ANALISIS KAPASITAS PENDINGINAN CHILLER VAC IEBE Tonny Siahaan, Eko Yuli, Ahmad Paid, Yuwono Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir ABSTRAK Telah dilakukan analisis terhadap kapasitas pendinginan chiller VAC IEBE. Chiller berfungsi untuk menghasilakn air dingin (chilled water) yang digunakan sebagai media pendingin udara pada sistem udara supply VAC IEBE. Kapasitas pendinginan menunjukkan kemampuan pendinginan sebuah mesin pendingin(water chiller) yang dapat diketahui dari beda temperatur air masuk dengan keluar mesin pendingin. Chiller yang terpasang di IEBE adalah merk YORK model YAEP jenis reciprocating yang menggunakan refrigeran R22 sebagai media pendingin. Analisis kapasitas pendinginan dimaksudkan untuk mengetahui apakah chiller sudah bekerja pada kapasitas maksimum. Analisis dilakukan terhadap data-data parameter operasi chiller seperti temperatur air masuk dan keluar mesin pendingin, kuat arus motor, kuat arus motor kompresor, tekanan discharge serta kuat arus motor pompa primer. Dari data pengukuran diketahui bahwa peresen kuat arus motor kompresor maksimum adalah 72 %. Dari hasil analisis diketahui bahwa mesin pendingin bekerja di bawah kapasitas air desain. Beda temperatur yang dicapai melebihi kemampuan desain diperkirakan karena laju alir yang memasuki chiller lebih rendah dari data desain. Untuk meningkatkan kapasitas pendinginan operasi, perlu dilakukan peningkatan laju alir air dingin dengan pengaturan ulang katup ataupun penambahan refrigeran. Kata kunci: chiller sistem refrigerasi. PENDAHULUAN Instalasi ELemen Bakar Eksperimental dirancang memiliki tiga fasilitas yang utama yaitu Laboratorium FFL (Fuel Fabrication Laboratory), PCP (Pilot Conversion Plant) dan Berilium Area. Sebagai INNR (Instalasi Nuklir Non Reaktor) [1] masing-masing fasilitas dilengkapi dengan sistem Ventilasi dan pengkondisian udara (VAC-Ventilation and Air Conditioning) secara terpisah. Sistem VAC pada fasilitas nuklir berfungsi sebagai sarana utama untuk menjamin keselamatan bagi pekerja radiasi didalam gedung dan lingkungan [2]. Sistem VAC dioperasikan untuk mengatur temperatur dan kelembaban udara di dalam ruangan serta untuk menciptakan tekanan udara lebih rendah di dalam gedung laboratorium dibandingkan dengan tekanan udara di luar gedung. Sistem VAC juga menciptakan pola alir udara ruangan di dalam gedung sehingga udara mengalir dari ruang berpotensi tingkat radioaktivitas rendah menuju ruangan dengan potensi radioaktivitas yang lebih tinggi. Kemudian udara buang dialirkan ke lingkungan melalui cerobong setelah terlebih dahulu disaring melewati filter HEPA sehingga udara yang dilepaskan ke lingkungan berada dalam batas ambang keselamatan nuklir yang dipersyaratkan [1]. Sistem VAC terdiri dari sistem udara masuk (supply) dan sistem udara buang (exhaust). Chiller adalah salah satu peralatan utama untuk menciptakan kenyamanan udara dengan mengatur temperatur dan kelembaban udara di dalam ruangan. Air dingin (chilled 205
Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017 ISSN 0854-5561 water) yang dihasilkan chiller disirkulasikan ke dalam AHU (Air Handling Unit) sistem udara supply untuk pengkondisian udara ruangan. Air dingin yang mengalir didalam pipa-pipa koil pendingin bersinggungan dengan udara atmosfer yang mengalir melalui celah-celah bagian luar pipa oleh tarikan blower sistem udara supply dan selanjutnya udara terkondisi didistribusikan ke dalam ruangan melalui saluran udara (ducting). Mesin pendingin (water chiller) yang terpasang adalah jenis torak (reciprocating) dengan pendingin udara (air cooled) buatan York dengan kapasitas pendinginan 749 kw [3]. Pada saat ini chiller terpasang dua unit (CH.01B dan CH.02B) dengan kapasitas pendinginan yang sama sebagai pengganti unit yang terpasang sejak awal pembangunan IEBE. Penggantian mesin dilakukan tanpa mengganti pompa sirkulasi air dingin (pompa primer dan pompa sekunder) yang terpasang sebelumnya. Kapasitas aliran air dingin chiller lebih kecil dari kapasitas aliran pompa primer sehingga dilakukan pengaturan katup yang terpasang pada pipa chiller. Dalam pengoperasian chiller sering dilakukan penambahan air untuk mengkompensasi kebocoran pada pipa-pipa koil pendingin yang terpasang pada AHU sistem udara supply. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui apakah chiller bekerja dengan kapasitas maksimum. Analisis kapasitas pendinginan chiller dilakukan dengan menganalisis data-data operasi chiller seperti temperatur air masuk dan keluar chiller, tekanan suction dan discharge refrigerant, persen kuat arus motor kompresor serta kuata arus motor pompa primer. Hasil perhitungan dibandingkan dengan kapasitas pendingin sesuai data perancangan mesin. Chiller bekerja menurut siklus refrigerasi kompresi uap dan menggunakan refrigeran R22 sebagai media pendingin. Panas yang dikandung air akan diserap oleh refrigeran melalui cooler dan kemudian dibuang ke udara lingkungan melalui kondensor chiller. Mesin pendingin sistem kompresi uap [4] terdiri dari empat komponen utama yaitu: evaporator, kompresor, kondensor, katup ekspansi yang dihubungkan oleh pipa sehingga menjadi sebuah rangkaian tertutup dan di dalamnya mengalir refrigeran sebagai fluida kerja(gambar 1). Refrigeran menyerap panas di dalam evaporator dan berubah fasa dari cair ke gas, kemudian dimampatkan di dalam kompresor sehingga terjadi kenaikan tekanan gas refrigeran tersebut. Refrigeran berbentuk gas dialirkan ke dalam kondensor akan mengalami perubahan fasa menjadi cair. Peristiwa kondensasi yang dialami refrigeran disertai dengan pelepasan panas ke udara lingkungan yang dibantu oleh tiupan udara kipas kondensor (condensor fan). Refrigeran cair yang bertekanan tinggi akan mengalami penurunan tekanan(expansion) di dalam katup ekspansi dan kemudian 206
mengalir kembali ke dalam evaporator. Refrigeran gas bertekanan rendah dari evaporator mengalir kembali ke dalam kompresor dan seterusnya mengikuti tahapan siklus berikutnya. Gambar 1. Diagram alir sistem refrigerasi kompresi uap [4] Chiller IEBE buatan York dengan model YAEP 99V [3] terdiri dari dua unit sistem refrigerasi (sistem-1 dan sistem-2) dimana kedua evaporator digabungkan di dalam satu unit tabung penukar kalor (heat exchanger) berbentuk silinder yang berfungsi sebagai pendingin (cooler). Cooler terdiri dari sejumlah pipa-pipa kecil yang dirangkai sebagai penukar kalor jenis shell and tube dimana refrigeran mengalir di dalam tube sedangkan air mengalir pada bagian luar (shell). Satu unit chiller memiliki dua unit kompresor yang dapat dioperasikan bergantian ataupun secara bersama-sama sesuai beban pendinginan yang ada. Masing-masing kondensor terdiri dari empat unit kipas yang juga dapat diatur pengoperasiannya sesuai beban pendingin. Chiller ini dioperasikan secara otomatik yang dikendalikan dengan sistem micro based computerized dan dilengkapi dengan tampilan parameter operasi pada panel kendali. Dalam Gambar 2 ditunjukkan diagram alir refrigeran chiller York jenis air cooled dengan dua sistem refrigerasi. 207
Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017 ISSN 0854-5561 Gambar 2. Diagram alir refrigeran chiller dengan dua sistem refrigerasi [3] Untuk menjaga kesinambungan operasi maka sistem pengoperasian chiller ditetapkan satu unit operasi dan satu unit lainnya sebagai cadangan. Selama tahun 2017 chiller yang sering dioperasikan adalah Chiller CH.02B, maka analisis dipilih untuk unit CH.02B. METODOLOGI Kapasitas pendinginan chiller dapat diketahui dari jumlah kalor yang diserap refrigeran ataupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh air. Sesuai neraca kalor, maka jumlah kalor yang diserap refrigeran adalah sama dengan kalor yang dilepaskan oleh air di dalam cooler. Jumlah kalor yang diserap refrigerant [4] : Q f = m f x (h d h s ) dimana : m f = laju alir refrigeran h d = entalpi refrigeran pada tekanan discharge kompresor h s = entalpi refrigeran pada tekanan suction kompresor Jumlah kalor yang dilepaskan air : Q w = m w x c p x (T i T o ) dimana : m w = laju alir air dingin (liter/detik) c p = panas jenis air = 1 kcal/kg o C = 4,18 kj/det kg.oc T i = temperatur air memasuki chiller T o = temperatur air keluar chiller 208
Atau : Q w = m w x 4,18 x (T i T o ) Dari data-data teknis chiller diketahui : Kapasitas pendinginan : 749 kw Laju alir air maksimum : 40,5 liter/detik Dari data teknis pompa sirkulasi (pompa primer), kapasitas aliran : 190 m 3 /jam = 52,78 liter/detik. Kuat arus motor pompa primer : 42 A. Data-data operasi chiller dicatat selama perioda bulan Maret 2017 sampai dengan Oktober 2017. HASIL DAN PEMBAHASAN Oktober 2017. Di bawah ini ditunjukkan hasil pengukuran dari bulan Maret sampai dengan bulan Tgl pengamatan Temp lingk To ( o C) Ps (bar) Tabel 1. Data hasil pengukuran System-1 System-2 Temp Air Kuat Pd (bar) Kuat Arus Motor Ps (bar) Pd (bar) Kuat Arus Motor Tin ( o C) Tout ( o C) Arus Pompa % FLA % FLA Primer (A) 07-03 31,0 4,40 18,5 68 182 4,50 18,2 71 190 15 12 39,8 13-03 34,6 4,27 18,2 67 180 4,15 19,6 70 188 17 12 33,3 20-03 27,4 4,07 16,6 64 172 4,41 17,0 66 177 14 8 39,6 27-03 32,6 4,25 19,0 69 185 4,48 19,7 72 193 14 8 39 05-04 30,2 4,23 17,9 66 177 4,55 18,4 70 188 14 8 39,2 12-04 32,8 4,39 19,2 70 188 4,59 19,3 71 190 15 9 39,5 19-04 34 4,37 19,7 70 188 4,48 18,1 70 188 15 10 39 04-05 29,9 4,34 17,8 66 177 4,50 18,1 69 185 14 8 38,5 12-05 32,9 4,47 19,7 70 188 4,59 19,4 72 193 15 9 38 19-05 31,7 4,42 18,5 68 182 4,53 18,6 70 188 14 8 37,6 26-05 32,2 4,29 18,8 68 182 4,54 18,7 69 185 14 8 36 06-06 31,8 4,41 19,0 67 180 4,50 19,0 69 185 14 8 39 13-06 32,7 4,46 19,1 69 188 4,64 18,6 73 196 15 9 38 20-06 33,3 4,26 19,1 68 180 4,34 19,0 68 180 12 6 38 05-07 33,4 4,42 19,2 68 182 4,62 19,3 71 190 15 9 36 12-07 30,8 4,25 18,1 67 180 4,48 18,4 70 188 13 8 38 19-07 32,9 4,38 19,3 69 185 4,91 17,7 56 150 14 8 36 26-07 32,9 4,31 19,1 70 188 4,23 18,5 69 185 12 5 36 02-08 34,2 4,14 18,0 67 180 4,16 19,0 69 185 16 12 34 209
Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017 ISSN 0854-5561 11-08 33,7 4,38 18,3 68 182 4,18 19,8 70 188 17 13 34 18-08 32,4 4,31 17,6 67 180 3,93 18,7 67 180 15 10 34 25-08 32,3 4,47 19,7 71 190 4,8 19,3 68 182 16 12 33,7 04-09 33,4 4,22 17,5 66 177 4,9 19,0 68 182 17 12 33,4 11-09 34,2 4,46 19,3 71 190 4,61 19,6 69 185 14 8 39 18-09 34,9 4,24 18,3 67 180 3,99 18,1 65 174 17 12 34 25-09 24,6 4,44 19,0 67 180 4,74 18,3 58 157 12 7 38,2 05-10 33,4 4,60 19,9 72 193 4,36 19,1 72 193 14 8 37 13-10 34,4 4,39 19,7 71 190 4,38 18,0 69 185 14 8 36 20-10 32,0 4,51 19,1 71 190 4,77 17,9 71 190 11 6 37 26-10 33,1 4,50 19,4 70 188 4,58 18,9 72 193 14 7 35 Untuk mengetahui kemampuan chiller dapat dilihat dari hubungan beda temperatur air masuk dan keluar dengan amper pompa primer, persen amper motor rata-rata kompresor, tekanan discharge rata-rata kompresor serta kondisi udara luar pada saat dilakukan pencatatan (Tabel 2). Beda temperature air masuk dan keluar akan semakin besar jika kuat arus motor pompa primer turun dan akan berkurang jika kuat arus motor primer naik. Dalam hal ini laju alir air memasuki chiller ditunjukkan besar kuat arus pompa primer. Dari data spesifikasi teknis chiller diketahui laju alir air memasuki chiller adalah 40,5 liter/detik, maka beda temperatur air masuk dan keluar adalah : ΔT = 749/(4,18 x 40,5) = 4,4 o C Artinya dengan kapasitas pendinginan chiller sebesar 749 kw dengan laju alir air 40,5 liter/detik maka beda temperatur air adalah 4,4 o C. Sehubungan sistem chiller tidak memiliki alat ukur laju alir air (flowmeter), maka untuk memperkirakan laju alir air dapat dibandingkan dengan hasil pengukuran kuat arus pompa primer dalam persen terhadap kuat arus motor sesuai spesifikasi motor listrik penggerak pompa. Motor listrik penggerak pompa primer adalah motor tiga fasa dengan daya 30 HP dan kuat arus listrik 42 A. Pompa primer adalah pompa yang mensirkulasikan air ke dalam chiller. Temperatur lingkungan T o ( o C) Tabel 2. Hubungan beda temperatur air dengan kuat arus motor Masuk T in ( o C) Temperatur Air Keluar T out Beda ( o C) temperatur ( o C) 210 Kuat Arus Pompa Primer (A) Kuat Arus Motor Kompresor Rerata (%) 32,0 11 6 5 37 71 18,5 32,9 12 5 7 36 69,5 18,8 33,3 12 6 6 38 68 19,05 24,6 12 7 5 38,2 62,5 18,65 30,8 13 8 5 38 68,5 18,25 Tekanan Discharge Kompresor Rerata Pd(bar)
34,4 14 8 6 36 70 18,85 34,2 14 8 6 39 70 19,45 33,4 14 8 6 37 72 19,5 32,9 14 8 6 36 62,5 18,5 32,6 14 8 6 39 70,5 19,35 32,2 14 8 6 36 68,5 18,75 31,8 14 8 6 39 68 19,0 31,7 14 8 6 37,6 69 18,55 30,2 14 8 6 39,2 68 18,15 29,9 14 8 6 38,5 67,5 17,6 27,4 14 8 6 39,6 65 16,8 33,1 14 7 7 35 71 19.15 33,4 15 9 6 36 69,5 19.25 32,9 15 9 6 38 71 19,55 32,8 15 9 6 39,5 70,5 19,25 32,7 15 9 6 38 71 18,85 34 15 10 5 39 70 18,9 32,4 15 10 5 34 67 18,15 31,0 15 12 7 39,8 69,5 18,35 34,2 16 12 4 34 68 18,5 32,3 16 12 4 33,7 69,5 19,5 34,9 17 12 5 34 66 18,2 34,6 17 12 5 33,3 68,5 18,9 33,4 17 12 5 33,4 67 18,25 33,7 17 13 4 34 69 19,05 Informasi lain yang dapat diperoleh dari data-data operasi chiller adalah : - persen arus motor kompresor maksimum adalah 72 %, menunjukkan pencapaian belum mendekati 100 %. - kuat arus pompa primer 33,3-39,8 A hal ini menunjukkan bahwa laju alir air berpariasi dapat terjadi karena adanya kebocoran pada sistem perpipaan terutama pada pipa-pipa koil pendingin (AHU). Jika dilihat dari nilai persen arus motor kompresor baru mencapai 72 % serta kuat arus pompa primer yang terukur masih di bawah kuat arus motor pompa maksimum (42 A), menunjukkan bahwa mesin pendingin bekerja di bawah kapasitas pendinginan maksimum. Dari Tabel 2, data yang paling banyak adalah beda temperatur air 6 o C pada temperatur air masuk 14 o C dan temperatur keluar 8 o C. Jika diperhatikan pada kondisi 72 % kuat arus motor kompresor diketahui kuat arus motor pompa primer adalah 37 A dengan tekanan discharge rata-rata kompresor 19,5 bar dengan kondisi udara lingkungan 33,4 o C. Jika dibandingkan dengan kuat arus motor pompa primer 36 A, diiketahui persen kuat arus motor kompresor sebesar 62,5 % dan tekanan discharge rata-rata kompresor 18,5 bar dengan kondisi udara lingkungan 32,9 o C. Penurunan persen kuat arus kompresor ditandai juga dengan turunnya tekanan discharge kompresor dan penurunan persen kuat arus 211
Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017 ISSN 0854-5561 motor kompresor karena jumlah laju alir yang lebih rendah sehingga beban pendinginan kompresor juga berkurang. Kemudian pada kuat arus pompa primer 39,6 A, persen kuat arus kompresor sebesar 65 % dan tekanan discharge kompresor 16,8 bar pada temperatur udara lingkungan 27,4 oc. Meskipun kuat arus motor pompa primer tinggi, peresen arus motor kompresor hanya 65 % karena temperatur lingkungan rendah. Data-data ini juga menunjukkan bahwa beda temperatur air yang dicapai sebesar 6 o C adalah disebabkan chiller bekerja di bawah kapasitas laju alir yang sesungguhnya. Hasil pengukuran lainnya juga menunjukkan kuat arus pompa primer berada di bawah 36 A. Untuk meningkatkan kapasitas alir air memasuki chiller dapat dilakukan dengan mengatur pembukaan katup sehingga chiller bekerja dengan kapasitas yang mendekati nilai desain ataupun penambahan refrigeran. KESIMPULAN Dari hasil pengukuran diketahui persen kuat arus maksimum adalah 72 % yang menunjukkan bahwa chiller beroperasi di bawah nilai beban maksimum desain. Beda temperatur air masuk dan keluar chiller melebihi 6 o C juga menunjukkan bahwa laju alir air yang memasuki chiller lebih kecil dari nilai desain. Untuk meningkatkan kapasitas pendinginan chiller dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan pembukaan katup ataupun penambahan refrigeran. DAFTAR PUSTAKA 1. Anonim, Laporan Analisis Keselamatan Instalasi Elemen Bakar Eksperimental, Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir BATAN, No. Dok. KK32 J09 002 2. Anonim, Heating, Ventilation and Air Conditioning Applications, ASHRAE Handbook 2003. 3. Anonim, High Ambient Air-Cooled Liquid Chiller YAEP, Jhonson Control, York. 4. W.F. Stoecker, Refrigeration & Air Conditioning, 2 nd edition, Mc. Graw-Hill Book Company, Singapore 1982 212
285