Lembar Kerja Praktikum

Nama Pekerjaan: Audit HVAC

Unit: Prodi D4 Teknik Konservasi Energi

Pengajar:

Waktu: 4 jam pelajaran (200 menit)

Referensi: Cussons P5670 Heat Pump Manual Book

Objek Perilaku Siswa:

Setelah melakukan praktikum, mahasiswa diharapkan dapat:

menjelaskan prinsip kerja HVAC/pompa kalor menjelaskan alat yang diperlukan untuk pengukuran sistem HVAC melakukan pengukuran pada sistem HVAC menginterpretasi data pengukuran sistem HVAC menampilkan profil energi sistem HVAC menghitung kinerja sistem HVAC mencari peluang penghematan pada sistem HVAC melaporkan hasil audit sistem HVAC

Dasar teori

HVAC/Pompa kalor merupakan alat yang mentransfer energi dari sumber panas (heat source) ke heat sink melawan gradien temperatur. Pompa kalor dirancang untuk memindahkan energi panas berlawanan dengan arah aliran panas spontan. Sebuah pompa kalor menggunakan sejumlah energi eksternal untuk mencapai transfer energi termal yang diinginkan dari heat source ke heat sink.

Mesin pompa kalor yang digunakan dalam percobaan ini adalah jenis siklus tekanan uap Rankine. Keterangan megenai alat pompa kalor adalah sebagai berikut:

1. Bahan pendingin (refrigeran) yang dipergunakan adalah Freon 12 (R12)2. Kompresor berupa kompresor torak, semi hermetic, dengan pendinginan udara.

Kapasitas 9,46 m3/jam pada putaran 1450 rpm.3. Motor listrik 3 fasa 415 V 50 Hz dengan daya maksimum 2,5 kW. Daya yang digunakan

dapat dilihat pada meter daya.

4. AHU (Air Handling Unit). Kipas terpasang pada AHU dengan tiga kecepatan yang berbeda. Maksimum laju udara yang dihasilkan adalah 0,37 m3/detik. Termometer yang berfungsi mengukur temperatur bola kering dan basah terpasang pada saluran masuk dan keluaran AHU. Meter orifice yang dapat dipindah-pindah terpasang pada saluran masuk AHU.

5. Kondensor dengan tipe shell and tube.6. Instrumentasi.

Gambar skematis peralatan pengujian ditunjukkan pada Gambar 1. Pada alat uji terpasang berbgai alat ukur. Alat ukur digital untuk mengukur temperatur dipasang di 14 titik, yaitu:

TA1 = temperatur bola kering udara masuk. TA2 = temperatur bola basah udara masuk. TA3 = temperatur bola kering udara keluar. TA4 = temperatur bola basah udara keluar. TW7 = temperatur air masuk kondensor. TW8 = temperatur air keluar kondensor. TF1 = temperatur refrigeran masuk ke kompresor TF2 = temperatur refrigeran keluar dari kompresor TF3 = temperatur refrigeran keluar dari pendingin TF4 = temperatur refrigeran keluar dari penukar panas TF5 = temperatur refrigeran masuk ke katup ekspansi TF6 = temperatur refrigeran masuk ke evaporator TF7 = temperatur refrigeran keluar dari evaporator TF8 = temperatur refrigeran setelah melakukan penukaran panas kembali

Alat ukur tekanan bekerja secara analog, dan terpasang seperti dalam rangkaian. Laju alir air diukur menggunakan flowmeter. Laju alir udara diukur menggunakan meter orifice yang dilengkapi dengan manometer. Alat ukur daya digunakan untuk mengukur daya yang digunakan kompresor. Mesin pompa kalor ini juga dilengkapi dengan sembilan katup kendali, yaitu:

V101 = katup kendali aliran air. Selama pengujian, katup ini diatur untuk mendapatkan laju alir air yang dikehendaki.

V102 = katup untuk menghentikan keluaran fluida kerja dari kondensor. V103 = katup untuk menghentikan keluaran fluida kerja dari kompresor. V104 = katup untuk menghentikan masukan fluida kerja ke kompresor. V105 = seperti katup V104. V106 = katup ekspansi. V107 = katup untuk mengisi kembali fluida kerja.

V108 = katup ekspansi otomatis. Katup ini bekerja secara otomatis tergantung pada temperatur fluida pendingin keluaran evaporator.

Selain katup V101 dan V108, berfungsi sebagai katup pemeliharaan.

Gambar 1. Skematis Pengujian Pompa Kalor

Keterangan untuk alat ukur lainnya adalah:

Tekanan masuk kompresor (P1) Tekanan keluar kompresor (P2) Tekanan masuk katup ekspansi (P5) Tekanan keluar evaporator (P7) Laju alir fluida kerja (F1) Laju alir air (F2) Daya masukan kompresor (Wc) Penurunan manometer (P)

Siklus Termodinamika

Prinsip kerja HVAC/pompa kalor:

Perubahan fasa dari cair ke uap (penguapan/evaporasi) membutuhkan panas dan perubahan dari fasa uap ke cair (pengembunan/kondensasi) melepas sejumlah panas.

Temperatur pengembunan dan penguapan suatu zat tergantung pada tekanannya. Makin tinggi tekanan, maka makin tinggi temperatur penguapan maupun pengembunan. Sebagai contoh, air akan menguap pada 0oC jika pada kondisi vakum, atau sebaliknya akan mengembun pada 200oC bila tekanannya sangat besar.

Prinsip kerja : refrigeran setelah melalui pompa hampa, diembunkan dan dikembalikan ke fasa cair. Refrigeran yang telah mengembun kemudian dilewatkan ke ketel penguapan dan akan mulai menguap lagi, demikian seterusnya. Dalam usaha untuk mengembunkan kembali uap, perlu menaikkan tekanan pada pengembun (condenser). Dengan menggunakan pompa (bukan vakum), maka tekanan berada di atas tekanan atmosfer. Dengan tekanan makin tinggi, volume spesifik uap makin kecil, sehingga volume kompresor lebih kecil, juga pipa-pipa dan penukar panas.

Jenis cairan yang digunakan sebagai refrigeran sebaiknya adalah cairan yang akan menguap pada temperatur rendah dan tekanan sekitar 1 atmosfer. Dengan mempertahankan tekanan di atas 1 atm, maka kebocoran yang terjadi lebih mudah diketahui.

Cara kerja siklus secara rinci dapat dilihat pada Gambar 2. Fluida kerja dimampatkan ke dalam kompresor dari tingkat 1 menjadi tingkat 2. Pada tekanan tinggi ini, fluida kerja didinginkan dengan udara di kompresor dan dengan air pendingin di kondensor pada

tekanan tetap (2-3). Pada kondisi ini panas akan dibuang ke air (prinsip kerja pompa kalor). Fluida kerja, kemudian dilewatkan penukar panas (3-4), hingga kondisi pendinginan lanjut (sub cooled). Proses ini berlangsung terus sampai kondisi 5.

Fluida kerja diekspansikan dengan menggunakan katup ekspansi, tekanan akan turun (5-6), dan fluida kerja akan menguap di dalam evaporator pada AHU (6-7).

Pada proes penguapan, fluida kerja akan mengambil panas dari udara yang dilewatkan AHU. Untuk meyakinkan bahwa tidak ada fluida kerja dalam bentuk cair sebelum masuk kompresor, fluida kerja R12 dilewatkaan penukar panas (7-8). Kondisi uap panas lanjut terjadi sampai kompresor (8-1). Kerja yang dihasilkan mesin pompa kalor yaitu dengan bertambah panasnya air pendingin pada pengembun (condenser). Hal ini bila dibanding dengan daya masuk kompresor disebut coefficient of performance (COP) mesin pompa kalor.

Kondisi termodinamika fluida kerja pada sistem di atas dapat digambarkan pada diagram T-S dan P-H (Gambar 2,3, dan 4). Untuk proses P-H dengan pendinginan lanjut (Gambar 4) akan diperoleh COP yang lebih tinggi.

Gambar 2. Diagram T-S ideal (tanpa pendingin lanjut) dengan perubahan fasa

Gambar 3.Diagram P-H ideal tanpa proses pendinginan lanjut

Gambar 4.Diagram P-H dengan proses pendinginan lanjut

Keterangan gambar:

1-2 : Proses pemampatan, idealnya proses isentropik

2-3 : Pelepasan kalor pada pendingin, idealnya isobaric

3-4 : Pelepasan kalor pada pendingin, proses isobar dan isotermik

4-5 : Pelepasan kalor pada pipa saluran

5-6 : Ekspansi isentalpik

6-7 : Penyerapan panas pada evaporator

7-8 : Penyerapan panas pada penukar panas

8-1 : Penyerapan panas pada pipa saluran

Pada kondisi nyata, proses tak berlangsung secara ideal. Temperatur fluida kerja pada kompresor meningkat, dan turun sepanjang aliran pipa karena gesekan. Dengan demikian, diagram yang diperoleh tidak seperti diagram ideal.

COP (Coefficient of Performance)

Efisiensi mesin kalor, perbandingan keluaran energi dengan masukan energi, selalu lebih kecil dari 1. Pada HVAC/pompa kalor, panas diperoleh dari temperatur rendah ke temperatur

yang lebih tinggi dengan menambahkan kerja. Perbandingan keluaran dan masukan daya ini lebih besar dari 1 dan biasa disebut coefficient of performance (COP). COP dapat dihitung dari hasil pengukuran kondisi termodinamika maupun hasil pengukuran daya kompresor, kalor pemanasan air, dan pendinginan udara.

Secara termodinamika dengan mengetahui tekanan dan temperatur fluida kerja pada titik tinjauan seperti Gambar 2, 3, dan 4, COP dapat dituliskan sebagai berikut:

COPmesin pendingin=h1−h6h2−h1

COPmesi n pompa kalor=h2−h5h2−h1

Perhitungan COP cara lain membutuhkan parameter-parameter lain.

Catatan: dalam menentukan COP secara riil, masukan energi pada peralatan tambahan, seperti fan dan pompa, juga perlu diperhitungkan.

Langkah percobaan

Persiapan percobaan

1. Periksa level minyak pelumas kompresor atau pompa di dalam kaca penduga pada sisi kompresor.

2. Periksa fluida manometer, kalibrasi bila perlu.3. Katup-katup pemipaan untuk sirkulasi fluida dalam posisi terbuka.4. Periksa air untuk mengukur temperatur bola basah masukan dan keluaran dari udara

yang mengalir di dalam saluran evaporator, tambah air bila tak mencukupi.5. Siapkan tabel pengujian sesuai tujuan percobaan.

Prosedur pengujian

1. Hidupkan pompa pemasok air laboratorium. Atur tekanan hingga 2 bar.2. Atur laju aliran dengan mengatur katup V101. Besarnya laju aliran yang dikehendaki

terlihat pada rotameter.3. Hidupkan saklar pada MCB.4. Set selektor fan pada posisi yang dikehendaki dan hidupkan.5. Jalankan motor penggerak kompresor. Bila kompresor mati karena tidak ada aliran air,

tekan tombol “reset” pada pengesetan tekanan kompresor, kemudian alirkan air sebelum kompresor dihidupkan.

Pengamatan

1. Amati dan ukur temperatur bola basah dan temperatur bola kering pada saluran udara ke evaporator.

2. Ukur kecepatan aliran udara, fluida kerja dan air ke kondensor.3. Amati tekanan dan temperatur untuk menentukan keadaan fluida kerja pada lokasi yang

diperlukan.4. Amati daya motor untuk menggerakkan kompresor.

Pertanyaan:

1. Hitunglah jalu alir udara, Qud ev, Qkondensor, COP baik ideal Carnot, melalui pengukuran kondisi termodinamika fluida kerja, maupun hasil pengukuran (internal and external load)!

2. Analisis parameter hasil pengukuran yang diperoleh!3. Buatlah profil konsumsi energi akibat pengaruh parameter-parameter terukur!4. Tentukan baseline dari kondisi yang diperoleh!5. Carilah peluang penghematan energi, atau cara untuk meningkatkan kinerja HVAC!6. Buatlah laporan audit energi HVAC!

Data Pengukuran

Tabel 1. Contoh Format Data Pengukuran untuk Pengujian Pompa Kalor.

Masuk Keluar 3 4 6 8

Tdb Twb Tdb Twb TW7 TW8 T P T P T T T P T T P T

mmH2O oC oC oC oC Liter/menit oC oC Liter/menit oC Bar oC Bar oC oC oC Bar oC oC Bar oC Watt123456789101112

Daya kompresor

Beda Tekanan Orifice

Masuk Keluar Laju alir volumetrik

Laju alir volumetrik

1 2 5 7No.Posisi

Kecepatan Fan

Udara Air Refrigeran

Perhitungan

Tabel 2. Contoh Format Data Perhitungan untuk Pengujian Pompa Kalor

Laju alir massa

Masuk KeluarLaju alir massa

Laju alir massa

1 2 3 4 5 6 7 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-1COP 1

(Internal)

Mu hA1 hA2 Mu Mu h h h h h h h Wcomp Q Q Q Q Q Q Q Wkg/m3 kg/s kJ/kg kJ/kg Watt kg/s Watt kg/s kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg Watt Watt Watt Watt Watt Watt Watt Watt Watt

123456789101112

No.Posisi

Kecepatan Fan

Udara Air Refrigeran COP 2 (Ekster

nal)Massa Jenis

Qud Qair

Daya kompresor

Diagram Psikrometrik

Gambar 5. Psychrometric chart

Perhitungan laju alir udara

mA=0,083 (ρA∆ P )0,5

mA = laju alir udara [kg/s]

ρA = densitas udara [kg/m3]

1ρA

=v = volume spesifik udara [m3/kg]

Kinerja HVAC :

COPCarnot=T e

(T c−Te )

Te = Temperatur evaporator [K]

Tc = Temperatur kondensor [K]

COPinternal=h1−h6h2−h1

COPeksternal= Efek refrigerasiInput d ayakekompresor

=mud¿¿