LAPORAN PENELITIAN. Oleh : Azridjal Aziz, ST. MT. NIP Ir. Herisiswanto, MT. NIP

Transkripsi

1 LAPORAN PENELITIAN PENGEMBANGAN ENERGY EFFICIENT RESIDENTIAL AIR CONDITIONING SYSTEMS DENGAN ENCAPSULATED ICE THERMAL ENERGY STORAGE BERBASIS MESIN REFRIGERASI KOMPRESI UAP MENGGUNAKAN REFRIGERAN HIDROKARBON SUBSTITUSI R-22 YANG RAMAH LINGKUNGAN Oleh : Azridjal Aziz, ST. MT. NIP Ir. Herisiswanto, MT. NIP Dibiayai oleh : Dana DIPA Universitas Riau Tahun Anggaran 2009 No / /IV/2009 Tanggal 31 Desember 2008 dengan kode kegiatan Kontrak Nomor : 159/H19.2/PL/2009 tanggal 2 Maret 2009 LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU Tahun 2009

2 ii

3 RINGKASAN DAN SUMMARY Penambahan thermal storage pada instalasi chiller membantu penghematan pemakaian listrik untuk keperluan pengkondisian udara. Berbeda dengan sistem konvensional di atas, brine yang mengalir ke chiller akan didinginkan dan kemudian disirkulasikan sebagian menuju unit pengolah udara dan lainya ke thermal storage. Di thermal storage terjadi pertukaran kalor antara brine dengan air atau cairan dalam kemasan plastik (encapsuled ice), dan diharapkan semua air atau cairan dalam kemasan plastik (encapsuled ice) di dalam storage berubah fasa menjadi es. Kemudian siklus sirkulasi brine berubah dari thermal storage menuju unit pengolah udara sedangkan chiller dalam kondisi mati. Pemakaian listrik pada saat itu hanya untuk menghidupkan pompa saja. Oleh karena itu waktu kerja Chiller perlu disesuaikan dengan waktu kerja Thermal Storage sehingga diharapkan pemakaian listrik dapat seminimal mungkin (Energy Efficient). Idealnya pada jam jam puncak chiller tidak dinyalakan dan beban pendinginan diatasi oleh thermal storage, akibatnya pemakaian listrik pada jam puncak berkurang (energy efficient). Massa refrigeran hidrokarbon HCR22 yang digunakan pada sistem adalah sebesar 440 gram pada COP 2,221 dengan daya kompresor 0,526 kw. Terjadi penghematan waktu pendinginan selama 20 menit antara proses Charging dan proses DisCharging, dengan penghematan daya listrik untuk operasional sistem 0,6 kw. Pada proses Charging terjadi pemanfaatan panas buang kondensor untuk keperluan pemanasan (energy efficient).terjadi pemanfaatan panas buang untuk keperluan pemanasan (energy efficient), pada proses konvensional selama proses pendinginan berlangsung. Penambahan koil pemanas dummy menjaga kestabilan kerja sistem pada pemanfaatan panas buang untuk keperluan pemanasan. Penerapan sistem ice storage untuk keperluan pendinginan di rumah tangga memungkinkan untuk dilakukan, namun terjadi biaya awal investasi yang lebih besar dibanding sistem AC split. iii

4 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, sebagai rasa terima kasih penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan dan rahmat-nya lah maka penulis akhirnya dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Penulis mengucapkan terima kasih yang terhingga banyaknya kepada : 1. Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah mendanai penelitian ini melalui Dana DIPA Universitas Riau tahun anggaran Bapak Dr. Syaiful Bahri, M.Si., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau, Bapak Ir. Herisiswanto MT. yang telah membantu mewujudkan penelitian ini dan memberikan ide dan saran untuk kesempurnaan penelitian ini. Rekan-rekan dosen Prodi Teknik Mesin, saudara Juni Purba Amd dan saudara Ade Irfan Amd, serta mahasiswa bimbingan tugas akhir lainnya yang telah membantu terwujudnya penelitian ini serta semua pihak yang telah memberikan saran dan masukan dalam pembuatan penelitian ini. Penulis yakin sepenuhnya bahwa penelitian ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis akan berbesar hati atas saran dan kritik yang membangun agar penelitian selanjutnya dapat lebih baik lagi. Pekanbaru, September 2009 Penulis iv

5 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN RINGKASAN KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR i ii iii iv v vii viii BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian Identifikasi dan Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Kegunaan Penelitian 6 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Siklus Kompresi Uap Standar Thermal Energy Storage Sistem Ice Storage Mode Operasi Sistem Ice Storage Encapsulated Ice System Pemakaian Energi Refrigeran Refrigeran Alternatif untuk R Hidrokarbon Sebagai Refrigeran 17 v

6 BAB III. METODE PENELITIAN (BAHAN DAN METODE) Peralatan Pengujian Alat Ukur Alat Ukur Temperatur Alat Ukur Tekanan Alat Ukur Listrik Instalasi Alat Uji Refrigeran Uji 3.5. Pelaksanaan Pengujian Kinerja Mesin Refrigerasi Hibrida 3.6. Variabel-variabel yang Diukur 3.7. Pengolahan Data Hasil Pengujian 3.8. Perhitungan Sisi Refrigeran (Siklus Primer) BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil Perancangan Pembahasan Massa Optimum Refrigeran Hidrokarbon HCR Proses Charging Proses Discharging Proses Konvensional / Evaporator Chiller BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 41 DAFTAR PUSTAKA 43 LAMPIRAN 46 vi

7 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi 8 Tabel 2.2. Refrigeran Alternatif sebagai Pengganti R Tabel 4.1. Rekapitulasi Hasil Pengujian dengan HCR22 dan R22 33 vii

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap Standar 9 Gambar 2.2. Proses Charging (Siklus pembentukan es) (OPC) 12 Gambar 2.3. Proses Discharging (proses pendinginan dengan pencairan es) 13 Gambar 2.4. Proses ByPass (proses pendinginan langsung dari Chiller)(OPC) 14 Gambar 2.5. Encapsulated Ice 14 Gambar 2.6. Beban pendinginan harian suatu bangunan gedung 15 Gambar 2.7. Temperatur Glide pada Campuran HC 18 Gambar 3.1. Siklus Kompresi Uap Ideal dengan Pendingin Air 22 Gambar 3.2. Gambar 3.2. Instalasi Alat Uji Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Thermal Energy Storage System menggunakan Encapsulated Ice Pack Instalasi Alat Uji Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Thermal Energy Storage System menggunakan Encapsulated Ice Pack Gambar 4.1. Grafik massa refrigeran HCR22 optimum dan daya evaporator 33 Gambar 4.2. Dampak pendinginan, dampak pemanasan dan kerja kompresor 34 Gambar 4.3. COP, PF dan TP mesin refrigerasi hibrida dengan Thermal Energy Storage (Ice Storage) Gambar 4.4. Tekanan kondensor dan tekanan evaporator Gambar 4.5. Temperatur ruang pengering/pemanas dan temperatur air panas di tangki kondensor 35 Gambar 4.6. Temperatur air dingin di evaporator dan temperatur Ice Storage 36 Gambar 4.7. Temperatur ruang pendingin dan temperatur Ice Storage 37 Gambar 4.8. Dampak pendinginan, dampak pemanasan dan kerja kompresor 37 viii

9 Gambar 4.9. COP, PF dan TP mesin refrigerasi proses konvensional 38 Gambar Tekanan kondensor dan tekanan evaporator 38 Gambar Temperatur ruang pengering/pemanas panas di tangki kondensor dan temperatur air 39 Gambar Temperatur air dingin di evaporator pada proses konvensional 39 Gambar Temperatur ruang pendingin pada proses konvensional 40 ix

10 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian Air Conditioning (AC) adalah suatu mesin pendingin sebagai sistem pengkondisi udara yang digunakan dengan tujuan untuk memberikan rasa nyaman bagi penghuni yang berada dalam suatu ruangan/gedung. Jadi AC tidak hanya berfungsi memberikan efek dingin tetapi yang lebih penting adalah memberikan rasa kenyamanan (comfort air conditioning) yaitu suatu proses perlakuan termodinamik terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya secara serentak guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada di dalamnya. (Stoecker, 1996) Perkembangan pemakaian sistem pengkondisi udara sudah sangat pesat, hal ini dapat dilihat bahwa hampir semua gedung bertingkat, pusat perkantoran, pusat perbelanjaan, perumahan (residential) menggunakan fasilitas ini. Fasilitas ini dirancang untuk memenuhi salah satu faktor yang dapat membantu membuat rasa nyaman bagi penghuni dalam melakukan berbagai aktivitas kerja. Bangunan bangunan yang memiliki beban pendinginan yang besar serta waktu operasi pemakaian pengkondisi udara hampir sama umumnya menggunakan sistem pengkondisi udara sentral. Hal ini karena pertimbangan biaya operasional serta perawatan lebih murah dan mudah. Pada sistem pengkondisi udara sentral dapat dipastikan menggunakan chiller. Chiller merupakan unit pendingin yang terdiri dari komponen-komponen utama refrigerasi, yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Seperti halnya sistem refrigerasi, di chiller terjadi proses pengeluaran dan penyerapan panas. 1

11 Air yang masuk ke chiller akan didinginkan, dan disirkulasi oleh pompa menuju unit pengolah udara. Di unit ini terjadi proses pertukaran kalor antara udara dengan air dingin. Udara dingin yang keluar dari unit ini akan disirkulasi oleh fan menuju ruang kondisi. Sehingga chiller harus tetap hidup selama unit pengolah udara dijalankan. Hampir % energi yang ada di sebuah gedung digunakan untuk sistem pengkondisi udara. Sehingga dapat diprediksikan bahwa biaya pemakaian listrik sangat tinggi, sesuai dengan kenaikan beban pendinginannya. Pengeluaran biaya energi listrik makin besar pada jam-jam puncak (night time) karena pada jam-jam tersebut tarif listrik lebih tinggi daripada tarif listrik jam-jam biasa (day time). Penambahan thermal storage pada instalasi chiller membantu penghematan pemakaian listrik untuk keperluan pengkondisian udara. Berbeda dengan sistem konvensional di atas, brine yang mengalir ke chiller akan didinginkan dan kemudian disirkulasikan sebagian menuju unit pengolah udara dan lainya ke thermal storage. Di thermal storage terjadi pertukaran kalor antara brine dengan air atau cairan dalam kemasan plastik (encapsuled ice), dan diharapkan semua air atau cairan dalam kemasan plastik (encapsuled ice) di dalam storage berubah fasa menjadi es. Kemudian siklus sirkulasi brine berubah dari thermal storage menuju unit pengolah udara sedangkan chiller dalam kondisi mati. Pemakaian listrik pada saat itu hanya untuk menghidupkan pompa saja. Oleh karena itu waktu kerja Chiller perlu disesuaikan dengan waktu kerja Thermal Storage sehingga diharapkan pemakaian listrik dapat seminimal mungkin (Energy Efficient). Idealnya pada jam jam puncak chiller tidak dinyalakan dan beban pendinginan diatasi oleh thermal storage, akibatnya pemakaian listrik pada jam puncak berkurang (energy efficient). Siklus kompresi uap merupakan siklus yang terbanyak digunakan dalam siklus refrigerasi/siklus mesin pendingin (Stoecker, 1994). Refrigeran yang digunakan 2

12 dalam siklus tersebut terutama adalah refrigeran halokarbon, yang secara teknis cukup baik, apalagi refrigeran jenis ini tingkat racun dan tingkat mampu nyalanya rendah. Namun pada pertengahan tahun 1970-an diketahui bahwa klorin yang terdapat dalam refrigeran halokarbon yang terlepas ke lingkungan dapat merusakkan lapisan ozon di stratosfir. Hal ini akan berdampak pada lingkungan, dimana radiasi UV intensitas tinggi yang mencapai bumi sebagai akibat perusakkan lapisan ozon dapat menimbulkan kanker kulit. (Stoecker, 1994). Untuk mengoperasikan mesin refrigerasi dibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja. Refrigeran yang paling banyak digunakan adalah refrigeran halokarbon (halogenated refrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau R-22. (Agarwal, Radhey S, 1997). Namun dari hasil penelitian, refrigeran halokarbon R-22 menunjukkan sifat yang berdampak buruk terhadap lingkungan. R-22 dapat merusak lapisan ozon dan berpotensi besar terhadap peningkatan efek pemanasan global, sehingga penggunaan refrigeran tersebut dicanangkan untuk dihapuskan pembuatan dan pemakaiannya. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004). Salah satu refrigeran alternatif pengganti refrigeran halokarbon R-22 adalah refrigeran hidrokarbon (hydrocarbon referigerant). Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yaitu dapat digunakan sebagai pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen, ramah lingkungan (tidak merusak lapisan ozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit, hemat energi, dan memenuhi standar internasional (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., 2000). Chiller lebih umum digunakan pada bangunan gedung, pusat perkantoran dan pusat perbelanjaan. Penggunaan chiller di bangunan rumah (residential) masih sangat sedikit dilakukan, umumnya rumah menggunakan beberapa AC split untuk 3

13 beberapa ruangan rumah yang perlu disejukkan. Penerapan chiller berbasis mesin pendingin kompresi uap menggunakan hydrocarbon refrigerant yang ramah lingkungan yang dikombinasikan dengan penggunaan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage di bangunan rumah yang menggunakan lebih dari 1 AC split dapat menghemat penggunaan energi listrik (Energy Efficient). (Hauer, Andreas) 1.2 Identifikasi dan Perumusan Masalah Hampir % energi yang ada di sebuah gedung digunakan untuk sistem pengkondisi udara. Sehingga dapat diprediksikan bahwa biaya pemakaian listrik sangat tinggi, sesuai dengan kenaikan beban pendinginannya. Pengeluaran biaya energi listrik makin besar pada jam-jam puncak (night time) karena pada jam-jam tersebut tarif listrik lebih tinggi daripada tarif listrik jam-jam biasa (day time). Penggunaan Air Conditioning (AC) pada bangunan rumah semakin meningkat seiring makin membaiknya daya beli masyarakat. Peningkatan penggunaan AC juga diakibatkan berubahnya kondisi temperatur lingkungan bumi yang semakin panas sebagai efek negatif dari pemanasan global (global warming effect). Bangunan rumah saat ini banyak menggunakan AC split dan digunakan terutama di ruang kerja dan ruang tidur, sehingga penggunaan AC pada bangunan rumah bisa lebih dari satu AC split, dan tentu saja penggunaan mesin pendingin ini akan mengakibatkan biaya penggunaan listrik jadi lebih banyak. Chiller lebih umum digunakan pada bangunan gedung, pusat perkantoran dan pusat perbelanjaan. Penggunaan chiller di bangunan rumah (residential) masih sangat sedikit dilakukan, umumnya rumah menggunakan beberapa AC split untuk beberapa ruangan rumah yang perlu disejukkan. Penerapan chiller berbasis mesin pendingin kompresi uap menggunakan hydrocarbon refrigerant yang ramah 4

14 lingkungan yang dikombinasikan dengan penggunaan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage di bangunan rumah yang menggunakan lebih dari 1 AC split dapat menghemat penggunaan energi listrik (Energy Efficient). (Hauer, Andreas). Pada sistem ini penggunaan kompresor yang membutuhkan energi listrik lebih besar akan banyak digantikan oleh pompa Chiller yang konsumsi listriknya lebih sedikit, sehingga sistem ini akan dapat menghemat penggunaan energi listrik (Energy Efficient). Sebagian besar mesin refrigerasi siklus kompresi uap menggunakan refrigeran halokarbon R-22 yang telah diketahui dapat merusak lapisan ozon yang berdampak negatif pada lingkungan global. Pada penelitian ini akan digunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dengan refrigeran hidrokarbon, perangkat mesin refrigerasi tersebut tetap dapat digunakan, tanpa penggantian komponen. Untuk mendapatkan efek pendinginan yang memberikan rasa nyaman di sisi dalam ruangan pada perangkat pengkondisian udara dibutuhkan sejumlah energi untuk menggerakkan kompresor, sedangkan pada sisi luar panas dibuang (efek pemanasan) dari sistem ke lingkungan begitu saja tanpa dimanfaatkan. Panas yang dibuang ke lingkungan tersebut kandungan energinya cukup besar, lebih besar dari energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan sistem dan lebih besar dari energi yang diserap di ruangan yang dikondisikan. Panas yang dibuang ke lingkungan ini dapat digunakan untuk memanaskan udara maupun air yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Udara panas dapat dimanfaatkan untuk proses pengeringan sedangkan air panas dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan air panas antara lain untuk mencuci, mandi, dan memasak di rumah, kantor, industri, hotel dan rumah sakit. Pemanfaatan panas buang ini dapat menghemat biaya energi listrik atau energi gas yang dibutuhkan dalam proses pemanasan. 5

15 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah - Mengembangkan sebuah prototipe sistem pengkondisi udara siklus kompresi uap menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 utuk bangunan rumah yang hemat energy (Energy Efficient) dengan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage. - mempelajari parameter yang mempengaruhi karakteristik sistem primer (siklus kompresi uap) dan sistem sekunder (sistem chiller dengan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage (TES)) diantaranya adalah kapasitas pendinginan, daya kompresi, koefisien performansi (COP) dan performansi faktor (PF), daya pompa, kapasitas TES. - mempelajari penggunaan cairan (air, etilen glikol, anti freezing coolant) sebagai media penyerapan panas dari evaporator atau encapsuled ice terhadap kapasitas pendinginan, volume ruang yang didinginkan, waktu pendinginan dan temperatur ruangan. - mempelajari pengaruh perubahan laju aliran air pada siklus sekunder (sistem chiller), serta kaitannya kapasitas pendinginan, waktu pendinginan dan temperatur ruangan. 1.4 Kegunaan Penelitian Dari penelitian yang dilakukan, diharapkan akan terealisasi sebuah prototipe sistem pengkondisi udara rumah yang hemat energri (Energy Efficient Residential Air Conditioning Systems) dengan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage berbasis mesin pendingin kompresi uap menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yang ramah lingkungan. 6

16 Kombinasi penggunaan sistem pengkondisian udara dengan sistem chiller dengan Encapsulated Ice Thermal Energy Storage akan dapat menghemat penggunaan energi listrik lebih banyak apalagi sistem primer atau siklus kompresi uapnya menggunakan rerfrigeran hidrokarbon yang juga hemat energi. Diharapkan sistem ini dapat digunakan pada kondisi sebenarnya pada bangunan rumah sehingga pengeluaran biaya listrik unutk keperluan pengkondisian udara akan berkurang secara berarti. Penggunaan refrigeran hidrokarbon pada sistem ini pada bangunan rumah diharapkan dapat mengurangi atau berkontribusi terhadap pengurangan efek perusakan ozon dan pemanasan global untuk pemakaian jangka panjang. 7

17 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Refrigerasi adalah suatu proses penyerapan panas dari suatu zat atau produk sehingga temperaturnya berada di bawah temperatur lingkungan. Mesin refrigerasi atau disebut juga mesin pendingin adalah mesin yang dapat menimbulkan efek refrigerasi tersebut, sedangkan refrigeran adalah zat yang digunakan sebagai fluida kerja dalam proses penyerapan panas. Secara umum bidang refrigerasi mencakup kisaran temperatur sampai 123 K. Sedangkan proses-proses dan aplikasi teknik yang beroperasi pada kisaran temperatur di bawah 123 K disebut kriogenika (cryogenics). Pembedaan ini disebabkan karena adanya fenomena-fenomena khas yang terjadi pada temperatur di bawah 123 K dimana pada kisaran temperatur ini gas-gas seperti nitrogen, oksigen, hidrogen dan helium dapat mencair. (Arora, C. P, 2001) Tabel 2.1 Kelompok Aplikasi Mesin Refrigerasi Jenis Mesin refrigerasi Refrigerasi Domestik Refrigerasi Komersial Contoh Lemari es, dispenser air Pendingin minuman botol, box es krim, lemari pendingin supermarket Refrigerasi Industri Pabrik es, cold storage, mesin pendingin untuk industri proses Refrigerasi transport Refrigerated truck, train and containers Pengkondisian udara domestik dan AC window, split, dan package. komersial Chiller Mobile Air Conditiong (MAC) Water cooled and air cooled chillers AC mobil 8

18 Proses pengambilan/penyerapan energi tersebut terjadi di evaporator dengan laju perpindahan panas sebesar Q e. Sedangkan proses pembuangan energi dalam bentuk panas ke lingkungan terjadi di kondensor dengan laju sebesar Q k. (Stoecker, W.F. and Jones, J.W. 1994). Berdasarkan aplikasinya mesin refrigerasi dapat dikelompokkan seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. (Pasek, A.D.,Tandian, N.P., Adriansyah W., 2004). 2.1 Siklus Kompresi Uap Standar Siklus yang paling banyak digunakan untuk merealisasikan uraian di atas pada sistem refrigerasi adalah siklus kompresi uap. Secara umum ada dua bagian penting dalam siklus kompresi uap yaitu : 1. Bagian yang bertekanan tinggi mulai dari sisi keluar kompresor hingga sisi masuk katup ekspansi. 2. Bagian yang bertekanan rendah mulai sisi keluar katup ekspansi hingga sisi masuk kompresor. Q k alat ekspansi 3 kondensor evaporator kompresor 2 W k Tekanan Q e Entalpi (a) (b) Gambar 2.1. Siklus Kompresi Uap Standar 9

19 Sebuah siklus kompresi uap standar memiliki empat komponen utama yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator (gambar 1.). Proses-proses termodinamik yang terjadi pada siklus kompresi uap standar adalah: 1. Proses 1-2 : Kompresi isentropik (adibatik dan reversibel) dari uap jenuh ke tekanan kondensasi. 2. Proses 2-3 : Pelepasan panas reversibel pada tekanan konstan sampai kondisi cair jenuh. 3. Proses 3-4 : Eskpansi irreversibel pada entalpi konstan sampai tekanan evaporasi. 4. Proses 4-1: Pemasukan panas reversibel pada tekanan konstan dari fasa campuran ke tingkat keadaan uap jenuh. Unjuk kerja mesin refrigerasi kompresi uap ditentukan oleh beberapa parameter, di antaranya adalah kapasitas pendinginan, kapasitas pemanasan, daya kompresi, koefisien performansi (COP) dan performansi faktor (PF). Diagram tekanan-entalpi pada gambar 1.b dapat membantu dalam menentukan parameter-parameter tersebut Thermal Energy Storage Thermal Energy Storage merupakan alat tempat penyimpanan kalor. Kalor yang disimpan bisa berupa kalor sensibel maupun kalor laten. Menurut media penyimpan energi yang digunakan, thermal storage dapat dibedakan menjadi 2 tipe yaitu Water Tank dan Ice Storage. Water Tank merupakan thermal storage yang paling sederhana dan kalor disimpan dalam bentuk kalor sensibel (air). Waktu diluar jam puncak sistem, thermal storage menyerap kalor sensibel dan menyimpannya, kemudian kalor tersebut akan dipergunakan pada waktu jam puncak. Ice Storage merupakan thermal 10

20 storage yang menyimpan kalor dalam bentuk kalor laten (es). Dibandingkan dengan kalor sensibel air, kalor laten air lebih besar, yaitu 80 cal./gr atau 4180 J/kg. Sehingga volume penyimpanan kalor laten lebih kecil dibandingkan dengan volume penyimpanan kalor sensibel. Akibatnya investasi ice storage lebih murah daripada water tank Sistem Ice Storage Sistem ice storage biasanya menggunakan larutan ethylene glycol, yang dikenal dengan brine sebagai media perpindahan panas. Sehingga air yang umumnya digunakan sebagai media perpindahan panas pada unit chiller harus diganti dengan brine apabila dikombinasikan dengan sistem ice storage. Karena brine memiliki kemampuan untuk bekerja pada temperatur rendah sehingga memungkinkan penurunan temperatur yang cukup besar untuk mengubah fasa air menjadi es. Brine sebenarnya merupakan campuran 25% ethylene glycol dan 75 % air. Chiller sentrifugal memiliki kemampuan menghasilkan brine yang keluar dari evaporator bersuhu sekitar 23 º F - 26 º F (- 5 º C s/d 3 º C), sehingga sangat cocok untuk aplikasi sistem ice storage. Untuk merencanakan kontrol pada sistem ice storage agar dapat menjalankan tugas dengan baik tidaklah mudah. Hal ini dapat diawali dengan perencanaan sistem pengkondisian udara yang nyaman bagi para penghuni. Setelah dapat mengetahui beban pendinginan yang harus diatasi maka baru merancang kapasitas tangki ice storage. Beban pendinginan ini bisa diatasi secara penuh atau sebagian baik oleh chiller maupun ice storage. Agar hal tersebut di atas dapat berjalan dengan baik maka pembagian beban tersebut harus dikontrol oleh kontrol taktik dan kontrol strategi. Kontrol taktik mengontrol sistem kerja chiller dan ice storage, sedangkan kontrol strategi mengontrol penghematan pemakaian listrik. 11

21 Mode Operasi Sistem Ice Storage Mode operasi kontrol taktik sistem dapat dibagi menjadi 5 mode operasi, yaitu Charging Storage, Charging Storage and Live Chiller, Live Chiller, Discharging and Live Chiller, Discharging. Dalam pengoperasiannya mode operasi dikontrol oleh bypass valve dan blending valve. Blending valve adalah katup pencampur yang berperan mengalirkan brine untuk melewati atau tidak melewati storage. Sedangkan bypass valve merupakan sebuah katup dengan dua arah posisi yang dapat mencegah aliran brine dingin menuju atau melewati unit pengolah udara selama mode operasi pembekuan. Dengan pemrograman kontrol bypass valve yang tepat maka katup ini dapat digunakan secara tepat. Direct Digital Control (DDC) digunakan untuk mengatur penggunaan blending valve. Gambar 2.2. Proses charging (siklus pembentukan es) (OPC) Charging Storage merupakan mode operasi untuk mempersiapkan storage berfungsi sebagai sumber pendingin. Dalam mode operasi ini brine bersirkulasi dari chiller ke storage saja dengan cara mengontrol bypass valve. Charging Storage and Live Chiller adalah mode operasi dimana beban chiller sebagian untuk mendinginkan storage dan sebagian ke unit pengolah udara (beban pendinginan). Mode operasi yang ketiga, yaitu Live Chiller adalah mode operasi dimana beban pendinginan seluruhnya diatasi oleh chiller sehingga brine hanya bersirkulasi dari chiller menuju 12

22 unit pengolah udara. Hal ini dapat diatasi secara mudah dengan menaikkan setpoint DDC blending valve sampai pada temperatur larutan brine yang mengalir menuju ke chiller. Karena larutan brine didinginkan lagi oleh chiller maka suhu menjadi lebih rendah daripada suhu yang mengalir ke chiller. Maka blending valve tidak akan mengalirkan larutan brine menuju storage. Discharging and Live Chiller merupakan mode operasi dimana beban pendinginan sebagian diatasi oleh chiller dan sebagian oleh storage. Sebelum mode operasi ini dilakukan, dipastikan seluruh air dalam storage sudah berubah fase menjadi es. Dan mode operasi yang terakhir adalah Discharging, merupakan mode operasi dari storage untuk mengatasi seluruh beban pendinginan dari unit pengolah udara. Dalam situasi ini chiller dalam keadaan off. Mode mode operasi ini perlu diatur sedemikian hingga terjadi penghematan biaya operasional listrik chiller. Pengaturan kerja mode operasi agar lebih efisien ini dilakukan oleh kontrol strategi. Untuk dapat merancang kontrol strategi yang baik maka sistem ice storage harus dengan efektif dapat menyeimbangkan penggunaan pencairan es dan pengoperasian chiller didalam lima mode operasi di atas. Gambar 2.3. Proses discharging (proses pendinginan dengan pencairan es) 13

23 Gambar 2.4. Proses ByPass (proses pendinginan langsung dari Chiller) (OPC) Encapsulated Ice system Encapsulated Ice system terdiri dari air atau gel yang terdapat dalam wadah atau kontainer plastik yang dicelupkan dalam cairan pendingin, yang terdapat dalam sebuah tangki penyimpan. Selama siklus pembekuan (charging) cairan pendingin di bawah titik beku disirkulasikan ke dalam tangki penyimpan sehingga membekukan cairan dalam kontainer plastik. Pada proses penggunaan (discharging) cairan pendingin bersuhu lingkungan atau normal disirkulasikan ke dalam tangki penyimpan dan melewati kontainer plastik dan mencairkan es dalam kontainer tersebut. Encapsulated Ice biasanya berbentuk kotak plastik persegi, kemasan plastic yang lentur, kemasan bola plastik. Gambar 2.5. Encapsulated Ice 14

24 2.3. Pemakaian Energi Dasar penggunaan thermal energy storage ada dua alasan utama, yaitu untuk menurunkan biaya awal (investasi) dan biaya operasional pemakaian. Biaya investasi dapat ditekan jika lamanya beban yang harus diatasi pendek sehingga thermal storage memiliki waktu yang panjang sebelum bebannya dipergunakan. Misalnya sebuah gedung pertemuan atau fasilitas gedung olah raga atau rumah dengan kapasitas pengkondisian udara yang cukup besar, pemakaiannya kurang dari 6 jam per hari dan frekwensi pemakaian pun beberapa hari dalam satu minggu. Hal ini perlu dipertimbangkan pemakaian thermal energy storage dengan tujuan agar kapasitas sistem refrigerasi yang dipilih bisa lebih kecil. Biaya kapital sekunder thermal storage lebih rendah, karena kebutuhan energinya lebih rendah. Jika temperatur es yang berada dalam ice storage makin rendah maka temperatur distribusi udara makin turun. Hal ini akan menyebabkan pemakaian fan dan saluran udara (duct) lebih kecil, dan pada akhirnya akan mengurangi jumlah luas ruang yang dibutuhkan. Gambar 2.6. Beban pendinginan harian suatu bangunan gedung 15

25 2.4. Refrigeran Refrigeran adalah fluida kerja yang digunakan untuk memindahkan panas di dalam siklus refrigerasi. Berdasarkan fungsinya selama refrigeran dibagi menjadi dua jenis yaitu refrigeran primer yang digunakan dalam siklus kompresi uap dan refrigeran sekunder yang digunakan untuk membawa kalor bertemperatur rendah. Pada sistem kompresi uap, refrigeran menyerap kalor dari suatu ruang melalui proses evaporasi dan membuang kalor ke ruang lain melalui proses kondensasi. Sifat-sifat yang dipertimbangkan dalam memilih refrigeran, adalah: sifat kimia, sifat fisik dan sifat termodinamik. Berdasarkan sifat-sifat kimianya refrigeran yang baik : tidak beracun, tidak bereaksi dengan komponen refrigerasi, dan tidak mudah terbakar, serta tidak berpotensi menimbulkan pemanasan global (GWP rendah (Global Warming Potential)) dan tidak merusak lapisan ozon (ODP rendah (Ozone Depleting Potential)) Refrigreran Alternatif untuk R-22 Hidrokarbon (HC) merupakan salah satu refrigeran alternatif pengganti R-22. Refrigeran HC tidak berpotensi merusak ozon karena ODP = 0 dan GWP yang kecil. Refrigeran HC juga tidak mengalami reaksi kimia dengan oli pelumas yang digunakan untuk refrigeran R-22. Pada Tabel 2.2 ditampilkan beberapa jenis refrigeran yaitu : R-22, R-12, propana dan isobutana. Kelemahan utama R-22, karena potensi perusakan ozon dan pemanasan globalnya relatif tinggi dari ke tiga jenis refrigeran lainnya. Berbeda dengan refrigeran hidrokarbon untuk mesin yang sebelumnya menggunakan refrigeran R-22 maka refrigeran hidrokarbon dapat langsung menggantikannya tanpa melakukan penggantian komponen. 16

26 Berdasarkan uraian di atas, maka refrigeran yang baik pengganti R-22 adalah hidrokarbon. Kelemahan hidrokarbon yang menonjol adalah mudah terbakar, namun hal ini tidak terlalu mengkhawatirkan jika prosedur keamanan penggunan hidrokarbon diterapkan dengan baik serta telah diakui dan diatur oleh berbagai standar internasional yaitu : BS4434:1995(Inggris), AS/NZ 1677:1998 (Australia / New Zeland) dan DIN 7003 (Jerman ). Tabel 2.2 Refrigeran alternatif sebagai pengganti R-22 Parameter Refrigeran R-22 R-12 Propana Iso- butana Rumus kimia CHClF 2 CCl 2 F 2 C 3 H 8 C 4 H 10 Temperatur kritis [ o C] ,8 97,0 135,1 Titik didih pada 1 atm [ o C] -41,4-26,8-41,9-11,6 Massa jenis - uap jenuh pada 0 o C [kg/m 3 ] 21,2 18,2 10,39 4,56 - cair jenuh pada 45 o C [kg/m 3 ] Kapasitas Panas Spesifik - uap jenuh pada 0 o C [kj/kgk] 0,614 0,642 1,85 1,61 - cair jenuh pada 45 o C [kj/kgk] 1,46 1,02 2,8 2,58 Konduktifitas Termal - uap jenuh pada 0 o C [mw/mk] 9,4 8,3 15,6 12,98 - cair jenuh pada 45 o C [mw/mk] 63,4 60,7 83,7 82,4 ODP 0, GWP Hidrokarbon Sebagai Refrigeran Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeran hidrokarbon, campuran propanabutana-isobutana, sebagai refrigeran alternatif pengganti R-22, yaitu : 1. Pengganti langsung (drop in substitute) tanpa penggantian komponen. 2. Ramah lingkungan, potensi perusakan ozon nol (non-odp) dan potensi pemanasan global dapat diabaikan (non-gwp). 3. Hidrokarbon, gas alam yang mudah didapat di Indonesia. 17

27 Refrigeran hidrokarbon dapat terbakar jika bercampur dengan udara pada komposisi yang tepat dan titik nyalanya tercapai. Komposisi yang harus dihindari ini adalah jika hidrokarbon berada pada komposisi 2% 10% volume. Kedua kondisi ini, komposisi dan titik nyalanya, tidak boleh terjadi secara serentak baik didalam sistem refrigerasi maupun diluar sistem. Agar tidak mudah terbakar refrigeran hidrokarbbon dapat diberi substansi tambahan agar sifat mampu nyalanya turun (LFS Low Flammable Subtance). Penelitian refrigeran hidrokarbon dengan LFS sudah mulai banyak dilakukan beberapa sudah mulai digunakan. Refrigeran campuran hidrokarbon akan mengalami kenaikan atau penurunan temperatur (temperature glide) selama terjadi perubahan fasa dalam siklus refrigerasi (lihat Gambar 2.7). Titik didih campuran berubah seiring dengan berubahnya komposisi campuran dalam fasa cair. Hal ini disebabkan karena laju penguapan komponen campuran tidak sama. P (bars) garis isotermal 3 2 Temperatur glide di Kondensor 4 1 Temperatur glide di Evaporator h( kj / kg ) Gambar 2.7. Temperatur Glide pada Campuran HC Akibat yang timbul karena adanya temperature glide adalah sebagai berikut: 18

28 1. Komposisi campuran mungkin berbeda antara fasa uap dan fasa cair, oleh karena itu pengisian refrigeran ke dalam sistem refrigerasi sebaiknya dilakukan dalam fasa cair. 2. Kalau sistem refrigerasi mengalami kebocoran, ada kemungkinan komposisi kebocoran berbeda dengan komposisi refrigeran. Sebagai akibatnya komposisi refrigeran di dalam sistem berubah dan dapat mempengaruhi kinerja sistem. 19

29 BAB III METODE PENELITIAN (BAHAN DAN METODE) Tahapan-tahapan pengerjaan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Tahap Persiapan Penelitian Pada tahapan ini akan dilakukan studi literatur dan pendalaman pemahaman terhadap konsep sistem pendingin kompresi uap yang menggunakan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dan kombinasi dengan konsep encapsulated ice thermal energy storage untuk sistem pengkondisian udara (AC) rumah. Studi literatur dilakukan dengan mempelajari buku-buku dan jurnal-jurnal penelitian terbaru yang relefan. Studi literatur ini dapat dilakukan di perpustakaan maupun melalui internet. 2. Tahap Rancangan Prototipe Sistem Pada tahapan ini dilakukan persiapan rancangan prototipe sistem pengkondisian udara rumah kombinasi siklus kompresi uap sistem chiller dengan encapsulated ice thermal energy storage. Rancangan meliputi rancangan mesin pendingin kompresi uap (kapasitas pendinginan, daya kompresor, temperatur evaporasi, temperatur kondensasi, kapasitas tangki chiller), penggunaan encapsulated ice thermal energy storage (kapasitas pendinginan/jumlah encapsulated ice, jumlah etilen glikol dan besar tangki penyimpan TES). 3. Tahap Pembuatan Prototipe Sistem Pada tahapan ini dilakukan pembuatan prototipe sistem yaitu sebuah Energy Efficient Residential Air Conditioning Systems dengan Encapsulated Ice 20

30 Thermal Energy Storage berbasis siklus pendingin kompresi uap dengan refrigeran hidrokarbon subsitusi R-22 yang ramah lingkungan. Pembuatan prototipe sistem ini mengacu pada hasil tahap rancangan dan disesuaikan dengan ketersediaaan komponen sistem yang ada. 4. Tahap Kaji Eksperimental dan Pengumpulan Data Pada tahapan ini dilakukan kajian eksperimental dan pengambilan data-data yang diperlukan dengan menggunakan beberapa macam alat ukur antara lain : pressure gauge, termometer, multimeter, stopwatch, anemometer, solarimeter. Data-data yang diambil meliputi temperatur masuk dan keluar evaporator, temperatur masuk dan keluar kondensor, laju aliran air masuk dan keluar evaporator, laju aliran udara masuk dan keluar kondensor, tekanan pada sisi masuk kompresor, tekanan pada sisi keluar kompresor, tekanan keluar kondensor dan tekanan masuk evaporator, temperatur ruang pendingin, temperatur chiller, temperatur encapsulated ice TES Tank, laju aliran air ke ruang pendingin, beberapa parameter lainnya yang dibutuhkan. 5. Tahap Analisis Data Data yang diperoleh akan ditabulasikan dan dilakukan perhitungan sesuai prinsip-prinsip termodinamika yang berlaku, selanjutnya akan diplot dalam berbagai grafik yang dapat memberikan informasi-informasi mengenai berbagai data temperatur dan tekanan yang diperoleh, berbagai data kelistrikan, dan kecepatan aliran refrigeran dan laju aliran air. Pada tahapan analisis ini diharapkan dapat diperoleh gambaran tentang sistem yaitu gambaran tentang daya pendinginan sistem dibandingkan dengan sistem konvensional, kelebihan dan kekurangan, dan kemungkinan penerapannya pada bangunan rumah. 21

31 6. Tahap Pernyataan Hasil dan Pembuatan Laporan Pada tahapan ini seluruh hasil yang diperoleh dari tahapan sebelumnya dibuat dalam bentuk laporan hasil penelitian. Laporan hasil penelitian ini juga dapat dipublikasikan di jurnal-jurnal ilmiah terakreditasi, atau dipublikasikan di seminar-seminar yang relefan, sehingga dapat diperoleh masukan-masukan untuk kesempurnaan penelitian selanjutnya. 3.1 Peralatan Pengujian Instalasi alat uji Mesin Pendingin Kompresi Uap Hibrida mempunyai komponenkomponen utama yaitu kompresor, kondensor, pipa kapiler, meja alat uji, pompa air sirkulasi, serta instrumen pengrukuran. Air Qk Katup Ekspansi Kondensor Evaporator Kompresor Wk Qe Air Gambar 3.1 Siklus Kompresi Uap Ideal dengan Pendingin Air 3.2 Alat Ukur Alat ukur digunakan untuk mengukur besaran-besaran pada pengujian. Alat ukur yang diperlukan yaitu alat ukur tekanan, temperatur, tegangan listrik, arus listrik dipasang pada titik-titik yang perlu diuji dan diambil datanya. 22

32 3.2.1 Alat Ukur Temperatur Alat ukur temperatur di pasang pada pipa saluran refrigeran, dengan tujuan agar temperatur pada masing-masing keadaan dapat diketahui. Alat pengukur temperatur yang digunakan pada pipa saluran refrigeran adalah termokopel dengan penunjuk digital. Alat ukur temperatur juga digunakan untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar pada kondensor dan evaporator. Selain itu juga digunakan untuk mengukur temperatur ruangan pendingin dan ruangan pemanas. Pada pengujian kali ini digunakan termometer digital Alat Ukur Tekanan Alat ukur tekanan digunakan untuk mengukur tekanan yang terjadi pada masingmasing keadaan pipa saluran refrigeran. Alat ukur yang digunakan pada pengujian kali ini adalah tabung bourdon Alat ukur Listrik Pengukuran daya kompressor dilakukan dengan mengetahui tegangan listrik masukan ke kompresor dan pengukuran arus listrik pada saat kompressor beroperasi. Tegangan listrik di ukur menggunakan Voltmeter dan arus listrik diukur dengan menggunakan ampermeter. Daya kompressor dapat dihitung dengan persamaan : W =η V I Cosφ (4.1) k m 23

33 dimana : W = daya kompresor (Watt) k η m = efisiensi motor = 0,8 cosφ = faktor daya = 0,83 V I = tegangan motor listrik (V) = arus motor listrik (A) 3.3. Instalasi Alat Uji Gambar 3.2 Instalasi Alat Uji Mesin Refrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan Thermal Energy Storage System menggunakan Encapsulated Ice Pack Instalasi ini merupakan instalasi mesin refrigerasi kompresi uap hibrida yang berfungsi sebagai mesin pendingin pada lemari pendingin baik sebagai sistem pendinginan konvensional maupun sebagai Thermal Energy Ice Storage sistem dan 24

34 pompa kalor pada lemari pengering. Untuk instalasi siklus primer ( siklus refrigeran), kompressor, sight glass, filter drier, katup ekspansi, kondensor dan evaporator ditempatkan di atas meja dudukan. Sedangkan koil pendingin, koil pemanas, pompa air sirkulasi, ditempatkan di bagian bawah meja dudukan alat Refrigeran Uji Refrigeran yang digunakan dalam sistem refrigerasi hibrida ini adalah refrigeran Halokarbon R-22 dan hidrokarbon jenis Hycool HCR-22. Refrigeran hidrokarbon jenis Hycool HCR-22 ini hasil produksi PT. Citra Total Buana Biru, salah satu produsen refrigeran hidrokarbon di Indonesia. Penanganan refrigeran hidrokarbon untuk digunakan sebagai refrigeran pada mesin refrigerasi harus mengikuti petunjuk baku, dalam hal ini digunakan Petunjuk Praktis Konversi dan Perbaikan Peralatan Refrigerasi dengan Menggunakan Refrigeran Hidrokarbon secara aman Pelaksanaan Pengujian Kinerja Mesin Refrigerasi Hibrida Pengujian yang dilakukan adalah pengujian performansi mesin refrigerasi antara lain dampak pemanasan, dampak pendinginan, daya kompresi, COP, PF, TP. Pengaruh variasi laju massa air di kotak evaporator terhadap tekanan dan temperatur evaporasi dan kondensasi Variabel-Variabel Yang di Ukur 1. Temperatur saat memasuki kompresor (T1) 25

35 2. Tekanan saat memasuki kompressor (P1) 3. Temperatur saat memasuki kondensor (T2) 4. Tekanan saat memasuki kondensor (P2) 5. Temperatur keluaran kondensor (T3) 6. Tekanan keluaran kondensor (P3) 7. Temperatur saat memasuki evaporator (T4) 8. Tekanan saat memasuki Evaporator (P4) 9. Temperatur air masuk kotak kondensor (Th in) 10. Temperatur air keluar kotak kondensor (Th out) 11. Temperatur air masuk kotak evaporator (Tc in) 12. Temperatur air keluar kotak evaporator (Tc out) 13. Temperatur air masuk ruang pemanas (Trh in) 14. Temperatur air keluar ruang pemanas (Trh out) 15. Temperatur air masuk ruang pendingin (Trc in) 16. Temperatur air keluar ruang pendingin (Trc out) 17. Temperatur ruang pemanas (Trh) 18. Temperatur ruang pendingin (Trc) 3.7. Pengolahan Data Hasil Pengujian Data yang diperoleh dari pengujian melalui pengukuran adalah berupa sifat-sifat dari refrigerant, air, dan data listrik. Sifat-sifat itu diantaranya adalah temperatur, tekanan, massa, waktu, kecepatan serta tegangan dan arus listrik. Untuk 26

36 mendapatkan karakteristik dan peformansi mesin, data awal tersebut harus diolah telebih dahulu. Pada bagian analisis ini tidak semua proses pengolahan data ditampilkan, tapi cukup diwakili oleh satu contoh perhitungan. Demikian juga untuk hasil perhitungan, yang akan ditampilkan hanya hasil akhir dalam bentuk grafik. Sedangkan hasil perhitungan lainnya, yaitu dalam bentuk tabel, disajikan dalam lampiran. Untuk mengetahui kinerja mesin maka dihitung pula besarnya kerja kompresor, dampak pendinginan dan pemanasan yang bermanfaat untuk menghitung COP, PF dan TP. 3.8 Perhitungan sisi refrigeran (Siklus Primer) Sampel data yang akan diolah diambil dari percobaan no.1 pada refrigeran R-22 kondisi stabil. P1 = 42,5 Psi T1 = -0,8 P2 = 355 Psi T2 = -0,7 P3 = 360 Psi T3 = 52,1 P4 = 54 Psi T4 = 1 Dengan menggunakan tabel sifat termodinamika R-22 didapatkan entalpi untuk masing-masing tingkat keadaan yaitu : h 1 = 408,9 kj/kg h 2 = 449,8 kj/kg h 3 = h 4 = 265,9 kj/kg 1. Laju aliran massa refrigeran 27

37 Laju aliran massa refrigeran dapat ditentukan dari kesetimbangan massa dan energi dari evaporator. Untuk lebih jelasnya hubungan ini dapat dilihat pada persamaan berikut : mref W = k h2 h1 (3.2) mref = 449,8 408, 9 = dimana : m rtef : laju aliran massa refrigeran (kg/s) W k : Kerja kompresor (kw) h 1 : entalpi refrigeran yang masuk evaporator (kj/kg) h 2 : entalpi refrigeran keluaran evaporator (kj/kg) 2. Pelepasan kalor oleh kondensor (Qk) Pelepasan kalor pada kondensor dipengaruhi oleh laju aliran massa refrigeran dan perubahan entalpi pada kondensor. Persamaan yang digunakan untuk pelepasan kalor pada kondensor ini dipakai persamaan sebagai berikut : Qk = mref ( h2 h3 ) = (449,8 265,9) = (3.3) dimana : Q k = pelepasan kalor pada kondensor (kw) m = laju aliran massa refrigeran (kg/s) ref h 2 = entalpi sebelum masuk kondensor (kj/kg) 28

38 h 3 = entalpi keluaran kondensor (kj/kg) 3. Penyerapan kalor oleh evaporator (Qe) Untuk nilai penyerapan kalor pada evaporator juga dipengaruhi oleh laju massa aliran refrigeran dan perubahan entalpi pada evaporator. Persamaaan yang dipakai untuk menjelaskan hubungan antar variabel diatas adalah : Q e m = ref ( h h ) 1 4 (3.4) dimana : Q e = Penyerapan kalor pada evaporator (kw) m ref = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h = entalpi sesudah melewati evaporator (kj/kg) 1 h = entalpi sebelum memasuki evaporator (kj/kg) 4 Dengan memasukkan data-data yang didapatkan kedalam persamaan 3.4, maka didapatkan nilai penyerapan kalor pada evaporator, yaitu : e ( ) Q = 0,0152kg/s 408,9 265,9 kj/kg Qe = 2,174kW Kedua nilai dari pelepasan kalor oleh kondensor dan penyerapan kalor oleh evaporator tersebut akan digunakan untuk perhitungan koefisien dari mesin pendingin kompresi uap. 4. Koefisien perfomansi mesin pendingin Koefisien perfomansi pada Mesin Pendingin Kompresi Uap terdiri atas dua jenis, yaitu koefisien perfomansi mesin sebagai pendingin dan koefisien perfomansi mesin 29

39 untuk tujuan pemanasan yang biasa disebut koefisien perfomansi pompa kalor. Apabila operasi mesin dimaksudkan untuk tujuan pendinginan, maka indeks prestasi sistem sebanding dengan panas yang diserap evaporator dibanding dengan kerja kompresor sebenarnya. COP Q W e = (3.5) k dimana : COP = koefisen perfomansi mesin pendingin (Coeffisient Of Perfomance) Q e = penyerapan kalor pada evaporator (kw) W k = kerja kompresor (kw) Dengan memasukan data-data yang sudah diolah di atas, maka COP dari mesin pendinginan adalah : 2,174kW COP = 0,622kW COP = 3, 495 Jika operasi dimaksudkan untuk tujuan pemanasan, maka indeks prestasi sistem merupakan perbandingan antara panas yang dilepaskan kondensor dengan kerja kompresor sebenarnya. Q W k PF = (4.6) s dimana : PF = perfomansi pompa kalor (Perfomance Factor) Q k = pelepasan kalor pada kondensor (kw) 30

40 W s = kerja isentropik ideal kompresor (kw) Dengan cara yang sama pada persamaan 3.6 sebelumnya maka didapat nilai dari perfomansi faktor mesin pendingin sebagai berikut : 2,795kW PF = 0,622kW PF = 4, 49 (q +q ) w k e TP= =7,99 k 31

41 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Perancangan Dari perancangan yang dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut : 1. Kompresor, kompresor yang digunakan : - kompresor hermetik jenis rotari - daya kompresor sebesar 1 HP 2. Evaporator, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in yang disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 31 cm maka jumlah laluan seluruhnya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data hasil perancangan evaporator : - Temperatur permukaan, Ts adalah 9,17 o C - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6175 m 2 - Panjang total pipa, L adalah 20,69 m - Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h 0 = 219,018 W/m 2. 0 C - Koefisien perpindahan kalor total, U 0 = 172,7496 W/m 2. 0 C 3. Kondensor, menggunakan pipa tembaga ukuran diameter 3/8 in ini disusun sedemikian rupa dalam bentuk laluan dengan panjang satu laluan adalah 33 cm maka jumlah laluannya adalah 66 laluan dan disusun dalam 11 tingkat dengan jumlah laluan pertingkat adalah 6. Data hasil perancangan kondensor - Temperatur permukaan, Ts adalah 40,93 o C - Luas total permukaan pipa, Ao adalah 0,6489 m 2 - Panjang total pipa, L adalah 21, 74 m 32

42 - Koefisien konveksi rata-rata sisi evaporator h 0 = 315,738 W/m 2. 0 C - Koefisien perpindahan kalor total, U 0 = 236,469 W/m 2. 0 C 4. Pipa kapiler, menggunakan pipa tembaga dengan diameter 1,7 mm, yang bekerja pada temperatur kondensasi 45 o C dan temperatur evaporasi 5 o C panjang pipa kapiler adalah 1,65 m 4.2 Pembahasan Massa Optimum Refrigeran Hidrokarbon HCR Daya Evaporator - Massa Refrigeran Daya Evaporator Massa Refrigeran (gram) Gambar 4.1 Grafik massa refrigeran HCR22 optimum dan daya evaporator Penggunaan refrigeran HCR 22 massa refrigeran lebih hemat 51,2 persen dari massa refrigeran R22(Azridjal Aziz, 2006). Pada gambar 4.1 terlihat bahwa massa refrigeran optimum HCR22 sebesar 440 gram pada COP 2,221. Setelah penambahan massa refrigeran COP cenderung turun, hal ini disebabkan massa refrigeran yang bertambah mengakibatkan daya kompresor meningkat. Hal ini menyebabkan COP mesin menurun karena adanya pengaruh peningkatan daya kompresor. COP merupakan perbandingan atau rasio antara daya pendinginan di evaporator dibandingkan terhadap daya kompresor yang menggerakkan mesin pendingin. 33

43 4.2.2 Proses Charging Pada gambar 4.2 dapat dilihat dampak pendinginan rata-rata dari HCR22 adalah 1,151 kw, dampak pemanasan rata-rata 7,502 kw dengan daya kompresor rata-rata 0,754 kw. KW Dampak Pendinginan, Dampak Pemanasan dan Kerja Kompresor Waktu Pendinginan Pemanasan Kerja Kompresor Gambar 4.2 Dampak pendinginan, dampak pemanasan dan kerja kompresor COP, PF dan TP Satuan Waktu COP PF TP Gambar 4.3 COP, PF dan TP mesin refrigerasi hibrida dengan Thermal Energy Storage (Ice Storage) COP rata-rata dari mesin pada proses Charging adalah 1,528, PF rata-rata adalah 9,945 dan Tp rata-rata adalah 11,473. Tampak di sini bahwa pola kecendrungan gambar 4.2 dan gambar 4.3 memiliki kecendrungan yang sama, hal ini karena COP, 34

44 PF maupun TP merupakan rasio daya pada evaporator atau panas yang dimanfaatkan di kompresor terhadap kerja kompresor secara keseluruhan. Tekanan Kondensor dan Evaporator Tekanan Evaporator Tekanan Kondensor Psi Waktu Gambar 4.4 Tekanan kondensor dan tekanan evaporator Tekanan kerja pada kondensor dan evaporator seperti tampak pada gambar 4.4 adalah tekanan rata-rata kondensor 245 Psi dengan tekanan evaporator rata-rata 38 Psi. Tekanan kerja evaporator cenderung turun dari tekanan standarnya yaitu 70 Psi, hal ini terjadi karena temperatur di tangki evaporator /water chiller berada pada temperatur rata-rata -6 o C, sedangkan tekanan standar pada sistem refrigerasi berada temperatur rata-rata 10 o C. Temperatur o C Temperatur Air Panas Kondensor dan Ruang Pengering/Pemanas T Hot Water T Drying Room Waktu Gambar 4.5 Temperatur ruang pengering/pemanas dan temperatur air panas di tangki kondensor 35

45 Pada gambar 4.5 dapat dilihat rata-rata temperatur air panas adalah 49,7 o C dengan temperatur ruang pengering/pemanas pada temperatur 40,7 o C. Temperatur ini diperoleh pada tekanan kondensor rata-rata 245 Psi. Selisih antara temperatur air panas dan temperatur ruangan berkisar 10 o C, selisih ini terjadi karena adanya rugirugi kalor/panas saat terjadinya proses pertukaran kalor dan distribusi air panas di koil pemanas di ruang pemanas/pengering. Temperatur o C Temperatur Air Dingin Evaporator dan Temperatur Ice Strorage (TES) Waktu Ice Storage Water Chiller Gambar 4.6. Temperatur air dingin di evaporator dan temperatur Ice Storage Temperatur temperatur air dingin rata-rata di evaporator adalah -5,8 o C dengan temperatur terendah pada -7,5 o C, sedangkan temperatur air dingin di Ice Storage rata-rata -2,6 o C dengan temperatur terendah -4,9 o C. Temperatur tersebut didapatkan pada tekanan rata-rata evaporator 38 Psi Proses DisCharging Pada gambar 4.7 kondisi temperatur yang diperoleh pada proses discharging, temperatur terendah pada ice storage perlahan-lahan naik seiring terjadinya pertukaran kalor antara air dingin di koil pendingin di ruang pendingin dengan temperatur di ruang pendingin. Proses pendinginan pada saat discharging berlangsung selama 170 menit, dimana proses pendinginan di evaporator saat 36