KAJIAN APLIKASI EFEK PENDINGIN TANAH (GROUNDCOOLING) UNTUK MENGOPTIMASI SIKLUS KOMPRESI UAP PADA PENGKONDISIAN UDARA SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DEFRIANDRY DINATA SIREGAR NIM. 070401013 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-nyalah penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini yang berjudul KAJIAN APLIKASI EFEK PENDINGIN TANAH (GROUNDCOOLING) UNTUK MENGOPTIMASI SIKLUS KOMPRESI UAP PADA PENGKONDISIAN UDARA. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do a dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1. BapakDr. Eng. Himsar Ambarita ST., MT. selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST., MT. Selaku dosen pembanding I dan II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 3. BapakDr.Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuriselaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera. 5. Kedua orang tua penulis, Ir. H. Supriadi Adam Siregar dan Dra. Hj. Samsinar yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
7. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku kepala laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin beserta para staf dan laboranbang Atin, Bang Alfian dan Andre. 8. Seluruh adik-adik penulis, Hilda Mayestika Siregar, Rifqi Fadhlillah Siregar, dan Shafa Yasmin Fazilla Siregar yang selalu saling membantu demi mencapai cita-cita. 9. Rekan-rekan satu tim kerja, Lobeny Markus Hezekiel Sinaga, Marco Susanto, dan Satria yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan kritik 10. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2007 khususnya Khairul Walad Sipahutar, Masniarman, dan Palvis Syafri yang telah bersama-sama penulis melewati masa kerja praktek di PT. Semen Padang. 11. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang tidak mungkin untuk disebutkan satu persatu dan terkhusus kepada Ecia Meilonna Koka, SKM. yang selalu mengingatkan serta siap membantu penulis. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih Medan, November 2011 Defriandry Dinata Siregar
ABSTRAK Dampak pemanasan global sudah semakin terasa, oleh sebab itu sudah seharusnya kita mulai memanfaatkan sumber energi yang terbaharukan dan berkelanjutan. Salah satunya adalah memanfaatkan efek pendingin tanah (groundcooling) untuk mengoptimasi siklus kompresi uap pada pengkondisian udara. Potensi groundcooling ini diperoleh dengan mengukur temperatur tanah, menganalisanya secara analitik dan mensimulasikannya secara numerik sebagai validasi dengan menggunakan solver CFD. Hasil yang diperoleh pada tugas akhir ini adalah temperatur tanah bersifat konstan dan dapat mencapai 25 pada kedalaman tertentu. Jika potensi ini dimanfaatkan untuk menurunkan temperatur kondensasi pada kondensor maka dapat meningkatkan efek refrigerasi siklus sebesar 14,01%, menurunkan kerja kompresor sebesar 23,12% sehingga dapat meningkatkan COP siklus hingga 48,5%. Potensi groundcooling ini juga dapat dimanfaatkan sebagai media pendingin kondensor oleh air tanah sehingga kebutuhan luas penampang pipa minimum dan panjang pipa sebagai dimensi utama sebuah kondensor dapat berkurang sebesar 72,52%. Kenyataan ini tentunya dapat mengurangi kebutuhan energi listrik yang diperlukan pada kompresor dan biaya produksi per unit sebuah kondensor. Kata Kunci : Groundcooling, Siklus Kompresi Uap, CFD
ABSTRACT The impactof globalwarmingareincreasingly felt, thereforeweshouldbegin forusingof renewableandsustainable energy sources. One isutilizingthe coolingeffect ofthe ground(groundcooling) tooptimize thevaporcompressioncycleinairconditioning. Groundcoolingpotentialis obtainedby measuringthe temperature ofthe ground, analytically analyzedandnumericallysimulationas thevalidationby using thecfdsolver. The results obtainedinthis thesisis thegroundtemperatureis constantandcanreach 25 Cat certain depths. Ifthis potential isexplored toreducecondensation on thecondensertemperaturecan increase theeffects ofrefrigerationcycleof14.01%, decreasing up to23.12% compressor workso as toincrease thecopof the cycle up to48.5%. Groundcoolingpotentialcan also beused as acooling mediumcondenserbyground waterthatneedsa minimumpipecross-sectional areaandlength ofpipeas themain dimensions ofacondensercan bereduced up to72.52%. This factcertainlycanreduce the need forelectrical energyrequiredin the compressorand thecostof productionperunit ofa condenser. Keywords: Groundcooling, VaporCompressionCycle, CFD
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR SIMBOL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penelitian... 5 1.2.1 Tujuan Umum... 5 1.2.2 Tujuan Khusus... 6 1.3 Manfaat Penelitian... 7 1.4 Batasan Masalah... 7 1.5 Sistematika Penulisan... 8 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 9 2.1 Pengkondisian Udara dengan Groundcooling... 9 2.2 Sistem Refrigerasi...15 2.2.1 Siklus Kompresi Uap...16 2.2.2 Kondensor dan Analisis Kondensor...19 2.3 Computational Fluid Dinamycs (CFD)...25 2.3.1 Pengertian Umum CFD...26 2.3.2 Penggunaan CFD...27 2.3.3 Manfaat CFD...27 2.3.4 Proses Simulasi CFD...28 2.3.5 Metode Diskritisasi CFD...29 2.4 Pengenalan Software Solver CFD...30 2.4.1 Struktur Program CFD...30 2.4.2 Langkah Penyelesain Masalah dan Perencanaan Analisis CFD...31 2.4.3 Pendekatan Numerik pada CFD...31
2.4.4 Persamaan Pembentuk Aliran...32 2.4.5 Metode Diskritisasi pada CFD...36 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...38 3.1 Alat dan Bahan yang Digunakan...38 3.1.1 Alat...38 3.1.2 Bahan...40 3.2 Variabel Riset...40 3.3 Set-up Pengujian...40 BAB IV ANALISA DATA...43 4.1 Data Hasil Pengukuran...43 4.1.1 Pengukuran Temperatur Udara Harian, Kecepatan Angin, Radiasi Surya dan Relative Humadity (RH) Udara...43 4.1.2 Pengukuran Temperatur Tanah...45 4.1.3 Pengukuran Temperatur Ruangan...47 4.2 Analisa Potensi Groundcooling pada Siklus Kompresi Uap...49 4.2.1 Pengaruh Perubahan Temperatur Kondensasi Terhadap Efek Refrigerasi, Kerja Kompresor, dan COP Siklus...51 4.2.2 Pengaruh Perubahan Temperatur Air Pendingin yang Masuk Terhadap Dimensi Kondensor...55 4.3 Pembuatan Program Perhitungan Analitik...62 4.3.1 Model Sifat Termodinamika dan Termofisika...62 4.3.2 Pemrograman Perhitungan Termodinamika Refrigeran R-134a pada Siklus Kompresi Uap...65 4.3.3 Pemrograman Perhitungan Panjang Minimum Pipa Kondensor Berpendingin Air...67 4.4 Validasi Perhitungan Analitik Dengan Perangkat Lunak CFD...70 4.4.1 Pembuatan Model dan Meshing Model...71 4.4.2 Simulasi Numerik Menggunakan Solver CFD...74 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...79 5.1 Kesimpulan...79 5.2 Saran...79 DAFTAR PUSTAKA...80 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Temperatur netral/nyaman dari berbagai etnis di Indonesia...14 Tabel 2.2 Perbandingan Kondensor Berpendingin Udara dan Air...21 Tabel 4.1 Pengukuran cuaca tanggal 28 Juli 2011...43 Tabel 4.2 Temperatur tanah tanggal 15 September 2011...45 Tabel 4.3 Temperatur ruangan pada masing-masing titik...47 Tabel 4.4 Pengaruh perubahan T k pada q e, q k, w c, dan COP...53 Tabel 4.5 Luas Permukaan Minimum Pipa Kondensor...59 Tabel 4.6 Pengaruh Penurunan T wi terhadap L...61
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Sistem GWHP... 9 Gambar 2.2 Variasi Level Beban Thermal Bulanan... 10 Gambar 2.3 Objek Bangunan yang Diteliti... 11 Gambar 2.4 Temperatur Ruangan Selama Musim Panas pada Bulan Mei Hingga September... 11 Gambar 2.5 EAHE yang ditanam pada kedalaman 2 m... 12 Gambar 2.6 Jumlah waktu efektif penggunaan EAHE... 12 Gambar 2.7 Skema EAHE di Daerah Perbukitan... 13 Gambar 2.8 Sistem Konvensional Siklus Kompresi Uap... 16 Gambar 2.9 Skema diagram p-h siklus kompresi uap... 16 Gambar 2.10 Jenis pendingin kondensor... 21 Gambar 2.11 Kondensor jenis shell and tube... 22 Gambar 2.12 Profil temperatur pada kondensor... 22 Gambar 2.13 Alur Penyelesaian Masalah CFD (Problem Solving)... 31 Gambar 2.14 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... 33 Gambar 2.15 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi... 33 Gambar 2.16 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x... 34 Gambar 2.17 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen... 35 Gambar 2.18 Volume kontrol satu dimensi... 37 Gambar 3.1 Hobo Micro Station Data Logger... 38 Gambar 3.2 Agilent dengan termokopel tipe T dan K... 39 Gambar 3.3 Pengambilan data temperatur tanah... 41 Gambar 3.4 Pengambilan data temperatur ruangan... 41 Gambar 3.5 Diagram Alir Proses Pengerjaan Tugas Akhir... 42 Gambar 4.1 Temperatur udara harian... 44 Gambar 4.2 Temperatur tanah... 46 Gambar 4.3 Distribusi titik pengukuran temperatur... 47
Gambar 4.4 Temperatur ruangan rata-rata... 48 Gambar 4.5 Temperatur maksimum masing-masing objek... 49 Gambar 4.6 Model siklus kompresi uap berpendingin air tanah (groundcooling)... 50 Gambar 4.7 Model Kondensor... 50 Gambar 4.8 Diagram p-h... 52 Gambar 4.9 Pengaruh perubahan temperatur kondensasi... 54 Gambar 4.10 Pengaruh Penurunan T wi terhadap L... 62 Gambar 4.11 Diagram Alir Perhitungan Termodinamika Refrigeran R-134a... 66 Gambar 4.12 Tampilan Program Perhitungan Termodinamika R-134a... 67 Gambar 4.13 Diagram Alir Menghitung Panjang Minimum Pipa Kondensor... 69 Gambar 4.14 Tampilan Program Perhitungan Panjang Minimum Pipa Kondensor... 70 Gambar 4.15 Hasil Perhitungan Program Analitik... 72 Gambar 4.16 Skema Model Pipa... 72 Gambar 4.17 Model 3 Dimensi... 73 Gambar 4.18 Meshing Model... 73 Gambar 4.19 Profil Temperatur Air Keluaran Kondensor (T wo )... 75 Gambar 4.20 Profil Temperatur Air Masuk dan Keluar Kondensor... 76 Gambar 4.21 Profil Kecepatan... 77 Gambar 4.22 Profil Temperatur... 78 Gambar 4.23 Perbandingan Kedua Metode... 78
DAFTAR SIMBOL Huruf Latin Simbol Keterangan Satuan A Luas penampang sisi masuk pipa m 2 A o Luas penampang selubung luar pipa m 2 COP Coefficient of Performance - c p Kalor jenis air kj/(kg.k) d i Diameter dalam pipa m d o Diameter luar pipa m g Percepatan gravitasi m/s 2 h 1 Entalpi refrigeran masuk kompresor kj/kg h 2 Entalpi refrigeran keluar kompresor kj/kg h 3 Entalpi refrigeran keluar kondensor kj/kg h 4 Entalpi refrigeran masuk evaporator kj/kg h fg Entalpi perubahan fasa refrigeran kj/kg h i Koefisien konveksi permukaan bagian dalam pipa W/(m 2 K) h o Koefisien konveksi permukaan bagian luar pipa W/(m 2 K) k f Konduktifitas termal refrigeran W/(mK) k m Konduktifitas termal bahan pipa W/(mK) k w Konduktifitas termal air W/(mK) L Panjang pipa m LMTD Log Mean Temperature Difference M Jumlah kolom - Laju aliran massa refrigeran kg/s Laju aliran massa air kg/s N Jumlah pipa kondensor tiap baris - Pr Bilangan Prandtl - Q e Panas yang diserap evaporator kw Q k Panas dilepas di kondensor kw Q r Laju perpindahan panas refrigeran kw Q w Laju perpindahan panas air kw
Re Bilangan Reynold - R f i Tahanan thermal akibat kerak bagian dalam pipa (m 2. )/W R fo Tahanan thermal akibat kerak bagian luar pipa (m 2. )/W s g Entropi uap jenuh kj/(kg.k) s l Entropi cair jenuh kj/(kg.k) T e T f T k T s T w,i T w,o Temperatur evaporasi Temperatur film Temperatur kondensasi Temperatur permukaan pipa rata-rata Temperatur air masuk kondensor Temperatur air keluar kondensor U o Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/(m 2 K) v Kecepatan rata-rata fluida m/s W c Kerja kompresor kw Huruf Yunani Simbol Keterangan Satuan T Perbedaan temperatur ρ f Massa jenis refrigeran kg/m 3 ρ w Massa jenis air kg/m 3 μ f Viskositas absolut refrigeran Pa.s μ w Viskositas absolut air Pa.s ƞ Efisiensi isentropis -