Perancangan Alat Pemanas Dan Pendingin Air Minum Bertenaga Listrik

(1)

KARYA AKHIR

PERANCANGAN ALAT PEMANAS

DAN PENDINGIN AIR MINUM BERTENAGA LISTRIK

UNTUK MEMENUHI PERSYARATAN MEMPEROLEH GELAR SARJANA SAINS TERAPAN

Disusun Oleh:

IRWANSYAH PUTRA

NIM : 025202047

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI MEKANIK INDUSTRI

P R O G R A M D I P L O M A I V

F A K U L T A S T E K N I K

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2008

(2)

Lembaran Pengesahan Karya Akhir

Judul : PERANCANGAN ALAT PEMANAS DAN PENDINGIN AIR MINUM BERTENAGA LISTRIK

Oleh :

Nama : IRWANSYAH PUTRA NIM : 025202047

Telah diperiksa :

Reviewer I Reviewer II

Ir. Tugiman, MT Ir. Syahrul Abda, MSc NIP. 131 459 557 NIP. 131 803 354

Disetujui oleh: Dosen Pembimbing

TULUS BURHANUDDIN S. ST, MT NIP. 132 282 136

Diketahui oleh:

Ketua Program Studi Teknologi Mekanik Industri Program Diploma IV FT. USU

Ir. Alfian Hamsi, MSc NIP. 131654258

(3)

KATA PENGANTAR

Bismillaahirrahmaanirrahiim.

Segala puji bagi Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia yang telah diberikan sehingga saya dapat menyelesaikan karya akhir ini. Shalawat dan salam semoga tercurah kepada nabi Muhammad SAW beserta keluarga dan sahabat.

Karya akhir ini merupakan salah satu syarat bagi setiap mahasiswa untuk menyelesaikan studi di Jurusan Teknologi Mekanik Industri Fakultas Teknik Program Pendidikan Diploma IV Universitas Sumatera Utara.

Adapun isi karya akhir ini adalah tentang pembuatan alat pemanas dan pendingin air bertenaga listrik dengan menggunakan peralatan yang sangat sederhana, yang nantinya dapat dipergunakan di Laboratorium.

Saya menyadari bahwa karya akhir ini masih banyak kekurangan-kekurangan, untuk itu saya minta maaf dan masukan dari para pembaca untuk kelengkapan karya akhir ini. Pada kesempatan ini saya ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Kedua orang tua saya yang saya sayangi, Almarhum Ayahanda Marsuddin dan Ibunda Cut Rosdiana yang telah banyak berkorban untuk saya hingga saat ini yang tidak akan mungkin dapat saya membalasnya kecuali hanya doa untuk kebaikan mereka, serta untuk kakakku yang tercinta Lena, Yuni, dan Dewi yang selalu memberi dukungan, dan adik-adikku Muhazir, dan Ica yang selalu membawa keceriaan didalam keluarga.

(4)

2. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus. ST, MT, selaku pembimbing yang telah begitu sabar memberikan petunjuk dan tuntunan dalam penyelesaian karya akhir ini.

3. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc, Ketua Program Studi Teknologi Mekanik Industri Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Para dosen dan staf administrasi Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Daniel P, Khairul Anwar, Muhammad Syawal, Efrianda, Antoni Rorin dan rekan dalam penyelesaian karya akhir yang telah sama-sama merasakan suka duka sejak awal pembuatan alat hingga selesainya karya akhir ini.

6. Eko kurniawan, M. Reza, Jantua Daud, Edelfin Septianto, serta rekan-rekan mahasiswa angkatan ’02 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan moril dalam penyelesaian karya akhir ini.

Akhir kata saya sampaikan, semoga Karya Akhir ini bermamfaat bagi kita semua.

Medan, Juni 2007 Penulis

IRWANSYAH PUTRA 025202047

(5)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN KATA PENGANTAR DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR NOTASI

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penulisan... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4Metode Penulisan... 3

1.5Sistematika Penulisan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1Konsep Dasar Perpindahan Kalor... 6

2.1.1 Suhu (t) ... 7

2.1.2 Tekanan (P)... 7

2.1.3 Kalor Spesifik ... 8

2.1.4 Perubahan Temperature ... 9

2.2Sifat – Sifat Cairan Uap ... 10

2.3Pemanasan dan Pendinginan... 11

2.4Beda Thermodinamika Dengan Perpindahan Kalor ... 12

2.5Mekanisme Perpindahan Kalor... 12

2.5.1 Perpindahan Kalor Konduksi... 13

2.5.2 Perpindahan Kalor Konveksi ... 17

(6)

2.6 Analogi Panas dan Aliran Listrik... 24

2.7 Prinsip Dasar Mesin Pendingin... 24

2.7.1 Motor Penggerak (Motor Listrik) ... 25

2.7.2 Saringan ... 26

2.7.3 Pipa Kapiler (keran expansi)... 26

2.7.4 Thermostatik Expansion Valve... 27

2.7.5 Refrigerant (bahan pendingin) ... 27

2.8 Proses Pendinginan ... 30

2.8.1 Kerja Kompresi... 30

2.8.2 Laju Pengeluaran Kalor ... 31

2.8.3 Dampak Refrigerasi (Re) ... 32

2.8.4 Koefisien Prestasi (COP) ... 32

BAB III PERENCANAAN ALAT PEMANAS DAN PENDINGIN 3.1 Casing ... 33

3.2 Bagian Dari Alat Pemanas ... 34

3.2.1 Tabung Pemanas ... 34

3.2.2 Koil Pemanas ... 36

3.2.3 Termostate ... 36

3.3 Bagian – Bagian Pada Alat Penndingin ... 38

3.3.1 Kotak Pendingin Dan Elamen Pendingin ... 39

3.3.2 Sensor Thermal ... 41

3.3.3 Elemen Pendingin Elektronik ... 41

3.3.4 Sirip Pendingin ... 42

3.3.5 Kipas ... 43

3.4 Rangkaian Kontrol Listrik ... 44

3.5 Saklar Listrik... 44

3.6 Lampu LED ... 45

(7)

3.8 Selang Karet... 45

3.9 Keran... 45

3.10 Skema Aliran Listrik... 46

BAB IV MENGANALISA PERENCANAAN BEBAN PEMANAS DAN PENDINGINAIR 4.1 Perencanaan Beban Pada Alat Pemanas ... 48

4.1.1 Berdasarkan Pengunaanya, Resistor Dapat di Bagi... 50

4.1.2 Analisa Daya Perencanaan Pada Alat Pemanas... 51

4.2 Perencanaan Temperatur (Suhu) Alat Pemanas ... 53

4.3 Waktu Pemanasan ... 57

4.4 Perencaan Beban Pada Alat Pendingin... 58

4.4.1 Cara Kerja Alat Pendingin Elektronik ... 58

4.5 Analisa Beban Pada Alat Pendingin... 59

4.6 Waktu Pendinginan ... 61

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 51. KESIPULAN ... 63

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar. 2.1 Diagram Rangka Hubungan Tekanan – Entalpi Air 9 Gambar. 2.2 Konduktivitas Thermal Beberapa Zat Cair 11

Gambar. 2.3 Diagram Temperature vs Posisi 13

Gambar. 2.4 Perpindahan Panas Konveksi 17

Gambar. 2.5 Konveksi Paksa 17

Gambar. 2.6 Gabungan Konveksi, Konduksi dan Radiasi 23 Gambar. 2.7 Daur Kompresi Uap Ideal dalam Diagram Tekanan – Entalpi 30

Gambar. 2.8 Diagram Aliran 31

Gambar. 3.1 Casing Alat Pemanas dan Pendingin Air 33

Gambar. 3.2 Tabung Pemanas 34

Gambar. 3.3 Thermostate 37

Gambar. 3.4 Prinsip Kerja Thermostate 38

Gambar. 3.5 Tabung Pendingin 39

Gambar. 3.6 Sensor Thermal 41

Gambar. 3.7 Elemen Pendingin Elektronik (Pelteir) 42

Gambar. 3.8 Sirip Pendingin 42

Gambar. 3.9 Kipas 43

Gambar. 3.10 Alat Pengontrol Listrik 44

Gambar. 3.11 Saklar 44

Gambar. 3.12 Keran 45

(9)

Gambar. 4.1 Simbol Resistor (AS dan Jepang) 51

Gambar. 4.2 Kawat 53

Gambar. 4.3 Grafik vs Temperatur Pemanasan Air 57 Gambar. 4.4 Rangkaian Arus Pada Alat Pendingin 58 Gambar. 4.5 Prinsip Kerja Pendingin Pelteir (Elemen Pendingin) 59 Gambar. 4.6 Grafik vs Temperatur Pendinginan Air 62

(10)

DAFTAR TABEL

Tabel. 2.1 Konduktivitas thermal berbagai bahan ... 15

Tabel 2.2 Nilai kira – kira koefisien perpindahan kalor konveksi ... 20

Tabel 2.3 Bahan pendingin (Refrigerant) ... 28

Tabel 4.1 Waktu VS Temperature pemanasan air ... 57

(11)

DAFTAR LAMPIRAN

1. Gambar Potongan

2. Tabel Sifat – Ssfat Logam 3. Tabel. Faktor Konveksi

4. Tabel. Emissivitas Total Normal dari Berbagai Permukaan 5. Tabel. Massa Jenis dan Massa Molekul Zat Cair

6. Tabel. Koefisien Perpindahan Panas Individual Konveksi Pada Berbagai Permukaan.

7. Tabel. Konduktivitas Panas Spesifik dan Massa Jenis Gravity Logam 8. Tabel. Konduktivitas Zat Cair

9. a. Tabel. Sifat – Sifat Thermodinamika Untuk Air b. Tabel. Sifat – Sifat Thermodinamika Untuk Uap c. Tabel. Sifat – Sifat Thermodinamika Untuk Udara 10. Tabel. Data Tabung Kondensor dan Penukar Panas.

(12)

DAFTAR NOTASI

Simbol Keteranga Satuan q Laju Perpindahan Panas (Kj/det) K konduktivitas Thermal (W/cm, K atau J/cm sK) A Luas Penampang (cm2)

dT Perbedaan Temperature (0C,0F,K) dx Perbedaan Jarak (m/det) ∆t Perubahan Suhu (0C,0F,K)

n Jarak (cm, m)

T Temperature (0 ,0 , )

K F C

Flow Aliran (m/det)

Tw Temperature Dinding (0C,0F,K)

T∞ Temperature Sekeliling (0C,0F,K) h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W,m2,0C)

R Tahanan (Ω)

 Ketetapan Stefan Boltzman (rad,s2) T1,T2 Temperature Permukaan (0C,0F,K)

Ts Temperature Sekitar -

FE Faktor Emisivitas -

(13)

I Arus Listrik (Ampere) q/A Arus Panas (0C,0F,K) V Beda Potensial (Volt) T Beda Temperature (0C,0F,K)

Re Tahanan Listrik (Ohm atau V/A)

V Volume (m3)

P Panjang (cm, m)

L Lebar (cm, m)

T Tinggi (cm, m)

P Daya (Watt)

Cos Rugi Daya - P Ketetapan Resivitas Baja Tahan Karat - L Panjang Kawat (cm) A Diameter Kawat ( r2) (mm)

Tmax Temperature Maksimum (0C,0F,K)

Tmin Temperature Minmum (0C,0F,K)

 2

(14)

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang.

Air banyak manfaat dan kegunaannya terutama bagi makhluk hidup. Dalam kehidupan sehari – hari air digunakan untuk mandi, mencuci dan untuk di minum. Mengkonsumsi air setiap hari sangat penting, karena air merupakan salah satu sumber cairan utama di dalam tubuh, pada umumnya di dalam kehidupan sehari - hari apabila cuaca dingin sangat di pererlukan air minum yang hangat untuk menghangatkan tubuh dan sebaliknya apabila cuaca panas membutuhkan air dingin untuk menyegarkan tubuh. Maka untuk mendapatkan air panas dan air dingin tersebut harus memiliki alat pemanas dan pendingin tersebut, biasanya untuk mendapatkan air panas masih menggunakan kompor minyak atau kompor gas elpiji dan untuk mendapatkan air dingin memerlukan mesin pendingin (kulkas). Seiring dengan perkembangan zaman telah di temukan cara yang sangat mudah dan praktis untuk mendapatkn air panas dan air dingin tersebut, hanya dengan menunggu beberapa menit sudah bisa langsung dapat menikmatinya, yaitu dengan alat dispenser. Mesin

dispenser adalah mesin pemanas dan pendingin air bertenaga listrik yang diracan dengan sangat sederhana, dan prinsip kerja dari alat tersebut cepat, praktis, dan aman.

Adapun cara penggunaan dispenser ini sangatlah mudah, hanya tinggal menyediakan air yang sudah seteril atau air yang sudah layak untuk di minum seperti,

(15)

air mineral kemasan gallon. Karena pada dasarnya dispenser hanya di rancang untuk pemanas dan pendingin saja, tidak untuk memasak atau untuk membuat es seperti pada alat pemanas dan pendingin lainnya. Dispenser hanya menggunakan tabung atau tangki tempat penampungan air yang akan dipanaskan dan didinginkan, kapsitas tabung pemanas minimal 5 L/jam, dan kapasitas tabung pendingin 0,7 L/jam, tabung pemanas terbuat dari bahan stainless steel sedangkan tabung untuk pendingin terbuat dari plastik. Dengan suhu yang di hasilkan alat pemanas 80º - 90º, sedangkan untuk temperatur alat pendingin 150C.

Dari spesifikasi yang ada dispenser di rancang dengan beban listrik relative rendah agar bisa digunakan pada perumahan atau perkantoran, daya listrik yang dibutuhkan pada dispenser 350 watt / 220 v.

Dalam hal ini untuk membuat karya akhir tentang perancangan alat pemanas dan pendingin air tersebut, dan melakukan penelitian serta mencoba untuk merancang ulang alat pemanas dan pendingin dengan memanfaatkan komponen – komponen yang ada.

1.2 Tujuan Penulisan

Tujuan yang hendak dicapai dalam penulisan karya akhir ini adalah untuk mengaplikasikan mata perkuliahan yang di dapatkan selama ini dalam perkuliahan dan untuk meningkatkan pengetahuan dalam menganalisa perancangan alat pemanas dan pendingin air minum bertenaga listrik. Sehingga menjadi pedoman dalam dalam

(16)

permasalahan kelak dan juga sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi

Teknologi Mekanik Industri, (D IV) FT. USU.

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penulisan karya akhir ini adalah :

 Perancangan Ulang Alat Pemanas Dan Pendingin Air Minum

 Spesifikasi Peralatan Dan Bahan

 Analisa Perhitungan Beban Pemanasan

 Analisa Perhitungan Beban Pendinginan

1.4 Metode Penulisan

Metode penulisan rancang ulang alat pemanas dan pendingin bertenaga listrik antara lain:

 Studi Literatur

Untuk menambah wawasan perlu studi literature dengan mempelajari buku – buku tentang pemanas dan pendingin atau karya ilmiyah yang berhubungan dengan masalah yang di hadapi.

(17)

 Konsultasi Dengan Dosen Pembimbing

Dalam penulisan karya akhir ini perlu mengadakan konsultasi/responsi dengan dosen pembimbing.

 Observasi Data

Melakukan observasi data – data benda kerja melalui media internet dan dari hasil pengamatan langsung dengan benda kerja.

 Analisa data

Menghitung beban pemanas dan pendingin dengan menggunakan buku-buku pedoman serta melakukan pengujian terhadap alat tersebut.

 Membuat Kesimpulan

Setelah menyelesaikan laporan karya akhir dapat mengambil kesimpulan tentang hasil dari perancangan dan analisa tersebut.

1.5 Sistematika Penulisan

Laporan Karya Akhir ini terdiri dari 5 bab, berdasarkan penulisan-penulisan tertentu,yang nantinya diharapkan agar pembaca lebih mudah dalam memahaminya. Sistematika penulisannya adalah sebagai berikut :

1). BAB I, Merupakan Pendahuluan yang berisikan tentang Latar Belakang, Tujuan Penulisan, Batasan Masalah, Metode Penulisan Dan Sistematika Penulisan.

(18)

2). BAB II, Merupakan landasan teori yang mendukung mengenai perancangan alat pemanas dan pendingin air minum bertenaga listrik ini.

3). BAB III, Merupakan spesifikasi peralatan yang digunakan , serta proses kerja dari benda yang dirancang.

4). BAB IV, Merupakan pembahasan mengenai analisa dari perhitungan beban pemanasan dan pendinginan dari alat yang dirancang.

(19)

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Konsep Dasar Perpindahan Kalor

Perpindahan panas mencakup mengenai perpindahan energi karena perbedaan temperatur diantara dua benda atau material. Disamping itu perpindahan panas juga meramalkan laju perpindahan panas pada kondisi tertentu.

Persamaan fundamental didalam perpindahan panas merupakan persamaan kecepatan yang menghubungkan kecepatan perpindahan panas sebagai diantara dua sistem dengan sifat termodinamis dalamsistem tersebut. Gabungan persamaan kecepatan, kesetimbangan energi, dan persamaan keadaan termodinamis menghasilkan persamaan yang dapat memberikan distribusi temperatur dan kecepatan perpindahan panas. Jadi, pada dasarnya teori perpindahan panas adalah termodinamika dengan persamaan kecepatan yang ditambahkan.

Berbagai konsep, model, dan hukum Thermodinamika dan perpindahan kalor dikembangkan dari serangkaian konsep yang di kembangkan dari dunia fisika, model khusus, dan juga hukum yang digunakan untuk memecah masalah dari system rancangan.

Oleh karena termodinamika berkisar pada energi maka seluruh sifat-sifat termodinamika berkaitan dengan energi. Keadaan atau kondisi termodinamika suatu system didefenisikan berdasarkan sifat-sifatnya.

(20)

2.1.1 Suhu ( t )

Suhu dari suatu bahan menyatakan keadaan termalnya dan kemampuannya untuk bertukar energi dengan bahan lain yang bersentuhan dengannya. Jadi suatu bahan yang bersuhu lebih tinggi akan memberikan energi kepada bahan lain yang suhunya lebih rendah . Titik acuan bagi skala celcius adalah titik beku air ( 0 ºC) dan titik didih air 100 ºC .

Suhu absolute ( T ) adalah derajat diatas suhu nol absolute yang dinyatakan

dengan dengan Kelvin : ( K ) ; yaitu T = t ºC + 273. oleh karena itu interval antar

suhu pada kedua skala suhu tersebut identik maka beda suhu pada suhu Celcius dinyatakan dengan Kelvin (K).

2.1.2 Tekanan ( p )

Tekanan adalah gaya normal (tegak lurus) yang diberikan oleh suatu fluida per-satuan luas benda yang terkena gaya tersebut.tekanan absolute adalah tekanan diatas nol (tekanan yang sebenarnya yang berada diatas nol ): tekanan pengukuran ( gauge pressure) diukur atas tekanan atmosfer suatu tempat ( nol tekanan pengukuran = tekanan atmosfer ditempat atmosfer ditempat tersebut ).

Satuan yang dipakai untuk tekanan adalah newton per-meter kuadrat ( N/m ), juga disebut pascal (Pa).newton adalah satuan gaya.

(21)

Tekanan dapat diukur dengan instrument seperti tera-ukur tekanan ( pressure gauges) atau manometer yang diperlihatkan secara skematik, dipasang pada suatu saluran udara.oleh karena salah satu ujung manometer terbuka ke atmosfer maka pergeseran muka air dalam manometer hanya menunjukkan tekanan pengukuran.

2.1.3 Kalor Spesifik

Kalor spesifik dari suatu alat bahan adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu-satuan massa bahan tersebut sebesar 1 ºK. Oleh karena besaran ini dipengaruhi oleh cara proses berlangsung, maka cara kalor ditambahkan atau dilepaskan harus disebutkan. Dua besaran yang umum adalah kalor spesifik pada tekanan tetap (cp). Besaran yang kedua lebih banyak berguna bagi kita karena banyak dipakai pada proses pemanasan dan pendinginan dalam teknik refrigerant dan pengkondisian udara.

Nilai pendekatan untuk kalor spesifik dari beberapa bahan yang penting adalah sebagai berikut:

Udara kering Air

Uap air

Cp = 

    . / 88 , 1 . / 19 , 4 . / 0 , 1 kg kJ kg kJ kg kJ

(22)

2.1.4 Perubahan Temperature.

Apabila proses dengan tekanan tetap diatas ditambahkan batasan dengan meniadakan kerja yang dilakukan terhadap bahan, misalnya pada sebuah compressor maka jumlah kalor yang diberikan atau dilepaskan per-satuan massa adalah perubahan entalpi dari bahan itu. Tabel dan grafik untuk berbagai bahan sudah tersedia. Nilai entalpi ini didasarkan pada sejumlah bidang datar data yang dipilih secara bebas. Sebagai contoh, bidang datar data untuk air dan uap air (steam) adalah suatu nilai entalpi bagi air pada suhu 0 ºC . berlandaskan pada bidang datar tersebut entalpi air pada suhu 100 ºC adalah 419,06 kJ/kg dan uap air pada (steam) pada 100 ºC adalah 2676 kJ/kg.

Sifat entalpi dapat juga menyatakan laju pemindahan kalor untuk proses yang pada umumnya terjadi penguapan atau pengembunan, misalnya proses didalam ketel air atau koil pendingin udara dimana uap air mengembun.

Entalpi, MJ/kg

Gambar 2.1 Diagram Rangka Hubungan Tekanan- Entalpi Air

(23)

2.2 Sifat –Sifat Cairan – Uap

Umumnya sistem pemanasan atau pendingin menggunakan aliran substansi-substansi yang berupa cairan atau uap yang berubah-ubah keadaannya saat menjalani pendauran. Contoh dari substansi ini adalah uap air dan refrigran. Oleh karena tekanan, suhu, dan entalpi adalah sifat penentu selama perubahan, hubungan antara sifat-sifat ini dimuat dalam table atau digambarkan pada grafik misalnya diagram hubungan entalpi yang ditunjukkan pada diagram diatas.

Tiga daerah utama dalam diagram ini adalah (1) daerah cairan bawah dingin (subcooled-liquid) pada bagian kiri, (2) daerah cairan uap dibagian tengah, dan (3) daerah uap panas-lanjut (superheated-steam) pada bagian kanan. Dalam daerah 1 hanya terdapat cairan , dalam daerah 3 hanya terdapat uap, dan dalam daerah 2 terdapat cairan dan uap bersama-sama. Daerah 2 dan 3 dipisahkan oleh garis uap jenuh. Bila bergeser dari kiri ke kanan sepanjang garis mendatar dengan tekanan konstan, yaitu dari garis cair-jenuh, campuran cairan dan uap berubah dari 100 persen cairan ke 100 persen uap.

Tiga garis suhu konstan yang diperlihatkan pada grafik diatas , untuk t = 50

ºC, t = 100 ºC, dan t = 150 ºC . air mendidih pada suhu yang lebih tinggi bila tekanan

lebih tinggi. Untuk tekanan pada 12,3 kPa, air mendidih pada suhu 50 ºC, tapi pada tekanan atmosfer standar yaitu 101 kPa, air mendidih pada suhu 100 ºC.

(24)

Gambar 2.2 Konduktifitas Termal Beberapa Zat Cair

Sumber: Lit. 3. Halaman, 9

2.3 Pemanasan Dan Pendinginan

Pada kebanyakan proses pemanasan dan pendinginan, misalnya pada pemanas air dan pada ketel., perubahan beberapa bagian energi diabaikan. Sering kali perubahan energi kinetik sebesar  2/2 dan energi potensial dari titik yang lain sebesar 9,81z dapat diabaikan jika terlalu kecil dibandingkan dengan besarnya perubahan entalpi, kerja yang dilakukan atau perpindahan kalor. Apabila dalam proses tidak ada kerja yang dilakukan oleh pompa, Kompresor atau mesin, maka W = 0. karena itu persamaan energi disederhanakan menjadi:

(25)

artinya, laju perpindahan kalor sama dengan dengan laju aliran massa dikalikan dengan perubahan entalpy.

2.4 Beda Termodinamika Dengan Perpindahan Kalor

 Analisis termodinamika difokuskan pada kondisi kesetimbangan ( meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah keseimbangan

yang satu menjadi sistem keseimbangan yang lain).

 Analisis perpindahan panas difokuskan pada laju perpindahan panas.

Konsep temperature

Untuk aliran fluida yang tidak terdapat aliran massa atau aliran arus. Disini perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan temperature atau adanya gradien panas.

Konsep tegangan

Perpindahan panas dapat terjadi tanpa adanya perbedaan temperature.Tetapi dengan perbedaan tegangan dapat terjadi perpindahan panas. Contohnya efek yang terjadi pada termolistrik.

Sifat perpindahan panas

Jika suatu benda yang mengalami kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang temperaturnya lebih tinggi ketemperatur yang lebih rendah.

(26)

2.5Mekanisme Perpindahan Kalor

Mekanisme Perpindahan Kalor dibagi menjadi tiga , yaitu :

Perpindahan Kalor Konduksi

Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan Kalor Radiasi

2.5.1 Perpindahan Kalor Konduksi

Adanya gradient temperature akan terjadi perpindahan panas. Dalam benda padat perpindahan panas timbul karena gerakan antar atom pada temperature yang tinggi, sehingga atom-atom tersebut dapat memindahkan panas. Didalam cairan atau gas, panas dihantar oleh tumbukan antar molekul.

Gambar 2.3 Diagram Tempertur Vs Posisi

Persamaan Dasar Konduksi :

- q = -kA

dX dT

(27)

Keterangan :

q = Laju Perpindahan Panas (kj / det)

k = Konduktifitas Termal (W / cm K atau j / cm sK) A = Luas Penampang (cm2)

dT = Perbedaan Temperatur (0C,0F) dX = Perbedaan Jarak (m / det) ΔT = Perubahan Suhu (0_C,0_F)

 Hukum Umum Konduks.

Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas yang melintas permukaan isothermal dan gradient yang terdapat pada permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap waktu yang dikenal dengan hukum fourier, yaitu :

dA dq

= - k

n T

 

Keterangan :

 A = luas permukaan isothermal (cm2)

 n = jarak, diukur normal (tegak lurus) terhadap permukaan (cm, m)

 q = lajualiran panas yang melintasi permukaan pada arah normal (kj/det)

 T = temperatur (0C,0F)

(28)

 Konduktivitas Termal

Tetapan kesebandingan (k) adalah sifat fisik bahan atau material yang disebut konduktivitas termal. Satuan yang digunakan dalam konduktivitas termal adalah kal/cm Sk. Untuk mengubah satuan ini ke Btu/ft jam ºR dikalikan dengan 242,9 dan untuk mengubah menjadi W / cm K atau J / cm Sk dikalikan dengan 4,1866. Berdasarkan rumusan itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktifitas termal berbagai bahan. Pada umumnya konduktivitas termal itu sangat tergantung pada suhu.

Daftar Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada ₀0C

Konduktivitas termal

Bahan _W _m 0_C

/ Btu/h . ft . ºF

logam

perak ( murni ) tembaga ( murni ) aluminium ( murni )

nikel ( murni ) besi ( murni ) Baja karbon, 1% C

Timbal (murni) baja karbon-nikel ( 18% cr, 8% ni )

410 385 202 93 73 43 35 16,5 237 223 117 54 42 25 20,3 9,4

(29)

bukan logam

kuarsa ( sejajar sumbu ) magnesit

marmar batu pasir Kaca, jendela Kayu maple atau ek

Serbuk gergaji Wol kaca Zat cair Air-raksa Air Amonia

Minyak lumas, SAE 50 Freon 12, CCI₂F₂

Gas

Hidrogen Helium

Udara Uap air ( jenuh ) Karbon dioksida 41,6 4,15 2,08-2,94 1,83 0,78 0,17 0,059 0,038 8,21 0,556 0,540 0,147 0,073 0,175 0,141 0,024 0,0206 0,0146 24 2,4 1,2-1,7 1,06 0,45 0,096 0,034 0,022 4,74 0,327 0,312 0,085 0,042 0,101 0,081 0,0139 0,0119 0,00844

(30)

2.5.2 Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan panas terjadi secara konveksi dari pelat ke sekeliling atau sebaliknya. Perpindahan panas konveksi dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa.

Gambar 2.4 Perpindahan Panas Konveksi

 Konveksi Pelat

Pada konveksi pelat akan mendingin lebih cepat dapat dilihat pada gambar berikut:

(31)

Keterangan:

 Flow = Aliran (m/detik)

 U = Koefisien Perpindahan Panas (W /m2,0C)

 U = Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh(W /m2,0C)

 q = Laju Perpindahan Panas (kj/det atau W)

 Tw = Temperatur Dinding(0C,oF)

 T = Temperatur Sekeliling (0_C,o_F)

 Persamaan Dasar Konveksi

TW > T q = h A (Tw – T)

Keterangan :

 q = laju perpindahan panas (kj/det atau W)

 h = koefisien perpindahan panas konveksi (_W/_m2,0_C)

 A = luas permukaan (ft2atau m2)

 Tw = temperature dinding (0C,oF,K)

(32)

 Prinsip Perpindahan kalor Secara Konveksi

Panas yang dipindahkan pada peristiwa konveksi dapat berupa panas laten dan panas sensible. Panas laten adalah panas yang menyertai proses perubahan fasa, sedang panas sensible adalah panas yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan temperature tanpa perubahan fasa.

 Jenis Konveksi Menurut Proses Aliran Fluida

Jika proses aliran fluida diinduksi oleh pompa atau sistem sirkulasi yang lain, maka peristiwa konveksi paksa. Jika aliran fluida yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses tersebut disebut peristiwa alamiah.

 Laju Perpindahan kalor

Untuk menyatakan laju perpindahan panas dinyatakan sebagai fluks kalor perhitungannya Didasarkan atas luas perpindahan panas sehingga fluks kalor didefenisikan sebagai laju perpindahan panas persatuan luas dengan satuan Btu / jam s atau Watt / m2 2 atas dasar luas bidang tempat berlangsung-nya aliran kalor.

Selanjutnya, fluks kalor dihubungkan dengan perbedaan temperature yang ditentukan melalui koefisien perpindahan panas konveksi (konduktans konveksi) h yang didefenisikan sebagai berikut :

A q

(33)

Keterangan :

A q

= fluks kalor

h = koefisien perpindahan panas konveksi

T = perbedaan temperatur jika h dan t diketahui , maka 

A q

dapat dihitung. Untuk sebuah tahanan

termal dalam peristiwa konveksi didefinisikan sebagai berikut :

R =

Dimana : R = tahanan termal konvektif h = konduktan konvektif

Daftar Tabel 2.2 Nilai Kira - Kira Koefisien Perpindahan – Kalor Konveksi

Modus _W _m2 0_C

/ Btu. ft2. 0F

Konveksi bebas,ΔT =30o Plat vertical, tinggi 0,3 m (1 ft) di udara

Silinder horizontal, diameter 5 cm di udara

Silinder horizontal, diameter 2 cm

4,5

6,5

0,79

(34)

dalam air

Konveksi paksa

Aliran udara 2 m/s di atas plat bujur sangkar 0,2 m

Aliran udara 35 m/s di atas plat bujur sangkar 0,75 m

Udara 2 atm mengalir di dalam tabung diameter 2,5 cm, kecepatan 10 m/s

Air 0,5 kg/s mengalir di dalam tabung 2,5 cm

Air udara melintas silinder

Diameter 5 cm, kecepatan 50 m/s

Air mendidih

Dalam kolam atau bejana Mengalir dalam pipa

Pengembunan uap air, 1 atm

Muka vertical

Di luar tabung horizontal

890 12 75 26 3500 180 2500-35.000 5000-100.000 4000-11.300 9500-25.000 157 2,1 13,2 11,4 616 32 440-6200 880-17.600 700-2000 1700-4400

(35)

2.5.3 Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan panas oleh perjalanan foton yang tak terorganisasi. Setiap benda-benda terus-menerus memancarkan foton secara serampangan didalam arah,waktu, dan energi netto yang dipindahkan oleh foton tersebut, diperhitungkan sebagai panas.

Persamaan Dasar Radiasi :

q =  A (T14- T24) Keterangan :

q = laju perpindahan panas (Kj / menit) A = luas permukaan (cm2)

 = ketetapan Stefan boltzman (rad/s2) T1,T2 = temperature permukaan (0C0F)

2.5.4 Gabungan Konduksi, Konveksi & Radiasi

Apabila perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi digabungkan maka akan terjadi seperti pada gambar berikut:

(36)

Gambar 2.6 Gabungan Konveksi, Konduksi, Dan Radiasi

 Hubungan Persamaan

Kalor Yang Dikonduksi = Kalor Radiasi + Kalor Konveksi

- k A

dX dT

= FE FG  A (TW4 -TS4) + h A (TW-T)

Keterangan :

 TW = temperatur dinding

 TS = temperatur sekitar

 T = temperatur fluida

 FE = faktor emisivitas

(37)

2.6Analogi Aliran Panas Dan Aliran Listrik

Analogi aliran panas dan aliran listrik adalah sumber penyebab-penyebab terjadinya perindahaan kalor.

Rumus aliran panas dan aliran listrik:

Listrik Panas

i = Re



A q

Rth T



Keterangan :

i = Arus Listrik (Ampere) q/A = Arus panas (0C0F)  V = Beda Potensial (Volt)  T = Beda Temperatur (0C0F) Re = Tahanan Listrik ( ohm atau V/A) R = Tahanan Panas (ohm)

2.7Prinsip Dasar Mesin Pendingin

Pada dasarnya tiap-tiap mesin pendingin terdiri atas:

 Motor penggerak

 Kompresor

(38)

 Pipa kapiler/keran expansi

 Pipa penguapan (evaporator) dan

 Refrigerant

2.7.1Motor pengerak (motorlistrik)

Dalam sitim kerja mesin pendingin motor listrik sebagai penggerak pada kompresor, sedangkan kompresor bertugas untuk menghisap dan menekan refrigerant sehingga refrigerant beredardalam unit mesin pendingin. Di sini kompresor dan motor listrik benar-benar menjadi satu unit yang tertutup rapat.

Prinsip kerja mesin pendingin ialah jika motor penggerak berputar maka akan memutar kompresornya. Dengan berputarnya kompresor maka refrigerant (yang dalam wujud gas) akan naik suhu maupun tekanannya. Hal ini disebabkan molekul-molekul dari refrigerant bergerak lebih cepat dan saling bertabrakan akibat adanya kompresi.

Disini berlaku hukum Boyle, pada saat terjadinya kompresi (volume gas diperkecil).

Gas dimampatkan, maka tekanan gas akan naik. Volume gas berbanding terbalik terhadap tekanannya (pada temperatur konstan).

tan) (

tan 2

2 1

1V PV kons Tkons

P  

Dapat disimpulkan bahwa dengan kompresor, suhu dan tekanan gas refrigeran akan naik.

(39)

2.7.2Saringan

Biasanya saringan terdiri atas silica gel dan screen. Silica gel fungsinya untuk menyerap kotoran, air, sedangkan screen yang terdiri dari kawat kasa yang halus gunanya untuk menyaring kotoran dalam sistim, umpamanya potongan timah, karat dan lain sebagainya. Jadi dalam sistim tidak ikut mengalir: air, asam, serbuk-serbuk atau kotoran-kotoran. Pada kompresor apa bila motornya terbakar, saringan harus diganti yang baru. Apabila kotoran-kotoran akibat kawat yang terbakar tersebut melewati pipa kapiler atau keran expansi, akan mengakibatkan saluran buntu/tersumbat.

Apabila pipa kapiler/keran expansi (refrigerant control) buntu maka tidak akan

terjadi proses pendinginan. Waktu menyambung saringan dengan pipa kapiler/keran expansi, bagian saringan yang disambung dengan refrigerant control letaknya sebaiknya lebih rendah dibandingkan dengan bagian saringan yang disambung dengan kondensor agar hanya refrigerant cair saja yang mengalir masuk ke refrigerant control.

2.7.3Pipa Kapiler (keran expansi)

Pipa kapiler ini gunanya untuk menurunkan tekanan dan mengatur jumlah cairan refrigerant yang mengalir, diameter dari pipa kapiler tergantung pada kapasitas mesin pendinginnya. Penggunaan pipa kapiler pada mesin pendingin akan

mempermudah pada waktu start karna dengan menggunakan pipa kapiler pada saat

(40)

Pada waktu keluar dari pipa kapiler (sebelum masuk ke evaporator) suhu dan tekanan dari refrigerant menjadi lebih rendah dari semula. Untuk lebih menurunkan suhu cairan refrigerant maka dipergunakan sistim penukar panas (Heat Exchanger).

2.7.4 Katup Ekspansi (Thermostatic Expansion Valve)

Thermostatic expansion valve terdiri dari bagian-bagian yang hampir sama dengan automatic expansion valve. Tambahannya adalah jarum yang dihubungkan dengan flexible metal (bellow/diafragma) kedudukannya diatur oleh sensing bulb

yang peka terhadap pengaruh panas (secara otomatis).

Sensing bulb tersebut dipasang pada suction line dihubungkan dengan expansion

valvenya dengan perantaraan pipa kapiler, jika sensing bulb dingin maka tekanannya rendah karena zat yang ada didalamnya sebagian berubah menjadi cair. Akibatnya diafragma, jarum bergerak keatas menutup aliran cairan refrigerant. Sebaliknya apabila sensing bulb panas, sebagian dari control fluid menguap sehingga tekanannya naik, akibatnya diafragma jarum bergerak kebawah membuka aliran cairan refrigerant.

2.7.5 Refrigeran (bahan pendingin)

Bahan pendingin adalah suatu zat yang mudah dirubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya, dipakai untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor.

(41)

Syarat-syarat untuk bahan pendingin adalah:

 Tidak beracun

 Tidak dapat terbakar atau meledak sendiri atau bila bercampur dengan udara, pelumas dan lain sebagainya.

 Tidak menyebabkan korosi terhadap logam yang dipakai pada sistim pendingin.

 Bila terjadi kebocoran mudah dicari.

 Mempunyai titik didih dan tekanan kondensasi yang rendah.

 Mempunyai susunan kimia yang stabil, tidak terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan dan diuapkan.

 Perbedaan antara tekanan penguapan dan tekanan pengembusan (kondensasi) harus sekecil mungkin.

 Mempunyai panas latent penguapan yang besar agar panas yang diserap evaporator besar jumlahnya, sebaliknya bahan pendingin sedikit.

Tabel. 2.3 Bahan pendingin didefinisikan dengan angka-angka tersebut dibelakang huruf R (refrigerant)

Nomor Refrigerant

Kode warna Cylinder

Nama dan rumus kimia

R-11 R-12 R-22

Orange Putih Biru pucat

Trichloromonofluoromethane CCI₃F

Dichlorodifluoromethane CCI2F2

(42)

R-500 R-502 R-503 R-504 R-717

Kuning Ungu muda Aqua marine Tan

Perak

Azeotropic mixture Azeotropic mixture Azeotropic mixture Azeotropic mixture Ammonia NH₃

Sumber: Lit. 4. Halaman

Untuk setiap mesin pendingin refrigerant yang digunakan berbeda-beda tergantung penggunaanya / kapasitas, jenis kompresor dan lain-lainnya. Kadang satu type refrigerant cocok untuk penggunaan beberapa penggunaan.

 Domistic refrigerator R-12, R-22

 Domistic food freezers R-12, R-22, R-502

 Automobile air conditioning R-12

 Home air conditioning R-22, R-500

Publik building air conditioning

 Low capasity R-12, R-22

 Medium capasity R-11, R-12, R-22

 High capasity R-11, R-12

 Ship board air conditioning R-11, R-12, R-22

 Frozen food delivery service R-22

 Metal srinking Nitrogen

(43)

Pemilihan type dari refigerant yang digunakan pada mesin pendingin sudah ditentukan oleh pabrik dengan beberapa pertimbangan. Selain pertimbangan mengenai penggunaan / kapasitas seperti telah dijelaskan diatas bahwa juga harus dipertimbangkan jenis kompresor yang dipakai.

2.8 Proses Pendinginan

Proses mesin pendingin melalui beberapa tahap sebagai berikut: 2.8.1Kerja Kompresi

Kerja kompresi (Btu/lb) merupakan perubahan entalpy pada proses dibawah ini:

Gambar.2.7 Daur kompresi uap ideal dalam diagram tekanan-enthalpy

(44)

Skema proses pendinginan dapat dilihat pada diagram aliran sebagai berikut:

Gambar.2.8 Diagram aliran

Hubungan ini diturunkan dari persamaan aliran energi tetap (steady flow of

energy): det) / ( 3 2 3 2 L h h w w h q h      Keterangan:

 h = Entalpi (W/m2,0C)

 q = Perpidahan kalor (Kj/det)

 w = Kapasitas (L/det)

2.8.2 Laju pengeluran Kalor

Pelepasan kalor dalam Btu/lb adalah perpindahan kalor dari refrigeran pada proses kerja pendinginan. Pengetahuan ini juga berasal dari persamaan aliran energi yang steady, dimana energi kinetik, energi potensial, dan kerja dikeluarkan.

det) / (

3 4 h Kj

h q 

(45)

2.8.3 Dampak Refrigerasi (Re)

Dampak refrigerasi dalam Btu/lb adalah kalor yang dipindahkan pada proses . Besarnya harga bagian ini adalah sangat penting diketahui karna proses ini merupakan tujuan utama dari seluruh sistim.

2 1 h

h 

1 2 Reh h

Keterangan:

- Re = Efek Refrigerasi (Refrigration Effect)

2.8.4 Koefisien Perstasi (COP)

Koefisien prestasi dari dayr kompresi uap ideal adalah dampak refrigerasi dibagi dengan kerja kompresi.

4 3

1 2

h h

h h COP

 

Keteranagan :

(46)

BAB III

Perencanaan Alat Pemanas dan Pendingin

3. 1 Casing

Untuk pembuatan casing direncanakan terbuat dari bahan triplek lapis. Casing ini berbentuk balok, direncanakan tinggi = 45 cm, lebar = 30 cm, panjang = 30 cm.

Pada bagian atas casing dibuat lubang yang berfungsi sebagai tempat dudukan. Pada lubang tersebut dibuat corong penampungan air dengan 3 lubang saluran.

Pada bagian sisi atas casing dilapisi dengan plat baja yang tahan karat (stainless). Pemakaian bahan stainless ini berfungsi untuk menjaga rembesan tumpahan air terhadap casing yang berbahan triplek lapis.

(47)

3. 2 Bagian Dari Alat Pemanas

Pada alat pemanas air membutuhkan daya sebesar 300 watt listrik, dengan spesifikasi peralatan yang digunakan pada perencanaan alat pemanas adalah :

3.2.1 Tabung Pemanas

Tabung pemanas terbuat dari baja tahan karat, dengan dimensi yang direncanakan

Gambar. 3.2 Tabung Pemanas

- Diameter Tabung = 10 cm - Tinggi Tabung = 15 cm

Maka dapat diketahui volume tabung pemanas adalah : V = ∏ r2 x t

(48)

= 1177.5 cm3

= 1.1775 L

Maka dalam hal ini perencanaan pada tabung pemanas direncanakan berkapasitas 1.2 L.

Pada tabung pemanas terdapat tiga saluran air, yakni :

 Saluran air masuk.

Saluran air masuk terdapat pada bagian bawah tabung pemanas dengan ukurannya : Tinggi = 2 cm

Diameter saluran = ½ inchi.

 Saluran air keluar.

Saluran air keluar terdapat pada bagian tutup atas tabung, saluran ini berfungsi untuk jalur keluarnya air yang telah dipanaskan menuju kran air.

Adapun ukurannya : Tinggi = 2 cm Diameter = ½ inchi

 Saluran kesetimbangan air

Saluran ini berfungsi sebagai media kontrol air yang masuk kedalam tabung, karena saluran ini memastikan bahwa tabung pemanas yang dioperasikan benar-benar telah penuh dengan air.

Perencanaan ukuran pada saluran kesetimbangan air : Tinggi = 2 cm

(49)

 Saluran pembuangan air

Saluran pembuangan air dirancang untuk membuang air yang tedapat didalam tabung pemanas, manakala pada kita membersihkan tabung.

Perencanaan ukuran dari saluran pembuangan air : Tinggi = 2 cm

Diameter = ¼ inchi

 Kaki penyangga

Kaki penyangga berfungsi sebagai penopang tabung pemanas didalam casing. Kaki penyangga direncanakan dengan tinggi 8 cm.

3.2.2 Koil Pemanas

Koil pemanas terdapat didalam tabung pemanasan. Koil pemanas berbentuk 2 lilitan, dimana material dari koil pemanas tersebut direncanakan dari baja tahan karat. Arus listrik yang dialirkan terhadap koil pemanas akan bereduksi panas, sehingga mengakibatkan perpindahan panas menyeluruh terhadap air didalam tabung pemanasan.

3.2.3 Termostat.

Termostat adalah alat kontrol untuk mengatur suhu didalam tabung pada batas suhu yang tertentu dengan membuka dan menutup kontak listrik secara otomatik. Thermostat ini sudah ditentukan sendiri dari pabrikannya.

(50)

Gambar. 3.3 Thermostat

Pada dinding tabung pemanas direncanakan dipasang 2 buah thermostat dengan spesifikasi :

Merek CQC Tipe KSD 30183

 Thermostat 1 direncanakan sebagai pemutus arus listrik terhadap tabung pemanasan

 Thermostat 2 direncanakan sebagai pemutus aliran lampu yang berfungsi sebagai display pada saat pemanasan.

Kedua thermostat ini akan segera memutuskan aliran listrik, apabila suhu didalam tabung pemanasan sudah mencapai 80oC. Adapun prinsip kerja thermostate adalah sebagai berikut:

(51)

Terminal Arus

R IN PUT

(220-240)V

Pegas

Gambar. 3.4 Prinsip Kerja Thermostate

Apa bila suhu mencapai 80 maka pegas akan memuai dan mendorong terminal arus sehingga arus putus atau berhenti, dan sebaliknya apa bila suhu menjadi rendah maka pegas akan menyusut dan terminal arus akan terhubung kembali, sehingga arus mengalir ke R (Resistor).

3.3 Bagian - Bagian Pada Alat Pendingin

Pada alat pendingin dibutuhkan daya sebesar 50 watt. Adapun peralatan yang digunakan dalam perencanaan pendinginan adalah :

(52)

3.3.1

arena elemen pendingin ini berada pada kotak pendingin yang ipasangkan senyawa.

Kotak pendingin dan elemen pendingin.

Kotak pendingin dan elemen pendingin merupakan satu bagian alat yang telah jadi dari pabrikannya, k

Gambar 3.5 Tabung Pendingin

un spesifikasi dan dimensi dari kotak pendingin dan elemen

kotak pendingin.

etahui volume dari kotak pendinginan Adap

pendingin :

 Dimensi Panjang = 8 cm Lebar = 8 cm Tinggi = 12 cm Maka dapat dik V = P x L x T = 8 x 8 x 12

(53)

= 768 cm3 = 0.768 L

Maka volume dari kotak pendingin dibula

tkan saja menjadi 0.8 L. Sedangkan, pada el

san batas dank arena itu juga pada karakte

kerja elemen pendingin dari pengaruh temper

ang masing-masing berfungsi :



½ inchi.



cm, diameter = ½ inchi.



Dengan dimensi tinggi = 2 cm, diameter = 1/4. inchi. emen pendingin berdimensi 4 cm x 4 cm.

System teknik pendinginannya ialah pendinginan transpirasi atau pemeluhan (Transpiration cooling). Dimana sebuah plat rata berpori diberi arus aliran kecepatan tinggi. Sementara, fluida fluida didorong melalui plat pelapisan batas. Proses injeksi membawa energi tambahan keluar dari daerah yang dekat dengan permukaan plat, yaitu tambahan diatas energi yang biasanya dihantar kelapisan batas. Hal ini akan memberi pengaruh profil kecepatan lapi

ristik serek-gesek (Frictional-Drag).

Kotak pendingin dibugkus dengan steroafoam atau gabus. Sterofoam ini berfungsi untuk meningkatkan efesiensi

ature panas luar dari dalam casing.

Pada kotak pendingin terdapat 3 saluran air y Saluran masuk air kedalam kotak pendinginan. Dengan dimensi tinggi = 2 cm, diameter = Saluran keluar air yang telah didinginkan. Dengan dimensi tinggi = 2

(54)

ensor thermal harus ditempatkan pada daerah atau titik yang suhunya akan diatur.

.3.2 Sensor thermal.

Sensor thermal berbentuk tabung atau pipa kapiler dapat dipasang pada semua sisi, tetapi harus membuat kontak yang baik dengan bagian yang suhunya sedang diatur. S

Gambar.3.6 Sensor Thermal

3.3.3

p panas an dingin. Alat tersebut menggunakan arus searah (DC) positif dan negatif .

Elemen Pendingin Elektronik (Peltier)

Pada perancangan alat pendingin ini tidak menggunakan kompresor,refrigeran untuk proses pendinginan, tetapi menggunakan alat pendingin elektronik (PELTEIR).

Pelteir adalah sebuah elemen pendingin elektronik, alat tersebut bisa menyera d

(55)

Gambar 3.7 Elemen Pendingin Elektronik (peltier)

3.3.4 Sirip pendingin.

Sirip pendingin berfungsi untuk mempercepat perpindahan laju kalor yang berasal dari elemen pendingin agar tidak mempengaruhi suhu air yang dihasilkan dan juga memaksimalkan kinerja dari elemen pendingin. Adapun dimensi dari sirip pendingin yang digunakan adalah 9.5 cm x 10 cm.

Sirip yang digunakan pada alat pendingin ini berjenis sirip longitudinal dengan profil parabola. Adapun bahan dari sirip ini adalah aluminium.

(56)

3.3.5Kipas.

Untuk lebih meningkatkan efisiensi kerja dari elemen pendingin maka hawa dingin akan ditarik oleh kipas untuk dibuang keluar

kipas yang digunakan pada alat pendingin, yaitu : - Merek Comwinton Electric

- Diameter kipas 3.5 inchi - Jumlah daun kipas = 7 buah - Tipe = PLG 2 S 12 M - DC = 12 V, I = 0.20 A panas yang diserap oleh sirip pen kalor panasnya.

Adapun spesifikasi dari

(57)

3.4 Rangkaian kontrol listrik

Kontrol listrtk adalah suatu alat yang bekerja memakai daya listrik dan dapat mengatur arus listrik. Alat control listrik diantaranya terdiri dari saklar, solenoid, kontaktor, pengaman motor listrik, lampu sinyal dan transformator.

Gambar. 3.10 Alat Pengontrol Pada Pendingin

3.5 Saklar listrik.

Pada perancangan alas pemanas dan pendingin ini digunakan 2 saklar utama yang langsung terhubung dengan arus listrik. Saklar ini ditempatkan pada bagian belakang sisi atas casing.

(58)

3. 6 Lampu LED

Lampu LED berfungsi sebagai lampu sinyal pada saat alat pemanas maupun ng dioperasikan.

. 8 Selang Karet

ng karet digunakan sebagai saluran keluar masuknya air. Selang karet

3.9 Keran

pung dengan menggunaka seluruhnya tiga buah, keran pertama untuk air dingin, keran kedua untuk air bi

Gambar.3.12 Keran alat pendingin seda

3.7 Lampu Standby

Lampu standby yang dipasang pada casing membutuhkan arus 1 watt.

Sela

yang digunakan berbahan karet silicon, karena memiliki sifat yang tahan panas meskipun dilalui fluida yang susu deformasi thermalnya 200oC dan ketahanan dingin yang juga sangat baim hingga mampu pada suhu -75oC.

Keran digunakan untuk tempat air di keluarkan atau ditam n gelas, cangkir. Jumlah keran

(59)

3.10 Skema Aliran Listik

Skema aliran listrik pada alat pemanas dan pendingin air minum ini dapat terlihat pada gambar 3.13. dimana arus listrik yang merupakan sumber daya utama dapat terlihat secara jelas system pembagian arus baik pada komponen pemanas maupun pendingin.

(60)

BAB IV

MENGANALISA PERENCANAAN BEBAN PEMANAS DAN PENDINGIN AIR

Setelah alat pemanas dan pendingin air selesai di rakit, maka langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian (test run), yang di lakukan untuk pengujian alat dengan cara menghitung analisa Termodinamika perancangan dan pengujian secara langsung pada alat dengan menggunakan alat ukur. Dari hasil pengujian dengan menggunakan alat ukur di dapat besar daya alat pemanas dan pendingin dapat diketahui, dari hasil pengukuran dengan meggunakan alat ukur besar daya masing – masing alat mempunyai perbedaan. Pada alat pemanas besar daya yang di dapat adalah 300 watt -220 V, sedangkan daya pada alat pendingin adalah 50 watt-220 V, jadi besar daya keseluruhan alat pemanas dan pendingin tersebut adalah 350 watt-220 V. Setelah besar daya diketahui maka di lakukan pengujian temperatur pada masing – masing alat dengan menggunakan alat ukur suhu (THERMOMETER). Dari hasil

engujian dengan menggunakan alat ukur dapat diketahui suhu maksimum dari kedua lat tersebut, suhu maksimum pada alat pemanas adalah 80oC dalam waktu 12-15

enit, sedangkan dari hasil pengukuran suhu maksimum pada alat pendingin adalah 5oC dalam waktu 25-30 menit.

p a m 1

(61)

Adapun u t pemanas dan pendingin air tersebut adalah:

perencanaan suhu

an pendingin diatas besar daya

kes a tersebut dibagi

ua antara pemanas dan pendingin. Besar daya masing – masing antara lain: 0 V

dengan kebutuhan. Perencanaan beban dilakukan agar beban listrik dar , daya yang di rencanakan 300 watt – 220 volt. Dala an alat pemanas terlebih dahulu yang harus di h

Besar arus perencanaan

ntuk pembahasan analisa perancagan ala

 Menghitung perencanaan beban

 Menghitung

 Menghitung factor yang memepengaruhi temperatur

 Menghitung kapasitas air yang akan dipanaskan dan di dinginkan.

Pada perencanaan beban alat pemanas d

eluruhan yang di rencanakan adalah 350 watt-220 V, dimana day d

 pada alat pemanas 300 watt-22

 pada alat pendingin di berikan daya 50 watt-220 V.

4.1Perencanaan beban pada alat pemanas

Alat pemanas air adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengkondisikan temperatur ruang sesuai

i alat tersebut tidak terlalu besar m setiap tahap awal perencanaan beb itung adalah:

 Daya perencanaan 

(62)

 Tahanan, hambatan (RESISTOR)

Berdasarkan di atas dapat di ketahui berapa besar beban yang akan

inamika, di rencanakan dengan menggunakan rumus perpindahan panas dan termod

sehingga untuk mencari daya digunakan rumus:



Cos V I

P . . ...(a)

Untuk mecari daya harus diketahui kuat arusnya sehingga digunakan rumus:



Cos V

P I

 ...(b)

Setelah diketahui berapa besar daya dan kuat arus maka dapat dicari kerugian daya:

V I

Cos ...(c)

ahanan atau penghambat adalah suatu komponen elektronik yang dapat menghambat gerak lajunya arus lis ambatan, tegangan, dan arus, dapat disimpulkan melalui hukum berikut ini:

Panas yang terjadi pada alat pemanas di sebabkan karna adanya tahanan arus, jadi dapat disimpulkan bahwa yang mempengaruhi temperatur adalah sebuah tahanan, hambatan (RESISTOR).

trik, hubungan antara h

I V

(63)

di m

a ujung benda penghambat ui penghambat (A)

 R = Besar hambatan (Ω)  P = Daya perencanaan (Watt) ana:

 V = Beda potensial antara kedu  I = Besar arus yang melal

 Cos = Ketetapan rugi daya

4.1.1 Berdasarkan penggunaannya, resistor dapat dibagi:

. Resistor berubah (Variable), ialah sebuah resistor yang nilainya dapat berubah –

ative Tmperature Coeffisient), ialah Resistor yang nilainya akan bertambah kecil bila terkena suhu panas, sedangkan PTC (Positive Temperature Coeffisient), ialah Resistor yang nilainya bertambah besar

a.Resistor biasa (tetap nilainya), ialah sebuah resistor penghambat gerak arus, yang nilainya tidak dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan)

ubah dengan jalan menggores atau memutar toggle pada alat tersebut, sehingga nilainya dapat di tetapkan sesuai kebutuhan.

c. Resistor NTC dan PTC, NTC (Neg

(64)

d. LDR (light Dependent Resistor), ialah jenis resistor yang berubah hambatan karena pengaruh cahaya, bila cahaya gelap tahanannya semakin besar, sedangkan cahayanya terang nilainya semakin kecil.

 Jenis-jenis Resistor (tahanan)

(a) Resistor

(b) Variable Resistor

nghitung daya daya yang di rencanakan pada alat pemanas Gambar.4.1. Simbol Resistor (AS dan Jepang)

4.1.2 Analisa Daya Perencanaan Pada Alat Pemanas

Berdasarkan keterangan diatas telah diketahui cara untuk me yang akan di rencanakan, dalam hal ini

(65)

adalah 300 watt daya perencanaan telah diketahui, jadi untuk me yang di pakai dapat di hitung dengan menggunakan perumusan diatas:

n: 

ngetahui besar beban

 Menganalisa daya perencanaa

...(a)

watt V

P1,5 .220 . 0,9297

s:  Untuk mengetahui kuat aru

A V

I 1,5 9 , 0 . 220 300   ...(b) 

 Untuk mencari rugi daya:

9 , 0 220 . 5 , 1 297   Cos ...(c) 

 Untuk mencari besar tahanan:

  146,7 

5 , 1 220

R ...(d)

l analisa di atas telah n dan tahanan alat

 Besar arus I = 1,5 Ampere  Rugi daya Cosφ = 0,9

Dari hasi diketahui berapa beba pemanas sesungguhnya ialah:

 Daya hasil dari ana isa P = 297 Watt

(66)

kawat pada alat pemanas 15 cm, kawat yang digunakan an – karat . Kawat tersebut di bentuk seperti pada gambar berikut:

(R)

( - ) sum er arus (+)

an dapat

ur (suhu) adalah sebagai berikut:

 Menganalisa besar daya yang di bangkit pas

 ...(0.1)  Menganalisa tahanan kawat dihitung dari:

4.2Perencanaan Temperatur (Suhu) Alat Pemanas

Pada perancangan alat pemanas temperatur maksimum yang direncanakan adalah 800 900C, panjang

pada tabung pemanas adalah kawat baja tah

Gambar 4.2 kawat

Menurut hukum termodinamika untuk menganalisa suhu perencana ketahui setelah melalui beberapa tahap dalam menganalisa temperatur (suhu).

Adapun tahap-tahap menganalisa temperat

kan dalam kawat harus dile melalui konveksi kedalam cairan:

) ( _max _min

T T hA q R I

(67)



A L R 

Dari rumus di atas dapat dihitung tahanan kawat:

       001 , 0 070 , 0 ) 15 )( 00007 , 0 ( ) 15 , 0 ( ) 15 )( 10 70 ( 2 6   A L R

Dimana: R = Tahanan kawat Ω

Ρ = Ketetapan resivitas baja tahan karat 70 Ω = = Panjang kawat = 15 cm

A = Diameter kawat

) 10 70 (  6

mm r ) 3 ( 2 

maksimum Temperatur T imum Temperatur T   max min min

(68)



di mana ρ adalah resivitas kawat. Luas permukaan kawat ialah , sehingga dari persamaan (0.1):

Ω

Ω Ω

(1,5)2(0,001)2,25(3103)(0,15)(T_max 900)0,002 002 , 0 ) 90 )( 15 , 0 )( 003 , 0 ( 068 ,

7 _max  0 

 T 002 , 0 ) 90 ( 003 ,

0 _max  0 

 T

Tmax 0,27 0,002 003

0   

 C T jadi T T 0 max max 90 003 , 0 272 , 0 03 27 , 0 002 , 0     0 , 0 max

u dihitung dari

eterangan:

 P = Ketetapan Resivitas kawat 70 Ω =

 = Volume Permukaan kawat

 q = Kalor yang di bangkitkan per satuan volum  Menganalisa kalor yang di bangkitkan per satuan vol me q

 p qV q r2L

. .    K ) 10 70 (  6

L r2

 (cm3)

(69)

Sehingga: m W M q q q q q q / 2 , 0 010 , 0 002 , 0 ) 15 , 0 )( 022 , 0 )( 14 , 3 ( 002 , 0 ) 15 , 0 )( 10 225 )( 14 , 3 ( 002 , 0 ) 15 , 0 )( 10 225 )( 14 , 3 ( 002 , 0 ) 15 , 0 ( ) 10 5 , 1 ( 002 , 0 4 6 2 3             

 Akhirnya, suhu pusat kawat dapat dihitung dengan rumus:

 max

. 2 min

4k T qr T  

Di mana: C 0 129  T k qr T 3 8 max . 2 min 90 76 3000 90 76 ) 0015 , 0 )( 2000000 ( 90 ) 19 )( 4 ( ) 10 5 , 1 )( 10 2 , 0 ( 4           

adi suhu pusat kawat dapat diketahui dari hasil analisa = 1290C

(70)

4.3 Wa

uji coba bahwa waktu pemanasan pada air dapat dilihat pada tabel

Tabel. 4.1 Waktu vs Temperatur pemanasan air

Wa (t) temperatur (T)

ktu Pemanasan Dari hasil

sebagai berikut:

ktu

1 25

2 30

3 37

4 44

5 51

6 58

7 64

8 70

9 75

10 80

11 86

12 90

peratur pemanasan air dapat dilihat pada grafik berikut:

Dari keterangan tabel diatas maka perubahan waktu terhadap tem

G W u vs e pe u e s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Waktu (t) T em p er at u r ( ºC ) Kurva

(71)

4.4

unaka penyearah arus, arus yang di pakai adalah arus searah (DC) positif – negatif.

Perencanaan Beban Pada Alat Pendingin

Untuk menganalisa beban pada alat pendingin menggunakan perumusan yang sama dengan perhitungan analisa alat pemanas air. Perencanaan alat pendingin ini tidak menggunakan kompresor, refrigerant, sebagai sumber dari pendinginan seperti pada alat-alat pendingin yang lain, alat pendingin ini menggunakan ELEMEN

PENDINGIN ELEKTRONIK yang sangat sederhana untuk mendinginkan air

tersebut. Pada alat pendingin elektronik mengg

Gambar. 4.4 Rangkaian arus pada alat pendingin

umber: Lit. 11

lektronik yang sangat ederhana yang sudah di rangkai, seperti pada gambar berikut:

4.4.1 Cara kerja Alat Pendingin Elektronik

pada perencanaan tempertur pendingin adalah 150C, pada perencanaan ini alat pendingin yang akan di rancang memakai elemen pendingin e

(72)

Gambar 4.5 Prinsip kerja pendingin Pelteir (elemen pendingin)

Sumber: Lit. 11

Pada bagian alat tersebut dapat menyerap panas dan dingin seperti pada gambar di atas. Alat pelteir ini di satukan (dirangkai) dengan elemen – elemen yang lain antara lain : plat pendingin, sirip pendingin, kipas.

4.5 Analisa Beban Pada Alat Pendingin

Agar bisa menganalisa daya harus diketahui terlebih dahulu Sepesifikasi dari alat tersebut, berikut ini adalah sepesifikasi dari perencanaan alat pendingin:

 Daya perencanaan (P) = 50 watt – 220 Volt

 Temperatur maksimum (T_max ) = 150C

 Rugi daya ( Cos ) = 1,1

 Kapasitas air yang akan didinginkan = 0,7 L

(73)

Dengan menggunakan data-data dari spesifikasi dapat dihitung dengan rumus:

 Analisa daya



Cos V I P . .

 Analisa arus



Cos V

P I

  Analisa kerugian daya:

V I

P Cos

  Analisa tahanan

I V R

Keterangan:

 V = Beda potensial antara kedua ujung benda penghambat  I = Besar arus yang melalui penghambat

 R = Besar hambatan

 P = Daya perencanaan (Watt)  Cos = Rugi daya

(74)

Sahingga beban pendingin pada alat tersebut dapat dihitung:

 Daya pada pendingin :P0,2 . 220 .1,148 watt

Dari hasil analisa daya sesungguhnya pada pendingin, 48 watt.

 Arus :I 0,2A

220 50

 

Arus yang di alirkan, 0,2 Ampere

 Ketetapan rugi daya : 1,1 2 , 0 . 220 50   Cos

 Besar hambatan :  1100  2

, 0 220

4.6 Waktu Pendinginan

Dari hasil uji coba bahwa waktu pendinginnan dapat dilihat pada tabel dan grafik sebagai berikut:

Tabel. 4.2 Waktu vs Temperatur pendinginan air

Waktu (t) temperatur (T)

1 25

3 24

5 23

7 22

9 21

11 20

13 19.5

15 19

17 18.5

19 18

21 17.5

23 17

25 16.5 27 16 29 15.5 30 15

(75)

Dari keterangan tabel diatas maka perubahan waktu terhadap temperatur pendinginan air dapat dilihat pada grafik berikut:

p g

0 5 10 15 20 25 30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Waktu (t) x 2

era

r (º

)

Kurva

(76)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil pembahasan pada perancangan alat pemanas dan pendingin, dapat diperoleh beberapa hasil yang merupakan tujuan dari pada penelitian ini. Hasil – hasil penelitian dapat disimpukan antara lain:

1. Perencanaan daya perencanaan pada alat pemanas dan pendingin adalah:

 Daya pada alat pemanas adalah 300 watt – 220 Volt dan

 Daya alat pendingin adalah 50 watt.

Sehinngga beban keseluruhan pada alat adalah 350 Watt – 220 volt. Tujuan dari perencanaan alat tersebut adalah agar beban pada alat tersebut tidak terlalu besar dalam penggunaannya serta mencegah agar bebannya tidak berlebihan pada saat digunakan.

2. Dari hasil analisa pada alat pemanas dapat disimpulkan bahwa daya sebenarnya adalah:

 Daya hasil dari analisa P = 297 Watt  Besar arus I = 1,5 Ampere  Rugi daya Cosφ = 0,9

(77)

 Tahanan Kawat R = 0,001 Ω  Temperatur = 80 - 900C

Dari hasil analisa pada alat pemanas dapat diuraikan bahwa dengan beban = 297 Watt, arus = 1,5 A, tahanan kawat = 0.001Ω, Cos 0.9 dengan panjang kawat = 15 cm, dan diameter kawat = 3 mm dapat memanaskan air sebanyak = 1,2 L/menit yang berada didalam tabung stainlees steel (baja tahan karat) dengan temperatur 80 - 900C

3. Dari hasil analisa pada alat pendingin dapat disimpulkan bahwa daya sebenarnya adalah:

 Daya dari hasil analisa (P) = 48 watt – 220 Volt

 Rugi daya ( Cos ) = 1,1

 Kapasitas air yang akan didinginkan = 0,7 L

 Tahanan (Re) = 1100 Ω

 Temperatur maksimum (T_max ) = 150C

Dari hasil analisa dari alat pendingin dengan menggunakan alat elektronik yang di beri daya = 48 Watt, arus = 0,2 A, besar hambatan = 1100 Ω, Cos1,1, dapat mendinginkan air sebanyak 0,7 L/menit dengan temperatur 150C.

(78)

5.2 SARAN

1. Kepada calon peneliti alat pemanas dan pendingin air, hendaknya untuk menambahkan alat pengukur suhu digital pada alat tersebut agar waktu naik dan turunnya temperature (suhu) pada alat tersebut dapat diketahui.

(79)

DAFTAR PUSTAKA

1. Surdia, Tata Dan Saito Shinkoru. 1984. Pengetahuan Bahan Teknik.Jakarta : Pradnya Paramita.

2. Nainggolan, Werlin. 1977. Termodinamika Teori dan Soal-Penyelesaian. Bandung : Armico.

3. Holman, J.P. 1988. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga

4. Sumanto.1989. Dasar-Dasar Mesin Pendingin. Yogjakarta : Andi Offset

5. K, Handoko.1987. Alat Kontrol Mesin Pendingin. Jakarta : P.T. Ichtiar Baru

6. Cooper, William D. 1999. Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran. Jakarta : Erlangga

7. Stoecker, W.F dan Jones, J.W. 1994. Refrigasi Dan Pengkondisian Udara. Jakarta : Erlangga

8. Wuryani, Sri. 1995. Perpindahan Panas. Bandung. Penerbit Pusat Pengembang Pendidikan Politeknik.

9. Citing : www. soft7. com

10. Citing : www. tellurex. com

(80)

IN PUT (220-240)V

SAKLAR PEMANAS

SAKLAR PENDINGIN

LAMPU DISPLAY PEMANAS

LAMPU DISPLAY PENDINGIN

TUBULAR HEATER

KIPAS PENDINGIN

SENSOR THERMAL SIRKUIT

ELEKTRONIK

SIRIP PENDINGIN

TABUNG PEMANAS

KOTAK PENDINGIN

THERMOSTAT

THERMOSTAT POSISI ON

THERMOSTAT POSISI OFF

(1)

Dari keterangan tabel diatas maka perubahan waktu terhadap temperatur pendinginan air dapat dilihat pada grafik berikut:

p g

0 5 10 15 20 25 30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Waktu (t) x 2

era

r (º

)

Kurva

(2)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Perencanaan daya perencanaan pada alat pemanas dan pendingin adalah:  Daya pada alat pemanas adalah 300 watt – 220 Volt dan

 Daya alat pendingin adalah 50 watt.

2. Dari hasil analisa pada alat pemanas dapat disimpulkan bahwa daya sebenarnya adalah:

 Daya hasil dari analisa P = 297 Watt

 Besar arus I = 1,5 Ampere

(3)

 Tahanan Kawat R = 0,001 Ω  Temperatur = 80 - 900C

3. Dari hasil analisa pada alat pendingin dapat disimpulkan bahwa daya sebenarnya adalah:

 Daya dari hasil analisa (P) = 48 watt – 220 Volt

 Rugi daya ( Cos ) = 1,1

 Kapasitas air yang akan didinginkan = 0,7 L

 Tahanan (Re) = 1100 Ω

 Temperatur maksimum (T_max ) = 150C

Jadi dapat disimpulkan bahwa beban keseluruhan dari alat pemanas dan pendingin adalah 350 Watt -220 volt.