koefisien performansi
DESCRIPTION
PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE PADA KAPAL PENANGKAP IKAN DENGAN CHILLER WATER REFRIGERASI ABSORPSI MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH3-H2O)TRANSCRIPT
PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE PADA KAPAL
PENANGKAP IKAN DENGAN CHILLER WATER REFRIGERASI ABSORPSI
MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH3-H2O)
Nama Mahasiswa : Radityo Dwi Atmojo
NRP : 2108 100 613
Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS
Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng
PENDAHULUAN
Penggunaan balok es pada palka kapal nelayan ikan untuk mempertahankan kesegaran
ikan dalam setiap pelayaran yang dilakukan nelayan kurang efisien dan kurang praktis. Sehingga
penulis merancang cold storage untuk mengganti penggunaan balok es. Permasalahan yang akan
dibahas dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah mengenai perancangan beserta analisa
performansi cold storage untuk ikan. Disamping itu akan direncanakan (design) pula evaporator
untuk chiller water sebagai media pendingin pada cold storage.
DASAR TEORI
1. Beban Pendinginan
Beban pendinginan merupakan jumlah energi panas yang harus dikeluarkan dari dalam
ruangan oleh mesin pendingin untuk mendapatkan kondisi ruangan yang diinginkan.
Berdasarkan jenisnya, beban pendinginan dibedakan menjadi dua yaitu beban eksternal dan
beban internal. Beban eksternal adalah beban kalor yang masuk dari luar ruangan ke dalam
ruangan yang terdiri dari beban transmisi melalui dinding luar, atap, dan kaca, beban radiasi
matahari melalui kaca, beban infiltrasi, dan beban ventilasi.
Sedangkan beban internal ialah beban kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu
sendiri. Beban ini terdiri dari beban partisi, beban penerangan, beban penghuni, dan beban
peralatan. Sebagai ilustrasi, dapat dilihat pada Gambar 2.6 yang merupakan contoh beban
pendinginan diruang palka ikan.
Gambar 2.6 Ilustrasi Beban-beban Pendinginan
1.1 Beban Infiltrasi
Beban ventilasi terjadi karena udara segar dimasukkan ke dalam ruangan yang
dikondisikan untuk keperluan tambahan oksigen. Sedangkan beban infiltrasi terjadi
karena adanya udara luar yang masuk ke dalam ruangan melalui celah-celah pintu,
jendela, dinding, plafon, dan lain sebagainya atau pada saat pintu dan jendela terbuka.
Udara luar yang masuk melalui ventilasi maupun infiltrasi akan menjadi beban
pendinginan tambahan bagi ruangan yang dikondisikan. Namun untuk kasus udara
ventilasi biasanya adalah udara luar yang sengaja dimasukkan melalui unit
pengkondisian udara (Air Handling Unit/Fan Coil Unit) sehingga menjadi beban
koil/penukar kalor pada unit pengkondisian udara tersebut.
Beban yang berasal dari udara luar dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
beban sensible yang berhubungan dengan proses penurunan temperatur dan beban
laten yang lebih berkaitan dengan pengembunan sebagian uap a i r yang
terkandung (pengurangan kelembaban). Beban-beban ini dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan :
ππππππππππππππππππππππ = ππππ + ππππ ............................................................................. (2.3)
β’ Beban sensibel dari udara luar (ππππ)
ππππ = ππ Γ ππ Γ πΆπΆππ Γ βππ ................................................................... (2.4)
β’ Beban laten dari udara luar (ππππ)
ππππ = ππ Γ ππ Γ βππππ Γ βππ ................................................................ (2.5)
Dimana :
Beban Produk
Beban Infiltrasi
Beban Transmisi
ππ = Laju aliran volumetric udara (m3/s)
ππ = massa jenis (kg/m3)
πΆπΆππ = panas spesifik (J/(kg.K))
βππππ = panas laten (J/kg)
βππ = perubahan temperatur (oC)
βππ = rasio kelembaban (kgv/kgda)
1.2 Beban Transmisi
Beban transmisi adalah panas/kalor yang masuk kedalam ruang yang didinginkan
melalui permukaan. Pada ruang cold storage ini, beban konduksi kedalam ruangan
banyak yang melewati dinding, atap, lantai, dan pintu.
Beban transmisi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6.
πππππππππππππ‘π‘ππππππ = ππ β π΄π΄ β πΆπΆπΆπΆπππΆπΆ .................................................................... (2.6)
Dimana :
πππππππππππππ‘π‘ππππππ = beban transmisi, (Watt)
ππ = koefisien konduktifitas overall, (Watt/ m2.K)
A = luas permukaan perpindahan panas, (m2)
CLTD = Cooling Load Temperatur Difference, (K)
Gambar 2.7 Sirkuit Thermal melalui Material Cold Storage
ππ = 1π π πππ‘π‘ππ βπ΄π΄
= 11β1
+πΆπΆ1ππ1
+πΆπΆ2ππ2
+πΆπΆ3ππ3
+ 1β0
.................................................. (2.7)
Dimana :
π π πππ‘π‘ππ = hambatan thermal (m2.K/W)
ππ = konduktivitas thermal (W/m.K)
β = koefisien konveksi (W/m2.K)
πΆπΆ = panjang laluan perpindahan panas (W/m.K)
Dalam perancangan Tugas Akhir ini, posisi dinding bagian atas dari cold storage
dipengaruhi oleh panas radiasi.
1.3 Beban Produk
Beban pendinginan produk adalah kalor yang dihasilkan oleh produk pada saat
didinginkan. Karena pada saat produk dimasukkan ke ruang pendinginan (cold storage),
suhu yang lebih tinggi dari suhu ruang pendinginnya tadi akan menjadi beban
pendinginan didalam ruangan tersebut.
Besarnya daya pendinginan produk dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan 2.9.
ππ = π‘π‘ Γ πΆπΆππ Γ βππ ............................................................................... (2.8)
Dimana :
Q = beban pendinginan produk sebelum suhu pembekuan (J)
m = massa produk (kg)
πΆπΆππ = panas spesifik (J/(kg.K))
βππ = perubahan temperatur (oC)
πππππππ‘π‘ππππππ = ππππππππππππππππππππππππππ
........................................................................ (2.9)
Dimana :
πππππππ‘π‘ππππππ = daya pendinginan yang berasal dari produk (W)
ππππππππππππππππππππππππ = waktu pendinginan (s)
1.4 Total beban pendinginan
Beban pendinginan total adalah jumlah kalor dari keseluruhan beban pendingin
yang terdapat di ruangan pendingin, yaitu beban transmisi, beban produk, dan beban
infiltrasi. Beban total pendingin dapat dihitung dengan persamaan 2.10.
πππΆπΆπΆπΆ = πππππππ‘π‘ππππππ + πππππππππππππ‘π‘ππππππ + ππππππππππππππππππππππ ............................................ (2.10)
2. Analisa Luasan Penukar Kalor
Perancangan Heat Exchanger pada tugas akhir ini merupakan jenis shell and tube,
dimana fluida panas berada pada sisi shell. Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan
termal secara umum menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode
ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998).
Dasar dari perancangan termal ini adalah menentukan keseimbangan antara laju
perpindahan massa dan perubahan temperatur fluida kerja sisi shell dan sisi tube dengan laju
perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD, sehingga diperoleh luasan penukar kalor yang
diperlukan.
Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell dan yang diterima oleh fluida pada sisi tube
masing-masing dihitung dengan Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12:
πππΆπΆ = οΏ½ΜοΏ½π‘πΆπΆ πΆπΆπππΆπΆ οΏ½ππβππππ β ππβπ‘π‘ππππ οΏ½ ........................................................................... (2.11)
πππ π = οΏ½ΜοΏ½π‘π π β (βππππ β βπ‘π‘ππππ )................................................................................... (2.12)
Dengan,
πππΆπΆ = Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell (kW)
πππ π = Laju kalor yang diterima oleh fluida sisi tube (kW)
οΏ½ΜοΏ½π‘πΆπΆ = Laju massa aliran fluida sisi shell (kg/s)
πΆπΆπππΆπΆ = Panas spesifik fluida sisi shell (kJ/kgK)
ππβππππ = Temperatur fluida masuk sisi shell (K)
ππβπ‘π‘ππππ = Temperatur fluida keluar sisi shell (K)
οΏ½ΜοΏ½π‘π π = Laju massa aliran fluida sisi tube (kg/s)
βππππ = Enthalpy fluida masuk sisi tube (kJ/kg)
βπ‘π‘ππππ = Enthalpy fluida keluar sisi tube (kJ/kg)
Dalam penukar kalor pada umumnya, laju perpindahan kalor yang dilepas fluida kerja
yang bertemperatur lebih tinggi sama dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh fluida
yang memiliki termperatur lebih rendah. Dan dimana besarnya laju perpindahan kalor didapatkan
melalui perhitungan nilai pembebanan refrigerasi pada ruangan, yang didapatkan sebesar ππππ ,
sehingga:
ππππ β πππΆπΆ β πππ π ................................................................................................. (2.13)
Sedangkan, laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD dapat ditentukan dengan
Persamaan 2.14 :
ππ = ππ π΄π΄ βπππππ‘π‘ ................................................................................................. (2.14)
Dengan,
U = Koefisien perpindahan kalor total
A = Luasan penukar kalor
βπππππ‘π‘ = LMTD
Besarnya dari koefisien perpindahan kalor total dihitung melalui persamaan 2.15.
ππ = 1πππ‘π‘ππππ βππ
+πππ‘π‘π π ππππππππ
+πππ‘π‘ ln οΏ½πππ‘π‘ ππππβ οΏ½
2ππ +π π πππ‘π‘ + 1βπ‘π‘
............................................................ (2.15)
Dimana :
πππ‘π‘ = diameter luar tube (m)
ππππ = diameter dalam tube (m)
βππ = perpindahan kalor pada sisi tube (W/m2K)
βπ‘π‘ = perpindahan kalor pada sisi shell (W/m2K)
π π ππππ = fouling resistence pada sisi tube (m2K/W)
π π πππ‘π‘ = fouling resistence pada sisi shell (m2K/W)
Dengan besarnya perpindahan panas pada masing-masing sisi dipengaruhi oleh bilangan
nusselt (ππππ) dan diameter (d). Menurut persamaan 2.16.
β = ππππβ ππππ
...................................................................................................... (2.16)
Dimana :
k = konduktifitas panas fluida (W/mK)
Dalam kasus ini, ditentukan perancangan metode LMTD dengan penukar kalor counter
flow, yang dihitung berdasarkan grafik pada gambar 2.8.
βT1
βT2
Th1
Th2
Tc2 Tc1
Luasan Penukar Kalor yang diperlukan
Tem
pera
tur
Gambar 2.8 Grafik temperatur fluida kerja pada penukar kalor counter flow
Dimana, πππΆπΆ1 = πππΆπΆ2 = ππππππππ , hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh sistem evaporasi.
Dengan persamaan sebagai berikut :
βπππππ‘π‘ = βππ1ββππ2
lnβππ1βππ2
....................................................................................... (2.17)
βπππππ‘π‘ di atas merupakan nilai LMTD untuk penukar kalor counter flow yang memerlukan faktor
koreksi LMTD, sehingga persamaan menjadi :
ππ = ππ π΄π΄ βπππππ‘π‘ πΉπΉ .............................................................................................. (2.18)
Dimana,
F = faktor koreksi LMTD untuk penukar kalor shell and tube satu laluan sisi shell dan laluan
sisi tube genap, ditentukan dengan grafik faktor koreksi LMTD
Gambar 2.9 Faktor koreksi shell and tube heat exchanger dengan jumlah laluan shell, satu dan
jumlah laluan tube, kelipatan dua.
Diperolehnya nilai koefisien perpindahan kalor, LMTD, dan faktor koreksi LMTD, maka
dapat diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan.
3. Daya Pompa
Dalam Tugas Akhir ini digunakan rumus umum dalam pencarian daya pompa, yaitu :
π΅π΅π΅π΅ππ = πΎπΎ β ππ β π΅π΅ππππππ ............................................................................................ 2.19
Dimana,
πΎπΎ = berat jenis fluida (N/m3)
ππ = debit aliran fluida (m3/s)
π΅π΅ππππππ = Head effektif pompa (m), yang dipengaruhi oleh head kedalaman (π΅π΅π§π§) dan head loss
(π΅π΅ππ)
Untuk pencarian head loss pompa (π΅π΅ππ) dilakukan melalui pressure drop total yaitu :
π΅π΅ππ = βπππππ‘π‘πππΎπΎ
............................................................................................................ 2.20
Presure drop total yang ada pada instalasi cold storage, dipengaruhi oleh :
1. Pressure Drop Komponen
βπππππ‘π‘π‘π‘ππ = 4ππ ππππ2
2βοΏ½πΆπΆππ
πΆπΆπποΏ½........................................................................ 2.21
Dengan,
ππ = faktor gesek Fanning
ππ = 0.046 β π π ππβ0.2, untuk 3 Γ 104 < π π ππ < 106.................................. 2.22
ππ = 0.079 β π π ππβ0.25, untuk 4 Γ 103 < π π ππ < 105 ............................... 2.23
ππ = massa jenis fluida (kg/m3)
ππ = kecepatan aliran (m/s)
πΆπΆπππΆπΆππ
= panjang equivalent terhadap diameter pipa, yang didapatkan melalui tabel
Equivalent in pipe diameter of various valve and fittings (lampiran)
2. Pressure Drop Pipa
Untuk Pressure drop dari pipa, perumusan secara umum sama dengan Pressure drop dari
komponen, namun tidak dipengaruhi oleh panjang equivalent melainkan panjang dari
tube yang terpasang, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
βππππππππππ = 4ππ οΏ½ πΆπΆπππποΏ½ ππππ
2
2............................................................................. 2.24
3. Pressure Drop Chiller Water
Pressure drop ini merupakan pressure drop yang dalam Tugas Akhir ini berada dalam
sisi Shell, sehingga :
βππππ = ππβπΊπΊππ2 β(ππππ+1)βπΆπΆππβπ£π£2Deππππ
............................................................................ 2.25
Dengan,
ππ = exp(0.576 β 0.19 lnπ π ππ) ............................................................... 2.26
ππππ = οΏ½πππππππ€π€οΏ½
0.14......................................................................................... 2.27
πΊπΊππ = mass flux sisi Shell (kg/m2s)
ππππ = Jumlah tube
πΆπΆππ = Diameter internal shell (m)
De = Diameter Equivalent (m)
π£π£ = volume spesifik (m3/kg)
3. Performansi melalui Lumped Capacitance Method
Dalam Tugas Akhir ini, analisa performansinya sebatas dari pengaruh pembebanan ikan
berdasarkan perancangan cold storage terhadap waktu dan temperatur pendinginan. Sehingga
dipilih penggunaan lumped capacitance method untuk mengetahui gejala dari perancangan cold
storage ini.
KESIMPULAN
1. Estimasi nilai beban panas dari pendinginan ikan pada cold storage, ditunjukkan pada
Tabel 5.1 di bawah ini :
Tabel 5.1 Hasil Analisa Pembebanan Cold Storage
ITEM SATUAN NILAI JENIS PEMBEBANAN
Transmisi Watt 2652.79 Infiltrasi Watt 105.6 Produk kJ 1358191.2
WAKTU PENDINGINAN PRODUK
Time (beban ikan = 10 ton) jam 6.73
2. Hasil perancangan thermal chiller water dan daya pompa ditampilkan pada Tabel 5.2 di
bawah ini :
Tabel 5.2 Hasil Perancangan Chiller Water dan Perhitungan Daya Pompa
ITEM SATUAN NILAI
Chiller Water
Diameter Eksternal tube (do) m 0.03175 in 1.25
Tebal Tube m 0.004572 in 0.18
Tube Gauge BWG 7 Jumlah Tube (Nt) tube 162
Jumlah Laluan (Np) pass 8
Diameter Shell (Ds) m 0.635 in 25
Pitch size (Pt) m 0.0396875 in 1.5625
Jarak antar Baffle (B) m 0.1 Pressure drop shell Pa 1479.9848 Pressure drop tube Pa 763.44385 Panjang Tube (L) m 1.54
ITEM SATUAN NILAI
Pompa Pressure drop komponen Pa 41.9
Pressure drop pipa Pa 162.4 Pressure drop heat exchanger Pa 1479.9848
Pressure drop total Pa 1684.3 Head kedalaman m 2.5
Head loss m 0.17 Head effektif (Heff) m 2.67
Debit aliran (Q) m3/s 0.0019111 Break Horse Power (BHP) Watt 51.2
3. Hasil dari analisa performansi adalah sebagai berikut :
a. Pada saat nelayan istirahat, penggunaan sistem palka (Balok Es) untuk kondisi
cold storage penuh menghasilkan temperatur akhir yang lebih rendah dari
penggunaan sistem cold storage. Terlihat pada tabel berikut :
Tabel 5.3 Perbandingan temperatur akhir penggunaan sistem cold storage dengan
sistem palka sewaktu nelayan istirahat
Temperatur akhir setelah selesai istirahat (oC) cold storage palka hari pertama 4.07 17.63 hari ke-14 2.88 -0.70
b. Penambahan ikan di setiap tangkapan mengakibatkan peningkatan temperatur
cold storage tetapi temperatur tersebut cenderung menurun dari tangkapan
sebelumnya. Terlihat pada tabel berikut :
Tabel 5.4 Penurunan temperatur pada saat setiap kali tangkapan
Tangkapan Temperatur (oC)
hari pertama hari ke-14 I 1.036 0.297 II 0.261 0.177 III 0.240 0.170 IV 0.237 0.169
c. Penambahan ikan dalam cold storage akan memperlambat laju pendinginan ikan.
Terlihat pada tabel 5.5 dibawah ini :