perencanaan beban pendingin pada pesawat n250

PRESENTED BY:Amirin Jurusan Teknik MesinFakultas Sains dan teknologi

Latar BelakangKeamanan & Kenyamanan merupakan faktor penting dlm sistem pengkondisian udara khususnya pada pesawat terbang, Dengan semakin bertambahnya ketinggian jelajah(Altitude) pesawat maka tekanan & suhu disekitar pesawat akan semakin rendah, sehingga diperlukan sistem refrigerasi yg memenuhi syarat untuk kondisi pada ketinggian sea level dan tinggi jelajah maksimum

Semakin majunya teknologi masa kini penggunaan refrigeran cair pada pesawat dirasa kurang efisien dan tidak ekonomis, untuk itu digunakanlah udara luar sbgai medium penukar kalor

Agar distribusi udara dapat dipertahankan sesuai dengan kondisi yang diinginkan maka dilakukan

analisa perpindahan kalor pd kabin pesawat & lingkungan sekitarnya sehingga diperoleh beban

kalor pemanasan dan pendinginan

Tujuan PenulisanMengetahui cara kerja mesin refrigerasi pada

pesawat terbang dgn menggunakan refrigeran udara bebas sebagai medium penukar kalor, serta menerangkan langkah2 & poin perhitungan pd sistem berdasar faktor2 yg mempengaruhinya

Mengkaji secara teoritis proses perpindahan panas & proses termodinamika pada sistem pengkondisian udara untuk pesawat terbang

Merencanakan sistem pengkondisian udara pada kabin pesawat terbang N250-100

Batasan masalah1. Perhitungan beban pendingin dan

perpindahan panas hanya terjadi dalam kabin pesawat.

2. Membahas cara kerja dari mesin pendingin siklus udara pada pesawat terbang

3. Menghitung besarnya beban pendingin dan pemanasan dalam kabin penumpang

4. Menghitung performa yang dilakukan mesin pendingin tersebut

5. Perhitungan dibatasi hanya pada kondisi kritis yaitu pada kondisi cuaca panas (hot day)

Berdasarkan medium penukar kalornya sistem refrigerasi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu:

1. Vapor Compresion cycle; yaitu sistem yang menggunakan zat cair sebagai medium pendingin

2. Air Cycle Refrigeration; yaitu sistem yang menggunakan udara sebagai medium pendingin

Jenis Sistem Refrigerasi

Keuntungan menggunakan refrigerasi siklus udara

Dgn udara sbg fluida kerja, maka tak diperlukan biaya untuk refrigeran karena diambil langsung dari atmosfir

Refrigeran udara lebih ringan dibanding dgn sistem pendingin lainya, misalnya water cooling.

Pengendalian tekanan kabin dan pengkondisian udara dapat dikombinasikan dalam satu operasi

Kompresi utama dari mesin digunakan juga dalam siklus udara ini, sehingga menghemat tempat

Desain lebih sederhana & perawatannya lebih mudah Keuntungan untuk pesawat kecepatan tinggi dalam

mendapatkan udara luar, diperoleh udara bertekanan sehingga membantu kerja kompresor

Sistem refrigerasi udara pada pesawat

1.Sistem sederhana

Sistem refrigerasi udara pada pesawat

2.Sistem Bootstrap

Sistem refrigerasi udara pada pesawat

3.Sistem pendinginan regenerasi

Sistem refrigerasi udara pada pesawat

4.Sistem pengalihan udara luar

Pesawat N250-100 menggunakan sistem Bootstrap three wheel

Spesifikasi pesawat N250-100Dimensi Kondisi Jumlah Satuan

Badan Pesawat

Bentang Sayap 28 (91,86) m (ft)

Tinggi total 8.78 (28,81)m (ft)

Panjang total 28.12 (92,36)m (ft)

Kabin

Jari-jari dalam 1.370 (4,5)m (ft)

Panjang 16.1 (52,82)m (ft)

Lebar Lantai 2.4 (7,874)m (ft))

Jumlah Kaca 45

Performa

Ketinggian (Altitude) 9144 (30000) m (ft)

Kecepatan 557 (330) ft/s (knots)

Jumlah Penumpang 65 Orang

Awak (pelayan)

Awak (kru MEM)

2

3

Orang

Orang

Lainnya TurboProp AE2100 2 x 2439 KW

Kondisi Perancangan

Temperatur (DB) = 70oF RH = 55% Tekanan = 14,7 psi Cuaca indonesia dominan panas, maka dirancang pada

kondisi kritis cuaca panas (hot day) yaitu =a. on the ground; terjadi beban max untuk proses pendinginan/cooling krn suhu udara luar yang tinggi dan penyinaran langsung dari sinar matahari yg

terus menerus shg kalor masuk ke dalam ruangan.

b. In flight; terjadi pada ketinggian max 30000 ft & kecepatan max 330 knot (0.56 Mach), kondisi ini

udara luar dibawah 0oC dan suhu ruang kabin jauh lebih tinggi sehingga terjadi aliran kalor keluar

ruangan

Persamaan dasar Beban PendinginBeban kalor melalui dinding kabin, lantai dan frame

Beban kalor dari manusia

Beban kalor elektrik

Beban kalor karena radiasi melalui dinding kaca

hikx

ho

U

n

n 1.....

11

apml

apms

NNq

NNq

.300.100

.350.300

Wattxqeb 415,3

gsng AGq .....

Perhitungan komponen Utama & ductingTemperatur Ram

Tekanan Ram

Efektifitas Heat Exchanger

Daya Kompresor & efisiensi

Daya Turbin pendingin & efisiensi

pco cJg

VTT

...2

2

2

122 .

2

11

M

P

P

o

23

43

TT

TT

45

4'

5

45.

TT

TT

TTcwW

c

pac

45

4'

5

45.

TT

TT

TTcwW

c

pac

Perhitungan komponen Utama & ductingNet cycle work

Kalor yg diserap kabin

COP

CFM

Persamaan dasar ducting

Pressure drop pd saluran

765.. TTTTcwJ

Wocpa

net

77 . TTcwq ocpaoc

JW

qCOP

net

oc

/7

VAQ .

sarm

s

TT

qCFM

1,1

2..12

1097.

Vp

hDLf

f

Kesimpulan 1 Sistem pengkondisian udara pada pesawat N250-100 ini

menggunakan Air Cycle Refrigeration System, karena lebih efisien, baik dari segi berat komponennya maupun dimensi serta konstruksinya dari pada Vapor Compression cycle. Jenis air cycle refrigeration yang digunakan adalah open system dengan jenis bootstrap three wheel.

Kesimpulan 2 Beban kalor pendinginan : - Letak pesawat = di darat RSH = 45802 BTU/h - Ketinggian = 0 ft RLH = 8646,85 BTU/h - Tekanan udara luar = 14,7 psi ERSH = 50384 BTU/h - Kecepatan angin = 22 ft/s ERLH = 9512 BTU/h - Suhu udara luar = 104 0F ERTH = 59896 BTU/h

Beban kalor pendinginan - Letak pesawat = di udara RSH = 43403 BTU/h - Ketinggian = 30000 ft RLH = 8646,85 BTU/h - Tekanan udara luar = 4,3726 psi ERSH = 47744 BTU/h - Kecepatan pesawat = 535,036 ft/s ERLH = 9512 BTU/h - Suhu udara luar = -8,19 0F ERTH = 57256 BTU/h

Kesimpulan 3Dari hasil hasil perhitungan cooling load didapat:

Effective rom total heat sebesar:

= 59896 BTU/h

= 23,866 HP Jumlah total volume udara tiap menitnya yang disuplai:

= 1696 CFM Daya kompresor yang digunakan sebesar:

= 1040,679 BTU/min

= 24,88 HP Daya turbin pendingin untuk satu pack mesin pendingin sebesar:

= 1736,885 BTU/min

= 41,52 HP

Untuk 2 pack mesin pendingin sebesar:

= 83,04 HP

Kesimpulan 4 Dari hasil perhitungan beban pendinginan yang ada

23,866 HP,

jika dibandingkan dengan kapasitas turbin pendingin yang ada yaitu sebesar 83,04 HP, maka mesin pendingin tersebut sesuai dengan beban pendinginan yang ada. Kelebihan daya pada turbin pendingin adalah untuk mensuplai udara ke cargo compartment, fligh compartment, toilet, crew rest, dan untuk keadaan darurat.

Kesimpulan 5 Dengan COP yang rendah, maka untuk memperoleh efek

refrigerasi/beban pendinginan yang sama dengan vapor compression regrigeration diperlukan daya kompresor yang sangat besar tetapi dalam penggunaan refrigerasi udara pada pesawat terbang dapat dimanfaatkan kompresor mesin baik dari turbo jet atau turboprop.

Skema siklus refrigerasi pesawat N250-100

Diagram T-s 1 – 2 : Proses awal udara memasuki sistem melalui difuserPada proses ini terjadi ketika udara dari luar (ambient air temperature) mengalir masuk kedalam sistem pendingin, pada proses ini terjadi kenaikan suhu udara akibat adanya pengaruh kecepatan pesawat.

2 – 3 : Proses pada kompresor mesin (Engine compressor), Disini udara dikompresikan, proses ini terjadi pada entropi konstan (isentropi) tetapi tekanan,suhu dan entalpi naik. Proses ini adalah dilakukan oleh mesin pesawat

3 – 4 : Proses pada primary heat exchanger , Udara mengalami penurunan temperature karena mengalami pertukaran panas, pada proses ini tekanan konstan.

Diagram T-s 4 – 5 : Proses pada kompresor ACM (Air Cycle Machine)Udara mengalami proses kompresi sehingga menimbulkan kenaikan tekanan dan suhu, proses ini dilakukan oleh kompresor pada ACM.

5 – 6 : Proses pada secondary heat exchangerPada proses ini udara mengalami proses penurunan suhu dengan tekanan konstan atau terjadi pada proses isobar.

6 – 7 : Proses pada turbinPada proses ini terjadi ekspansi udara dari secondary heat exchanger oleh turbin sehingga udara mengalami penurudan tekanan dan suhu, sehingga udra dapat didistribusikan menuju kabin.

Ketika dalam keadaan terbang adakalanya udara hasil pengkondisian memiliki temperatur yang terlalu rendah dari yang diharapkan. Untuk mengatasi hal itu maka dilakukan pencampuran dengan udara panas yang diatur oleh beberapa katup yang mengatur terjadinya pencampuran tersebut. Dengan hal begini maka akan diperoleh temperatur seperti yang diinginkan. Adapun katup-katup tersebut adalah :

Katup pencampuran udara (air mix valve)Katup ini akan terbuka untuk meneruskan udara panas dari turbo jet, sehingga dapat dialirkan langsung (bypass) keruang pencampur (mixing chamber)

Katup anti beku (Anti Ice Valve).Katup ini berfungsi untuk melewatkan udara dari heat exchanger langsung menuju water separator, sehingga apabila terjadi gumpalan es pada water separator, dapat segera dicairkan, dan udara dapat melewati water separator dengan baiktanpa penyumbatan

Fly by wire

Symple refrigeration

Two wheel bootstrap

Three wheel bootstrap

Four wheel bootstrap

Cabin pressure

Ram air

The E & E bay overboard exhaust valve (NG)

ACM N250-100

SAE LIST

Siklus n250-100

Supply duct system

KALOR YANG DISERAP KABIN

Duct system

KETENTUAN PERANCANGAN DUCTING PESAWAT

Karena jumlah volume udara yang masuk ke kabin relatif kecil bila kita membandingkan dengan gedung-gedung, maka diperlukan pola kontrol untuk memberikan kenyamanan tanpa mengurangi performasi.

1.Udara yang meninggalkan outlet mempunyai kecepatan lebih dari 2,5 m/s ( 500 ft/min)

2.Setiap penghuni kabin harus cukup udara segar minimum 4,7 L/s per penumpang ( (10 ft3/min)

3.Dibawah kondisi operasi normal dan bahkan setiap kemungkinan terjadinya kesalahan, ventilasi harus di desain untuk menghasilkan setiap penghuni dengan masa aliran udara segar sedikitnya 0.25 kg/min (0,55 lb/min) (

SIKLUS KERJA ON THE GROUND

Pada waktu pesawat berada di darat, udara yang akan dikondisikan didapat darai APU (Auxiliry Power Unit), dimana didalam APU ini udara bertekanan didapat dari kerja kompresor yang kemudian dimasukan ke ruang bakar (combustor chamber). Disini udara bertekanan terbakar oleh busi (ignitor) terhadap bahan bakar yang menyebabkan temperatur naik. Udara panas ini memutar turbin, sehingga menggerakkan beban (generator) yang terletak satu poros. Sebagian udara yang berasal dari kompresor dialirkan kedalam dua pack mesin pendingin (Air Cycle Machine). Aliran udara itu disebut APU Peneumatik bleed Air (udara bertekanan).

Dari APU udara masuk ke kompresor dan dinaikan tekanannya. Pada kompresor, udara yang sudah bertekanan tinggi (bleed air) tersebut masuk kedalam heat exchanger (penukar panas), disini terjadi perpindahaan panas dari udara keluar kompresor ke udara luar luar yang berasal dari putaran fan. Dari heat exchanger, udara masuk ke turbin, disini udara mengalami proses ekspansi sehingga tekanan dan temperaturnya turun. Setelah dari turbin udara mempunyai kelembaban tinggi, oleh karena itu udara disalurkan ke water separator (pemisah cairan). Didalam alat ini terjadi pemisahan uap air yang berlebihan dari udara, sehingga udara mengalami penurunan suhu. Selain itu terjadi pembersihan udara dengan menyaring kotoran yang dikandung. Bentuk alat ini menyerupai kerucut yang didalamnya terdapat semacam saringan (filter). Inilah akhir dari proses pendinginan yang selanjutnya didistribusikan ke kabin penumpang.

Bleed port

Water separator

APU on the ground

APU

Hasil Commisioning

Hasil Commisioning2

Temperature conversion

Definisi bootstrap

Dimana :

T 0F = 9/5(T 0C) + 32

T 0C = 5/9(T 0F - 32)

Hubungan antara skala temperatur kelvin, celcius, rankine dan fahrenheit

0F0R 0K 0C

Ttk. didih

Ttk didih

Nol absolut

373672 212 100

0 - 460

492 32 273

0

0

- 273