Desain Fasilitas Uji Kinerja Water-Cooled Chiller dan Air-Cooled Chiller Berdasarkan Standar AHRI 551-591 Ma ruf Fauzi Rahman, Budiharjo Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Unversitas Indonesia, Depok E-mail: maruffauzir@gmail.com budiharjo@eng.ui.ac.id Abstrak Chiller dibutuhkan dalam sistem tata udara pada gedung (HVAC) untuk mendinginkan air yang mengalir melewati cooler/evaporator. Uji kinerja chiller sangat diperlukan dalam industri chiller untuk mendapatkan standar kinerja chiller yang sama di seluruh dunia. Penelitian ini berusaha untuk melakukan penerapan dari standar uji chiller dari AHRI 551-591 pada sebuah sistem uji Water-Cooled Chiller dan Air-Cooled Chiller. Datadata spesifikasi chiller dari berbagai macam kapasitas menjadi objek landasan dalam menentukan desain alur sistem uji. Dengan menggunakan standar AHRI 551-591 pula instrumen-instrumen pendukung seperti alat pengukur dan lainnya ditentukan. Performance Test Facility Design for Water-Cooled Chiller and Air-Cooled Chiller Based on AHRI 551-591 Chiller are needed in a heat, ventilation and air conditioning (HVAC) system in buildings to refrigerating water that through cooler/evaporator. Chiller performance test are very important in chiller industrial world to get standard of chiller performance equivalen all around the world. This research try to implement the standard based on AHRI 551-591 into performance test system of Water-Cooled Chiller and Air-Cooled Chiller. Chiller spesification data information in several capacity and type are being basic object to determine the layout design and performance test system. Based on AHRI 551-591 also can determined additional instrument such as gauge tool and other. Keyword: HVAC, Water-Cooled Chiller, Air-Cooled Chiller, AHRI 551-591, Performance Test.
1. Pendahuluan Pengkondisian udara adalah sebuah kebutuhan dalam sebuah bangunan gedung. Bahkan hampir sekitar 50% dari seluruh kebutuhan energi listik pada gedung digunakan untuk sistem pengkondisian udara. Pengkondisian udara menggambarkan fungsi yang penting dari sistem HVAC (Heat Ventilation and Air Conditioning) yang digunakan pada berbagai macam gedung publik, seperti gedung perkantoran, supermarket, pabrik, sekolah, maupun kampus. Pada gedung-gedung besar lebih banyak digunakan sistem HVAC dengan sistem sentral, mengambil panas dari dalam gedung untuk kemudian dibuang ke atmosfir. Sedangkan pada gedung-gedung kecil hingga menengah biasanya lebih sering menggunakan HVAC dengan jenis package. Dengan kebutuhan akan peralatan sistem HVAC yang semakin tinggi maka industri peralatan sistem HVAC menjadi semakin berkembang. Namun dengan adanya standarisasi peralatan pada sistem HVAC, maka dalam sebuah industri adalah wajib semua produk yang dihasilkan harus lulus uji standar yang telah ditentukan dengan berdasarkan pada standar yang telah disepakati bersama seperti ASHRAE, AHRI, ANSI dan sebagainya. Alat-alat HVAC yang harus melalui uji standar sebelum dipasarkan seperti Chiller, AHU (Air Hndling Unit), Packkage Unit memiliki sistem dan cara pengujian yang berbeda. Penelitian ini bertujuan untuk mendesain sistem pengujian chiller dan menentukan spesifikasi alat-alat pendukung agar sesuai dengan standar yang dipilih. Fokus penelitian untuk mendapatkan data berupa spesifikasi alat pada sistem dan menentukan tata letak pada sistem pengujian. Penelitian ini dimaksudkan untuk adanya unit pengujian kinerja chiller yang memenuhi standar internasional untuk industri atau pabrikan chiller yang ada terutama di Indonesia. Dalam penelitian ini, penulis menggunakan metode tinjauan literatur dan standar internasioal seperti standar AHRI (Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 551-591, ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers). 2. Tinjauan Teoritis 2.1. Chiller Chiller adalah peralatan yang menjadi media pendingin utama untuk bangunan gedung. Fungsi Chiller dalam sistem tata udara adalah mendinginkan media air. Air sebagai media
pendingin dialirkan dari cooler/evaporator chiller menuju ke AHU (Air Handling Unit) agar terjadi perpindahan kalor antara ruangan dan koil pada AHU. Pada Chiller terdapat beberapa parameter yang menunjukkan unjuk kerjanya, antara lain; suhu air masuk (inlet) ke cooler/evaporator dan suhu air keluar (outlet) dari cooler/evaporator, tekanan discharge, serta tekanan suction. Komponen-komponen dasar dari water chiller system antara lain kompresor, pendingin air (cooler/evaporator), kondenser, motor penggerak kompresor, alat pengatur aliran refrigerant dan panel kontrol. 2.2. Dasar Kerja Chiller Siklus refrigerasi dari water chiller system secara sederhana. Air masuk ke dalam cooler/evaporator dan didinginkan oleh cairan refrigerant yang menguap pada temperatur rendah. Uap refrigerant dihisap masuk ke kompresor dan tekanannya dinaikkan sehinggadapat mencair kembali pada temperatur tinggi di kondenser. Pada proses ini temperatur medium pendingin kondenser (air atau udara) mengalami kenaikan. Refrigerant cair tersebut kemudian mengalir ke cooler/evaporator melalui alat kontrol refrigerant (katup ekspansi) dan siklus terus berulang seperti semula. Gambar 1. P-H diagram umum chiller
Gambar 1 adalah contoh skema tekanan dan entalpi dari chiller. Pada titik siklus nomor empat (4) menuju satu (1) adalah proses evaporasi refrigeran pada cooler/evaporator. Dimana refrigeran menangkap panas yang dibawa oleh air sehingga refrigeran berubah fase menjadi uap. Kemudian pada proses satu (1) menuju dua (2) adalah proses kompresi pada kompressor mengirimkan refrigeran menuju kondenser, tekanan menjadi lebih tinggi disertai kenaikan panas diakibatkan oleh panas dari kerja kompresor. Pada poin dua (2) menuju tiga (3) adalah fase kondensasi pada kondenser. Dimana refrigeran kembali menjadi bentuk cair diakibatkan oleh pemindahan panas dari refrigeran menuju media lain yang digunakan sebagai pendingin, seperti air pada tipe water-cooled atau udara pada tipe air-cooled. Kemudian pada poin tiga (3) meunju empat (4) adalah proses ekspansi pada katup ekspansi dimana tekanan diturunkan sehingga fase dapat berubah sempurna menjadi fase cair untuk kemudian siklus terus berulang. 2.3. Water-Cooled Chiller Secara umum pada water-cooled chiller terdiri dari bagian cooler, kompresor, kondenser dan katup ekspansi. Komponen ini hampir berlaku universal untuk semua jenis chille. Yang membedakan adalah teknis bekerja dari chiller dimana biasanya jenis pompa yang digunakan pada kompresor berbeda, atau metode pendinginan pada kondenser yang berbeda. Kompresor berfungsi untuk menaikan tekanan dan memindahkan refrigeran dari cooler menuju kondenser. Kompresor memiliki banyak jenis pada berbagai macam jenis chiller. Perbedaan ini adalah salah satu yang paling mendasar untuk membedakan chiller. Kondenser adalah bagian dimana panas dari refrigeran akan dibuang menuju lingkungan. Panas yang berasal dari ruangan yang didinginkan ini akan dibuang melalui sebuah fenomena transfer panas antara refrigeran dengan media pembuang panas yang digunakan pada jenis water chiller media yang digunakan untuk membuang panas adalah air yang disirkulasikan dengan menara pendingin. Katup ekspansi digunakan untuk kembali menurunkan tekanan yang tinggi akibat dari kompresor. Pada fase ini diharapkan refrigeran akan berubah seluruhnya menjadi bentuk fase cair. Penurunan tekana yang terjadi diharpkan akan menurunkan temperatur refrigeran yang akan berimbas pada perubahan total fase refrigeran menjadi bentuk cair. Cooler berfungsi untuk menangkap panas yang dialirkan oleh air dimana air tersebut berasal dari ruangan panas yang didinginkan. Pada cooler ini refrigeran yang mulanya pada fase cair akan berubah fase menjadi uap kembali akibat dari panas yang diterimanya.
2.4. Air-Cooled Chiller Chiller jenis ini memiliki perbedaan dasar dari chiller jenis water-cooled yaitu terletak pada sistem kerja kondensernya. Dimana pada chiller tipe air-cooled pendinginan refrigeran pada kondenser menggunakan udara yang dihembuskan oleh kipas dan bukan menggunakan air seperti yang digunakan pada tipe water-cooled chiller. Sirkulasi pada kondenser lebih simpel namun lebih membutuhkan ruangan yang khusus dimana sirkulasi udara sangat dibutuhkan dalam kondisi yang lancar. Hal ini diperlukan supaya kerja pembuangan panas menuju lingkungan akan semakin efektif. Kompresor pada air-cooled chiller biasanya memiliki jenis yang lebih beragam dibandingkan dengan pada jenis water-cooled chiller. Diantaranya adalah jenis reciprocating, screw, scroll dan rotary hingga centrifugal. Kondenser pada aircooled chiller memiliki perbedaan yang sangat spesifik dengan tipe water-cooled chiller. Oleh karena sistem pada kondenser inilah maka dinamakan air-cooled chiller. Yaitu dimana sistem pembuangan panas pada kondenser menggunakan bantuan udara sebagai media pembawa atau pembuang panas menuju lingkungan. Katup ekspansi pada tipe air-cooled chiller tidak jauh berbeda dengan tipe water-cooled chiller. Jenis yang biasa digunakan seperti thermal expansion valve hampir merata banyak digunakan pada prosuk-produk pada tipe air-cooled chiller. Evaporator pada tipe air-cooled chiller juga tidak berbeda jauh dengan tipe water-cooled chiller. 2.5. Data Kapasitas Chiller dan Dasar Instrumen Sistem Data kapasitas chiller yang dijadikan dasar untuk mendesain sistem adalah air-cooled chiller dengan kapasitas maksimal 372,1 TR (1308 kw) dan water-cooled chiller dengan kapasitas maksimal 739 TR (2600 kw). Instrumen pada sistem yang akan dihitung adalah ukuran pipa, kapasitas pompa, kapasitas alat penukar kalor tipe pelat, jumlah kebutuhan panel surya, dan kapasitas menara pendingin. Debit air sebagai media pemnghantar panas dihitung berdasarkan kapasitas dari chiller. Dimana untuk setiap 1 TR (Ton of Refrigerant) pada evaporator/cooler maka laju aliran air adalah 2,4 gpm (galon per menit) [AHRI 551-591]. Sedangkan untuk setiap 1 TR (Ton of Refrigerant) pada kondenser maka laju aliran air adalah 3 gpm (galon per menit) [AHRI 551-591]. Jumlah laju aliran air akan mempengaruhi diameter ukuran pipa yang akan digunakan
sebagai lintasan tempat mengalirnya air. Penentuan diameter ukuran pipa dapat dihitung menggunakan formula:! =!.!!!"#$%&'&# =!.!!! = 2! Dimana Q = Debit air dalam m 3 /s A = Luas lingkaran dalam m 2 V = Kecepatan laju air (ditentukan) m/s! = 3,14 r = Jari-jari lingkaran D = Diameter lingkaran (pipa) Pompa pada instalasi sistem ini digunakan untuk mengalirkan fluida berupa air. Penghitungan kapasitas pompa harus mempertimbangkan adanya kerugian mayor dan minor pada sistem. Kerugian mayor dihitung menggunakan pendekatan Darcy-Weisbach. Sehingga digunakan formula!" =!!!! 2!" Dimana ma = Kerugian mayor (m) f = Faktor gesekan (lihat tabel Moody) L = Panjang pipa (m) v = Kecepatan aliran (m/s) D = Diameter pipa (m) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) Dalam menggunakan formula Darcy-Weisbach dibutuhkan tabel Moody untuk mendapatkan nilai faktor gesekan. Dalam mencari nilai faktor gesekan akan dibutuhkan variabel bilangan Reynold dan nilai kekasaran relatif. Kekasaran relatif adalah nilai dimana kekasaran absolut pada material tempat fluida mengalir/pipa dibagi dengan diameter lintasan aliran/pipa.
Kerugian minor ialah kerugian akibat pemasangan belokan atau instrumen pada instalasi lintasan fluida mengalir. Dalam hal ini adalah berupa elbow dan instrumen lain seperti katup, pengatur laju aliran dan sebagainya. Setiap instrumen memiliki koefisien kerugian yang berbeda. Kerugian minor dihitung menggunakan formula:!" =!!! 2! Dimana mi = Kerugian minor K = Faktor kerugian v = Kecepatan aliran (m/s) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) Berdasarkan data kerugian akan didapatkan daya yang dibutuhkan oleh pompa yaitu dengan menggunakan formula:!(!"#$!"#$%)!"!" = 3,6!10! Dimana Wp = Daya pompa (kw) Q = Debit aliran (m 3 /jam) ρ = Massa jenis fluida (kg/m 3 ) g = Percepatan gravitasi (m/s 2 ) Heat exchanger atau alat penukar kalor mamiliki fungsi untuk menjembatani antara dua elemen yang memiliki perbedaan suhu agar dapat terjadi perpindahan panas dari temperatur tinggi menuju temperatur yang lebih rendah. Untuk mengetahui kapasitas panas suatu alat penukar kalor maka digunakan persamaan: q = ṁ!!! Dimana q = Kapasitas dalam W ṁ = Laju aliran masa terhadap waktu kg/s!! = Kalor spesifik air J/kg.K! = Perbedaan temperatur (nilai positif absolut) K 3. Metode Penelitian
Metode penelitian desain menggunakan tinjauan literatur seperti standar internasioal AHRI (Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 551-591, ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) dan lain sebagainya. Variabel dasar yang dijadikan acuan untuk pemilihan instrumen dan alat adalah berdasarkan kebutuhan kapasitas dan jumlahnya. 4. Hasil Penelitian Skematik diagram awal berdasarkan keperluan alat dan instrumen dapat digambarkan seperti pada gambar 1 Gambar 2. Skematik diagram kerja sistem 4.1. Debit Air Perhitungan debit air ialah = kapasitas debit standar AHRI. Dimana hasil dari perhitungn dapat dilihat pada gambar tabel 1.
Tabel 1. Debit air Chiller Water Cooled Sistem Kapasitas Debit Standar Total Debit (TR) (gpm) (gpm) Cooler 739 2,4 1773,6 Kondenser 739 3 2217 Air-Cooled Evaporator 372,1 2,4 893,04 4.2. Bak Penampung Air Bak penampungan air terbagi menjadi dua. Berupa penampung air panas dan penampung air dingin. Volume bak didapatkan dengan menentukan waktu air sirkulasi selama satu putaran dikalikan dengan debit air. Contoh perhitungan volume bak penampungan: Volume =!(!"#$%&'()!"#$% = 402,83!! /!"# 3 60!"# = 402,83!! /!"# 0,05!"# = 20,14!! Tabel 2. Volume bak air Bak Air Debit (m3/jam Waktu Sirkulasi (menit) Volume Bak (m3) Bak Air Panas 50 6 5 Bak Air Dingin 402,83 3 20,14 4.3. Diameter Pipa Diameter pipa dihitung menggunakan formula luas lingkaran. Dengan ditentukan bahwa kecepatan air yang melewati pipa adalah 3 m/s. Contoh perhitungan diameter pipa:! =!.! 0,1119 = 3,14!! 3 9,42!! = 0,1119!! =!,!!!"!,!"! = 0,109!! = 0,218! = 8,6!"#h 10!"#h
Tabel 3. Diameter pipa Diameter Pipa Pada Debit (m3/s) Keceptan Aliran (m/s) Meter Diameter Pipa Inch (Pembulatan) Pipa Air Panas 0,0139 3 0,073 3 Pipa Air Dingin 0,1119 3 0,218 10 4.4. Pompa Pipa Cooling Tower 0,1399 3 0,244 10 Penentuan pompa mempertimbangkan kondisi bahwa apabila pengujian dilakukan pada water-cooled chiller dengan kapasitas tertinngi yaitu pada debit air 1773,6 gpm atau 402,83 m 3 /jam, maka suplai air dari pompa diprioritaskan kepada pengujian pengaliran air tersebut. Gambar 3. Skematik diagram pompa Contoh perhitungan pompa:!" =!(!"#$!"#$%)!" 3,6!10!
Wp = Daya pompa (kw) Q = 11,356 m 3 /jam ρ = 1000 kg/m 3 g = 9,81 m/s 2!" = (11,356 )(5 + 1,23 + 2,39 + 61,8)(1000)(9,81) 3,6!10!!" = 2,21!" Tabel 4. Kapasitas pompa Pompa Tinggi H (m) Panjang Pipa (m) Major Loss (m) Minor Loss (m) Equipment (m) Daya Pompa (kw) Pompa Air Panas 1 (1) 0,61 4,37 0,53 0,41 0 0,05 Pompa Air Panas 2 (2) 5 10,22 1,23 2,39 61,8 2,21 Pompa Air Dingin (3) 0,73 53,88 1,65 3,95 0,4 19,96 Pompa Cooling Tower(4) 4,51 23,68 0,73 2,98 6,8 20,61 4.5. Alat Penukar Kalor Alat penukar kalor yang dihitung berupa alat penukar kalor tipe pelat pada sistem penukar kalor antara pipa panas dan pipa dingin, dan menara pendingin pada saluran kondenser watercooled chiller.! = ṁ!"! = 111,9!"/!. 4,199!/!"#. 12 7 = 2349,34!"/! = 2349,34!" (Plate heat exchanger)! = ṁ!"! = 139,27!"/!. 4,199!/!"#. 35 30 = 2910,05!"/! = 2910,05!" (Cooling Tower)
4.5. Panel Surya Panel surya dibutuhkan untuk memanaskan air dengan debit 220,14 gpm atau 50 m 3 /jam. Dengan spesifikasi rata-rata dimana satu set panel surya mempunyai kapasitas debit aliran sebanyak 1,1 gpm, maka dibutuhkan sebanyak 200 buah panel surya. 4.6. Diagram Skematik Tata Letak Gambar 4. Skematik isometri sistem Gambar 5. Skematik isometri sistem 2
Gambar 6. Skematik tampak atas sistem 5. Pembahasan Desain final skema tata letak beserta dengan spesifikasi kebutuhan instrumen penunjang dihasilkan dan disesuaikan dengan spesifikasi kebutuhan pada standar AHRI 551-591. Desain kapasitas dapat berubah sesuai dengan pemilihan tata letak dari instrumen pendukung. Pemilihan jenis instrumen pendukung seperti alat penukar kalor dan pompa dapat menyesuaikan dengan berbagai faktor selama masih memenuhi ketentuan standar. Ketelitian dan akurasi instrumen seperti pengukur temperatur dan pengukur tekanan adalah dasar dari pemilihan instrumen yang langsung diatur dalam standar AHRI 551-591. Sehingga tidak dilakukan pengkajian perhitungan dan sebagainya.
6. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diperoleh adalah sebagai berikut : A. Debit maksimum air dingin adalah sebesar 1773,6 gpm atau 402,83 m 3 /jam yaitu terjadi apabila menjalankan uji kinerja water-cooled chiller dengan kapasitas 739 TR. B. Bak penampungan air dibuat dua buah dengan kapasitas masing-masing untuk air dingin sebesar 20,14!! dan air panas sebesar 5!!. C. Pompa yang digunakan adalah jenis inverter terdiri dari empat buah dengan kebutuhan daya masing-masing sebesar 0,05!", 2,21kW 19,96kW, 20,61 kw dengan spesifikasi temperatur kerja sampai dengan 80 0 C. D. Jumlah solar panel didasarkan kepada jumlah aliran yang dibutuhkan dengan dibagi kemampuan laju aliran per solar panel dan didapatkan jumlah total kebutuhan sebanyak 200 unit. E. Heat exchanger dipilih jenis plat dengan kapasitas sebesar aliran air 1773,6 gpm dan 2349 kw. F. Menara pendingin dipilih berdasarkan kapasitas 2910,05!" dan dapat mengalirkan 2217 gpm. 7. Saran A. Untuk memperoleh data yang benar-benar aktual, hendaknya menggunakan instrument data akuisisi pada peralatan pengujian. B. Optimasi sistem dapat dikembangkan lebih lanjut untuk mendapatkan efisiensi sistem yang lebih baik. C. Optimasi bisa meliputi desain tata letak, pemilihan instrumen dan desain kapasitas penunjang. 8. Daftar Referensi Books: ASHRAE Handbook, (2005). Fundamentals. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta.
ASHRAE Handbook, (2008). HVAC Sistem and Equipment. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta. Munson, Bruce R., Donald F. Young., Theodore H. Okiishi. (2002). Fundamental of Fluid Mechanics Fourth Edition. USA Kavanaugh, Stephen P. (2006). HVAC Simplified. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta. Journal Article: Awwaluddin, Muhammad., Puji Santosa., Suwardiyono. (2012). Perhitungan Kebutuhan Cooling Tower Pada Rancang Bangun Untai Uji Sistem Kendali Reaktor Riset. BATAN. 1411-0296. Document: ANSI/ASHRAE Standard 134-2005, (2005). Graphic Symbols for Heating, Ventilating, Air-Conditioning, and Refrigerating Systems. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers Inc., Atalanta. Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia. (2006). United Nations Environment Programme. McQuay International, (2000). Aplication Guide AG 31-002. McQuay., USA Trane. (1999). Centrifugal Water Chillers (TRC010EN.PPT). American Standard Inc., USA