Tonny Siahaan, Eko Yuli, Ahmad Paid, Yuwono Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir

  ISSN 0854-5561 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

ANALISIS KAPASITAS PENDINGINAN CHILLER VAC IEBE

  

Tonny Siahaan, Eko Yuli, Ahmad Paid, Yuwono

Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir

  ABSTRAK

  Telah dilakukan analisis terhadap kapasitas pendinginan chiller VAC IEBE. Chiller berfungsi untuk menghasilakn air dingin (chilled water) yang digunakan sebagai media pendingin udara pada sistem udara supply VAC IEBE. Kapasitas pendinginan menunjukkan kemampuan pendinginan sebuah mesin pendingin(water chiller) yang dapat diketahui dari beda temperatur air masuk dengan keluar mesin pendingin. Chiller yang terpasang di IEBE adalah merk YORK model YAEP jenis

  

reciprocating yang menggunakan refrigeran R22 sebagai media pendingin. Analisis kapasitas

  pendinginan dimaksudkan untuk mengetahui apakah chiller sudah bekerja pada kapasitas maksimum. Analisis dilakukan terhadap data-data parameter operasi chiller seperti temperatur air masuk dan keluar mesin pendingin, kuat arus motor, kuat arus motor kompresor, tekanan discharge serta kuat arus motor pompa primer. Dari data pengukuran diketahui bahwa peresen kuat arus motor kompresor maksimum adalah 72 %. Dari hasil analisis diketahui bahwa mesin pendingin bekerja di bawah kapasitas air desain. Beda temperatur yang dicapai melebihi kemampuan desain diperkirakan karena laju alir yang memasuki chiller lebih rendah dari data desain. Untuk meningkatkan kapasitas pendinginan operasi, perlu dilakukan peningkatan laju alir air dingin dengan pengaturan ulang katup ataupun penambahan refrigeran.

  Kata kunci: chiller sistem refrigerasi.

  PENDAHULUAN Instalasi ELemen Bakar Eksperimental dirancang memiliki tiga fasilitas yang utama

yaitu Laboratorium FFL (Fuel Fabrication Laboratory), PCP (Pilot Conversion Plant) dan

  [1]

Berilium Area. Sebagai INNR (Instalasi Nuklir Non Reaktor) masing-masing fasilitas

dilengkapi dengan sistem Ventilasi dan pengkondisian udara (VAC-Ventilation and Air

Conditioning) secara terpisah. Sistem VAC pada fasilitas nuklir berfungsi sebagai sarana

  [2]

utama untuk menjamin keselamatan bagi pekerja radiasi didalam gedung dan lingkungan .

  

Sistem VAC dioperasikan untuk mengatur temperatur dan kelembaban udara di dalam

ruangan serta untuk menciptakan tekanan udara lebih rendah di dalam gedung

laboratorium dibandingkan dengan tekanan udara di luar gedung. Sistem VAC juga

menciptakan pola alir udara ruangan di dalam gedung sehingga udara mengalir dari ruang

berpotensi tingkat radioaktivitas rendah menuju ruangan dengan potensi radioaktivitas

yang lebih tinggi. Kemudian udara buang dialirkan ke lingkungan melalui cerobong setelah

terlebih dahulu disaring melewati filter HEPA sehingga udara yang dilepaskan ke

  [1]

lingkungan berada dalam batas ambang keselamatan nuklir yang dipersyaratkan . Sistem

VAC terdiri dari sistem udara masuk (supply) dan sistem udara buang (exhaust).

  Chiller adalah salah satu peralatan utama untuk menciptakan kenyamanan udara

dengan mengatur temperatur dan kelembaban udara di dalam ruangan. Air dingin (chilled Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

ISSN 0854-5561

  

water) yang dihasilkan chiller disirkulasikan ke dalam AHU (Air Handling Unit) sistem udara

supply untuk pengkondisian udara ruangan. Air dingin yang mengalir didalam pipa-pipa koil

pendingin bersinggungan dengan udara atmosfer yang mengalir melalui celah-celah

bagian luar pipa oleh tarikan blower sistem udara supply dan selanjutnya udara terkondisi

didistribusikan ke dalam ruangan melalui saluran udara (ducting).

  Mesin pendingin (water chiller) yang terpasang adalah jenis torak (reciprocating) [3]

dengan pendingin udara (air cooled) buatan York dengan kapasitas pendinginan 749 kW .

  

Pada saat ini chiller terpasang dua unit (CH.01B dan CH.02B) dengan kapasitas

pendinginan yang sama sebagai pengganti unit yang terpasang sejak awal pembangunan

  

IEBE. Penggantian mesin dilakukan tanpa mengganti pompa sirkulasi air dingin (pompa

primer dan pompa sekunder) yang terpasang sebelumnya.

  Kapasitas aliran air dingin chiller lebih kecil dari kapasitas aliran pompa primer

sehingga dilakukan pengaturan katup yang terpasang pada pipa chiller. Dalam

pengoperasian chiller sering dilakukan penambahan air untuk mengkompensasi kebocoran

pada pipa-pipa koil pendingin yang terpasang pada AHU sistem udara supply. Analisis ini

dilakukan untuk mengetahui apakah chiller bekerja dengan kapasitas maksimum.

  Analisis kapasitas pendinginan chiller dilakukan dengan menganalisis data-data

operasi chiller seperti temperatur air masuk dan keluar chiller, tekanan suction dan

discharge refrigerant, persen kuat arus motor kompresor serta kuata arus motor pompa

primer. Hasil perhitungan dibandingkan dengan kapasitas pendingin sesuai data

perancangan mesin.

  Chiller bekerja menurut siklus refrigerasi kompresi uap dan menggunakan

refrigeran R22 sebagai media pendingin. Panas yang dikandung air akan diserap oleh

refrigeran melalui cooler dan kemudian dibuang ke udara lingkungan melalui kondensor

chiller.

  [4] Mesin pendingin sistem kompresi uap terdiri dari empat komponen utama yaitu:

evaporator, kompresor, kondensor, katup ekspansi yang dihubungkan oleh pipa sehingga

menjadi sebuah rangkaian tertutup dan di dalamnya mengalir refrigeran sebagai fluida

kerja(Gambar 1). Refrigeran menyerap panas di dalam evaporator dan berubah fasa dari

cair ke gas, kemudian dimampatkan di dalam kompresor sehingga terjadi kenaikan

tekanan gas refrigeran tersebut. Refrigeran berbentuk gas dialirkan ke dalam kondensor

akan mengalami perubahan fasa menjadi cair. Peristiwa kondensasi yang dialami

refrigeran disertai dengan pelepasan panas ke udara lingkungan yang dibantu oleh tiupan

udara kipas kondensor (condensor fan). Refrigeran cair yang bertekanan tinggi akan

mengalami penurunan tekanan(expansion) di dalam katup ekspansi dan kemudian

  

206 ISSN 0854-5561 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

  

mengalir kembali ke dalam evaporator. Refrigeran gas bertekanan rendah dari evaporator

mengalir kembali ke dalam kompresor dan seterusnya mengikuti tahapan siklus berikutnya.

  [4] Gambar 1. Diagram alir sistem refrigerasi kompresi uap

  [3] Chiller IEBE buatan York dengan model YAEP 99V terdiri dari dua unit sistem

refrigerasi (sistem-1 dan sistem-2) dimana kedua evaporator digabungkan di dalam satu

unit tabung penukar kalor (heat exchanger) berbentuk silinder yang berfungsi sebagai

pendingin (cooler). Cooler terdiri dari sejumlah pipa-pipa kecil yang dirangkai sebagai

penukar kalor jenis shell and tube dimana refrigeran mengalir di dalam tube sedangkan

air mengalir pada bagian luar (shell). Satu unit chiller memiliki dua unit kompresor yang

dapat dioperasikan bergantian ataupun secara bersama-sama sesuai beban pendinginan

yang ada. Masing-masing kondensor terdiri dari empat unit kipas yang juga dapat diatur

pengoperasiannya sesuai beban pendingin. Chiller ini dioperasikan secara otomatik yang

dikendalikan dengan sistem micro based computerized dan dilengkapi dengan tampilan

parameter operasi pada panel kendali. Dalam Gambar 2 ditunjukkan diagram alir refrigeran chiller York jenis air cooled dengan dua sistem refrigerasi. Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

ISSN 0854-5561

  [3] Gambar 2. Diagram alir refrigeran chiller dengan dua sistem refrigerasi

Untuk menjaga kesinambungan operasi maka sistem pengoperasian chiller ditetapkan satu

unit operasi dan satu unit lainnya sebagai cadangan. Selama tahun 2017 chiller yang

sering dioperasikan adalah Chiller CH.02B, maka analisis dipilih untuk unit CH.02B.

  METODOLOGI Kapasitas pendinginan chiller dapat diketahui dari jumlah kalor yang diserap

refrigeran ataupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh air. Sesuai neraca kalor, maka

jumlah kalor yang diserap refrigeran adalah sama dengan kalor yang dilepaskan oleh air

di dalam cooler.

  [4] Jumlah kalor yang diserap refrigerant :

  Q = m x (h )

  f f d – h s

  dimana : m f = laju alir refrigeran h d = entalpi refrigeran pada tekanan discharge kompresor h s = entalpi refrigeran pada tekanan suction kompresor Jumlah kalor yang dilepaskan air :

  Q = m x c x (T )

  w w p i – T o

  dimana : m = laju alir air dingin (liter/detik) w o

  = panas jenis air = 1 kCal/kg C = 4,18 kJ/det kg.oC

  c p T = temperatur air memasuki chiller i

  T = temperatur air keluar chiller o

  

208 ISSN 0854-5561 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

  Atau : Q

  w

  = m

  w

  x 4,18 x (T

  i

  o

  ) Dari data-data teknis chiller diketahui : Kapasitas pendinginan : 749 kW

• – T

  Laju alir air maksimum : 40,5 liter/detik Dari data teknis pompa sirkulasi (pompa primer), kapasitas aliran : 190 m

  3 /jam = 52,78

liter/detik. Kuat arus motor pompa primer : 42 A. Data-data operasi chiller dicatat selama

perioda bulan Maret 2017 sampai dengan Oktober 2017.

HASIL DAN PEMBAHASAN

  

Tabel 1. Data hasil pengukuran

  15

  14

  8

  36 06-06 31,8 4,41 19,0 67 180 4,50 19,0 69 185

  14

  8

  39 13-06 32,7 4,46 19,1 69 188 4,64 18,6 73 196

  15

  9

  38 20-06 33,3 4,26 19,1 68 180 4,34 19,0 68 180

  12

  6

  38 05-07 33,4 4,42 19,2 68 182 4,62 19,3 71 190

  9

  38 19-05 31,7 4,42 18,5 68 182 4,53 18,6 70 188

  36 12-07 30,8 4,25 18,1 67 180 4,48 18,4 70 188

  13

  8

  38 19-07 32,9 4,38 19,3 69 185 4,91 17,7 56 150

  14

  8

  36 26-07 32,9 4,31 19,1 70 188 4,23 18,5 69 185

  12

  5

  36 02-08 34,2 4,14 18,0 67 180 4,16 19,0 69 185

  16

  12

  34

  14 8 37,6 26-05 32,2 4,29 18,8 68 182 4,54 18,7 69 185

  9

  Tgl penga- matan

  o

  Temp lingk To (

  o

  C) System-1 System-2 Temp Air Kuat

  Arus Pompa Primer

  (A) Ps

  (bar) Pd

  (bar) Kuat Arus

  Motor Ps

  (bar) Pd

  (bar) Kuat Arus

  Motor Tin (

  o

  C) Tout (

  C) % FLA % FLA

  15

  07-03 31,0 4,40 18,5 68 182 4,50 18,2 71 190

  15 12 39,8 13-03 34,6 4,27 18,2 67 180 4,15 19,6 70 188

  17 12 33,3 20-03 27,4 4,07 16,6 64 172 4,41 17,0 66 177

  14 8 39,6 27-03 32,6 4,25 19,0 69 185 4,48 19,7 72 193

  14

  8

  39 05-04 30,2 4,23 17,9 66 177 4,55 18,4 70 188

  14 8 39,2 12-04 32,8 4,39 19,2 70 188 4,59 19,3 71 190 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

  Di bawah ini ditunjukkan hasil pengukuran dari bulan Maret sampai dengan bulan Oktober 2017.

  15

  10

  39 04-05 29,9 4,34 17,8 66 177 4,50 18,1 69 185

  14 8 38,5 12-05 32,9 4,47 19,7 70 188 4,59 19,4 72 193

  15 9 39,5 19-04 34 4,37 19,7 70 188 4,48 18,1 70 188

ISSN 0854-5561

  11-08 33,7 4,38 18,3 68 182 4,18 19,8 70 188

  17

  13

  34 18-08 32,4 4,31 17,6 67 180 3,93 18,7 67 180

  15

  10

  34 25-08 32,3 4,47 19,7 71 190 4,8 19,3 68 182

  16 12 33,7 04-09 33,4 4,22 17,5 66 177 4,9 19,0 68 182

  17 12 33,4 11-09 34,2 4,46 19,3 71 190 4,61 19,6 69 185

  14

  8

  39 18-09 34,9 4,24 18,3 67 180 3,99 18,1 65 174

  17

  12

  34 25-09 24,6 4,44 19,0 67 180 4,74 18,3 58 157

  12 7 38,2 05-10 33,4 4,60 19,9 72 193 4,36 19,1 72 193

  14

  8

  37 13-10 34,4 4,39 19,7 71 190 4,38 18,0 69 185

  14

  8

  36 20-10 32,0 4,51 19,1 71 190 4,77 17,9 71 190

  11

  6

  37 26-10 33,1 4,50 19,4 70 188 4,58 18,9 72 193

  14

  7

  35 Untuk mengetahui kemampuan chiller dapat dilihat dari hubungan beda temperatur air

  

masuk dan keluar dengan amper pompa primer, persen amper motor rata-rata kompresor,

tekanan discharge rata-rata kompresor serta kondisi udara luar pada saat dilakukan

pencatatan (Tabel 2).

Beda temperature air masuk dan keluar akan semakin besar jika kuat arus motor pompa

primer turun dan akan berkurang jika kuat arus motor primer naik. Dalam hal ini laju alir air

memasuki chiller ditunjukkan besar kuat arus pompa primer.

Dari data spesifikasi teknis chiller diketahui laju alir air memasuki chiller adalah 40,5

liter/detik, maka beda temperatur air masuk dan keluar adalah : o

  C ΔT = 749/(4,18 x 40,5) = 4,4

Artinya dengan kapasitas pendinginan chiller sebesar 749 kW dengan laju alir air 40,5

o liter/detik maka beda temperatur air adalah 4,4 C.

Sehubungan sistem chiller tidak memiliki alat ukur laju alir air (flowmeter), maka untuk

memperkirakan laju alir air dapat dibandingkan dengan hasil pengukuran kuat arus pompa

primer dalam persen terhadap kuat arus motor sesuai spesifikasi motor listrik penggerak

pompa. Motor listrik penggerak pompa primer adalah motor tiga fasa dengan daya 30 HP

dan kuat arus listrik 42 A. Pompa primer adalah pompa yang mensirkulasikan air ke dalam

chiller.

  

Tabel 2. Hubungan beda temperatur air dengan kuat arus motor

  Temperatur Temperatur Air Kuat Arus Kuat Arus Tekanan lingkungan Masuk T Keluar T Beda Pompa Motor Discharge

  in out o o o

  T (

  C) (

  C) (

  C) temperatur Primer Kompresor Kompresor

  o o

  (A) Rerata (%) Rerata (

  C) Pd(bar)

  32,0

  11

  6

  5

  37 71 18,5 32,9

  12

  5

  7 36 69,5 18,8 33,3

  12

  6

  6

  38 68 19,05 24,6

  12

  7 5 38,2 62,5 18,65 30,8

  13

  8

  5 38 68,5 18,25

  

210 C. Penurunan persen kuat arus kompresor ditandai

juga dengan turunnya tekanan discharge kompresor dan penurunan persen kuat arus

  C. Jika

dibandingkan dengan kuat arus motor pompa primer 36 A, diiketahui persen kuat arus

motor kompresor sebesar 62,5 % dan tekanan discharge rata-rata kompresor 18,5 bar

dengan kondisi udara lingkungan 32,9 o

  10

  12 7 39,8 69,5 18,35 34,2

  15

  34 67 18,15 31,0

  5

  10

  15

  39 70 18,9 32,4

  5

  15

  12

  34

  38 71 18,85

  6

  9

  15

  9 6 39,5 70,5 19,25 32,7

  15

  38 71 19,55 32,8

  16

  4

  9

  17

  C. Jika diperhatikan pada kondisi 72 % kuat arus

motor kompresor diketahui kuat arus motor pompa primer adalah 37 A dengan tekanan

discharge rata-rata kompresor 19,5 bar dengan kondisi udara lingkungan 33,4 o

  C dan temperatur keluar 8 o

  C pada temperatur air masuk 14 o

  

Jika dilihat dari nilai persen arus motor kompresor baru mencapai 72 % serta kuat arus

pompa primer yang terukur masih di bawah kuat arus motor pompa maksimum (42 A),

menunjukkan bahwa mesin pendingin bekerja di bawah kapasitas pendinginan maksimum.

Dari Tabel 2, data yang paling banyak adalah beda temperatur air 6 o

  Informasi lain yang dapat diperoleh dari data-data operasi chiller adalah :

  34 69 19,05

  4

  13

  12 5 33,4 67 18,25 33,7

  34 68 18,5 32,3

  17

  12 5 33,3 68,5 18,9 33,4

  17

  34 66 18,2 34,6

  5

  12

  17

  12 4 33,7 69,5 19,5 34,9

  16

  6

  15

  ISSN 0854-5561 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017 34,4

  6

  14

  6 39 70,5 19,35 32,2

  8

  14

  6 36 62,5 18,5 32,6

  8

  14

  37 72 19,5 32,9

  8

  6 36 68,5 18,75 31,8

  14

  39 70 19,45 33,4

  6

  8

  14

  36 70 18,85 34,2

  6

  8

  14

  8

  14

  19.25 32,9

  14

  6 36 69,5

  9

  15

  19.15 33,4

  71

  35

  7

  7

  8 6 39,6 65 16,8 33,1

  8

  14

  8 6 38,5 67,5 17,6 27,4

  14

  8 6 39,2 68 18,15 29,9

  14

  8 6 37,6 69 18,55 30,2

  14

  39 68 19,0 31,7

  6

• persen arus motor kompresor maksimum adalah 72 %, menunjukkan pencapaian belum mendekati 100 %.
• kuat arus pompa primer 33,3 - 39,8 A hal ini menunjukkan bahwa laju alir air berpariasi dapat terjadi karena adanya kebocoran pada sistem perpipaan terutama pada pipa-pipa koil pendingin (AHU).

Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017

ISSN 0854-5561

  

motor kompresor karena jumlah laju alir yang lebih rendah sehingga beban pendinginan

kompresor juga berkurang.

Kemudian pada kuat arus pompa primer 39,6 A, persen kuat arus kompresor sebesar 65 %

dan tekanan discharge kompresor 16,8 bar pada temperatur udara lingkungan 27,4 oC.

Meskipun kuat arus motor pompa primer tinggi, peresen arus motor kompresor hanya 65 %

karena temperatur lingkungan rendah. Data-data ini juga menunjukkan bahwa beda

o

temperatur air yang dicapai sebesar 6 C adalah disebabkan chiller bekerja di bawah

kapasitas laju alir yang sesungguhnya. Hasil pengukuran lainnya juga menunjukkan kuat

arus pompa primer berada di bawah 36 A.

Untuk meningkatkan kapasitas alir air memasuki chiller dapat dilakukan dengan mengatur

pembukaan katup sehingga chiller bekerja dengan kapasitas yang mendekati nilai desain

ataupun penambahan refrigeran.

  KESIMPULAN Dari hasil pengukuran diketahui persen kuat arus maksimum adalah 72 % yang

menunjukkan bahwa chiller beroperasi di bawah nilai beban maksimum desain. Beda

o

temperatur air masuk dan keluar chiller melebihi 6 C juga menunjukkan bahwa laju alir air

yang memasuki chiller lebih kecil dari nilai desain. Untuk meningkatkan kapasitas

pendinginan chiller dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan pembukaan katup

ataupun penambahan refrigeran.

DAFTAR PUSTAKA

  1. Anonim, Laporan Analisis Keselamatan Instalasi Elemen Bakar Eksperimental, Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir BATAN, No. Dok. KK32 J09 002

  2. Anonim, Heating, Ventilation and Air Conditioning Applications, ASHRAE Handbook 2003.

  

3. Anonim, High Ambient Air-Cooled Liquid Chiller YAEP, Jhonson Control, York.

nd

  4. W.F. Stoecker, Refrigeration & Air Conditioning, 2 edition, Mc. Graw-Hill Book Company, Singapore 1982

212 ISSN 0854-5561 Hasil-Hasil Penelitian EBN Tahun 2017