BAB III PERANCANGAN SISTEM

BAB III PERANCANGAN SISTEM 3.1 Batasan Rancangan Untuk rancang bangun ulang sistem refrigerasi cascade ini sebagai acuan digunakan data perancangan pada eksperiment sebelumnya. Hal ini dikarenakan agar dapat membandingkan secara langsung kelebihan dari sistem yang sekarang dibuat dan sistem sebelumnya, baik dari segi temperatur, waktu, efisiennya. Temperatur rancangan kondensasi pada sisi tekanan tinggi 40 C, dengan temperatur rancangan evaporasi -30 C. sedangkan temperatur rancangan kondensasi pada sisi tekanan rendah 30 C, dengan temperatur rancangan evaporasi -40 C, untuk temperatur rancangan kabin -36 C pada kondisi temperatur lingkungan sebesar 27 C. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 3.1 Tabel 3.1 Data Perancangan No Data Temperatur 1 Temperatur kondensasi R-22 40 C 2 Temperatur Evaporasi R-22-10 C 3 Temperatur Kondensasi R-404a 30 C 4 Temperatur Evaporasi R-404a -40 C 5 Temperatur Kabin -36 C 6 Temperatur Lingkungan 27 C Laporan Tugas Akhir 22

3.2 Perhitungan Beban Kabin Dinding Kabin Porselin Polyuretan Porselin Gambar 3.1 Kabin dan Komposisi Dinding Kabin Kabin yang digunakan mempunyai dimensi 50cm x 31cm x 37cm dengan komposisi dinding kabin Porselin dan polyurethane. Nilai untuk masing masing komposisi dapat dilihat pada table 3.2 Tabel 3.2 Komposisi Dinding Kabin Bahan Tebal Nilai Konduktifitas Thermal Porselin 0.25 cm 1.5 W/m K Polyuretane 2.00 cm 0.025 W/m K Porselin 0.25 cm 1.5 W/m K Fo - 22.7 W/m K Fi - 9.37 W/m K Laporan Tugas Akhir 23

Sehingga dapat dihitung beban pendinginan pada kabin : = R R = + + + + R = + + + + R = 0.95411 U = = 1.04 W/m² K Luas permukaan luar (dinding, atap dan lantai) A = 2 (p x l) + 2(p x t) + 2( l x t) A = 2 ( 0.5 x 0.31) + 2( 0.5 x 0.37) + 2(0.31 x 0.37) A = 0.9 m² T = T Lingkungn T Kabin T = (27 +273) (-36+273) T = 63 K Q dinding = U x A x T Q dinding = ( 1.04 x 0.9 x 63 ) Q dinding = 58.9 W = 0.0589 kw Perhitungan beban didalam kabin Q beban = 0.001 kw Beban Kipas evaporator, dari nameplate : 30 Watt Q kipas = 0.03 kw Laporan Tugas Akhir 24

Q total = Q dinding + Q beban + Q kipas = 0.0589 kw + 0.001 kw + 0.03 kw = 0.0899 kw = 0.09 kw 3.3 Diagram Pemipaan dan Cara Kerja Sistem Sight Filter Dryer Glass Kondensor Alat Ekspansi Kompresor high Stage Intercooler Sight Glass Filter Dryer Pre Cooling Alat Ekspansi Evaporator Kompresor Low Stage Accumulator Gambar 3.2 Diagram Pemipaan Sistem Refrigerasi Cascade Laporan Tugas Akhir 25

Cara kerja sistem pada sisi tekanan tinggi Refrigeran berfasa gas masuk ke dalam kompresor, di dalam kompresor akan terjadi proses kompresi sehingga tekanan dan temperature refrigeran akan naik. Refrigeran bertekanan tinggi akan masuk ke kondensor, di dalam kondensor terjadi proses pelepasan kalor ke lingkungan, karena sejumlah kalor di buang oleh refrigeran sehingga refrigeran akan berubah dari fasa gas menjadi cair. Refrigeran cair dengan tekanan tinggi dan temperatur yang tidak begitu tinggi dari kondensor, kemudian akan masuk ke dalam pipa kapiler, didalam pipa kapiler terjadi proses ekspansi sehingga tekanan refrigeran akan turun yang diikuti oleh temperatur refrigeran. Refrigeran bertekanan rendah dan bertemperatur dingin akan masuk kedalam intercooler untuk menyerap panas dari kondensor pada sisi tekanan rendah. Refrigeran menyerap panas kondensor sisi tekanan rendah akan berubah fasa menjadi gas. Refrigeran bertekanan rendah berfasa uap akan masuk kembali ke kompresor untuk dikompresi, dan bersirkulasi terus menerus. Cara Kerja sistem pada sisi tekanan rendah Pada sisi tekanan rendah, cara kerja sistem hampir sama dengan sisi tekanan tinggi. Refrigeran berfasa uap masuk ke dalam kompresor, di dalam kompresor akan terjadi proses kompresi sehingga tekanan dan temperature refrigeran akan naik, refrigeran dari kompresor tersebut akan masuk ke dalam intercooler untuk didinginkan oleh evaporator pada sisi tekanan tinggi. Refrigeran keluar dari intercooler berfasa cair yang bertemperatur lebih rendah dari lingkungan sehingga pipa liquid harus terisolasi dari lingkungan. Kemudian refrigeran akan masuk ke dalam pipa kapiler, di dalam pipa kapiler terjadi proses ekspansi sehingga tekanan refrigeran akan turun diikuti oleh temperatur refrigerant. Refrigeran bertemperatur rendah akan masuk ke evaporator untuk menyerap panas dari kabin yang akan didinginkan, karena refrigerant menyerap kalor refrigeran akan berubah fasa menjadi gas. Refrigeran tekanan rendah berfasa gas akan masuk kembali kedalam kompresor untuk dikompresi, dan bersirkulasi terus menerus Laporan Tugas Akhir 26

Intercooler Intercooler berfungsi sebagai penukar kalor pada kedua sistem. Pada sistem refrigerasi ini, intercooler yang dipakai adalah jenis flooded, dimana refrigeran bertemperatur rendah akan membanjiri bagian dalam intercooler dan pipa kondensor pada sisi tekanan tinggi akan membentuk coil di dalam tabung intercooler sehingga proses pertukaran kalor akan terjadi. Gambar 3.3 akan menjelaskan bagian bagian dari intercooler. Gambar 3.3 Intercooler Cara Kerja Intercooler Refrigeran cair dari sisi tekanan tinggi akan masuk ke dalam intercooler dan membanjiri bagian dalan tabung intercooler sehingga pada bagian dalam tabung intercooler akan menjadi dingin. Sedangkan pada sisi tekanan tinggi, refrigeran bertekanan tinggi dari kompresor akan masuk melalui koil di dalam Laporan Tugas Akhir 27

tabung dan membuang panas ke bagian dalam tabung. Karena menerima kalor dari refrigeran di dalam koil, refrigeran cair yang berada di dalam tabung akan menguap dan terhisap masuk ke dalam kompresor. 7 6 8 5 Gambar 3.4 Rancangan Diagram P-h R-404a Dari diagram P-h R-404a didapatkan nilai : h5 = 344.20 kj/kg h7 = 245.97 kj/kg h6= 392.32 kj/kg h8 = 245.97 kj/kg ṁ = Qe / qe ṁ = 0.09 kj/s / (344.2 245.9) = 0.069kJ/s / 98.3 kj/kg = 0.00091 kg/s Dari persamaan diatas di dapat nilai laju aliran massa refrigeran 9.1 x 10-4 kg/s Qk = 0.00091 (392.32 245.97 ) = 0.00091 (146.35) = 0.133 kj/s Qk R404a = Qe R22 = 0.133 kj/s Laporan Tugas Akhir 28

Diagram P-h R-22 3 2 4 1 Dari diagram P-h R-22 didapatkan nilai : Gambar 3.5 Rancangan Diagram P-h R-22 h1 = 401.9 kj/kg h2 = 438.7 kj/kg h3 = 249.6 kj/kg h4 = 249.6 kj/kg Menghitung laju aliran refrigeran ṁ = Qe / qe ṁ = 0.133 kj/s / (401.9 249.6) = 0.133 kj/s / 152.3 kj/kg = 0.00087 kg/s Sehingga didapat laju aliran refrigeran sebesar 8.7 x 10-4 kg/s Berdasarkan persamaan COP R,cascade Q W L net,in m A ( h 2 m B( h5 h8 ) h ) m ( h 1 B 6 h ) 5 Laporan Tugas Akhir 29

Dapat dihitung COP refrigerasi COP r = 1.186 = 1.2 Dari temperatur rancangan dapat dihitung COP carnot dari sistem refrigerasi cascade tersebut COP carnot = 2.91 Dari kedua COP tersebut dapat dihitung efisiensi dari sistem refrigerasi cascade tersebut x 100% ɳ = 41 % x 100% Laporan Tugas Akhir 30

3.4 Diagram Kelistrikan dan Cara Kerja Kontrol Kelistrikan Kompresor 1 MCB 1 R C OL L MCB 2 K S Fan A Kompresor 2 T K TDR R S C OL K TDR R R V N Gambar 3.6 Diagram Kelistrikan Sistem Refrigerasi Cascade Cara kerja control kelistrikan Kedua MCB dihidupkan pada posisi ON, kemudian thermostat yang juga sebagai switch dihidupkan. Arus akan mengalir dan mengenergize kontaktor sehingga kontak pada kontaktor yang awalnya terbuka (NO) akan tertutup, kompresor 1 (sisi tinggi) akan mulai beroperasi. Kontak lain pada kontaktor mengenergize TDR sehingga TDR akan beroperasi. Lima menit kemudian kontak TDR yang awalnya terbuka (NO) akan menutup dan mengenergize Relay sehingga kontak pada relay yang awalnya terbuka (NO) akan tertutup dan kompresor 2 (sisi rendah) mulai beroperasi yang dapat diindikasikan oleh lampu indikator. Laporan Tugas Akhir 31

3.5 Pemilihan Komponen Setelah mendapatkan nilai beban total dari produk atau kabin dari perhitungan, maka langkah selanjutnya adalah pemilihan komponen sistem refrigerasi. Pada pemilihan komponen pada sistem cascade ini menyamakan dengan pemilihan pada eksperiment sebelumnya, hal ini karena masih ada sebagian komponen yang menggunakan komponen tersebut dan nilai dari beban total tidak jauh berbeda, dan masih dapat teratasi oleh komponen tersebut. 3.5.1 Kompresor Untuk pemilihan kompresor menggunakan kompresor dari eksperiment sebelumnya dengan berdasarkan nilai dari perhitungan beban total yang didapat dari beban kabin dan kipas evaporatornya masih dibawah nilai dari kapasitas komponen pada eksperiment sebelumnya, selain itu pada eksperiment ini nilai dari temperatur evaporasi dan kondensasinya sama, yaitu -40 C untuk temperature evaporasinya dan 30 C temperatur kondensasinya dengan refrigeran 404a. maka digunakanlah kompresor tipe AE 4ZG12-35dengan spesifikasi sebagai berikut. Kompresor pada sisi tekanan rendah Merk Kirby Type AE 4ZG12-35 Cooling Capacity 210 Watt Refrigeran R404a/R507 RLA 1.7 A Volt 220 Frekuensi 50 Hz Untuk pemilihan komponen pada sisi tekanan tinggi, yaitu untuk mengatasi kapasitas kondensor pada sisi rendah, maka digunakan kompresor yang memiliki kapasitas lebih besar, pemilihan tersebut bisa dianggap 4/3 dari nilai kapasitas pendinginan sisi rendah, yaitu sebesar 280 Watt dengan temperatur Kondensasi 40 C dan temperatur evaporasi -10 C, digunakanlah Laporan Tugas Akhir 32

kompresor tipe AE 4430-EK yang sama dengan eksperiment sebelumnya dengan spesifikasi sebagai berikut. Kompresor pada sisi tekanan tinggi Merk Type Kulthorn-Kirby AE 4330-EK Cooling Capacity 327 Watt Refrigeran R22 RLA 2.3 A Volt 220 Frekuensi 50 Hz 3.5.2 Kondensor Kondensor yang dipakai pada sistem ini adalah jenis kondensor finned coil dengan kapasitas 1/6 PK sebanyak 2 buah yang dipasang seri biasa dipakai pada freezer berbahan tembaga. 3.5.3 Evaporator Evaporator yang dipakai adalah jenis evaporator finned coil dengan kapasitas pendinginan ¼ PK yang biasa dipakai pada freezer, yang berbahan aluminium. 3.5.4 Intercooler Intercooler pada eksperiment ini menggunakan tabung dengan diameter dalam 14 cm dan tinggi 25 cm. Pipa pada bagian sisi tekanan tinggi menggunakan pipa dengan diameter dalam berukuran 3/8 inch dan pipa yang dibentuk koil untuk sisi tekanan rendah menggunakan pipa berdiameter dalam 5/16 inch dengan panjang 4.3 meter. Persamaan-persamaan yang digunakan untuk menghitung panjang pipa kondensor didalam intercooler adalah persamaan untuk perpindahan kalor jenis konveksi bebas. Laporan Tugas Akhir 33

Pada kondensor terjadi perpindahan energy antara permukaan pipa yang memiliki temperatur sama dengan refrigeran didalamnya dengan lapisan film antara dengan udara didalam lingkungan. Untuk menentukan panjang pipa kondensor, diketahui data sebagai berikut: ETD (Kondenser Temperature Different) = 3 K D (Diameter Pipa Kondensor) luar = 9,525 x 10-3 m D (Diameter Pipa Kondensor) dalam = 6,76 x 10-3 m Langkah berikutnya didapat kalor konveksi paksa refrigeran r404a persamaan yang digunakan untuk menentukan nilai koefisien perpindahan kalor pada R-404a, yaitu : Gambar 3.7 Sifat-Sifat Refrigeran (Software Coolpack) Sifat-sifat Refrigeran pada temperatur 10 C. ρ = 1019 μ = 1.17x10-4 = = Laporan Tugas Akhir 34

Cp = 1.529 k = 0.0663 Diketahui pada sifat - sifat refrigeran terdapat nilai viskositas dengan demikian dapat dicari nilai Luas penampang (A) dan kecepatan refrigeran. Dengan diketahui diameter pipa kondensor, maka dapat dihitung luas penampangnya adalah: m 2 Kemudian mencari kecepatan, dengan memasukan pada rumus ṁ = didapat dari perhitungan perancangan, yaitu 9.1 x 10-4 kg/s ṁ = = 0,024 m/s Maka dengan data diatas langkah selanjutnya adalah dengan mencari bilangan Reynold yaitu : Bilangan Prandelt didapat dari rumus : Pr = = = 2.9 x 10-3 Laporan Tugas Akhir 35

Dengan mengetahui bilangan Reynolds, maka diperoleh C dan nilai n, yang didapat dari table yang dapat dilihat pada table berikut: Tabel 3.3 Nilai Konstanta Reynold Re C N 0,4 4 0,989 4 40 0,911 40 4000 0,683 4000 40000 0,193 40000 400000 0,0266 0,330 0,385 0,466 0,618 0,805 Berdasarkan tabel diatas maka diperoleh nilai konstanta C dan n sebesar : C = 0,683 dan n = 0,466 Setelah itu dapat diketahui bilangan nusselt dari aliran fluida menyilang silinder untuk konveksi paksa. Dari bilangan Nusselt yang diperoleh maka harga koefisien perpindahan kalor dapat dihitung dengan persamaan : W/m 2. ºC Dengan: h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m 2. ºC) N u k d = bilangan nusselt = konduktivitas termal (W/m. ºC) = diameter pipa (m) Laporan Tugas Akhir 36

Kemudian menghitung beban dari kondensor, yang didapat dari perhitungan perencanaan sistem dengan cara : Q kondensor 404a = ṁ (h2 h3) = (392.32 245.97) = 0.133 kwatt Maka rumus untuk menentukan panjang pipa adalah: U = 1 / R = = = = 14.28 Q = U x A x T L = 133 / (14.28 x 2 x 3.14 x 0.004765 x L x 40) L = 7.78 m Dimana: L = Panjang pipa kondensor (m) Q e = Kapasitas kondensor (watt) h o = Koefisien perpindahan kalor ( udara h i = Koefisien perpindahan kalor ( refrigeran π = phi (3,14) d o = Diameter pipa kondensor (m) luar d i = Diameter pipa kondensor (m) dalam ΔT = T s T w (K) Jadi panjang rancangan untuk pipa kondensor didalam intercooler 7.78 meter. Pada eksperiment sebelumnya panjang pipa kondensor didalam intercooler hanya 4.15 meter. Namun pada perhitungan didapat panjangnya Laporan Tugas Akhir 37

7.78 meter, karena alasan itercooler yang susah untuk dibongkar untuk itu pada eksperiment ini menggunakan precooler sebelum masuk ke dalam intercooler. Panjang precooler dapat dihitung dari nilai perhitungan dikurangi panjang pipa yang sudah ada didalam intercooler, yaitu: 7.78 meter 4.15 meter = 3.63 meter. 3.5.5 Pipa Kapiler Untuk pemilihan pipa kapiler menggunakan panjang dan diameter seperti eksperiment sebelumnya, yang didapat dari perhitungan berikut. Gambar 3.8 Perhitungan Pipa Kapiler R-404a Berdasarkan software DanCap (Gambar 4.2)pada temperatur kondensasi 30 C dan temperatur evaporasi -40 C diperoleh panjang pipa kapiler 0.52 m pada ukuran diameter dalam pipa 0.028 inch. Laporan Tugas Akhir 38

Sedangkan untuk sisi tekanan tinggi dapat dilihat sebagai berikut. Gambar 3.9 Perhitungan Pipa Kapiler R-22 Berdasarkan software DanCap pada temperatur kondensasi 40 C dan temperatur evaporasi -10 C diperoleh panjang pipa kapiler 0.65 m pada ukuran diameter dalam pipa 0.028 inch Laporan Tugas Akhir 39