UJI PERFORMARSI SISTEM REFRIGERASI WATER-COOLED CONDENCER DAN AIR-COOLED CONDENCER MENGGUNAKAN HEAT EXCHANGER ALIRAN-SEARAH DAN ALIRAN-LAWAN- ARAH DENGAN MEMVARIASIKAN DEBIT FLUIDA PENDINGIN PADA CONDENCER Markus

UJI PERFORMARSI SISTEM REFRIGERASI

  

MENGGUNAKAN HEAT EXCHANGER ALIRAN-SEARAH DAN ALIRAN-LAWAN-

ARAH DENGAN MEMVARIASIKAN DEBIT FLUIDA PENDINGIN PADA

CONDENCER

  

Markus

  Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung.

  

Abstrak

Pada kondisi yang sama sistem refrigerasi kompresi uap berpedingin air pada kondenser (water-

cooled condencer) lebih baik dibanding dengan air-cooled condenser. Laju aliran massa atau debit

fluida pendingin pada condenser akan menentukan kinerja sistem. Secara umum dapat dikatakan

bahwa debit aliran fluida yang besar akan menghasilkan peningkatan kinerja yang lebih besar pula,

namun diperlukan daya pompa/fan yang meningkat pula. Alat uji berupa sistem refrigerasi training-

unit jenis water-cool condencer dan air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-searah dan

aliran-lawan-arah, penelitian dilakukan untuk mengkaji dan membandingkan pengaruh laju aliran

fluida pada kondenser terhadap kinerja pada mesing-masing sistem. Debit air yang mengalir pada

kondenser sebanyak 5 variasi, yaitu very low, low, medium, high, dan very high. Dari hasil pengujian,

efek refrigersi untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah rata-rata turun 1.1

% terhadap penurunan debit air pendingin di condenser, sedangkan untuk air-cool condencer

penurunan rata-rata adalah 0.6 %. Kerja kompresi untuk semua jenis pengujian relative konstan.

  

Koefisien prestasi (COP) untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah rata-rata

turun 4.2 % terhadap penurunan debit air pendingin di condenser, sedangkan untuk air-cool

condencer penurunan rata-rata adalah 0.4 %. Efisiensi untuk water-cool condencer HX aliran-lawan-

arah terjadi penurunan rata-rata 2.9 %, dan untuk aliran-searah turun rata-rata 1.6 %, sedangkan

untuk air-cool condencer HX aliran-lawan-arah maupun searah, efisiensi relative konstan.

  Kata kunci: Condenser, debit air, efek refrigerasi, kerja kompresi, COP

  kondenser. Sistem berpendingin air sering

  PENDAHULUAN

  Kalor yang diserap oleh evaporator akan disebut water-cooled condenser dan sistem dibuang melalui kondenser ke lingkungan. berpendingin udara sering disebut air-cooled

  Kondisi lingkungan akan menentukan kinerja condenser. sistem. Bila temperatur lingkungan tinggi maka

  Oleh karena temperatur udara lingkungan akan menurunkan kinerja, dan sebaliknya bila lebih tinggi dari temperatur air, maka kinerja

  water-cooled condenser lebih baik dibanding

  temperatur lingkungan rendah maka akan dengan air-cooled condenser. menaikkan kinerja. Pada negara tropis yang

  Perbandingan kinerja antara water-cooled umumnya memiliki temperatur udara

  condenser dengan air-cooled condenser terlihat

  lingkungan relatif tinggi, tidaklah mungkin seperti pada Gambar 1. Pada Gambar 1 terlihat mengharapkan temperatur udara lingkungan bahwa water-cooled condenser akan memiliki yang rendah. Salah satu upaya agar temperatur temperatur kondensasi lebih rendah dibanding dengan air-cooled condenser. Sehingga water- lingkungan kondenser relatif rendah, maka

  cooled condenser akan menyebabkan kenaikan

  digunakan air atau udara sebagai pendingin efek refrigerasi (titik 7 ke 1), penurunan kerja kondenser atau tempat pembuangan kalor dari kompresi (titik 1 ke 5), dan kenaikan coefficient of performance (COP).

  Meskipun telah diketahui bahwa water-

  Penurunan debit air dari very high (maksimum) hingga very low akan menurunkan efek-refrigerasi rata-rata 2.5%, dan kerja kompresor akan naik sebesar 0.48 kJ/kg (Tandi, Markus 2011)

  ) ( _{1 5 2} h h q _k  

  persamaan,

  cooled condenser dinyatakan dengan

  Persamaan kerja kompresi untuk water-

  ) ) 3 ( ( _{1 2 1} h h q _{k  }

  persamaan,

  cooled condenser dinyatakan dengan

  (2) Persamaan kerja kompresi untuk air-

  condenser dinyatakan dengan persamaan, ) ( _{7 1 1} h h q _{e  }

  Sedangkan efek refrigerasi untuk water-cooled

  ) ) 1 ( ( _{4 1 1} h h q _{e  }

  Berdasarkan Gambar 1, efek refrigerasi untuk air-cooled condenser dinyatakan dengan persamaan,

  Terdapat beberapa parameter kinerja pada mesin refrigerasi. Antara lain yaitu: efek refrigerasi (qe), kerja kompresi (W _k ), koefisien prestasi COP (coefficient of performance), dan efisiensi.

  Kinerja Sistem

  menggunakan penukar-kalor aliran-searah dan aliran-lawan- arah, dan pengaruh debit udara terhadap kinerja sistem refrigerasi air-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-searah dan aliran-lawan-arah.

  cooled condenser memilili kinerja lebih tinggi

  water-cooled condenser

  Pada penelitian ini akan dikaji pengaruh debit air terhadap kinerja sistem refrigerasi

  Untuk penggunaan penukar-kalor pada sistem yang sama, penukar-kalor aliran- lawan- arah lebih efektif dibandingkan dengan penukar-kalor aliran-searah (Holman 2010).

  (super-heat), sehingga akan menurunkan kerja kompresi sedangkan efek-refrigerasi akan naik.

  (penukar-kalor) akan melepas kalor refrigerant-cair tekanan-tinggi yang mengalir keluar dari condenser dan diserap oleh uap-refrigeran tekanan-rendah yang mengalir keluar dari evaporator. Pelepasan kalor refrigerant-cair tekanan-tinggi sebelum ekspansi akan menurunkan temperature refrigerant (sub-cool), sehingga akan menaikkan efek-refrigerasi. Sedangkan penyerapan kalor oleh uap-refrigeran tekanan- rendah akan menaikan temperature refrigerant

  Heat exchanger

  kecil akan lebih praktis dan mudah perawatannya. Instalasi yang sederhana dan biaya operasional yang lebih murah, menjadikan sistem air-cooled condenser lebih banyak dipilih.

  condenser , namun untuk sistem yang relative

  Untuk sistem air-cooled condenser , walaupun kinerjanya tidak sebaik water-cooled

  Temperatur dan kuantitas air sangat menentukan kinerja sistem. Sistem dengan debit air yang besar akan memerlukan kuantitas air yang banyak dan daya pompa yang relatif tinggi. Sehingga walaupun kinerja sistem meningkat dengan penggunaan debit air yang tinggi, namun akan diikuti biaya pengadaan air dan biaya listrik pompa.

  cooled condenser

  untuk Water-cooled condenser dan air-

  Gambar 1. Diagram tekanan-enthalpi (Ph)

  dari air-cooled condenser namun dalam penerapannya water-cooled condenser tidak praktis untuk sistem yang relatif kecil. Pemakaian water-cooled condenser akan memerlukan daya pompa dan air yang berkualitas. Penggunaan air yang berkualitas memerlukan biaya, namun bila air tidak berkualitas maka akan menyebabkan tingginya biaya perawatan pada kondenser.

  (4) Persamaan COP untuk air-cooled

  condenser dan water-cooled condenser Koefisien prestasi ( COP)

  dinyatakan dengan persamaan (5) dan (6), Di dalam siklus pendinginan kompresi yaitu, uap, unjuk kerja mesin dapat dinyatakan dalam bentuk perbandingan antara manfaat yang diperoleh yaitu penarikan kalor (qe) dengan

  q _{e 1} ( h h ) _{1 4}  COP ( _{1  } 5 )

  energi yang harus dibayar berupa kerja

  W ( h h ) _{k 1 2  1}

  kompresi (qw). Perbandingan ini lazim disebut dan, koefisien prestasi atau coefficient of disingkat COP. Maka secara

  performance q ( h h ) umum COP mesin pendingin dapat dinyatakan _{e 2 1  7} COP ( _{2  } 6 ) sbb: W ( h h ) _{k 2 5  1} Persamaan efisiensi mesin refrigerasi

  Efek .. refrigeras i

  dinyatakan dengan persamaan (7) COP =

  Kerja .. kompresor COP

  Efisiensi = COP mesin pendingin air-cooled condenser

  COP _carnot

  (7) adalah:

  qe h

  1 h

  4 

  COP =

  T _evaporasi 

  COP carnot =

  qw h

  2 h

  1 

  T T _{kondensasi  evaporasi}

  Dan COP mesin pendingin water-cooled

  Jumlah refrigeran yang bersirkulasi condenser adalah:

  Jumlah refrigeran yang bersirkulasi pada sistem adalah jumlah refrigeran yang

  qe h

  1 h

  7 

  COP = dimasukkan dan diuapkan di dalam evaporator. 

  qw h

  5 h

  1 

  Kapasitas refrigerasi merupakan hasil kali antara jumlah refrigerant yang bersirkulasi per Untuk sistem refrigerasi, berdasarkan satuan waktu dengan efek refrigerasi, dan dapat pengalaman COP berkisar 2 – 5 tergantung dihitung dengan persamaan: pada jenis refrigerant yang digunakan dan

   Qe = kondisi kerja sistem. m . qe

   =

  Qe

  m qe

METODE PENELITIAN

  di mana: Qe = Kapasitas refrigerasi (kW) Penelitian dilakukan di Laboratorium

  qe = Efek refrigerasi, selisih

  Refrigerasi-dasar Jurusan Teknik Refrigerasi entalpi keluaran dengan dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung, masukan evaporator (kJ/kg ) dengan alat uji berupa training-unit kapasitas ¼

   m = Jumlah refrigeran yang PK.

  bersirkulasi (kg/s) Untuk mencari daya kompresor digunakan persamaan :

   W = _{k m . q w} Wk

   m = qw

  di mana: W = Daya kompresor (kW) _k

  q w = kerja kompresi, selisih entalpi

  keluaran dengan masukan kompresor (kJ/kg )

  Gambar 2. Alat uji sistem refrigerasi training-

  unit kapasitas ¼ PK Pengujian yang dilakukan meliputi:

  1. Pengujian sistem water-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-searah

  2. Pengujian sistem water-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-lawan- arah

  3. Pengujian sistem air-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-searah

  4. Pengujian sistem air-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-lawan- arah

  Setiap pengujian pada poin di atas dilakukan dengan memvariasikan debit fluida pendingin pada condenser, dari very low, low,

  medium , high, hingga very high.

  Dengan mengetahui besaran-besaran tersebut diatas diperoleh unjuk kerja sistem yang meliputi kerja kompresor, kalor yang dibuang dikondenser, kalor yang diserap dievaporator, COP dan effisiensi sistem.

  Data-data yang diperlukan pada setiap pengujian mesin refrigerasi dilakukan untuk mengetahui gambaran unjuk kerja sistem secara keseluruhan yang meliputi kerja compresor, condenser, exspansi, evaporator dan control lainnya. Pada pengujian ini dilakukan pengukuran–pengukuran besaran tekanan discharge, sucton line, temperatur discharge, temperatur suction, temperatur masuk exspansi, arus dan tegangan listrik.

  Data-data diambil setelah kerja sistem stedy (relatif stabil).

  valve

  dimatikankan, katup sv1, sv2, hv1, hv3, dan hv4 ditutup. Dimana, sv = solenoid valve dan hv = hand

HASIL DAN PEMBAHASAN

  fan air-cool dimatikan, water pump dihidupkan, katup sv3, sv4, hv1, hv3, dan hv4 ditutup.

  air-cool dihidupkan, water pump dimatikankan, katup sv1, sv2, hv1, hv2, dan hv5 ditutup.

  4. Pengujian sistem air-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah;

  fan air-cool dihidupkan, water pump

  2. Pengujian sistem water-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-lawan-arah;

  air-cool dimatikan, water pump dihidupkan, katup sv3, sv4, hv1, hv2, dan hv5 ditutup.

  1. Pengujian sistem water-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-searah; fan

  refrigerasi training unit

  Gambar 3. Diagram pemipaan alat uji sistem-

  Dari pengolahan data yang diperoleh, hasilnya ditabelkan sebagai berikut:

  Tabel 1. Kinerja sistem refrigerasi pada

  berbagai kondisi pengujian _{HX very low low mediu m high very high}

  _(kJ/kg) q _e ^{Wat er cool Lawan -arah 185.0 187.1 189.1 190.0 193.7 Searah 183.3 187.2 188.4 189.2 192.4} _{Air cool Lawan -arah 172.0 172.7 174.0 175.0 176.3 Searah 172.0 172.5 173.4 173.9 174.6} q _{(kJ/kg) k} ^{Wat er cool Lawan -arah 227.0 229.0 232.0 231.0 231.0 Searah 231.4 236.5 237.2 238.0 240.9} _{Air cool Lawan -arah 227.1 228.0 229.5 230.4 232.4 Searah 229.0 229.4 230.2 231.0 231.7} q _{(kJ/kg) w} ^{Wat er cool Lawan -arah 42.6 41.8 43.2 41.5 37.1 Searah 48.4 49.4 49.1 48.8 48.5} _{Air cool Lawan -arah 55.1 55.3 55.5 55.4 55.7 Searah 57.0 56.9 56.8 57.1 57.1} COP _{act ual} ^Wat _{er cool} ^{Lawan -arah 4.34 4.48 4.38 4.58 5.22} _{Searah 3.79 3.79 3.84 3.88 3.97}

  3. Pengujian sistem air-cooled condenser menggunakan penukar-kalor aliran-searah; fan

  _Air Lawan _{-arah 3.12 3.12 3.14 3.16 3.17 cool Searah 3.02 3.03 3.05 3.05 3.06} Berdasarkan gambar 4, terbukti bahwa _{Wat -arah Lawan dibanding aliran-searah (Holman 2010). Efek 5.16 5.12 5.12 5.46 5.49} penukar kalor aliran-lawan-arah lebih efektif _{cool er Searah 5.10 5.08 5.06 5.04 5.00} refrigerasi pada water cool condencer HX _{COP car}

  aliran-lawan-arah rata-rata lebih besar _{not Lawan -arah 3.98 3.99 4.03 4.03 4.04} dibanding yang lain, ini dikarenakan fluida _{cool Air} refrigerant yang akan masuk evaporator telah _{Searah 3.90 3.90 3.92 3.92 3.92} melepas lebih banyak energy kalor di heat dibanding tiga kondisi pengujian _{Lawan 84.1 87.5 85.6 83.8 95.1} exchanger _{Wat -arah er} yang lain sehingga kondisi refrigerant lebih _{Efisien cool Searah 74.3 74.6 75.9 77.0 79.4} sub-cool , dan refrigerant yang akan masuk _{si (%) Lawan} kompresor telah menyerap lebih banyak energy _{Air -arah 78.4 78.2 77.9 78.4 78.5} kalor dari refrigerant yang akan masuk _{cool Searah 77.4 77.7 77.8 77.8 78.1} evaporator sehingga kondisi refrigerant lebih

  super-heat. Variasi debit fluida pendingin

  condenser ikut mempengaruhi efek refrigerasi, semakin kecil debit fluida pendingin maka Dari tabel kinerja sistem refrigerasi dapat kalor yang mampu diserap refrigerant semakin dibuat beberapa grafik yang dapat menjelaskan kecil sehingga suhu refrigerant masuk perbandingan unjuk kerja masing-masing evaporator lebih tinggi. pengujian.

  Berikut ini adalah grafik q k (kalor yang

  245

  buang di kondenser), q (kalor yang diserap di _e evaporator), q (kerja kompresi), COP, dan _w

  )

  efisiensi terhadap debit fluida pendingin 240

  g /k condenser. J (k

  Perubahan debit fluida pada kondensor r

  se 235

  dari posisi very low, low, medium, high, dan

  en d n

  very high mempengaruhi waktu pencapaian

  o k

  temperatur pada kabin dari keadaan sistem cut

  230 ja er in ke cut off. Semakin besar debit fluida yang

  K , Water-cool-con_HX Lawan-arah k

  dialirkan ke kondenser maka semakin cepat

  q Water-cool-con_HX Searah 225

  sistem mengalami cut off.

  Air-cool-con_HX Lawan-arah Air-cool-con_HX Searah 200

  220 h h w w m

  195 o ig ig lo iu l h h y ed y er m er

  190 v

  ) v g

  Debit fluida pendingin kondenser /k J k 185 (

  Gambar 5. Grafik q terhadap variasi debit air _k si a

  180 er

  pendingin di condenser pada berbagai kondisi

  g ri

  pengujian

  ef 175 r k fe

  Water-cool-con_HX Lawan-arah 170

  Dari gambar 5, efek kondensasi pada

   E

  e, Water-cool-con_HX Searah q water cool condencer HX aliran-lawan-arah,

  165 Air-cool-con_HX Lawan-arah

  rata-rata lebih besar dibanding yang lain, dan

  Air-cool-con_HX Searah 160

  semakin kecil debit fluida pendingin condenser,

  h h w w m

  semakin kecil pula energy kalor yang mampu

  o ig ig lo iu l h h y

  diserap refrigerant sehingga akan menurunkan

  ed y er m er v v

  kerja kondenser.

  Debit fluida pendingin kondenser

  Berbeda dengan efek refrigerasi dan kerja

  

Gambar 4. Grafik q e terhadap variasi debit air condenser, kerja kompresi terhadap debit fluida

  pendingin di condenser pada berbagai kondisi pendingin condenser pada semua jenis pengujian pengujian relative konstan. Namun kerja kompresi pada water cool condencer HX aliran-lawan-arah rata-rata lebih kecil dibanding dengan tiga pengujian yang lain, hal ini dikarenakan refrigerant yang masuk sisi hisap (section) memiliki suhu lebih tinggi setelah menyerap energy kalor di heat

  exchanger , sehingga akan menurunkan kerja kompresi.

  50

  Water-cool-con-HX Lawan-arah Water-cool-con_HX Searah Air-cool-con_HX Lawan-arah Air-cool-con-HX Searah

  1

  2

  3

  4

  5

  6 v er y l o w lo w m ed iu m h ig h v er y h ig h

  C O Pa k tu a l Debit fluida pendingin kondenser Water-cool-con_HX Lawan-arah Water-cool-con-HX Searah Air-cool-con-HX Lawan-arah Air-cool-con-HX Searah

  55

  55

  60

  65

  70

  75

  80

  85

  90

  95 100 v er y l o w lo w m ed iu m h ig h v er y h ig h

  60 v er y l o w lo w m ed iu m h ig h v er y h ig h q w , K er ja k o m p re si ( k J /k g ) Debit fluida pendingin kondenser

  50

  Gambar 6. Grafik q w terhadap variasi debit air

  1. Pengujian menggunakan water-cool

  pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

  Gambar 7. Grafik COP terhadap variasi debit

  air pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

  Lihat gambar 7, Dengan meningkatnya efek refrigerasi terhadap peningkatan debit fluida pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian, sedangkan kerja kompresi relative konstan, maka COP actual akan ikut meningkat. Pada setiap kondisi pengujian, COP rata-ratapun ikut naik dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser. Pada kondisi yang sama, water cool condencer HX aliran- lawan-arah memiliki nilai COP rata-rata lebih tinggi dibanding dengan tiga pengujian yang lain.

  Lihat gambar 8, efisiensi meningkat dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser, hal ini dikarenakan semakin rendahnya suhu kondensasi akibat penyerapan energy kalor oleh debit fluida pendingin yang semakin meningkat, sedangkan suhu evaporasi relative konstan. Pada tiap kondisi pengujian, efisiensi rata-ratapun ikut naik dengan naiknya debit fluida pendingin di condenser, dan pada kondisi yang sama, water cool condencer HX aliran-lawan-arah memiliki nilai efisiensi rata- rata lebih tinggi dibanding dengan tiga pengujian yang lain.

  Gambar 8. Grafik efisiensi terhadap variasi

  debit air pendingin di condenser pada berbagai kondisi pengujian.

  KESIMPULAN

  condencer dengan heat-exchanger aliran-

  45

  lawan-arah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser: Efek refrigerasi turun rata-rata 1.1 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.4 %, COP turun rata-rata 4.2 %, dan efisiensi turun rata-rata 2.9 %, sedangkan kerja kompresi relative konstan.

  2. Pengujian menggunakan water-cool

  condencer dengan heat-exchanger aliran-

  searah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser: Efek refrigerasi turun rata-rata 1.1 %, efek kondensasi turun rata-rata 1.5 %, COP turun rata-rata 1.1 %, dan efisiensi turun

  20

  25

  30

  35

  40

  E fi si en si ( % ) Debit fluida pendingin kondenser Water-cool-con-HX Lawan-arah Water-cool-con-HX Searah Air-cool-con-HX Lawan-arah Air-cool-con-HX Searah rata-rata 1.6 %, sedangkan kerja kompresi

  6. The Trane Company, 1994, Trane relative konstan. Reciprocating Refrigeration , La

  3. Pengujian menggunakan air-cool Crose,Wisconsin

  condencer dengan heat-exchanger aliran-

  lawan-arah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser: Efek refrigerasi turun rata-rata 0.6 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.6 %, COP turun rata-rata 0.4 %, dan efisiensi serta kerja kompresi relative konstan.

  4. Pengujian menggunakan air-cool

  condencer dengan heat-exchanger aliran-

  searah terhadap penurunan debit fluida pendingin di condenser: Efek refrigerasi turun rata-rata 0.6 %, efek kondensasi turun rata-rata 0.3 %, COP turun rata-rata 0.4 %, dan efisiensi serta kerja kompresi relative konstan.

  Secara keseluruhan sistem refrigerasi water-cool condencer dengan

  heat-exchanger aliran-lawan-arah

  mempunyai efek refrigerasi paling tinggi sebesar 193.7 kJ/kg, dan yang terendah adalah sistem refrigerasi

  air-cool condencer dengan heat-exchanger aliran-

  searah mempunyai efek refrigerasi sebesar 174.6 kJ/kg. Kerja kompresi tertinggi terjadi pada air-cool condencer dengan

  heat-exchanger aliran-searah sebesar 55.7

  kJ/kg, dan yang terendah terjadi pada

  water-cool condencer dengan heat- exchanger aliran-lawan-arah sebesar 37.1

  kJ/kg.

DAFTAR PUSTAKA

  1. Althouse, Andrew D,et all, 1992, Modern

  Refrigeration an Air Conditoning, The Goodhera-Willcox Company, Inc, Illinois.

  2. ASHARE Hand booK Of Refrigeration 2002, American Society of Heating Refrigeration And Air Conditioning Engineer, Atlanta

  3. Dossat, RJ. 1981, Prinsiples of

  refrigeration , john Wiley and Sons, New

  York

  4. Holman, JP. 2002, Ninth Edition, Heat

  Transfer , McGraw-Hill Compaines, New York.

  5. Tandi, Markus, 2011, Uji Performansi Sistem Refrigerasi dengan Variasi Debit Air pada Water-cool Condencer, Race, Volume 5 No.2, Politeknik Negeri Bandung