PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE PADA KAPAL PENANGKAP IKAN DENGAN CHILLER WATER REFRIGERASI ABSORPSI MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH 3 -H 2 O) Nama Mahasiswa : Radityo Dwi Atmojo NRP : 2108 100 613 Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng PENDAHULUAN Penggunaan balok es pada palka kapal nelayan ikan untuk mempertahankan kesegaran ikan dalam setiap pelayaran yang dilakukan nelayan kurang efisien dan kurang praktis. Sehingga penulis merancang cold storage untuk mengganti penggunaan balok es. Permasalahan yang akan dibahas dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah mengenai perancangan beserta analisa performansi cold storage untuk ikan. Disamping itu akan direncanakan (design) pula evaporator untuk chiller water sebagai media pendingin pada cold storage. DASAR TEORI 1. Beban Pendinginan Beban pendinginan merupakan jumlah energi panas yang harus dikeluarkan dari dalam ruangan oleh mesin pendingin untuk mendapatkan kondisi ruangan yang diinginkan. Berdasarkan jenisnya, beban pendinginan dibedakan menjadi dua yaitu beban eksternal dan beban internal. Beban eksternal adalah beban kalor yang masuk dari luar ruangan ke dalam ruangan yang terdiri dari beban transmisi melalui dinding luar, atap, dan kaca, beban radiasi matahari melalui kaca, beban infiltrasi, dan beban ventilasi. Sedangkan beban internal ialah beban kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu sendiri. Beban ini terdiri dari beban partisi, beban penerangan, beban penghuni, dan beban peralatan. Sebagai ilustrasi, dapat dilihat pada Gambar 2.6 yang merupakan contoh beban pendinginan diruang palka ikan.
Beban Infiltrasi Beban Produk Beban Transmisi Gambar 2.6 Ilustrasi Beban-beban Pendinginan 1.1 Beban Infiltrasi Beban ventilasi terjadi karena udara segar dimasukkan ke dalam ruangan yang dikondisikan untuk keperluan tambahan oksigen. Sedangkan beban infiltrasi terjadi karena adanya udara luar yang masuk ke dalam ruangan melalui celah-celah pintu, jendela, dinding, plafon, dan lain sebagainya atau pada saat pintu dan jendela terbuka. Udara luar yang masuk melalui ventilasi maupun infiltrasi akan menjadi beban pendinginan tambahan bagi ruangan yang dikondisikan. Namun untuk kasus udara ventilasi biasanya adalah udara luar yang sengaja dimasukkan melalui unit pengkondisian udara (Air Handling Unit/Fan Coil Unit) sehingga menjadi beban koil/penukar kalor pada unit pengkondisian udara tersebut. Beban yang berasal dari udara luar dapat dibedakan menjadi dua, yaitu beban sensible yang berhubungan dengan proses penurunan temperatur dan beban laten yang lebih berkaitan dengan pengembunan sebagian uap air yang terkandung (pengurangan kelembaban). Beban-beban ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : qq iiiiiiiiiiiiiiiiiiii = qq ss + qq ll... (2.3) Beban sensibel dari udara luar (qq ss ) qq ss = QQ ρρ CC pp TT... (2.4) Beban laten dari udara luar (qq ll ) qq ll = QQ ρρ h ffff WW... (2.5)
QQ = Laju aliran volumetric udara (m 3 /s) ρρ = massa jenis (kg/m 3 ) CC pp h ffff = panas spesifik (J/(kg.K)) = panas laten (J/kg) TT = perubahan temperatur ( o C) WW = rasio kelembaban (kg v /kg da ) 1.2 Beban Transmisi Beban transmisi adalah panas/kalor yang masuk kedalam ruang yang didinginkan melalui permukaan. Pada ruang cold storage ini, beban konduksi kedalam ruangan banyak yang melewati dinding, atap, lantai, dan pintu. Beban transmisi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6. qq tttttttttttttttttt = UU AA CCCCCCCC... (2.6) qq tttttttttttttttttt UU = beban transmisi, (Watt) = koefisien konduktifitas overall, (Watt/ m 2.K) A = luas permukaan perpindahan panas, (m 2 ) CLTD = Cooling Load Temperatur Difference, (K)
Gambar 2.7 Sirkuit Thermal melalui Material Cold Storage UU = 1 = 1 1 RR tttttt AA h 1 +LL 1 kk1 +LL 2 kk2 +LL 3 kk3 + 1 h 0 RR tttttt kk h LL... (2.7) = hambatan thermal (m 2.K/W) = konduktivitas thermal (W/m.K) = koefisien konveksi (W/m 2.K) = panjang laluan perpindahan panas (W/m.K) Dalam perancangan Tugas Akhir ini, posisi dinding bagian atas dari cold storage dipengaruhi oleh panas radiasi. 1.3 Beban Produk Beban pendinginan produk adalah kalor yang dihasilkan oleh produk pada saat didinginkan. Karena pada saat produk dimasukkan ke ruang pendinginan (cold storage), suhu yang lebih tinggi dari suhu ruang pendinginnya tadi akan menjadi beban pendinginan didalam ruangan tersebut. Besarnya daya pendinginan produk dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.9.
QQ = mm CC pp TT... (2.8) Q = beban pendinginan produk sebelum suhu pembekuan (J) m = massa produk (kg) CC pp = panas spesifik (J/(kg.K)) TT = perubahan temperatur ( o C) qq pppppppppppp = qq pppppppppppp tt pppppppppppppppppppppp QQ tt pppppppppppppppppppppp... (2.9) = daya pendinginan yang berasal dari produk (W) = waktu pendinginan (s) 1.4 Total beban pendinginan Beban pendinginan total adalah jumlah kalor dari keseluruhan beban pendingin yang terdapat di ruangan pendingin, yaitu beban transmisi, beban produk, dan beban infiltrasi. Beban total pendingin dapat dihitung dengan persamaan 2.10. qq CCCC = qq pppppppppppp + qq tttttttttttttttttt + qq iiiiiiiiiiiiiiiiiiii... (2.10) 2. Analisa Luasan Penukar Kalor Perancangan Heat Exchanger pada tugas akhir ini merupakan jenis shell and tube, dimana fluida panas berada pada sisi shell. Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan termal secara umum menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Dasar dari perancangan termal ini adalah menentukan keseimbangan antara laju perpindahan massa dan perubahan temperatur fluida kerja sisi shell dan sisi tube dengan laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD, sehingga diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan. Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell dan yang diterima oleh fluida pada sisi tube masing-masing dihitung dengan Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12:
qq SS = mm SS CC PPSS TT hiiii TT hoooooo... (2.11) qq RR = mm RR (h iiii h oooooo )... (2.12) Dengan, qq SS qq RR mm SS CC PPSS TT hiiii = Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell (kw) = Laju kalor yang diterima oleh fluida sisi tube (kw) = Laju massa aliran fluida sisi shell (kg/s) = Panas spesifik fluida sisi shell (kj/kgk) = Temperatur fluida masuk sisi shell (K) TT hoooooo = Temperatur fluida keluar sisi shell (K) mm RR h iiii h oooooo = Laju massa aliran fluida sisi tube (kg/s) = Enthalpy fluida masuk sisi tube (kj/kg) = Enthalpy fluida keluar sisi tube (kj/kg) Dalam penukar kalor pada umumnya, laju perpindahan kalor yang dilepas fluida kerja yang bertemperatur lebih tinggi sama dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh fluida yang memiliki termperatur lebih rendah. Dan dimana besarnya laju perpindahan kalor didapatkan melalui perhitungan nilai pembebanan refrigerasi pada ruangan, yang didapatkan sebesar qq ee, sehingga: qq ee qq SS qq RR... (2.13) Sedangkan, laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD dapat ditentukan dengan Persamaan 2.14 : qq = UU AA TT llll... (2.14) Dengan, U = Koefisien perpindahan kalor total A = Luasan penukar kalor TT llll = LMTD
Besarnya dari koefisien perpindahan kalor total dihitung melalui persamaan 2.15. UU = 1 ddoo + dd oo RR ffff + dd oo ln ddoo dd ii +RR dd ii h ii dd ii 2kk ffff + 1 hoo dd oo dd ii = diameter luar tube (m) = diameter dalam tube (m) h ii = perpindahan kalor pada sisi tube (W/m 2 K) h oo = perpindahan kalor pada sisi shell (W/m 2 K) RR ffff RR ffff = fouling resistence pada sisi tube (m 2 K/W) = fouling resistence pada sisi shell (m 2 K/W)... (2.15) Dengan besarnya perpindahan panas pada masing-masing sisi dipengaruhi oleh bilangan nusselt (NNNN) dan diameter (d). Menurut persamaan 2.16. h = NNNN kk dd... (2.16) k = konduktifitas panas fluida (W/mK) Dalam kasus ini, ditentukan perancangan metode LMTD dengan penukar kalor counter flow, yang dihitung berdasarkan grafik pada gambar 2.8. Th1 Temperatur T1 Th2 T2 Tc2 Tc1 Luasan Penukar Kalor yang diperlukan
Gambar 2.8 Grafik temperatur fluida kerja pada penukar kalor counter flow Dimana, TT CC1 = TT CC2 = TT ssssss, hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh sistem evaporasi. Dengan persamaan sebagai berikut : TT llll = TT 1 TT 2 ln TT 1 TT2... (2.17) TT llll di atas merupakan nilai LMTD untuk penukar kalor counter flow yang memerlukan faktor koreksi LMTD, sehingga persamaan menjadi : qq = UU AA TT llll FF... (2.18) Dimana, F = faktor koreksi LMTD untuk penukar kalor shell and tube satu laluan sisi shell dan laluan sisi tube genap, ditentukan dengan grafik faktor koreksi LMTD Gambar 2.9 Faktor koreksi shell and tube heat exchanger dengan jumlah laluan shell, satu dan jumlah laluan tube, kelipatan dua.
Diperolehnya nilai koefisien perpindahan kalor, LMTD, dan faktor koreksi LMTD, maka dapat diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan. 3. Daya Pompa Dalam Tugas Akhir ini digunakan rumus umum dalam pencarian daya pompa, yaitu : BBBBBB = γγ QQ HH eeeeee... 2.19 Dimana, γγ = berat jenis fluida (N/m 3 ) QQ = debit aliran fluida (m 3 /s) HH eeeeee = Head effektif pompa (m), yang dipengaruhi oleh head kedalaman (HH zz ) dan head loss (HH ll ) Untuk pencarian head loss pompa (HH ll ) dilakukan melalui pressure drop total yaitu : HH ll = PP tttttt... 2.20 γγ Presure drop total yang ada pada instalasi cold storage, dipengaruhi oleh : 1. Pressure Drop Komponen PP kkkkkkkk = 4ff ρρuu2 2 LL ee DD ii... 2.21 Dengan, ff = faktor gesek Fanning ff = 0.046 RRRR 0.2, untuk 3 10 4 < RRRR < 10 6... 2.22 ff = 0.079 RRRR 0.25, untuk 4 10 3 < RRRR < 10 5... 2.23 ρρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) UU = kecepatan aliran (m/s)
LL ee DD ii = panjang equivalent terhadap diameter pipa, yang didapatkan melalui tabel Equivalent in pipe diameter of various valve and fittings (lampiran) 2. Pressure Drop Pipa Untuk Pressure drop dari pipa, perumusan secara umum sama dengan Pressure drop dari komponen, namun tidak dipengaruhi oleh panjang equivalent melainkan panjang dari tube yang terpasang, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : PP pppppppp = 4ff LL ρρuu2... 2.24 dd ii 2 3. Pressure Drop Chiller Water Pressure drop ini merupakan pressure drop yang dalam Tugas Akhir ini berada dalam sisi Shell, sehingga : PP ss = ff GG ss 2 (NN bb +1) DD ss vv 2D e φφ ss... 2.25 Dengan, ff = exp(0.576 0.19 ln RRRR)... 2.26 φφ ss = μμ bb μμ ww 0.14... 2.27 GG ss = mass flux sisi Shell (kg/m 2 s) NN bb DD ss D e vv = Jumlah tube = Diameter internal shell (m) = Diameter Equivalent (m) = volume spesifik (m 3 /kg) 3. Performansi melalui Lumped Capacitance Method Dalam Tugas Akhir ini, analisa performansinya sebatas dari pengaruh pembebanan ikan berdasarkan perancangan cold storage terhadap waktu dan temperatur pendinginan. Sehingga
dipilih penggunaan lumped capacitance method untuk mengetahui gejala dari perancangan cold storage ini. KESIMPULAN 1. Estimasi nilai beban panas dari pendinginan ikan pada cold storage, ditunjukkan pada Tabel 5.1 di bawah ini : Tabel 5.1 Hasil Analisa Pembebanan Cold Storage ITEM SATUAN NILAI JENIS PEMBEBANAN Transmisi Watt 2652.79 Infiltrasi Watt 105.6 Produk kj 1358191.2 WAKTU PENDINGINAN PRODUK Time (beban ikan = 10 ton) jam 6.73 2. Hasil perancangan thermal chiller water dan daya pompa ditampilkan pada Tabel 5.2 di bawah ini : Tabel 5.2 Hasil Perancangan Chiller Water dan Perhitungan Daya Pompa ITEM SATUAN NILAI Chiller Water m 0.03175 Diameter Eksternal tube (d o ) in 1.25 m 0.004572 Tebal Tube in 0.18 Tube Gauge BWG 7 Jumlah Tube (Nt) tube 162 Jumlah Laluan (Np) pass 8 m 0.635 Diameter Shell (Ds) in 25 m 0.0396875 Pitch size (Pt) in 1.5625 Jarak antar Baffle (B) m 0.1 Pressure drop shell Pa 1479.9848 Pressure drop tube Pa 763.44385 Panjang Tube (L) m 1.54 ITEM SATUAN NILAI
Pompa Pressure drop komponen Pa 41.9 Pressure drop pipa Pa 162.4 Pressure drop heat exchanger Pa 1479.9848 Pressure drop total Pa 1684.3 Head kedalaman m 2.5 Head loss m 0.17 Head effektif (H eff ) m 2.67 Debit aliran (Q) m 3 /s 0.0019111 Break Horse Power (BHP) Watt 51.2 3. Hasil dari analisa performansi adalah sebagai berikut : a. Pada saat nelayan istirahat, penggunaan sistem palka (Balok Es) untuk kondisi cold storage penuh menghasilkan temperatur akhir yang lebih rendah dari penggunaan sistem cold storage. Terlihat pada tabel berikut : Tabel 5.3 Perbandingan temperatur akhir penggunaan sistem cold storage dengan sistem palka sewaktu nelayan istirahat Temperatur akhir setelah selesai istirahat ( o C) cold storage palka hari pertama 4.07 17.63 hari ke-14 2.88-0.70 b. Penambahan ikan di setiap tangkapan mengakibatkan peningkatan temperatur cold storage tetapi temperatur tersebut cenderung menurun dari tangkapan sebelumnya. Terlihat pada tabel berikut : Tabel 5.4 Penurunan temperatur pada saat setiap kali tangkapan Tangkapan Temperatur ( o C) hari pertama hari ke-14 I 1.036 0.297 II 0.261 0.177 III 0.240 0.170 IV 0.237 0.169 c. Penambahan ikan dalam cold storage akan memperlambat laju pendinginan ikan. Terlihat pada tabel 5.5 dibawah ini :
Tabel 5.5 Waktu pendinginan pada setiap tangkapan Temperatur Akhir ( o C) Untuk Pendinginan tiap 3 Jam hari pertama hari ke-14 I 0.02 0.01 II 0.0 0.01 III 0.0 0.01 IV 0.0 0.01