PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR PADA SISTEM PEMANAS AIR
DENGAN MEMANFAATKAN PANAS BUANG DARI AC SPLIT 0,7 PK
Ainun Putri Khasanah (17/410163/TK/45520)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
ABSTRAK
Indonesia merupakan negara tropis dimana pengkondisian udara dengan menggunakan
Air Conditioner (AC) menjadi kebutuhan untuk mendapatkan kenyamanan termal.
Pengoperasian sistem refrigerasi pada AC, merupakan siklus yang terjadi secara berulang dan
melepaskan panas buang ke lingkungan. Untuk memanfaatkan energi yang terbuang, dirancang
sebuah sistem pemanas air dengan memanfaatkan panas buang dari AC split berkapasitas 0,7
PK untuk kebutuhan air mandi dari satu orang penghuni ruangan berdimensi 6 x 5 x 4 m 3.
Metode yang digunakan dalam perancangan adalah studi literatur untuk mendapatkan variabel
pemodelan sistem, dengan melihat berbagai sumber seperti jurnal, buku, dan standar yang ada.
Sistem pemanas air menggunakan alat penukar kalor jenis helikal koil dengan pipa tembaga
berdiameter luar dan dalam masing-masing sebesar 34,92 mm dan 32,89 mm yang telah
memenuhi standar EN 12735-1 untuk R410A sebagai fluida primer. Penukar kalor dengan
Panjang pipa 6,132 meter dan jumlah lilitan sebanyak 20 dimasukkan ke dalam sebuah tangki
air, dengan volume air sebesar 100 L. Efektivitas dari penukar kalor yang dirancang sebesar
45,6%. Sistem pemanas air memiliki performansi atau COPHP sebesar 4,68 dan sistem
refrigerasi memiliki performansi atau COPR sebesar 3,68 yang dihitung dengan selisih entalpi.
Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan pemanasan terhadap 100 L air di dalam tangki adalah
3295,44 sekon.
Kata kunci : pengkondisian udara, pemanas air, penukar kalor, helikal koil, efektivitas
1
BAB I. PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Salah satu penggunaan energi yang cukup besar di Indonesia adalah untuk sistem
pengkondisian udara, yaitu penggunaan mesin refrigerasi khususnya Air Conditioner (AC).
Mesin refrigerasi merupakan sebuah mesin yang secara termodinamika dapat memindahkan
energi dari area bertemperatur rendah (media yang akan didinginkan) ke area bertemperatur
tinggi (temperatur sekitar atau temperatur lingkungan dengan bantuan energi masukan berupa
kerja kompresor. Mayoritas mesin refrigerasi untuk keperluan penyejuk ruagan, beroperasi
menggunakan siklus refrigerasi kompresi uap (SKU) [1]. Zat yang ada di dalam system
refrigerasi untuk mendinginkan ruangan sekaligus untuk menyerap panas dalam ruangan
adalah refrigeran (freon). Penggunaan AC sebagai mesin pendingin Gedung atau bangunan
yang berukuran kecil sampai sedang mayoritas berupa AC split atau mesin refrigerasi jenis
terpisah dengan kapasitas pendinginan yang tidak terlalu besar.
Panas yang dihasilkan dari mesin pengkondisian udara pada ruang tertentu tidak
dimanfaatkan lebih lanjut, merupakan pembuangan energi yang sia-sia. Hal ini merupakan
dasar penelitian pemanfaatan panas buang dari pengkondisian udara. Mengingat bahwa alat
pengkondisian udara yang digunakan pada saat ini, mencakup lingkup rumah tangga,
perhotelan, gedung pendidikan, sudah merupakan alat biasa dan jumlah pemakaian yang
meningkat, maka perlu dilakukan pemanfaatan sumber panas yang dikeluarkan oleh hasil kerja
pengkompressian kompressor dari pengkondisian udara menuju kondensor pada rangkaian
siklus pendingin. Salah satu bentuk pemanfaatannya adalah dengan merancang sebuah alat
penukar kalor untuk sistem pemanas air yang berfungsi untuk memanaskan air sekaligus
mendinginkan refrigeran sebelum masuk ke kondensor untuk didinginkan kembali.
I.2. Rumusan Masalah
Bagaimana rancangan alat penukar kalor untuk sistem pemanas air yang baik dengan
memanfaatkan panas buang AC split 0,7 PK?
I.3. Batasan Masalah
Batasan penelitian ini adalah pada ruang dengan dimensi 6 x 5 x 4 m3 dengan jumlah
penghuni satu orang.
2
I.4. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Menghitung desain optimum dari alat penukar kalor untuk sistem pemanas air dengan
memanfaatkan panas buang AC split 0,7 PK.
2. Menghitung performansi sistem pemanas air yang dirancang.
3. Menghitung efektivitas dari alat penukar kalor yang dirancang.
I.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah :
1. Mengetahui desain optimum dari alat penukar kalor untuk sistem pemanas air dengan
memanfaatkan panas buang AC split 0,7 PK.
2. Mengetahui performansi sistem pemanas air yang dirancang.
3. Mengetahui efektivitas dari alat penukar kalor yang dirancang.
3
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
Pada penelitian yang dilakukan oleh Frederikus Konrad, dkk yaitu dengan pemanfaatan
energi panas pada mesin pengkondisian udara 2 PK sebagai media pemanas air, yaitu dengan
menggunakan AC split 18.000 Btu/h dengan tangka air sebagai media yang akan di panasi
dengan memanfaatkan panas yang dihasilkan dari kompressor menuju kondensor. Daya dari
AC sebesar 1.492 watt, dengan diameter pipa yang digunakan 0,25 inchi. Untuk memulai
pengujian sistem pemanas air, AC disetting pada kondisi ON, kemudian tangka emanas diisi
dengan air sebanyak 20 liter. Langkah selanjutnya yaitu menyalakan AC selama 2 jam, dan
kemudian dilakukan pengamaan terhadap suhu tangki pemanas dan tekanan AC. Hasil dari
pengujian yang dilakukan yaitu terjadi kenaikan daya actual sebesar 1,357 kW menjadi 1,447
kW. Kalor yang dibuang kondensor menurun dari 154,546 kJ/kg menjadi 152,137 kJ/kg,
dengan temperatur yang dihasilkan dari tangki berkapasitas 20 liter adalah 63 ˚C dalam waktu
120 menit [2].
Penelitian selanjutnya, yaitu perancangan tabung water heater pada aplikasi air
conditioning (AC) double system 1 PK dengan menggunakan metode studi referensi, ovservasi,
dan eksperimen, yaitu dengan melakukan beberapa ujicoba pada alat hasil rancangan dengan
variable penelitian yang ditentukan untuk pengambilan data dan beberapa analisis dari sumber
studi referensi yang ada. Alat penukar kalor yang dirancang adalah tipe helix (spring) pada
tabung water heater dari panas buang pada kompresor dan diperoleh data desain optimum :
panjang pipa APK 1,13 meter dengan jumlah lilitan 3,6 dimasukkan dalam tabung dengan
volume 3 liter dengan dimensi diameter 27 cm dan tinggi 52 meter [3].
Untuk membandingkan kinerja sistem pendingin yang digunakan pada water heater, I
Wayan Sugita, dkk menggunakan alat penukar kalor jenis serpentine dan circular. Penelitian
dilakukan dengan pengambilan data berupa suhu air input, suhu air output, suhu udara, suhu
output kompresor, suhu output kondensor, suhu output evaporator, dan suhu permukaan pipa
tembaga pada heat exchanger. Sedangkan dalam pengambilan data penunjangnya dilakukan
pengambilan data pada tekanan refrigeran, dan arus sistem. Pengambilan data suhu penelitian
dilakukan pada tiga tekanan refrigeran yang berbeda, yaitu 80,75, dan 70 psi. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa alat penukar kalor tipe circular memberikan hasil lebih baik dibandingkan
dengan tipe serpentine. Efisiensi penukar kalor tipe circular yaitu sebesar 69,34 % pada
tekanan refrigeran 70 psi dan untuk tipe serpentine yaitu sebesar 62,8 % pada tekanan
refrigeran yang sama [4].
4
Penelitian yang berkaitan dengan desain alat penukar kalor selanjutnya, dilakukan oleh
Reyhan Kiay Demak, dkk yaitu mengenai pengaruh variasi massa refrigeran terhadap kinerja
Air Conditioner Water Heater (ACWH), yang merupakan perangkat AC yang dapat
memanaskan air menggunakan panas buang yang ditransfer melalui heat exchanger, perangkat
heat exchanger menambah panjang jalur distribusi refrigeran sehingga dibutuhkan
penyesuaian massa refrigeran dari standar rekomendasi pabrik. Eksperimen dilakukan pada
perangkat ACWH dengan heat exchanger tipe helical dengan panjang pipa 9 meter dan variasi
massa refrigeran 700 gram, 750 gram, 800 gram, dan 850 gram dimana massa refrigeran
rekomendasi dari perangkat AC tersebut adalah 750 gram. Pengujian dilakukan selama 120
menit dengan volume air pada tangka penyimpanan 60 liter. Hasil dari penelitian ini yaitu
menunjukkan kinerja terbaik didapat ketika massa refrigeran sebesar 800 gram dengan
peningkatan temperatur 60 liter air panas sebesar 21,4 ˚C dalam waktu 2 jam, dan COP total
sebesar 14,5 [5].
5
BAB III. DASAR TEORI
III.1. ALAT PENUKAR KALOR
Alat penukar kalor atau heat exchanger merupakan suatu alat yang dapat memberikan
fasilitas perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda temperaturnya, serta
menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Proses perpindahan panas yang paling
sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin secara
langsung, dimana kedua fluida akan mencapai temperature yang sama, dan jumlah panas yang
berpindah dapat diperkirakan denan menyamakan kerugian energi dari fluida yang lebih panas
dengan perolehan energi yang lebih dingin. Macam-macam alat penukar kalor adalah sebagai
berikut :
a. Pipa konsentris (pipa ganda)
Gambar 1. Pipa konsentris parallel flow (kiri) dan counter flow (kanan)
Penukar kalor pipa konsentris disebut aliran parallel jika arah aliran fluida
panas searah dengan aliran fluida dingin, dan apabila berlawanan arah, disebut counter
flow. Penukar kalor jenis ini merupakan jenis yang paling sederhana.
b. Cross flow heat exchanger
Gambar 2. Cross flow heat exchanger both fluids unmixed (kiri) dan one fluid mixed, one fluid unmixed (kanan)
Penukar kalor cross flow terdiri dari beberapa pipa kecil (tube) yang dirangkai
menjadi satu dengan menggunakan satu penahan. Fluida cair dialirkan di dalam tube
6
sedangkan fluida gas dialirkan di luar tube. Penukar kalor jenis ini sering digunakan
untuk AC dan sistem refrigerasi.
c. Shell and tube heat exchanger
Gambar 3. Shell and tube heat exchanger
Penukar panas jenis ini sering digunakan untuk keperluan proses industri dan
instalasi pembangkit daya. Penukar kalor memiliki sebuah tangka besar yang disebut
shell, dimana di dalam shell tersusun atas banyak tube. Sebagai penahan tube diberi
baffle yang juga berfungsi membelokkan liran perpindahan panas lebih efisien.
III.2. SISTEM KERJA AC SPLIT
AC split merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan suhu ruangan
menjadi lebih rendah suhunya dibandingkan dengan suhu lingkungan sekitarnya. AC split
bekerja dengan menyerap panas udara di dalam ruangan yang diinginkan, kemudian
melepaskan panas keluar ruangan. Pada sistem AC split, terdapat refrigeran, yaitu suatu
senyawa yang berubah fase secara cepat dari uap ke cair dan sebaliknya. Pada saat terjadi
perubahan fase dari uap ke cair, refrigeran akan membuang alor (panas) ke lingkungan
sekelilingya. Pada prinsipya, sistem AC split terdiri dari empat macam komponen utama, yaitu
kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporato seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. Siklus Air Conditioner Split Sistem
7
Gambar 5. Diagram P-h siklus kompresi uap ideal
Kompresor bekerja dengan membuat perbedaan tekanan sehingga refrigeran dapat
mengalir dari satu bagian ke bagian lainnya dari sistem. Perbedaan tekanan antara sisi tekanan
tinggi dan sisi tekanan rendah menyebabkan refrigeran cair dapat mengalir melalui ala pengatur
refrigeran (alat ekspansi) ke evaporator. Tekanan uap di evaporator harus lebih tinggi dari
tekanan uap dalam saluran hisap, agar uap dingin dari evaporator dapat mengalir melalui
saluran hisap kompresor [6]. Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran bisa dihitung
dengan rumus :
wkomp = h2 – h1
dimana
:
wkomp = kerja kompresi (kJ/kg)
h1
= entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)
h2
= entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)
Kondensor merupakan penukar kalor yang berfungsi mengembunkan uap refrigeran
yang mengalir dari kompresor. Untuk mengembunkan uap refrigeran yang memiliki tekanan
dan temperatur tinggi keluaran kompresor, diperlukan usaha untuk melepaskan kalor sebanyak
kalor laten pengembunan dengan cara mendinginkan uap refrigeran tersebut. Jumlah kalor
yang dilepaskan pada kondensor sama dengan jumlah kalor yang diserap refrigeran di dalam
evaporator ditambah kalor yang ekuivalen dengan energi yang diperlukan untuk melakukan
kerja kompresi dalam kompresor [6]. Besar panas persatuan massa refrigeran yang dilepaskan
di kondensor dinyatakan sebagai berikut :
qc = h2 – h3
Dimana
:
qc
= besarnya panas yang dilepas di kondensor (kJ/kg)
h2
= entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)
h3
= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)
8
Katup ekspansi digunakan untuk megekspansi secara adiabatik cairan refrigeran yang
bertekanan dan bertemperatur tinggi hingga mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur
rendah [6]. Proses ekspansi pada katup ekspansi berlangsung secara isoentalpi, yang berarti
tidak terjadi penambahan entalpi, namun terjadi penurunan tekanan dan temperatur. Persamaan
entalpi dinyatakan sebagai berikut :
h 3 = h4
Dimana h3 adalah entalpi refrigeran masuk katup ekspansi (kJ/kg) dan h4 adalah entalpi
refrigeran keluar katup ekspansi (kJ/kg).
Evaporator dalam sistem refrigerasi berfungsi memindahkan kalor dari zat-zat yang
didinginkan menuju refrigeran. Pada kondensor, panas dilepas atau dibuang oleh refrigeran
menuju media pendingin atau fluida pendingin kondensor, sedangkan di dalam evaporator,
kalor diserap oleh refrigeran dari media yang diinginkan yang dalam sistem AC split
merupakan udara lingkungan [6]. Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator per satuan
massa adalah :
qe = h1 – h4
Dimana
:
qe
= besarnya panas yang dilepas diserap evaporator (kJ/kg)
h1
= entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg)
h4
= entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)
Koefisien kinerja atau efisiensi keja sistem refrigerasi biasa disebut koefisien refrigerasi
(COPR). Parameter ini menyatakan kemampuan sistem untuk menyerap kalor dari sistem atau
ruangan melalui evaporator per konsumsi daya kompresor.
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛
COPR = 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 =
𝑞𝑒
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
𝑄̇𝑒
𝑊̇𝑐𝑜𝑚𝑝
Di sisi lain, terdapat sistem pompa kalor yang berguna untuk memenuhi kebutuhan pemanasan.
Sistem pompa kalor memiliki efisiensi kerja sistem pada sisi pemanasan, yang disebut
koefisien kinerja pompa kalor/pemanasan (COPHP)
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠𝑎𝑛
COPHP = 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 =
𝑞𝑐
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
𝑄̇𝑐
̇
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝
III.3. ANALISIS PERPINDAHAN PANAS & DESAIN HEAT EXCHANGER
a. Metode beda temperature rata-rata (LMTD)
Metode ini dapat digunakan apabila diketahui temperatur masuk dan temperatur
keluar diketahui besarnya atau dapat ditentukan dari persamaan kesetimbangan energi.
Apabila diketahui hanya temperature fluida masuk, maka penggunaan metode LMTD
9
membutuhkan prosedur coba-coba sehingga tidak praktis digunakan. Untuk aliran
fluida yang berlawanan arah, perhitungan LMTD sebagai berikut [7]:
Sedangkan apabila aliran fluida dalam heat exchanger merupakan aliran fluida searah,
perhitungan LMTD adalah sebagai berikut [7]:
Dimana :
T1
= Temperatur fluida panas masuk penukar kalor
T2
= Temperatur fluida panas keluar penukar kalor
t1
= Temperatur fluida dingin masuk penukar kalor
t2
= Temperatur fluida dingin keluar penukar kalor
Laju perpindahan panas menjadi :
Q = U . A . LMTD
b. Metode Kern
Metode kern merupakan metode yang digunakan untuk perancangan alat penukar kalor
tipe shell and tube, dengan tahapan penyelesaian perancangan masih menggunakan
cara coba-coba. Tahap perhitungan pada metode kern, dimulai dari menentukan sifat
termofisis dari fluida panas dan dingin pada suhu kalorik atau suhu aritmatik.
Kemudian, dari persamaan neraca energi, didapatkan besar kalor yang dipindahkan.
Dari metode kern, didapatkan luas area perpindahan panas, jumlah tube, kecepatan
fluida pada tube, estimasi koefisien film perpindahan panas pada sisi shell, serta
koefisien perpindahan panas secara keseluruhan [7].
c. Metode NTU
Metode NTU digunakan untuk mendefinisikan efektivitas suatu penukar kalor, yaitu
rasio antara laju perpindahan kalor sebenarnya untuk suatu penukar kalor terhadap laju
perpindahan kalor maksimum yang mungkin terjadi. Secara umum, efektivitas dapat
dinyatakan sebagai berikut [7]:
10
𝜀=
𝑞
𝑞𝑚𝑎𝑥
Sedangkan NTU (Number Of Transfer Units) merupakan parameter yang tidak
berdimensi yang secara luas digunakan dalam analisis suatu penukar kalor. Bilangan
ini didefinisikan sebagai berikut :
𝑁𝑇𝑈 =
𝑈𝐴
𝐶𝑚𝑖𝑛
Berikut merupakan tabel persamaan-persamaan hubungan efektivitas untuk alat
penukar kalor :
Tabel 1. Persamaan efektivitas
Tabel 2. Tabel Persamaan NTU
11
BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN
Pemanfaatan kalor buang dari AC split untuk digunakan sebagai media pemanas air
keperluan rumah tangga, dilakukan dengan menggunakan AC split 0,7 PK dengan
memodifikasi bagian kondensor atau alat penukar kalor yang digunakan, yang sebelumnya
menggunakan udara sebagai media yang menerima kalor, dan diganti dengan air sebagai
penerima kalor dari refrigeran keluaran evaporator. Proses perhitungan dilakukan dengan
menghitung kinerja keseluruhan komponen sistem, sehingga diketahui besarnya koefisien
performansi kinerja siklus refrigerasi (COPR) dan pompa kalor (COPHP), dan lamanya waktu
pemanasan air.
IV.1. Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada ruangan dengan dimensi 6 x 5 x 4 m3 dan jumlah penghuni
satu orang.
IV.2. Metode Penelitian
Pengambilan data pada penelitian ini, dilakukan oleh penulis untuk menganalisis
perpindahan panas dan desain dari alat penukar panas yang digunakan. Pengambilan data
dilakukan oleh penulis dengan metode studi literatur yang dilakukan untuk mendapatkan
bahan-bahan acuan yang dibutuhkan pada proses penelitian dengan cara mempelajari bukubuku referensi dan jurnal yang berkaitan dengan penelitian penulis.
IV.3. Komponen Alat yang Digunakan
Komponen yang digunakan dalam penelitian adalah sistem Air Conditioner (AC) tipe
split dengan daya sebesar 0,7 PK. Unit indoor terdiri dari evaporator, dan unit outdoor terdiri
dari kompresor, kondensor, dan pipa kapiler. Untuk memilih merek AC yang digunakan,
digunakan pendekatan daya yan digunakan, yaitu penulis memilih tipe AC dengan daya 0,7
PK, dengan menggunakan refrigeran tipe R410A.
IV. 4. Variabel Pemodelan Sistem
Tabel 3. Variabel Pemodelan Sistem
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Keterangan
PK AC
Suhu operasi
Suhu lingkungan
Kelembaban relatif
Tekanan evaporator
Variabel
Top
Tling
%RH
P4
Nilai
0,7
23,2 ˚C
30,52 ˚C
75%
0,80 Mpa
Tekanan heat
exchanger
P2
3,07 Mpa Theoretical Characteristics of Refrigeration
Cycle from Daikin [8]
12
Sumber
Perhitungan berdasarkan NIF penulis
Perhitungan berdasarkan NIF penulis
Perhitungan berdasarkan NIF penulis
Perhitungan berdasarkan NIF penulis
Theoretical Characteristics of Refrigeration
Cycle from Daikin [8]
7.
Daya aktual
kompresor
𝑊̇ elkompresor 0,521
kW
8
Suhu air masuk ke
dalam heat
exchanger
TIN2
26 ˚C
9.
TOUT2
45 ˚C
10.
Suhu air keluar dari
heat exchanger
Kalor spesifik udara
Cp udara
11.
Volume air
Vair
1,0065
kJ/kgK
100 L
12.
Massa air
mair
100 kg
https://www.wikikomponen.com/kalkulatoruntuk-menghitung-konversi-satuan-pk-atauhp-ke-watt/
Peraturan Menteri Kesehatan Republik
Indonesia No. 32 Tahun 2017 tentang
Standar Baku Mutu Kesehatan Lingkungan
dan Persyaratan Kesehatan Air untuk
Keperluan Higiene Sanitasi
SNI 03-7065-2005 tentang Tata Cara
Perencanaan Sistem Plambing
Tabel Properti untuk Udara
SNI 03-7065-2005 tentang Tata Cara
Perencanaan Sistem Plambing dengan
penghuni 1 orang, dan asumsi dua kali mandi
sehari
-
IV. 5 Diagram Alir Penelitian
Mulai
Studi Pustaka
Pengumpulan Data
Perhitungan Analisis Perpindahan Kalor pada Sistem
Penentuan Jenis HE
Perhitungan Analisis Desain HE
Hasil dan Kesimpulan
Selesai
13
BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN
V.1 Analisis Perpindahan Kalor pada Sistem
Untuk menganalisis besarnya kalor dari udara yang diserap oleh evaporator, digunakan
persamaan berikut :
qe = Cpudara (Tling – Top) = 1,0065 kJ/kgK [(30,52+273)K – (23,2+273)K] = 7,368 kJ/kg
Pada evaporator terjadi proses evaporasi, secara isobar termal, dengan tekanan yang konstan,
yaitu P4 = P1, yaitu 0,80 Mpa. Pada tekanan 0,80 Mpa, di fase saturated vapor, dapat ditentukan
suhu refrigeran yang keluar dari evaporator (T1), entalpi refrigeran keluar dari evaporator (h1),
dan entropi refrigeran keluar dari evaporator (s1) yaitu masing-masing sebesar 0,138˚C, 422,54
kJ/kg, dan 1,8144 kJ/kgK yang merupakan hasil interpolasi pada tekanan 796,5 kPa dan 822,1
kPa yang didapat dari tabel termodinamic properties untuk R410A.
Langkah selanjutnya, adalah menentukan besarnya entalpi yang keluar dari kompresor.
Pada kompresor, terjadi proses kompresi isentropik adiabatik, dimana s1 = s2, dengan tekanan
(P2) sebesar 3,07 Mpa. Besarnya s2 yaitu 1,8144 kJ/kgK. Dengan menggunakan dua variabel
independent, yaitu P2 dan s2, maka dapat diketahui refrigeran yang keluar dari kompresor
berada pada fase superheated vapor, dengan besar entalpi (h2) dan suhu (T2) dari refrigeran,
dihitung metode interpolasi sebagai berikut :
Pada tekanan 3000 kPa dan entropi 1,8144 kJ/kg, perhitungan h2 yaitu :
ℎ2 − 452,8
1,8144 − 1,7972
=
=> ℎ2 = 458,69 𝑘𝐽/𝑘𝑔
460,3 − 452,8
1,8191 − 1,7972
Pada tekanan 3200 kPa dan entropi 1,8144 kJ/kg, perhitungan h2 yaitu :
ℎ2 − 456,4
1,8144 − 1,8025
=
=> ℎ2 = 460,53 𝑘𝐽/𝑘𝑔
463,9 − 456,4
1,8241 − 1,8025
Maka, pada tekanan 3070 kPa, dengan entropi 1,8144 kJ/kg, h2 adalah :
ℎ2 − 458,69
3070 − 3000
=
=> ℎ2 = 459,33 𝑘𝐽/𝑘𝑔
460,53 − 458,69
3200 − 3000
Menggunakan metode yang sama dengan perhitungan h2, diperoleh besarnya T2 yaitu 70,23˚C.
Dengan demikian, besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran bisa dihitung dengan
rumus :
wkomp = h2 – h1 = 459,33 kJ/kg – 422,54 kJ/kg = 36,79 kJ/kg
Besarnya Welkompresor yang merupakan daya aktual kompresor, diketahui dari PK AC yaitu
sebesar 0,521 kW, sehingga besarnya laju alir massa refrigeran yang mengalir dalam sistem
dapat diketahui dengan persamaan berikut :
𝑚̇ref =
𝑊̇𝑒𝑙𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
0,521 𝑘𝐽/𝑠
36,79 𝑘𝐽/𝑘𝑔
14
= 0,014 𝑘𝑔/𝑠
Langkah selanjutnya, yaitu perhitungan perpindahan kalor pada kondensor. Pada
kondensor, terjadi proses kondensasi, dengan pendinginan isobar, dimana tekanan refrigeran
sebelum dan sesudah masuk kondensor adalah constant (P2 = P3 = 3,07 Mpa). Refrigeran yang
bertekanan dan bersuhu tinggi keluaran dari kompresor akan berubah fasa menjadi cair, dimana
fasa dari refrigeran keluardari kondensor diasumsikan saturated liquid. Maka, besarnya T3 dan
h3, merupakan temperatur saturasi dan entalpi saturated liquid (hf) di tekanan 3,07 Mpa, yang
masing-masing sebesar 50,12˚C dan 287,16 kJ/kg. Pada katup ekspansi, terjadi proses ekspansi
secara isoentalpi, dimana besarnya h3 = h4, yaitu 287,16 kJ/kg. Besarnya panas per satuan
massa refrigeran yang dilepas di kondensor dinyatakan sebagai berikut :
qc = h2 – h3 = 459,33 kJ/kg – 287,16 kJ/kg = 172,17 kJ/kg
Besarnya perpindahan panas yang diterima oleh air sebagai fluida sekunder di kondensor, dapat
dihitung dengan persamaan berikut :
qair = mair x CH20 x ∆Tair = 100 kg x 4,18 kJ/kgK x [(45+273)K –(26+273)K] = 7942 kJ
Sedangkan besarnya panas per satuan waktu yang diterima oleh air sama dengan besarnya
panas persatuan waktu, yang dilepas oleh refrigeran di kondensor, dan dinyatakan sebagai
berikut :
𝑘𝑔
𝑄̇𝑎𝑖𝑟 = 𝑚̇ref x (h2 – h3) = 0,014 𝑠 𝑥 172,17 kJ/kg = 2,41 kJ/s
Maka, lama pemanasan air sebanyak 100 L, dapat diketahui yaitu :
𝑡𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠𝑎𝑛 =
𝑞𝑎𝑖𝑟
7942 𝑘𝐽
=
= 3295,44 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 = 0,92 𝑗𝑎𝑚
̇
2,41 𝑘𝐽/𝑠
𝑄 𝑎𝑖𝑟
Untuk mengetahui performansi dari sistem, dapat dihitung besarnya COPR dan COPHP, sebagai
berikut :
COPR =
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛
𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
=
𝑞𝑒
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
7,368 𝑘𝐽/𝑘𝑔
36,79 𝑘𝐽/𝑘𝑔
= 0,2
Oleh karena perhitungan beban pendinginan dengan menggunakan selisih temperatur dianggap
kurang akurat, maka dapat dihitung dengan selisih entalpi, sehingga COPR menjadi :
kJ
COPR =
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛𝑎𝑛
𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
=
𝑞𝑒
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
(ℎ1 − ℎ4 )
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
kJ
422,54kg−287,16kg
36,79 𝑘𝐽/𝑘𝑔
= 3,68
Selanjutnya, adalah perhitungan koefisien performansi pompa kalor untuk pemanasan, yaitu :
COPHP =
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠𝑎𝑛
𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
15
=
𝑞𝑐
𝑤𝑘𝑜𝑚𝑝
=
172,17 𝑘𝐽/𝑘𝑔
36,79 𝑘𝐽/𝑘𝑔
= 4,68
V.2 Analisis Desain Alat Penukar Kalor
Langkah pertama sebelum menentukan tipe alat penukar kalor yang digunakan, adalah
menentukan laju perpindahan kalor yang terjadi, antara dua fluida yaitu fluida primer (R410A),
dan fluida sekunder (air) di dalam alat penukar kalor yang akan didesain. Laju perpindahan
kalor adalah sebagai berikut :
𝑄𝑐̇ = 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 𝑥 (ℎ2 − ℎ3 ) = 0,014
𝑘𝑔
𝑘𝐽
𝑘𝐽
𝑥 172,17
= 2,41 = 8223,261 𝐵𝑡𝑢/ℎ
𝑠
𝑘𝑔
𝑠
Setelah diketahui besarnya laju perpindahan kalor, untuk menghitung luas perpindahan kalor
secara desain, dibutuhkan variabel koefisien perpindahan kalor total yang diasumsikan (U D).
Penentuan UD, dilakukan dengan acuan Tabel 8 pada Process Heat Transfer oleh Kern [7],
sebagai berikut :
Tabel 4. Koefisien Perpindahan Kalor total pada Heat Exchanger
Dikarenakan R410A dan air pada suhu 26˚C memiliki viskositas yang kurang dari 0,5
centipoise, maka diasumsikan besarnya Ud adalah 50 Btu/hft2˚F yang terletak pada rentang
light organics (hot fluid) to light organics (cold fluid). Setelah UD ditentukan, besarnya A (heat
transfer area) ditentukan dengan persamaan berikut :
A=
LMTD =
𝑄𝑐̇
𝑈𝐷 𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑥 𝐹𝑇
(T1 - t2) - (T2 - t1) (70,23˚𝐶−45˚𝐶)−(50,12˚𝐶−26˚𝐶)
=
= 24,67˚C = 76,406˚F
(70,23˚𝐶−45˚𝐶)
(T1 - t2)
ln
(50,12˚𝐶−26˚𝐶)
ln
(T2 - t1)
Untuk menghitung besarnya faktor koreksi (FT) menurut Kern [7], menggunakan persamaan
berikut :
16
Dimana R =
19
(T 1 − T 2) 20,11
(t 2 − t1)
=
= 1,06 dan S =
=
= 0,43 maka didapatkan FT
19
(t 2 − t1)
(T 1 − t1) 44,23
sebesar 0,88. Dengan demikian, besarnya luas perpindahan kalor (A) dapat dihitung sebagai
berikut :
A=
𝑄𝑐̇
𝑈𝐷 𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑥 𝐹𝑇
=
8223,261 𝐵𝑡𝑢/ℎ
50
Btu
hft2˚F
x 76,406˚F x 0,88
= 2,44 𝑓𝑡 2
Dikarenakan luas perpindahan kalor yang lebih kecil dari 200 ft2, maka penukar kalor jenis
shell and tube tidak bisa digunakan. Untuk perancangan alat penukar kalor, penulis memilih
menggunakan jenis helikal koil, dengan pemilihan pipa yang digunakan yaitu pipa tembaga
dengan diameter luar (do) = 34,92 mm dan diameter dalam (di) sebesar 32,89 mm, sesuai
dengan standar EN 12735-1 untuk R410A dengan tekanan kerja yang mendekati 3070 kPa pada
temperature 50˚C dan 800 kPa pada temperatur 70˚C [9]. Dalam memperkirakan panjang pipa
(L) yang digunakan, dibutuhkan asumsi-asumsi yaitu volume air yang akan dipanaskan sebesar
100 L dengan massa air 100 kg, dari temperatur TIN2 = 26˚C menjadi TOUT2 = 45˚C seperti
pada Tabel 3. Dengan demikian, diperoleh ∆T untuk air, yaitu sebesar 19˚C dengan waktu
pemanasan 0,92 jam seperti yang telah dianalisis pada sub bab V.1. Dengan nilai panas jenis
air, cair = 4200 J/kg˚C, maka pemanasan air memerlukan energi sebesar :
𝐽
W = 𝑚𝑎𝑖𝑟 𝑥𝑐𝑎𝑖𝑟 𝑥∆𝑇 = 100 𝑘𝑔 𝑥 4200 𝑘𝑔 ℃ 𝑥 19℃ = 7,98 𝑀𝐽
Nilai dari koefisien perpindahan panas pada sisi luar pipa (ho) ditentukan sebagai berikut :
ho =
𝑊
𝜋 𝑑𝑜 𝐿 ∆𝑇 ∆𝑡
=
7,98 𝑥 106 𝐽
𝜋 𝑥 0,03492 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑥 𝐿 𝑥 19℃ 𝑥 3295,44 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛
=
1151,75
𝐿
(W/m2˚C)
Untuk menghitung daya yang disisipasikan oleh penukar kalor, yaitu Qcoil, dibutuhkan
variabel-variabel yaitu laju alir massa refrigeran sebesar 0,014 kg/s, suhu refrigeran masuk alat
penukar kalor, yaitu Tcin sebesar 70,23˚C dan suhu refrigeran keluar alat penukar kalor yaitu
Tcout sebesar 50,12˚C, dan suhu rata-rata atau Ta diasumsikan sebesar 49˚C atau 322,15 K
sesuai hasil analisis pada sub bab V.1. Variabel lain adalah panas jenis uap R410A yang
didapatkan dari persamaan pada tabel properti R410A [10], yaitu :
17
Gambar 6. Kapasitas kalor spesifik R410A
Dengan menggunakan suhu rata-rata R410A yang masuk dan keluar penukar kalor dan
persamaan ideal gas heat capacity at constant pressure, diperoleh cref sebesar 0,84282 kJ/kgK.
Maka, besar daya yang disisipasikan oleh penukar kalor adalah sebagai berikut :
Qcoil
=
𝑚̇ 𝑟𝑒𝑓𝑓 𝑥 𝑐𝑟𝑒𝑓 𝑥 (𝑇𝑐𝑖𝑛 − 𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡) = 0,014
(50,12 + 273,15)𝐾 = 0,2373
𝑘𝐽
𝑠
𝑘𝑔
𝑠
𝑘𝐽
𝑥 0,84282 𝑘𝑔𝐾 𝑥[(70,23 + 273,15)𝐾 −
= 0,2373 𝑘𝑊 = 237,3𝑊
Resistansi termal, Rth, dihitung dihitung dengan persamaan berikut :
Rth =
𝑇𝑐𝑖𝑛−𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡
𝑇𝑐𝑖𝑛−𝑇𝑎
𝑄𝑐𝑜𝑖𝑙 ln(𝑇𝑐𝑜𝑢𝑡−𝑇𝑎)
=
(70,23−50,12)℃
(70,23−49)℃
237,3 𝑊 ln(50,12−49)℃
= 0,0288 ℃/𝑊
Untuk menghitung bilangan Reynolds, digunakan parameter refrigeran yaitu densitas pada
tekanan 3070 kPa dan suhu rata-rata 49˚C yang didekati dengan tekanan 3000 kPa dan suhu
49,26˚C yaitu sebesar 135,14 kg/m3 pada tabel properti R410A [10]. Parameter lainnya yaitu
viskositas, yang didapatkan pada suhu rata-rata 49˚C, yaitu sebesar 0,0175 cP dengan melihat
grafik saturated vapor viscosity pada tabel properti R410A [11]. Besarnya laju kecepatan
refrigeran, v, yaitu :
𝑣=
𝑚̇𝑟𝑒𝑓𝑓
𝜌0,25𝜋𝑑𝑖 2
=
0,014 𝑘𝑔/𝑠
𝑘𝑔
135,14 3 𝑥0,25𝑥𝜋𝑥0,032892 𝑚4
𝑚
= 0,122 𝑚/𝑠
Bilangan Reynolds, Re :
Re =
𝜌𝑣𝑑𝑖
𝜇
=
𝑘𝑔
𝑚3
0,122𝑚
𝑥 0,03289 𝑚
𝑠
−3
0,0175 𝑥 10 𝑃𝑎𝑠
135,14
𝑥
18
= 30986,29
Bilangan Prandtl untuk R410A dihitung dengan parameter kreff sebesar 0,0123 Btu/hrft˚R atau
𝑘𝑊
0.000021273799629 𝑚𝐾 dengan rumus berikut :
𝑘𝐽
Pr =
𝜇 𝐶𝑟𝑒𝑓𝑓
𝑘𝑟𝑒𝑓𝑓
=
0,0175 𝑥 10−3 𝑃𝑎𝑠 𝑥 0,84282𝑘𝑔𝐾
𝑘𝑊
0.000021273799629𝑚𝐾
= 0,693
Dengan menetapkan diameter heliks (Di), sebesar 0,1 meter maka bilangan Nusselt bisa
dihitung dengan persamaan :
𝑑𝑖
Nu = 0,023 𝑥 𝑅𝑒 0,85 𝑥 𝑃𝑟 0,4 𝑥 (𝐷𝑖 )0,1 = 116,74
Nilai hi (koefisien perpindahan panas pada sisi dalam pipa) dihitung dengan persamaan :
hi =
𝑁𝑢 𝑥 𝑘𝑟𝑒𝑓𝑓
𝑑𝑖
=
116,74 𝑥 0,021273 𝑊/𝑚˚𝐶
32,89 𝑥 10−3 𝑚
= 75,51 𝑊/𝑚2 ℃
Nilai dari panjang pipa (L) dapat diketahui dengan menyelesaikan dua persamaan, yaitu :
ho =
1151,75
𝐿
(W/m2˚C) dan
Dengan Ai = 𝜋 𝑥 32,89 𝑥 10−3 𝑚 𝑥 𝐿 = 0,1033𝐿 (𝑚2 ), dan Ao = 𝜋 𝑥 34,92 𝑥 10−3 𝑚 𝑥 𝐿 =
0,1097𝐿 (𝑚2 ), dan konduktivitas termal pipa tembaga (k) sebesar 400 W/m˚C, sehingga
didapatkan nilai L sebesar 6,132 meter. Jumlah lilitan pipa (N) yang membentuk helical
dihitung sebagai berikut :
𝐿
N = 𝜇𝐷𝑖 =
6,132 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
𝜋 0,1 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟
= 19,5187 𝑙𝑖𝑙𝑖𝑡𝑎𝑛 ≈ 20 𝑙𝑖𝑙𝑖𝑡𝑎𝑛
Besarnya efektivitas dari penukar kalor yang dirancang, dapat diketahui dengan metode
NTU, sebagai berikut :
𝜀=
𝑞𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑞𝑚𝑎𝑥
=
𝐶𝑟𝑒𝑓𝑓 𝑥 (𝑇𝑟𝑒𝑓𝑓𝑖𝑛−𝑇𝑟𝑒𝑓𝑓 𝑜𝑢𝑡)
𝐶𝑚𝑖𝑛 𝑥 (𝑇𝑟𝑒𝑓𝑓 𝑖𝑛−𝑇𝑎𝑖𝑟𝑖𝑛)
, dimana cmin merupakan nilai terkecil
diantara creff dan cair. Nilai creff adalah 0,84282 kJ/kgK dan cair pada suhu 26˚C adalah 4,15
kJ/kgK. Maka, efektivitas dari penukar kalor adalah :
𝜀=
𝑘𝐽
0,84282 𝑘𝑔𝐾 𝑥[(70,23 + 273,15)𝐾 − (50,12 + 273,15)𝐾]
𝑘𝐽
0,84282 𝑘𝑔𝐾 𝑥 [(70,23 + 273,15)𝐾 − (26 + 273,15)𝐾]
19
= 0,456 = 45,6%
BAB VI. KESIMPULAN
Kesimpulan dari penelitian yang dilakukan antara lain :
1. Alat penukar kalor atau heat exchanger yang dirancang, merupakan jenis helikal koil,
dengan menggunakan pipa tembaga yang memiliki diameter luar dan dalam masingmasing sebesar 34,92 mm dan 32,89 mm dengan fluida primer berupa R410A dan fluida
sekunder berupa air. Pipa tembaga yang digunakan telah memenuhi standar EN 127351 pada Kembla Copper Tube untuk R410A. Penukar kalor dimasukkan ke dalam sebuah
tangki air, dengan Panjang pipa tembaga yang digunakan adalah 6,132 meter dengan
jumlah lilitan sebanyak 20.
2. Sistem pemanas air dengan memanfaatkan kalor buang dari AC split 0,7 PK memiliki
performansi sebesar 4,68 sesuai dengan besar COPHP yang dihitung, sedangkan untuk
sistem refrigerasinya sendiri, memiliki performansi atau COPR sebesar 3,68 dengan
perhitungan selisih entalpi.
3. Alat penukar kalor yang dirancang, memiliki efektivitas sebesar 45,6%.
BAB VII. DAFTAR PUSTAKA
A. Aziz, J. Harianto, dan A. Mainil Kurniawan, “POTENSI PEMANFAATAN ENERGI PANAS
TERBUANG PADA KONDENSOR AC SENTRAL UNTUK PEMANAS AIR HEMAT
ENERGI,” J. Mek., vol. 6, no. 2, hlm. 569–576, Jul 2015.
[2] F. Konrard, S. Pradana, dan S. Sari Poernomo, “Pemanfaatan Energi Panas pada Mesin
Pengkondisian Udara 2 PK Sebagai Media Pemanas Air Mandi,” J. Mech., vol. 6, no. 1, hlm. 15–
27, Mar 2015.
[3] G. Willis Renggani dan A. Farid, “PERENCANAAN TABUNG WATER HEATER PADA
APLIKASI AIR CONDITIONING (AC) DOUBLE SYSTEM 1 PK,” J. Tek. Mesin, vol. 14, no.
1, hlm. 1–6, Apr 2017.
[4] I. W. Sugita, R. D. Budi Syaka, dan D. E. Saputro, “PERBANDINGAN KINERJA SISTEM
PENDINGIN
YANG
DIGUNAKAN
UNTUK
WATER
HEATER
DENGAN
MENGGUNAKAN ALAT PENUKAR KALOR TIPE SERPENTINE DAN CIRCULAR,” J.
Konversi Energi Dan Manufaktur UNJ, hlm. 33–36, Apr 2017.
[5] K. R. Demak, Mustafa (last), dan H. M. Basri, “PERBANDINGAN KINERJA SISTEM
PENDINGIN
YANG
DIGUNAKAN
UNTUK
WATER
HEATER
DENGAN
MENGGUNAKAN ALAT PENUKAR KALOR TIPE SERPENTINE DAN CIRCULAR,”
SNITT-Politek. Negeri Balikpapan, 2017.
[6] S. P. Sari, T. Achirudin, dan Irdiyansyah, “Kajian Awal Analisis Kalor Buang Kondensor
Pendingin Ruangan sebagai Sumber Energi Listrik Alternatif,” J. Energi Dan Manufaktur Univ.
Gunadarma Jkt., vol. 9, no. 2, Oktober 2016.
[7] D. Kern, Process Heat Transfer. McGraw-Hill Book Company Japan, 1950.
[8] Daikin, “Daikin_R32_Handling_Brochure_EN.” Daikin Chemical Europe GmbH, [Daring].
Tersedia
pada:
https://www.daikinchem.de/sites/default/files/pdf/Refrigerants/Daikin_R32_Handling_Brochure
_EN.pdf.
[9] Kembla Copper Tube, “AIR CONDITIONING & REFRIGERATION COPPER TUBE AS/NZS
1571 ASTM B280 BSEN 12735.” MM Kembla, 2019.
[10] Chemours, “Freon 410A Refrigerant Thermodynamic Properties.” Chemours Company FC, 2019.
[11] Chemours, “Freon 410A Transport Properties Grafik.” Chemours Company FC.
[1]
20