desain fasilitas uji kinerja water-cooled chiller dan
TRANSCRIPT
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: [email protected]
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. Data-
data 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.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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 air-
cooled 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
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
sebagai lintasan tempat mengalirnya air. Penentuan diameter ukuran pipa dapat dihitung
menggunakan formula:
! = !.!
!!"#$%&'&# = !. !!
! = 2!
Dimana Q = Debit air dalam m3/s
A = Luas lingkaran dalam m2
V = Kecepatan laju air (ditentukan) m/s
! = 3,14
r = Jari-jari lingkaran
D = Diameter lingkaran (pipa)
Pompa pada instalasi sistem ini digunakan untuk mengalirkan fluida berupa air. Penghitungan
kapasitas pompa harus mempertimbangkan adanya kerugian mayor dan minor pada sistem.
Kerugian mayor dihitung menggunakan pendekatan Darcy-Weisbach. Sehingga digunakan
formula
!" =! ! !!
2!"
Dimana ma = Kerugian mayor (m)
f = Faktor gesekan (lihat tabel Moody)
L = Panjang pipa (m)
v = Kecepatan aliran (m/s)
D = Diameter pipa (m)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Dalam menggunakan formula Darcy-Weisbach dibutuhkan tabel Moody untuk mendapatkan
nilai faktor gesekan. Dalam mencari nilai faktor gesekan akan dibutuhkan variabel bilangan
Reynold dan nilai kekasaran relatif. Kekasaran relatif adalah nilai dimana kekasaran absolut
pada material tempat fluida mengalir/pipa dibagi dengan diameter lintasan aliran/pipa.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
Kerugian minor ialah kerugian akibat pemasangan belokan atau instrumen pada instalasi
lintasan fluida mengalir. Dalam hal ini adalah berupa elbow dan instrumen lain seperti katup,
pengatur laju aliran dan sebagainya. Setiap instrumen memiliki koefisien kerugian yang
berbeda. Kerugian minor dihitung menggunakan formula:
!" = !!!
2!
Dimana mi = Kerugian minor
K = Faktor kerugian
v = Kecepatan aliran (m/s)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Berdasarkan data kerugian akan didapatkan daya yang dibutuhkan oleh pompa yaitu dengan
menggunakan formula:
!" =!(!"#$ !"#$%)!"
3,6!10!
Dimana Wp = Daya pompa (kW)
Q = Debit aliran (m3/jam)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Heat exchanger atau alat penukar kalor mamiliki fungsi untuk menjembatani antara dua
elemen yang memiliki perbedaan suhu agar dapat terjadi perpindahan panas dari temperatur
tinggi menuju temperatur yang lebih rendah. Untuk mengetahui kapasitas panas suatu alat
penukar kalor maka digunakan persamaan:
q = ṁ !! ∆!
Dimana q = Kapasitas dalam W
ṁ = Laju aliran masa terhadap waktu kg/s
!! = Kalor spesifik air J/kg.K
∆! = Perbedaan temperatur (nilai positif absolut) K
3. Metode Penelitian
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
Metode penelitian desain menggunakan tinjauan literatur seperti standar internasioal AHRI
(Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 551-591, ASHRAE (American
Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) dan lain sebagainya.
Variabel dasar yang dijadikan acuan untuk pemilihan instrumen dan alat adalah berdasarkan
kebutuhan kapasitas dan jumlahnya.
4. Hasil Penelitian
Skematik diagram awal berdasarkan keperluan alat dan instrumen dapat digambarkan seperti
pada gambar 1
Gambar 2. Skematik diagram kerja sistem
4.1. Debit Air
Perhitungan debit air ialah = kapasitas ∗ debit standar AHRI. Dimana hasil dari perhitungn
dapat dilihat pada gambar tabel 1.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
Tabel 1. Debit air
Chiller Sistem Kapasitas (TR)
Debit Standar (gpm)
Total Debit (gpm)
Water Cooled
Cooler 739 2,4 1773,6 Kondenser 739 3 2217
Air-Cooled Evaporator 372,1 2,4 893,04
4.2. Bak Penampung Air
Bak penampungan air terbagi menjadi dua. Berupa penampung air panas dan penampung air
dingin. Volume bak didapatkan dengan menentukan waktu air sirkulasi selama satu putaran
dikalikan dengan debit air. Contoh perhitungan volume bak penampungan:
Volume = !(!"#$%&'() ∗ !"#$%
= 402,83 !!/!"# ∗ 360 !"#
= 402,83 !!/!"# ∗ 0,05 !"#
= 20,14 !!
Tabel 2. Volume bak air
Bak Air Debit (m3/jam Waktu Sirkulasi (menit) Volume Bak (m3) Bak Air Panas 50 6 5 Bak Air Dingin 402,83 3 20,14
4.3. Diameter Pipa
Diameter pipa dihitung menggunakan formula luas lingkaran. Dengan ditentukan bahwa
kecepatan air yang melewati pipa adalah 3 m/s. Contoh perhitungan diameter pipa:
! = !.!
0,1119 = 3,14 ∗ !! ∗ 3
9,42!! = 0,1119
!! = !,!!!"!,!"
! = 0,109!
! = 0,218! = 8,6 !"#ℎ ≈ 10 !"#ℎ
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
Tabel 3. Diameter pipa
Diameter Pipa Pada Debit (m3/s) Keceptan
Aliran (m/s) Diameter Pipa
Meter Inch (Pembulatan) Pipa Air Panas 0,0139 3 0,073 3 Pipa Air Dingin 0,1119 3 0,218 10 Pipa Cooling Tower 0,1399 3 0,244 10
4.4. Pompa
Penentuan pompa mempertimbangkan kondisi bahwa apabila pengujian dilakukan pada
water-cooled chiller dengan kapasitas tertinngi yaitu pada debit air 1773,6 gpm atau 402,83
m3/jam, maka suplai air dari pompa diprioritaskan kepada pengujian pengaliran air tersebut.
Gambar 3. Skematik diagram pompa
Contoh perhitungan pompa:
!" =!(!"#$ !"#$%)!"
3,6!10!
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
Wp = Daya pompa (kW)
Q = 11,356 m3/jam
ρ = 1000 kg/m3
g = 9,81 m/s2
!" =(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 water-
cooled 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)
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
4.5. Panel Surya
Panel surya dibutuhkan untuk memanaskan air dengan debit 220,14 gpm atau 50 m3/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
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
6. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diperoleh adalah sebagai berikut :
A. Debit maksimum air dingin adalah sebesar 1773,6 gpm atau 402,83 m3/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 800C.
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.
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014
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
Desain fasilitas uji kinerja water..., Ma Ruf Fauzi Rahman, FT UI, 2014