BAB III PERANCANGAN.

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN 3.1 Beban Pendinginan (Cooling Load) Beban pendinginan pada peralatan mesin pendingin jarang diperoleh hanya dari salah satu sumber panas. Biasanya perhitungan sumber panas berkembang dari beberapa sumber yang berbeda. Beberapa sumber panas pada umumnya didapatkan pada beban pendinginan yaitu sebagai berikut; 1. Kebocoran panas dari luar yang masuk ke dalam ruangan yang didinginkan secara konduksi melalui dinding yang terisolasi. 2. Panas yang memasuki ruang yang didinginkan secara radiasi langsung melalui kaca atau bahan transparan lainnya. 3. Panas yang dibawa dari luar berupa udara hangat masuk ke ruang yang didinginkan melalui pintu terbuka atau melalui retakan di sekitar jendela dan pintu. 4. Panas yang dilepaskan yang berasal dari produk hangat yang akan didinginkan pada temperatur yang akan didinginkan. 5. Panas yang dilepaskan yang berasal dari orang orang yang menempati ruang yang didinginkan. 6. Panas yang dilepaskan yang berasal dari beberapa peralatan yang menghasilkan panas terletak di dalam ruangan yang didinginkan seperti motor listrik, lampu, peralatan elektronik dan lain lain. Sebelum menginstalasi sistem terlebih dahulu kita merancang sistem yang akan dibuat. Adapun yang pertama kali dilakukan adalah menghitung beban total pendinginan. Beban ini yang akan menentukan kapasitas alat yang digunakan. Dalam sistem refrigerasi beban bisa dikelompokkan ke dalam empat jenis sumber. Beban 29

2 total diperoleh dengan menjumlahkan beban yang ada dari keempat jenis sumber beban sebagai berikut; 1. Beban panas melalui dinding (Wall gain Load). 2. Beban pertukaran udara (Air Change Load). 3. Beban produk (Product Load). 4. Beban lain lain (Miscellaneous Load) Beban Panas Melalui Dinding (Wall gain Load) Beban panas pada dinding kadang kadang disebut beban kebocoran pada dinding ialah ukuran dari laju aliran panas secara konduksi melalui dinding pada ruang yang didinginkan dari luar ke dalam. Karena tidak ada insulasi yang sempurna, selalu ada sejumlah panas yang lewat dari luar ke dalam setiap kali temperatur di dalam ruangan lebih rendah daripada di luar. Beban panas pada dinding umum untuk semua aplikasi pendinginan dan biasanya bagian besar dari total beban pendinginan dengan persamaan sebagai berikut; Q = (A) (U) (TD).(3.1) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 182) Dimana : Q = Laju panas yang ditransfer (Watt) A = Luas permukaan (m 2 ) U = Koefisien keseluruhan transmisi panas (W/m 2 /K) TD = Perbedaan temperatur di seluruh dinding (K) Mencari Faktor U Faktor U untuk semua jenis konstruksi dinding dapat dengan mudah dihitung, asalkan baik konduktivitas atau konduktansi dari masing masing bahan yang digunakan dalam konstruksi dinding dapat dikenali. Konduktivitas atau konduktansi sebagian besar bahan yang digunakan dalam konstruksi dinding dapat ditemukan di tabel juga informasi ini biasanya tersedia dari pabrikan atau produsen bahan. 30

3 Konduktivitas termal atau faktor bahan K dalam watt ialah dimana panas melewati 1 m 2 penampang bahan dengan ketebalan 1 m untuk setiap perbedaan temperatur dalam kelvin di seluruh bahan dan diberikan dalam Watt/m/K dan konduktivitas termal atau faktor K hanya tersedia untuk bahan homogen. Sedangkan faktor C yang tersedia untuk dua bahan yaitu homogen dan non homogen dan diberikan dalam m 2 /K untuk setiap ketebalan bahan tertentu. Untuk setiap bahan homogen, konduktivitas termal dapat ditentukan untuk setiap ketebalan tertentu suatu bahan dengan membagi faktor K dengan ketebalan dalam meter. Karenanya, untuk bahan homogen sebagai berikut; C = K...(3.2) X Dimana : x = ketebalan bahan (m) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 184) Tahanan termal pada dinding atau bahan tergantung dari aliran panas berbanding terbalik dengan kemampuan dinding atau bahan untuk mengirimkan panas. Karenanya, tahanan termal keseluruhan pada dinding dapat dinyatakan sebagai kebalikan dari koefisien keseluruhan transmisi. Sedangkan tahanan termal yang terdiri dari satu bahan dapat dinyatakan sebagai kebalikan dari konduktivitas atau konduktansi yaitu sebagai berikut; Tahanan termal total (R) = 1/U Tahanan termal untuk 1 bahan = 1/K atau 1/C atau X/K 1/K atau 1/C dapat diartikan tahanan termal terhadap aliran panas melalui satu bahan dari suatu permukaan saja dan tidak dapat memperhitungkan tahanan termal dari suatu film udara tipis melalui semua permukaan. Dalam menentukan tahanan termal keseluruhan terhadap aliran panas melalui dinding dari udara di satu sisi ke udara pada kedua sisi dinding harus dipertimbangkan koefisien film udara atau konduktansi permukaan untuk kecepatan angina rata rata diberikan dalam tabel. Ketika dinding dirancang dari beberapa lapisan bahan yang berbeda maka daya tahan 31

4 panas total dinding ialah jumlah tahanan dalam konstruksi dinding termasuk film udara yaitu ; 1 = 1 + X + X + X + 1 (3.3) U f i K 1 K 2 K n f o (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 185) Dimana : 1/f i = Koefisien konveksi (permukaan konduktansi) di dalam dinding, lantai dan atap). 1/f o = Koefisien konveksi (permukaan konduktansi) di luar dinding, lantai dan atap) Beban Infiltrasi (Air Change Load) Beban infiltrasi atau dikenal beban perubahan udara terjadi adanya udara panas dari luar masuk ke ruang berpendingin disebabkan adanya celah yang tidak tertutup rapat atau karena adanya buka tutup pada pintu ruang berpendingin. Beban infiltrasi dapat ditentukan sebagai berikut; Q = I x ΔH (3.4) Dimana : Q = Beban infiltrasi (Kw). I = Laju aliran udara (L/s). ΔH = Beban kalor per satuan udara yang masuk (KJ/L). (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 206) Beban Produk (Product Load) Pada saat produk memasuki ruang penyimpan pada temperatur di atas temperatur ruang, produk akan mengeluarkan panas sampai produk dingin pada temperatur ruang. Ketika temperatur ruang penyimpanan dipertahankan di atas temperatur beku produk, jumlah panas yang dilepaskan oleh produk dalam 32

5 pendinginan ke temperatur ruang tergantung pada temperatur ruang, massa produk, panas spesifik dan temperatur awal produk. Dalam kasus tersebut, panas ruang dari produk dihitung dengan persamaaan sebagai berikut; Q = (m) (C) ( ΔT) (3.5) Dimana : Q = Jumlah panas dalam KJ/Kg m = Massa produk (Kg) C = Panas spesifik di atas titik beku (KJ/KgK) ΔT = Perubahan temperatur produk (K) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 206) Namun dalam banyak kasus waktu pendinginan yang diinginkan mungkin kurang dari 24 jam. Maka akan selalu menjadi pertimbangan dalam menentukan laju pendinginan, dalam semua kasus beban produk atau laju pendinginan produk ditentukan oleh persamaan berikut; Q = (m) (C) (ΔT)..(3.6) Waktu pendinginan yang diinginkan (detik) Beban Lain Lain (Miscellaneous load) Beban lain - lain kadang disebut sebagai beban tambahan memperhitungkan semua sumber sumber panas diantaranya orang orang yang bekerja atau menempati ruang yang didinginkan bersama dengan lampu atau peralatan listrik yang beroperasi lainnya dalam ruang berpendingin. Dalam aplikasi pendinginan komersial, beban lain lain relatif kecil biasanya hanya terdiri dari panas yang dilepaskan oleh lampu dan motor kipas angin yang digunakan dalam ruangan. Dalam aplikasi pendinginan udara tidak ada namanya beban lain lain. Ini bukan dikatakan bahwa hunian manusia dan peralatan yang bukan merupakan bagian dari beban pendinginan dalam aplikasi pendingin udara melainkan orang orang dan 33

6 peralatan merupakan faktor besar pada beban pendingin udara yang mereka anggap sebagai beban dan dihitung secara terpisah. 3.2 Kapasitas Peralatan Mesin Pendingin Untuk menghitung kapasitas beban pendinginan secara 24 jam beban dapat ditentukan secara langsung dalam kilowatt asalkan hasilnya dikalikan dengan faktor yang tepat yaitu dengan waktu operasi peralatan mesin pendingin yang diinginkan. Waktu operasi peralatan mesin pendingin yang diinginkan mungkin kurang dari 24 jam dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut; Q = 24 h (qt).(3.7) Halaman 179) RT (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Dimana : Q = Kapasitas peralatan yang dibutuhkan (Kw) RT qt = Waktu operasi (Jam) = Total beban pendinginan (Kw) 3.3 Proses Perancangan Total beban pendinginan untuk rata rata 24 jam (sehari) diberi faktor keamanan sebesar 5 10% dan untuk menentukan kapasitas peralatan biasanya jam operasi tidak 24 jam. Langkah langkah menghitung beban pendinginan sebagai berikut; 1. Didapat data bahan dinding, alas, dan tutup tangki yang akan dipakai untuk ruang pendingin, dimensi tangki, temperatur awal dan massa air dan brine yang didinginkan, temperatur rancangan, temperatur lingkungan serta waktu mesin beroperasi. 2. Menentukan nilai U dari setiap bahan pada dinding, alas dan tutup tangki. 3. Menghitung beban panas pada dinding. 4. Menghitung beban panas pada pintu. 5. Menghitung beban infiltrasi. 34

7 6. Menghitung beban pada produk. 7. Menghitung semua beban pendinginan. 8. Diberi faktor pengaman sebesar 10%. 9. Diketahui total beban pendinginan. 10. Menghitung kapasitas pendinginan. 3.1 Perhitungan Beban Pendinginan Data Sistem Mesin pembuat es balok ini digunakan untuk mendinginkan air dalam cetakan yang nantinya menjadi es balok dengan data sebagai berikut: Dimensi tangki dengan ukuran 2m x 3m x 1m digunakan untuk membekukan air sebanyak 2000 kg didinginkan dari temperatur 25 C ke temperatur -10 C dan mesin pendingin air menjadi es balok beroperasi selama 18 jam. Dirancang bahan konstruksi tangki tersebut berbeda antara bagian dinding sisi dan alas dengan bagian pintu. Tabel 3.1 Konstruksi Dinding Tangki Air Garam Lapisan Ketebalan K atau C Still air **) 9.37 W/m 2 K Plat stainless steel *) 3 mm 54 W/mK Styrofoam/Polystirene **) 100 mm W/mK Moving air **) 22.7 W/m 2 K **) ( Sumber Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 183) *) ( Sumber JP Holman, Heat transfer, Halaman 581) 35

8 Pada tabel 3.1 didapat koefisien termal dinding yaitu U Dinding : R = 1 / fo + X stainless / K stainless + X styrofoam / K styrofoam + 1 / fi = 1 / / / / 9.37 = = 3.58 m 2 K/W U = 1 / R = 1 / 3.58 = 0.28 W/m 2 K Tabel 3.2 Konstruksi Tutup Tangki Air Garam Lapisan Ketebalan K atau C Still air**) 9.37 W/m 2 K Plywood **) 13 mm 9.09 W/m 2 K Moving air **) 22.7 W/m 2 K **) ( Sumber Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 183) Pada tabel 3.2 didapat koefisien termal tutup tangki yaitu U pintu : R = 1 / fo + 1 / C plywood + 1 / fi = 1 / / / 9.37 = = m 2 K/W U = 1 / R = 1 /

9 = 3.9 W/m 2 K Luas dinding total A total = (p x l) + 2 ( l x t) + 2 (p x t) = (2x3) + 2 (3x1) + 2 (2x1) = = 16 m 2 Luas tutup tangki A = p x l = 2 x 3 = 6 m 2 Jika; Temperatur lingkungan = 32 C Temperatur rancangan = -10 C Perubahan Temperatur ΔT = T lingkungan T rancangan = 32 (-10) = 42 C Beban panas pada dinding : Beban panas pada dinding adalah banyaknya panas yang masuk ke ruang pendinginan, melalui dinding karena adanya perbedaan temperatur antara lingkungan dengan temperatur ruang pendinginan. q D = U x A x ΔT = 0.28 x 16 x 42 = Watt = 188 watt = Kw 37

10 Beban panas pada tutup tangki : q tutup = U x A x ΔT = 3.9 x 6 x 42 = Watt = 983 Watt = Kw Beban Infiltrasi : Udara luar yang masuk ke ruang pendingin bisa menjadi beban, udara masuk bisa sebagai ventilasi (sengaja) atau infiltrasi (buka tutup pada pintu dan kebocoran melalui celah celah). Dimensi tangki = 2 m x 3 m x 1 m = 6 m 3 Tabel 3.3 Laju infiltrasi udara rata rata karena bukaan pintu (L/s) Laju infiltrasi (L/s) Volume ruang (m 3 ) Temperatur Ruang dibawah 0 C (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 206, tabel 10-7) Pada tabel 3.3 didapat : I below 0 C = 2.3 L/s 38

11 Tabel 3.4 Perubahan enthalphy di udara pendingin dengan kondisi penyimpanan di bawah 0 C (kj/l) Temperatur penyimpanan Inlet temperatur udara, C ( C) 32 C, RH 50% -10 C (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 10, Halaman 205, tabel 10-6B) Pada tabel 3.4 didapat : ΔH -10 C = kj/l Maka, Q infiltrasi = I x ΔH = 2.3 x = kj/s = Kw Beban Produk air Beban ini didapat dengan menyesuaikan berapa massa air yang dijadikan es balok, serta terdapat 2 macam pendinginan yaitu: a. Pendinginan sensibel. b. Pendinginan laten. a. Beban Sensibel m air Cp air 25 C Cp es 0 C = 2000 kg = kj/kg K = kj/kg K ΔT 1 (T T awal ) = 25 C ΔT 2 (T T akhir ) = 0 (-5) = 5 C 39

12 q sensibel 1 = m x Cp x ΔT 1 18 x 3600 = 2000 x x = 3.23 kw q sensibel 2 = m x Cp x ΔT 2 18 x 3600 = 2000 x x = 0.32 kw b. Beban laten Kalor laten air = 335 kj/kg q sensibel 1 = m x L 18 x 3600 = 2000 x = 10.3 kw Jadi beban produk air total = Beban produk garam : = kw Garam yang digunakan adalah NaCl dan juga harus dihitung beban pendinginannya, akan tetapi beban ini sampai temperatur rancangan tercapai. 40

13 Jumlah NaCl dalam larutan (% by mass) Tabel 3.5 Sifat natrium klorida air garam murni (NaCl) Density at 15,5 C (Kg/L) Specific heat at 15,5 C ( kj/kgk) Temperatur beku ( C) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 11, Halaman 273, tabel 11-4) Pada tabel 3.5 didapat ; m garam Cp brine = 2300 kg = 3.54 kj/kgk ΔT = T brine awal T brine akhir = 15 C (-10 C) = 25 C q brine = m x Cp x ΔT 18 x 3600 = 2300 x 3.54 x = 3.14 kw Beban cetakan : Dimensi cetakan stainless steel = 0.3 x 0.9 x 0.3 = m 3 ρ cetakan = 7800 kg/m 3 Cp cetakan = 0.46 kj/kgk ΔT = T awal T akhir = 25 (-5) = 30 C 41

14 Massa cetakan = V x ρ = x 7800 = = 632 kg q cetakan = m x Cp x ΔT 18 x 3600 = 632 x 0.46 x = 0.13 kw Beban panas pendinginan pada mesin pembuat es balok 2 ton per hari ialah q total = q d + q tutup + q infiltrasi + q produk air + q brine + q cetakan = = kw = 18.5 kw Kapasitas pendinginan (Q pendinginan ) = q total x 24 jam 18 jam = 24.6 kw 42

15 Faktor pengaman 10% = 0.1 x Q pendinginan = 2.46 kw Jadi total beban pendinginan Q total pendinginan = Q pendinginan + (faktor pengaman) = = kw 43