evaporator. Teperatur penguapan dari rigeran akan naik karena penyerapan energi panas radiasi surya oleh evaporator, sehingga enghasilkan unjuk kerja popa kalor yang lebih tinggi. Gabar. Skea dasar SAHPWH. METODOLOGI PENELITIAN Skea SAHPWH dala penelitian ini dapat dilihat pada Gabar 2. Dala penelitian ini intensitas radiasi surya disiulasikan dengan 2 buah lapu halogen. Spesifikasi koponen SAHPWH dapat dilihat pada Tabel. Pengujian dilakukan pada siste SAHPWH yang statis. Kondisi yang konstan adalah teperatur ruangan, putaran kopresor dan intensitas radiasi, sedangkan kondisi yang diubah-ubah adalah intensitas radiasi. Pada pengujian ini data yang akan diaati eliputi teperatur rigeran dan air, tekanan, dan debit aliran assa rigeran. Prosedur yang dilakukan dala pengabilan data penelitian ini adalah sebagai berikut :. Sebelu dicharging, siste harus divaku terlebih dahulu. Keudian didiakan beberapa saat untuk eastikan apakah siste engalai kebocoran. Apabila tekanan pressure gauge naik, aka siste engalai kebocoran sehingga harus dilakukan tindakan untuk engatasinya. 2. Mengisi peluas kopresor ke dala siste. 3. Mengisi rigeran sapai tekanan tertentu dan encatat berat rigeran dengan tibangan digital yang diasukkan ke dala siste. 4. Menyalakan lapu halogen sebanyak 2 buah dan engatur intensitas radiasi pada perukaan kolektor sebesar 600 W/ 2 yang diukur dengan pyranoeter.

3 3 5. Mengukur besar putaran kopresor dengan stroboscope dan engatur putaran kopresor tersebut sebesar 000 rp dengan enggunakan inverter. 6. Mengisi water storage volue sebesar 50 l. 7. Menyalakan power supply. 8. Menjalankan siste SAHPWH. 9. Mencatat seluruh data teperatur, tekanan, debit aliran assa rigeran setiap 20 enit selaa 40 enit. 0. Alat uji harus dinetralkan terlebih dahulu pada kondisi pengujian sebelunya untuk periode pengujian yang lain.. Percobaan diulangi untuk variasi water storage volue sebesar 75 l, 00 l, 25 l dan 50 l. Gabar 2. Skea SAHPWH yang digunakan. Gabar 3. Alat penelitian SAHPWH. Gabar 4. Skea evaporator/kolektor.

4 4. Kolektor / evaporator a. Luasan b. Pelat penyerap c. Perlakuan perukaan d. Pipa e. Isolasi f. Casing 2. Kopresor 3. Kondensor / tangki air a. Ukuran b. Isolasi 4. Katup Ekspansi 5. Floweter 6. Refrigeran Tabel. Spesifikasi koponen SAHPWH Aluiniu, tebal Cat hita Tebaga, d out 9,8, d in 8, spasi 2 Styrofoa, Glasswool, tebal 50 Kayu Tipe torak, silinder Penggerak otor listrik 3 HP (3 phase) 60 liter Styrofoa Tipe Internal Equalizing Variable Area Glass Floweter Dwyer tipe VA20440 Klea HFC-34a Gabar 5. Titik-titik pengabilan data teperatur dan tekanan dari siste SAHPWH. Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa teperatur, tekanan, laju aliran assa rigeran, teperatur air, aka dapat dilakukan analisis terhadap sifat-sifat dari rigeran untuk setiap variasi water storage volue dengan enggunakan software REFPROP. Setelah sifat-sifat dari rigeran diketahui, aka dapat dilakukan perhitungan dan analisis engenai pengaruh water storage volue terhadap unjuk kerja dari SAHPWH. Indeks prestasi ini dala siklus rigerasi disebut dengan koefisien prestasi atau COP (Coefficient of Perforance).. COP siklus Heat Pup standar (COP ideal ) (Cengel, 992) Q COP ideal = W H kop h2 h3 h h 2 () diana: W kop h h 2 = kerja kopresor (kw) = laju aliran assa rigeran (kg/s) = entalpi rigeran keluar evaporator/asuk kopresor pada tekanan evaporator (kj/kg) = entalpi rigeran asuk kondensor/keluar kopresor pada tekanan kondensor (isentropik) (kj/kg) 2. COP aktual (Moran, 2006) COP aktual = diana: h 2a Q W H kop h h 2a 2a h h 3 (2) = entalpi rigeran asuk kondensor (kj/kg)

5 5 3. Laju aliran assa rigeran =. Q (3) diana : = densitas rigeran (kg/ 3 ) Q = debit aliran rigeran ( 3 /s) 4. Kapasitas panas yang dilepas kondensor Q kond = (h 2a h 3 ) (4) diana : Q kond = kapasitas panas dari kondensor (kw) HASIL DAN PEMBAHASAN a. Pengaruh water storage volue terhadap teperatur air yang dipanaskan. Gabar 6 enunjukkan grafik teperatur air terhadap waktu dengan variasi water storage volue. Dari Gabar 6 dapat dilihat bahwa teperatur air eningkat seiring dengan bertabahnya waktu pengujian, tetapi teperatur air seakin enurun dengan bertabahnya water storage volue. Hal tersebut dikarenakan air endapatkan panas secara terus enerus dari siste. Panas tersebut berpindah karena adanya perbedaan teperatur antara fluida kerja yang berada di dala kondensor dengan teperatur air. Panas yang keluar dari kondensor digunakan untuk enaikkan teperatur dari air tersebut. Dengan julah intensitas cahaya atahari yang diasukkan ke dala siste yang besarnya konstan untuk setiap variasi, aka dengan bertabahnya water storage volue waktu yang dibutuhkan untuk enaikan teperatur air akan seakin laa, sehingga didapatkan hasil teperatur air yang seakin rendah untuk water storage volue yang seakin besar. b. Pengaruh water storage volue terhadap COP HP dan COP aktual. Gabar 7 dan 8 enunjukkan grafik COP HP dan COP aktual terhadap waktu variasi water storage volue. Pada grafik-grafik tersebut enunjukkan bahwa nilai COP HP lebih tinggi bila dibandingkan dengan COP aktual, hal ini disebabkan karena pada kondisi aktual terjadi kerugian - kerugian, seperti penurunan tekanan dan gesekan yang terjadi pada pipa-pipa kondensor dan evaporator. Pada gabar 7 dan 8 terlihat bahwa COP aktual dan COP HP cenderung turun terhadap waktu. Dengan seakin bertabahnya waktu, aka perbedaan antara teperatur air dan fluida kerja di dala kondensor seakin kecil, sehingga perpindahan panas yang terjadi akan seakin berkurang. Dengan berkurangnya perpindahan panas di dala kondensor, akan enyebabkan beda entalpi (Δh) di kondensor seakin kecil, sehingga eberikan nilai COP dari siste yang seakin kecil pula. Dengan eningkatnya water storage volue, aka perpindahan panas yang terjadi di kondensor seakin besar. Perbedaan panas yang seakin besar tersebut akan enyebabkan beda entalpi (Δh) di dala kondensor seakin besar, sehingga eberikan nilai COP dari siste yang seakin besar pula. c. Pengaruh water storage volue terhadap kapasitas peanasan (Q kond ) Gabar 9 enunjukkan grafik kapasitas peanasan (Q kond ) terhadap waktu variasi water storage volue. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa kapasitas peanasan eningkat terhadap waktu pengujian. Hal tersebut dikarenakan dengan bertabahnya waktu, aka laju aliran assa rigeran ( ) bertabah besar, diana kapasitas peanasan sebanding dengan laju aliran assa rigeran, sehingga kapasitas peanasan akan eningkat. Kapasitas peanasan tersebut juga eningkat terhadap kenaikan water storage volue. Hal tersebut dikarenakan kapasitas peanasan sebanding dengan beda entalpi (h 2a -h 3 ) yang terjadi, sehingga dengan eningkatnya beda entalpi (h 2a -h 3 ) yang dihasilkan aka kapasitas peanasan juga engalai peningkatan. Gabar 6. Grafik teperatur air terhadap waktu dengan variasi water storage volue. Gabar 7. Grafik COP HP terhadap waktu dengan variasi water storage volue.

6 6 Gabar 8. Grafik COP aktual terhadap waktu dengan variasi water storage volue. Gabar 9. Grafik kapasitas peanasan terhadap waktu dengan variasi water storage volue. KESIMPULAN Teperatur air yang dihasilkan berkisar antara 29,0 6,3 o C, diana teperatur air eningkat sebanding dengan waktu tetapi dengan seakin besar water storage volue teperatur air yang dihasilkan seakin rendah. Siste SAHPWH dengan enggunakan HFC-34a eiliki COP HP antara 3,75 4,74 lebih tinggi dibandingkan COP aktual yang eiliki nilai antara 3,37 4,02. COP HP dan COP aktual akan engalai penurunan seiring dengan bertabahnya waktu dan COP tersebut eningkat dengan bertabahnya water storage volue. Kapasitas peanasan (Q kond ) engalai peningkatan dengan bertabahnya waktu dan water storage volue, kapasitas peanasan (Q kond ) yang dihasilkan berkisar antara 2,7374 6,3452 kw. DAFTAR PUSTAKA Anderson, T.N., Morrison, G. L., and Behnia, M., 2002, Experiental Analysis of A Solar- Boosted Heat Pup Water Heater with Integral Condenser, Proceedings of Solar 2002 Australian New Zealand Solar Energy Society. Hawlader, M.N.A., Chou, S.K., Ullah, M.Z., 200, The Perforance of A Solar Assisted Heat Pup Water Heating Syste, Applied Theral Engineering, Vol. 2, pp Ito, S., Miura, N., and Wang, K., 999, Perforance of A Heat Pup Using Direct Expansion Solar Collectors, Solar Energy, Vol. 65, No. 3, pp Ki, M., Ki, M.S., Chung, J.D., 2004, Transient Theral Behavior of A Water Heater Syste Driven by a Heat Pup, International Journal of Refrigeration, Vol. 27, pp Moran, M.J., Shapiro, H.N., 2006, Fundaental of Engineering Therodynaics, 5th Ed, John Wiley & Son, Inc., England. Morrison G., 200, Heat Pup Water Heater, School of Mechanical and Manufacturing Enginering, Sydney. Cengel, Y.A., Boles, M.A., 992, Therodynaic An Engineering Approach, 2 nd Ed, McGraw- Hill, Inc., New York.