desain perancangan dan pemilihan pipa kapiler dan

1

Desain Perancangan dan Pemilihan Pipa Kapiler dan Evaporator,

Chiller dengan kompresor low temp. 3Hp

Danur Qahari (0906631111), Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia

A = Luas penampang pipa, m2

f = faktor gesekan

h = enthalphy, kJ/kg

hg = enthalpy uap jenuh, kJ/kg

hf = enthalpy cairan jenuh, kJ/kg

ΔL = panjang pipa, m

p = tekanan, Pa

Re = bilangan reynold = ⁄

v = volume spesifik, m3/kg

vf = volume spesifik cairan jenuh, m3/kg

vg = volume spesifik uap jenuh, m3/kg

V = kecepatan refrigerant, m/s

ṁ (ṁref)= refrigerant mass flow, kg/s

µ = viskositas,

µf = viskositas cairan jenuh,

µg = viskositas uap jenuh,

Q = Kapasitas Evaporator

ṁair = mass flow dari air

Cp,air = specific heat

Δtair = perbedaan temperature air dari masuk

evaporator dan keluar evaporator

Δh = perbedaan enthalphy pada saat masuk

evaporator dan keluar evaporator

U = overall koefisien heat transfer

A = luas penampang

LMTD = Log Mean Temperature Differn,

ΔTA = perbedaan temperature air dan

refrigerant pada saat keluar dari evaporator

ΔTB = perbedaan temperature air dan

refrigerant pada saat masuk ke evaporator

ri =resistansi fouling dalam pipa

rw =resistansi dinding pipa

Ao =luas permukaan luar pipa, m2

Ai =luas permukaan dalam pipa, m2

k =konduktifitas termal, W/m oC

d =ketebalan pipa , m

Do =diameter luar pipa, m

Di =diameter dalam pipa, m

ΔTo =beda temperatur sisi keluar dengan

temperatur masuk refrigeran

ho =film koefisien di luar pipa

hi =film koefisien di dalam pipa

ro =resistansi fouling luar pipa

Abstrak

Untuk memindahkan panas dari satu media ke media lain di perlukan suatu

mekanisme alat yang di sebut alat penukar kalor (heat exchanger). Panas ini kadang

menimbulkan masalah tertentu bagi beberapa perangkat kerja dalam perindustrian. Oleh

karena itu di butuhkan sistem perpindahan panas untuk memindahkan atau menyerap panas

yang tidak di inginkan dari perangkat kerja tersebut. Contohnya dalam penggunaan chiller

atau mini chiller untuk menyerap panas dari perangkat kerja yang memerlukan sistem

pendinginan untuk perangkat kerja tersebut. Chiller ini bekerja dengan prinsip mekanisme

refrigerasi atau pendinginan dengan menggunakan fluida penyerap panas (refrigeran) yang

menyerap panas melalui media alat perpindahan panas berupa evaporator. Refrigeran yang

digunakan banyak jenisnya, namun beberapa masih memberikan dampak yang buruk pada

lingkungan jika terjadi kebocoran. Refrigeran yang digunakan adalah jenis R134a atau R22

yang relatif lebih ramah lingkungan. Untuk memperoleh tingkat efisiensi yang maksimum

dalam proses perpindahan panas yang terjadi, diperlukan desain alat perpindahan panas yang

efektif untuk jenis penggunaan dan kapasitas panas yang ingin di serap.

Kata kunci : sistem pendingin, chiller, refrigeran, evaporator, kompresor, kondenser, katup

ekspansi

Latar Belakang

Dewasa ini, dalam dunia perindustrian maupun perkantoran, pengkondisian ruangan

ataupun pengkondisian perlengkapan dan peralatan kerja dari alat-alat kantor atau alat-alat

industri sangat dibutuhkan. Dimana di perlukannya sebuah alat yang dapat mengkondisikan

temperatur tersebut menjadi temperatur yang di harapkan. Peng-kondisian ini bertujuan untuk

menjaga temperatur dari peralatan kerja yang terus menghasilkan panas, agar peralatan kerja

Desain perancangan..., Danur Qahari, FT UI, 2013

2

ini tidak kelebihan panas dan dapat bekerja dengan performa yang stabil dan maksimal. Alat

untuk mengkondisikan temperatur ini adalah alat dengan prinsip kerja pendinginan

(refrigerasi), Chiller salah satunya.

Pengertian Refrigerasi

Pada umumnya refrigerasi adalah

suatu proses dimana pemindahan panas

terjadi, lebih spesifiknya refrigerasi

merupakan salah satu cabang dari ilmu

sains tentang menjaga dan mengatur

temperatur sebuah ruangan atau material

tetap dibawah atau lebih rendah

dibandingkan temperatur lingkungannya.

Mesin Refrigerasi

Mesin Refrigasi adalah peralatan

yang berfungsi untuk memindahkan panas

dari suatu tempat yang temperaturnya

lebih tinggi. Di dalam sistem pendinginan

untuk menjaga temperatur tetap rendah

memerlukan pembuangan kalor dari

produk pada temperatur rendah ke tempat

pembuangan kalor yang lebih rendah. .

Prinsip kerja mesin pendingin adalah

sebagai kerja kompresor dalam siklus

kompresi uap. Panas Q0 diserap di

evaporator melalui proses evaporasi cairan

refrigerant pada tekanan rendah p0, dan

berkorespondensi temperatur saturasi yang

rendah T0. Kemudian uap refrigerant yang

terevaporasi dikompresi sampai tekanan

tinggi pk dalam kompresor dengan

mengkonsumsi daya (kerja) W.

Gambar 1 Skematik Representasi dari

Refrigerasi

Tekanan setelah kompresi

berkorespondensi dengan temperatur

saturasi uap Tk yang lebih tinggi

dibandingkan temperatur lingkungan. Lalu

panas Qk dibuang melalui kondenser ke

lingkungan pada temperatur tinggi Tk.

Klasifikasi Mesin Refrigerasi

Mesin pendingin diklasifikasikan

berdasarkan sistem yang digunakan dalam

proses pendinginannya, yaitu sistem

ekspansi langsung dan sistem ekspansi

tidak langsung.

Sistem ekspansi langsung adalah

dimana proses pendinginan secara

langsung terjadi antara produk dan

refrigeran atau refrigerasi.

Sedangkan sistem ekspansi tidak

langsung adalah proses pendinginan yang

melalui media lain sebelum proses

pendinginan produk.

Salah satu contoh dari sistem

ekspansi langsung adalah Unit pendingin

ruangan (Split Air-Conditioning), karena

udara ruangan yang didinginkan

mengalami kontak langsung dengan bagian

dari mesin refrigerasi. Sedangkan contoh

dari sistem ekspansi tidak langsung adalah

Unit chiller plant, karena menggunakan air

atau media fluida untuk mendinginkan

produk lainnya.

Siklus Refrigerasi Carnot

Siklus Carnot yang ditemukan oleh

Sadi Carnot, mempunyai efisiensi tertinggi

dibandingkan dengan setiap siklus lainnya.

Siklus ini merupakan kebalikan dari mesin

kalor, dimana energi disalurkan dari

temperatur rendah menuju temperatur yang

lebih tinggi. Dengan kata lain siklus

refrigerasi membutuhkan kerja luar untuk

dapat bekerja.


3

Gambar 2 siklus refrigerasi carnot

Proses – proses yang membentuk siklus

Carnot adalah :

1 – 2 kompresi adiabatik

2 – 3 pelepasan panas isotermal

3 – 4 ekspansi adiabatik

4 – 1 penyerapan panas isotermal

Siklus Kompresi Uap

Siklus (daur) kompresi uap

merupakan siklus yang terbanyak

digunakan dalam sistem refrigerasi. Pada

siklus ini ditekan dan kemudian

diembunkan menjadi cairan, lalu

tekanannya diturunkan agar cairan tersebut

dapat menguap kembali.

Siklus refrigerasi kompresi

mengambil keuntungan dari kenyataan

bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada

temperatur tertentu cenderung menjadi

lebih dingin jika dibiarkan mengembang.

Jika perubahan tekanan cukup tinggi, maka

gas yang ditekan akan menjadi lebih panas

daripada sumber dingin diluar (contoh

udara diluar) dan gas yang mengembang

akan menjadi lebih dingin daripada

temperatur dingin yang dikehendaki.

Dalam kasus ini, fluida digunakan untuk

mendinginkan lingkungan bertemperatur

rendah dan membuang panas ke

lingkungan yang bertemperatur tinggi.

Gambar 3 siklus kompresi uap


4

Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam

Gambar 3 dapat dibagi menjadi tahapan-

tahapan berikut:

Proses – proses yang membentuk siklus ini

adalah :

1 – 2 kompresi adiabatik dan reversibel,

dari uap jenuh menuju tekanan

kondenser. Superheated gas

bertekanan tinggi lewat dari

kompresor menuju kondenser.

2 – 3 pelepasan kalor reversibel pada

tekanan konstan, menyebabkan

penurunan panas lanjut

(desuperheating) dan pengembunan

refrigeran.

3 – 4 ekspansi tidak reversibel pada

entalpi konstan, dan cairan jenuh

menuju tekanan evaporator

4 – 1 penambahan kalor reversibel pada

tekanan tetap, yang menyebabkan

penguapan menuju uap jenuh..

Siklus Kompresi Uap Aktual

Siklus ini mengalami pengurangan

efisiensi dibanding dengan siklus standar.

Perbedaan penting antara siklus nyata

dengan siklus standar terletak pada

penurunan tekanan di dalam kondenser

dan evaporator, dalam subcooling cairan

yang meninggalkan kondenser, dan dalam

pemanasan lanjut uap yang meninggalkan

evaporator. Siklus standar dianggap tidak

mengalami penurunan tekanan pada

kondenser dan evaporator. Tetapi pada

siklus nyata, terjadi penurunan tekanan

karena adanya gesekan dan lengkungan

atau belokan pipa. Akibat dari penurunan

tekanan ini, kompresi pada titik 1 dan 2

memerlukan lebih banyak kerja dibanding

dengan siklus ideal

Bahan Pendingin (Refrigeran)

Bahan pendingin atau refrigeran

adalah suatu zat yang mudah diubah

wujudnya dari gas menjadi cair atau

sebaliknya. Untuk dapat terjadinya suatu

proses pendinginan diperlukan suatu bahan

pendingin atau refrigeran yang digunakan

untuk mengambil panas dari sistem

melalui evaporator dan membuangnya

melalui kondenser.

.

Gambar 4 T-s diagram siklus kompresi uap

aktual

Terdapat berbagai jenis refrigeran

yang digunakan dalam sistem kompresi

uap. Temperatur refrigerasi yang

dibutuhkan sangat menentukan dalam

pemilihan fluida refrigeran. Refrigeran

yang umum digunakan adalah yang

termasuk kedalam keluarga chlorinated

fluorocarbons.

Bahan pendingin (refrigeran)

banyak sekali macamnya, tetapi tidak

satupun yang dapat dipakai untuk semua

keperluan pendinginan.

Bagian - Bagian Mesin Refrigerasi

Bagian – bagian mesin refrigerasi

terdiri dari evaporator, kompresor,

kondenser, katup ekspansi atau alat

throttling. Bagian – bagian ini saling

berkorespondensi satu sama lainnya. Jadi,

jika salah satu bagian dari mesin

refrigerasi ini tidak berfungsi sebagaimana

mestinya, system refrigerasi tidak akan

bekerja secara optimal.

Kompresor

Kompresor merupakan bagian

terpenting dalam mesin refrigerasi, karena

kompresor yang menggerakkan seluruh

bagian dalam mesin refrigerasi. Pada

kompresor kerja dari luar di berikan,


5

dalam hal ini adalah daya listrik untuk

menggerakkan motor kompresor. Tanpa

adanya daya dari luar, bisa dikatakan

mustahil untuk memindahkan panas dari

tempat dengan temperatur lebih rendah ke

tempat temperatur lingkungan. Kompresor

ini akan memompa fluida refrigeran agar

tetap bersirkulasi di dalam siklus sistem.

Kompresor berfungsi menaikkan tekanan

dari uap refrigeran sebelum memasuki

bagian kondenser untuk mengurangi

penurunan tekanan berlebih dalam pipa

kondenser. Kompresor ini dibedakan

berdasarkan perpindahannya, yaitu

perpindahan positif dan sentrifugal.

dalam tulisan ini di gunakan kompresor

jenis scrol dengan spesifikasi sebagai

berikut : Daya : 3 Hp (untuk

refrigerant jenis R134a)

Tipe kompresor : Copeland ZF13K4E –

TFD ; Refrigeran : R134a

Spesifikasi :

Power Input :2.18 kW

Pressure range :0.02 (min) – 28 bar (max)

2 – 2800 kPa

Evaporating temp. range :(-40o) –5

o C

Condensing temp. range :25o – 60

o C

Mass flow rate :0.067 kg/s

Kondenser

Kondenser digunakan untuk

membuang energi panas yang ditambahkan

ke refrigeran selama kompresi dan energi

panas yang diserap dalam evaporator.

Energi panas ini biasanya dibuang melalui

media air atau udara. Jumlah energi panas

yang ditambahkan ke refrigeran selama

kompresi tergantung pada daya kompresor

dan menjadi bagian penting dari beban

kondenser untuk sistem dengan temperatur

rendah. Jenis-jenis air-cooled kondenser

termasuk shell-and-tube, shell-dan-coil,

tabung-dalam-tabung, dan dibrazing-plate.

kondenser Shell-dan-coil

Alat Ekspansi / Throttling

Alat ekspansi adalah

elemen dasar yang terakhir dalam siklus

refrigerasi uap. Seteleh kompresor,

kondenser, dan evaporator.

Gambar 5 kondenser shel and tube

Alat ekspansi ini memiliki dua kegunaan,

yaitu menurunkan tekanan dan temperatur

refrigeran cair dan mengatur aliran

refrigeran ke evaporator. Jenis-jenis umum

dari alat ekspansi adalah jens pipa kapiler,

katup ekspansi, katup apung. Lima jenis

perangkat ekspansi dapat ditemukan dalam

sistem pendingin:

(1) katup termostatik ekspansi,

(2) katup ekspansi elektronik,

(3)-tekanan konstan katup ekspansi,

(4) pipa kapiler, dan

(5) restrictors tabung pendek

Pemilihan pipa kapiler

Perancangan suatu unit sistem

refrigerasi baru yang menggunakan pipa

kapiler harus memilih diameter dan

panjang pipa yang sesuai, sehingga

kompresor dan pipa kapiler mempunyai

suatu titik keseimbangan pada suhu

evaporator yang diinginkan.

Perhitungan analisis penurunan

tekanan di dalam pipa kapiler

Gambar 6 titik penambahan panjang pipa kapiler

Persamaan yang digunakan adalah dari

persamaan konservasi massa, konservasi

energi, dan konservasi momentum.

Persamaan konservasi massa merumuskan

bahwa


6

ṁ

Dan w/A bernilai konstan untuk

keseluruhan panjang pipa kapiler

Rumusan tentang konservasi energi adalah

Dengan anggapan bahwa perpindahan

kalor ke dalam dan ke luar pipa diabaikan.

Persamaan konversi energi ini digunakan

untuk mendapatkan fraksi uap dalam

campuran.

Pada saat refrigran mengalir

melalui pipa kapiler, tekanan dan suhu

jenuhnya turun secara bertahap, dan fraksi

uap naik secara kontinu di setiap titik.

Dengan kecepatan rata-rata sebagai

berikut.

Persamaan untuk faktor gesekan f adalah

Viskositas untuk refrigerant dua-

fasa pada suatu posisi tertentu di dalam

pipa adalah fungsi dari fraksi uap,

Dengan faktor gesekan rata-rata sebagai

berikut.

Perhitungan pertambahan panjang pipa

Perhitungan panjang ini dilakukan

untuk menentukan panjang ruas ipa kapiler

untuk menurunkan temperatur refrigeran

hingga mencapi temperatur tertentu yang

diinginkan.

Dengan menggabungkan persamaan

kontinuitas dan persamaan energi

(

)

Dengan mensubtitusikan persamaan

( )

[ ( ) ]

(ṁ

)

Nilai bisa kita cari dengan menggunakan

penyelesaian persamaan kuadrat

√

Dengan :

( )

(

ṁ

)

( ) (

) (ṁ

)

( ) (ṁ

)

Evaporator

Evaporator merupakan alat penukar

kalor, dalam sistem refrigerasi evaporator

sebagai alat penyerap panas dari ruangan

atau cairan yang akan didinginkan. Dalam

evaporator terjadi penguapan fluida

refrigeran karena panas yang diserap dari

ruangan yang didinginkan.

Kapasitas Evaporator

Untuk mencari kapasitas

evaporator dengan persamaan-persamaan

sebagai berikut

Q = ṁair Cp,air Δtair

Q = ṁref x (Δh)

Q = U x A x LMTD

(

)

Perpindahan Panas dalam Pipa

Evaporator

Koefisien perpindahan panas

menyeluruh dapat di hitung dengan

persamaan

[(

) (

)

(

)]

Nilai rw untuk jenis bare tube :

* (

)+

Untuk nilai h

(1)(1)

(2)(1)

(3)(1)

(4)

(1)

(5)(1)

(6)(1)

(7)(1)

(8)(1)

(9)(1)

(10)(1)

(11)(1)

(12)(1)

(13)(1)

(14)(1)

(16) (17)

(19)(1)

(20)(3)

(21)(3)

(18)


7

[

( )

] [

]

Untuk perhitungan atau film koefisien

luar pipa atau film koefisien sisi produk

(air), properti dari air berdasarkan nilai

METD.

Perhitungan Panjang Pipa Kapiler

Pipa kapiler (temperatur kondensasi

39 )

Data Properties R134a pada

temperatur 390 dan 38

0 C

no. Temp

P

(kPa)

μf

Pa.s

μg

Pa.s

1 39 989.6 163.52 12.323

2 38 963.15 165.61 12.275

vf

(m³/kg)

vg

(m³/kg)

hf

(kJ/kg )

hg

(kJ/kg )

0.000869 0.020541 254.92 418.99

0.000866 0.021135 253.43 418.55

dengan rumus konversi massa, didapatkan

nilai V1 yaitu , ṁ

Friksi yang terjadi pada titik 1

f1 = 0.018938

Untuk mencari nilai fraksi uap refrigerant

dalam pipa, digunakan persamaan (10),

didapat nilai Dengan didpatnya nilai pertama, untuk

nilai dan V di titik ke 2 dapat di

cari dengan menggunakan persamaan (3),

(4), dan (7) didapat nilai

Dengan begitu nilai , dan

sehingga nilai dan

nilai

Dengan didapatnya nilai-nilai di atas,

untuk mencari nilai penambahan panjang

pipa kapiler, digunakan persamaan

* (ṁ

)+

(

)

Penerusan perhitungan penambahan

panjang ruas-ruas selanjutnya, kondisi

pada titik 2 yang baru saja di hitung adalah

kondisi masuk pada ruas selanjutnya, yang

berisikan refrigeran dengan temperatur

yang sudah turun menjadi 38 . Panjang

kumulatif yang didapat untuk menurunkan

temperatur refrigerant hingga (-5) ,.

Tabel panjang pipa kapiler (Tc\Te)

no -5 oC -4

oC -3

oC -2

oC -1

oC 0

oC 1

oC

1 37 oC 14.937 m 14.936 m 14.933 m 14.928 m 14.919 m 14.908m 14.894 m

2 38 oC 15.569 m 15.569 m 15.566 m 15.561 m 15.553 m 15.543m 15.529 m

3 39 oC 16.215 m 16.215 m 16.212 m 16.208 m 16.201 m 16.191m 16.178 m

Perhitungan Kapasitas Beban

Evaporator

Ukuran pipa yang akan di gunakan

adalah pipa dengan diameter luar sebesar

½ “. dan dengan tebal 0.032 “.

Penentuan temperatur produk (water

chilled) yang ingin dicapai yaitu : 0.1, 1, 2,

3, 4, 5, dan 6 oC Dan dengan temperatur

refrigeran masuk ke evaporator –5, 4, -3, -

2, -1, 0, dan 1o C

Temperatur efektif air adalah 11oC.

Penurunan tekanan 0.3 bar 30 kPa. Beda

temperatur superheated 2oC. Debit air

5ltr/s, Jumlah baris pipa 84 baris Jenis

evaporator bare tube, oval trombone coil

(22)(2)

(23)(2)

(24)(2)

(25)(3)

(15)(1)


8

Perhitungan beban Evaporator (Watt)

( )

= 0.0669 kg/s

Table perhitungan kapasitas evaporator

No T1 oC T2

oC Qe kW

1 -5 -3 9.8

2 -4 -2 9.9

3 -3 -1 9.9

4 -2 0 9.9

5 -1 1 9.9

6 0 2 10

7 1 3 10.

Grafik dan Analisis

Dari grafik dari perbandingan

antara temperatur kondensasi dengan

panjang pipa kapiler terlihat bahwa

semakin tinggi temperatur kondensasi

maka semakin pendek, panjang dari pipa

kapiler yang di butuhkan. Sedangkan dari

temperatur masuk evaporator di setiap

temperatur kondensasinya hanya berbeda

0.1 mm hingga 14 mm. Dengan besar laju

alir massa yang mengalir dalam sistem

sebesar 0.0669 kg/s, maka dibutuhkan

diameter pipa kapiler yang lebih besar dari

3/16 inchi. Kebutuhan diameter pipa

kapiler yang semakin besar berbanding

lurus dengan besarnya laju alir massa

refrigeran yang mengalir di dalam sistem.

Hasil perhitungan panjang pipa

kapiler untuk menurunkan temperatur

refrigeran hingga temperatur rendah

membutuhkan pipa kapiler yang cukup

panjang. Hal ini terjadi karena properties

dari refrigeran R134a yang memiliki

viskositas, tekanan saturasi, volume

spesifik dan properties lainnya yang relatif

lebih kecil dibandingkan dengan jenis

refrigeran lainnya seperti R22, R404, dan

R701 yang biasa digunakan untuk sistem

refrigerasi dengan temperatur rendah (low

temp refrigeration). Dalam perhitungan

14,814,9

1515,115,215,315,415,515,615,715,815,9

1616,116,216,3

37 38 39

pan

jan

g p

ipa

(m)

temperatur kondensasi

panjang pipa kapiler terhadap temperatur kondesasi

-5

-4

-3

-2

-1

0

1


9

untuk penambahan panjang pipa kapiler di

setiap titiknya harus bernilai positif, jika

hasil perhitungan untuk penambahan

panjang pipa kapiler di titik akhir bernilai

negatif, maka perhitungan panjang

kumulatif yang di pakai adalah total

penambahan panjang yang bernilai positif

saja. Penambahan panjang yang bernilai

negatif ini dikarenakan aliran yang

tercerat, atau kecepatan yang sudah

memasuki jenis kecepatan sonic.

Untuk penggunaan pipa kapiler

dengan diameter ¼“, maksimum temp.

terendah yang bisa di capai dengan laju

alir massa fluida refrigeran 0.0669 kg/s,

hanya sampai temperatur -5 oC (minus 5

derajat selsius). Karena ketika temperatur

mencapai -5.5 oC, hasil perhitungan

penambahan panjang pipa kapiler sudah

berharga negatif yang artinya kecepatan

aliran fluida refrigeran sudah memasuki

kecepatan sonic.

Hasil perhitungan panjang pipa

kapiler untuk temperatur kondensasi 39 oC

dan diturunkan temperaturnya hingga

mencapai -5 oC dibutuhkan panjang pipa

kapiler sepanjang 16.215 m.

.

Grafik di atas merupakan grafik

yang terbentuk dari perbandingan panjang

pipa evaporator dengan temperatur outlet

produk (chilled water) dengan temperatur

masuk yang sama, 11 oC. Temperatur

masuk sebesar 11 oC ini merupakan

temperatur efektif yang masuk ke dalam

evaporator (temperatur steady). Dengan

temperatur refrigeran yang bervariasi dari -

5 oC s.d. 1

oC. Dari grafik di atas terlihat

bahwa semakin tinggi temperatur

refrigeran yang masuk ke dalam pipa

evaporator maka panjang yang dibutuhkan

untuk mendinginkan air hingga mencapai

temperatur 0.1 oC semakin panjang,

bahkan nilai yang didapat dari perhitungan

mencapai nilai 2171353.4423 m atau

setara dengan 2141.3 km. Sebuah nilai

yang terlalu besar sekali untuk digunakan

dalam desain alat evaporasi. Dalam

perhitungan ini digunakan perhitungan

untuk tipe evaporator bare tube (pipa

telanjang) dengan bentuk oval trombone

coil atau pipa melingkar tanpa sirip.

Kapasitas evaporator yang di pakai

adalah kapasitas nominal dari evaporator

dengan temperatur refrigeran masuk ke

dalam evaporator mulai dari -5 oC s.d 1

oC.

Kapasitas evaporator dengan temperatur

superheated 2 oC lebih besar dari

temperatur masuk. Kapasitas nominal

evaporator adalah rerata dari nilai

0

50

100

150

200

250

300

350

6 5 4 3 2 1 0,1

Pan

jan

g to

tal p

ipa

eva

po

rato

r (m

)

temperatur outlet produk evaporator (oC)

Panjang Pipa Evaporator Vs Temp. Chilled Water

Te (-5°C)

Te (-4°C)

Te (-3°C)

Te (-2°C)

Te (-1°C)

Te (0°C)

Te (1°C)


10

kapasitas yang di dapat, yaitu sebesar

9.925 kW untuk laju alir massa refrigeran

sebesar 0.0669 kg/s. Nilai kapasitas ini di

gunakan untuk menghitung luasan

permukaan pertukaran panas yang di

perlukan untuk mendinginkan air hingga

mencapai temperatur yang di inginkan.

Hasil yang di dapat dari

perhitungan menunjukkan bahwa

temperatur produk (chilled water) yang

semakin rendah atau beda temperatur ΔTo

(beda temperatur refrigeran masuk dengan

temperatur produk) yang semakin rendah

menyebabkan dibutuhkannya luasan

permukaan perpindahan panas yang lebih

besar. ΔTo berbanding terbalik dengan A.

Dengan temperatur masuk steady yang

sama. Hal ini karena semakin rendah

temperatur produk, maka kalor yang harus

di ambil dari media semakin besar. Untuk

mencapai temperatur chilled water 6 oC

dibutuhkan luasan permukaan sebesar

3.5852 m2 dengan temperatur refrigeran

masuk -5 oC. dengan luasan permukaan

yang didapat, kita juga mendapatkan

panjang total dari pipa evaporator yang di

butuhkan untuk mendinginkan air hingga

mencapai temperatur 6 oC, yaitu sepanjang

89.858 m. Kemudian panjang total tersebut

di bagi dengan jumlah baris yang akan di

buat, sebanyak 60 baris. Maka di dapatlah

panjang pipa dalam evaporator sebesar

1.498 m. karena jenis evaporator yang

akan di rencanakan adalah dengan jenis

bare tube - oval trombone coil, pipa tanpa

sirip yang melingkar, diameter lingkaran

evaporator yang terbentuk dari panjang

pipa dalam evaporator 1.498 m adalah

sebesar 0.48 m ≈ 48 cm.

Dari hasil panjang evaporator dan

diameter evaporator yang didapat, nilai

yang paling kecil untuk mendinginkan air

hingga mencapai temperatur 0.1 oC adalah

dengan menggunakan temperature

refrigerant masuk -5 oC. Dengan

temperatur evaporator -5 oC, untuk

mendinginkan air 11 oC menjadi 0.1

oC,

dibutuhkan luasan permukaan perpindahan

panas sebesar 5.116 m2, panjang pipa

evaporator 128.21 m.

Dari panjang total pipa evaporator,

dengan menggunakan 60 baris pipa, di

dapat panjang pipa evaporator tiap

barisnya sebesar 2.137 m dan diameter

lingkaran pipa evaporator sebesar 0.68 m.

KESIMPULAN

Dari metode yang telah di lakukan

untuk mendesain panjang pipa kapiler dan

Evaporator untuk Chiller plant dengan

kompresor Copeland ZF13K4E – TFD,

diperoleh power input untuk refrigerant

tipe R134a sebesar 2.18 kW. Berdasarkan

hasil yang telah di dapat dari perhitungan –

perhitungan dapat di ambil kesimpulan

bahwa :

1. Panjang pipa kapiler yang di

butuhkan untuk menurunkan

temperatur dan tekanan hingga

mencapai titik tertentu, bergantung

dari temperatur kondensasi, nilai

kapasitas Evaporasi yang di desain

dan kerja input yang di gunakan

dalam sistem.

2. Semakin besar kapasitas Evaporasi

dan kerja input kompresor dalam

sistem, maka laju alir massa yang

mengalir dalam sistem juga

semakin besar. Sedangkan semakin

tinggi temperatur kondensasi, maka

semakin panjang pipa kapiler yang

di butuhkan, serta temperatur

masuk evaporator yang diharapkan

rendah, tidak tercapai.

3. Nilai laju alir massa yang

bertambah besar menyebabkan

panjang yang dibutuhkan untuk

menurunkan temperatur

kondensasi, hingga mencapai

temperatur yang di harapkan

menjadi semakin panjang dan nilai

hasil penambahan panjang bernilai

negatif.

4. Panjang pipa kapiler yang

dibutuhkan untuk menurunkan

temperatur kondensasi 39 oC

menjadi -5 oC adalah sepanjang

16.22 m.


11

5. Dari temperatur masuk evaporator,

temperatur -5oC adalah yang paling

efektif untuk menurunkan

temperature air dari 11oC hingga

menjadi 0.1 oC

6. Dengan temperatur evaporator -5 oC, untuk mendinginkan air 11

oC

men-jadi 0.1 oC, dibutuhkan luasan

permukaan perpindahan panas

sebesar 5.116 m2, panjang pipa

evaporator 128.21 m.

7. Dari panjang total pipa evaporator,

dengan menggunakan 60 baris

pipa, di dapat panjang pipa

evaporator tiap barisnya sebesar

2.14. Isolasi yang di perlukan agar

panas dari ruangan plant tidak

banyak merambat masuk ke dalam

ruangan tabung evaporator,

minimum setebal 1.5 mm dengan

menggunakan polyurethane foam

sebagai bahan isolasi.

8. Nilai temperatur produk yang di

ambil adalah nilai temperatur yang

terrendah dari , karena kapasitas

yang terbesar.

Saran

1. Dalam perhitungan panjang pipa

kapiler setidaknya diperhatikan

beberapa kriteria dari kompresor

yang akan di gunakan.

2. Pemilihan diameter pipa di

sesuaikan dengan hasil perhitungan

dan target temperatur yang ingin di

capai

3. Panjang pipa evaporator yang di

dapat bisa di jadikan bentuk lain

yang tentunya harus di

pertimbangkan faktor – faktor yang

akan berpengaruh dalam desain itu

sendiri, misalnya faktor gesekan,

penurunan tekanan akibat gesekan,

faktor lingkungan tempat desain

akan di operasikan.

4. Jika pipa kapiler terlalu panjang,

dapat memilih alternatif lain

dengan menggunakan katup

ekspansi termostatik atau

elektronik. Tentu dengan pemilihan

spesifikasi yang tepat.

5. Dalam perakitan komponen-

komponen mesin refrigerasi harus

diperhatikan kriteria – kriteria dari

masing masing komponen. Agar

sistem yang terbentuk dapat

bekerja dengan baik.

DAFTAR PUSTAKA

(1) Wilbert F.Stoecker, Jerold W. Jones, “Refrigerasi dan Pengkondisian Udara”, terj.

Supratman Hara, ed. Ke-2.

(2) Arora, C.P. Refrigerating and Air Conditioning. Tata McGraw Hill

(3) Standards of The Heat Exchanger Manufactures Association, TEMA. Edisi ke 9

(4) Wang S.K. : Handbook of Air Conditioning and Refrigeration, McGraw-Hill,Inc

(5) Mechanical Engineer’s Handbook: Energy and Power, Volume 4, Edisi ke 3. John

Willey & Sons.Inc

(6) Macintire, H.J.& F.N. Hutchinson. Refrigerating Engineering.

(7) Thome, John R. prof. Engineering Data Book III. Wolferine Tube,inc

(8) Kavanaugh, Stephen P. HVAC Simplified. ASHRAE. Inc

(9) Copeland Product Guide

(10) Copeland ScrollTM Wholesaler Product Guide. Form no. 2000 – 46W R1(10/06)

(11) Copeland Scroll Compressors, EmersonTM Climate Technologies.

(12) NIST Refrigerant Properties


desain perancangan dan pemilihan pipa kapiler dan

Documents