Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
JUMLAH PANAS YANG DIPINDAHKAN PADA PROSES PENDINGINAN AIR
MINUM
DAN KOEFISIEN PRESTASI DARI MESIN PENDINGIN Ir. Waldemar Naibaho, MT ; Parulian Siagian, ST.,MT.
Dosen Tetap Program Studi Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen
e-mail :[email protected]
ABSTRACT
In the process of this study, drinking water to a temperature didinginankan cukuprendah, that it has achieved
refrigeration machine will stop automatically and the water can be removed from the tank to the dispenser to be drunk.
This cooling process, on the outside of the bottom of the tank ridden by pipeline, in this case called the evaporator,
the refrigerant flows inside the device serves to absorb heat from the water through the tube wall and the pipe. At the
exit of the evaporator is connected to a compressor, which serves to drain the refrigerant, then the refrigerant flows
into the condenser and the tool is heat discharged to the outside air, then the refrigerant flowing into the capillary tube
to lower the pressure of the refrigerant which then entered into the evaporator. The entire exterior of the drinking water
tank insulated to keep the heat from the outside air only a few enter into the drinking water.
In this cooling process, the research methods that will be used is an experimental method, wherein the temperature of
the water is the independent variable that will be determined later.
From these tests it can be concluded that in the cooling process for 35 minutes obtained water temperature 9.8 s / d 14
ยฐ C, the number of average heat energy released from drinking water 163.08 kJ / h, coefficient of average achievement
of machinery cooling 2.76, the average heat transfer from the outside air into drinking water 0.3275 kJ / hour.
Keyword : Heat Transfer, Coefficient of Performance.
1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Air minum yang kondisinya sudah standar temperaturnya dapat dibuat bervariasi, seperti
temperatur mendekati titik beku (rendah) dan temperatur mendekati titik didih (tinggi).
Untuk membuat air minum bertemperatur rendah maka diperlukan suatu wadah air yang
dilengkapi dengan sistem pendingin. Selanjutnya panas dari air minum dipindahkan ke evaporator
dan panas tersebut dibawa oleh refrigeran ke kondensor dan selanjutnya dilepas ke udara luar.
Sistem pendingin akan berhenti bekerja apabila temperatur air telah mencapai besaran yang
ditentukan. Bila air minum yang dingin ingin dikeluarkan dapat dilakukan dengan menekan
katupnya sehingga air keluar.
1.2 Rumusan Masalah
Proses pendinginan dari air minum ini dapat dirumuskan menjadi masalah penelitian
sebagai berikut:
Untuk proses pendinginan.
1. Evaporator dari mesin pendingin dibuat disekeliling bagian samping dari tanki air minum
dengan ketinggian beberapa cm dari bagian bawahnya dan seluruh bidang bagian luar dari
tanki diisolasi, sehingga perpindahan panas dari lingkungan ke air minum diupayakan
menuju nol selama proses pendinginan.
2. Setelah air minum mencapai temperatur yang rendah yang ditetapkan, mesin pendingin
akan dimatikan secara otomatis oleh alat kontrol otomatik.
1.3 Tujuan Penelitian
Dari rumusan masalah diatas dapat ditentukan tujuan dari penelitian ini seperti diuraikan
berikut ini:
1. Untuk membuat air minum memiliki temperatur yang rendah dan untuk mengetahui
jumlah panas yang dikeluarkan oleh air minum dan berapa lama waktu yang dibutuhkan
untuk suatu angka koefisien prestasi tertentu dari alat pendingin.
2. Untuk mengetahui nilai pertambahan panas yang masuk dari isolator ke air minum selama
proses pendinginan air minum.
1.4 Manfaat Penelitian
Sebagai hasil dari penelitian ini dapat diperoleh manfaatnya yaitu dapat berguna bagi
manusia, seperti beberapa hal berikut ini yaitu peralatan untuk minum
a. Bagi keluarga di rumah
b. Bagi tenaga kerja di kantor
c. Bagi penghuni di rumah sakit
d. Bagi pengunjung di restoran
e. Dan lain-lain.
2.TINJAUAN PUSTAKA
Untuk daerah tropis, seperti kota madia Medan ini, kebutuhan air minum yang dingin
merupakan suatu kebutuhan khususnya pada saat musim panas tiba. Oleh karena itulah penulis
melakukan penelitian pada bidang ini.
2.1 Perpindahan Panas Konduksi Satu Dimensi Yang Stedi
Proses dengan mana panas mengalir dari bagian yang bertemperatur lebih tinggi ke bagian
yang bertemperatur lebih rendah di dalam satu media padat, cair atau gas atau antar media-media
yang berlainan yang bersinggungan secara langsung disebut konduksi. Dalam aliran panas secara
konduksi, perpindahan energi panas terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa
adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Dalam keadaan stedi untuk satu dimensi
persamaan dasarnya dapat ditulis dari pustaka 1, hal 4.
qk = - k A dT/ dx โฆโฆโฆโฆโฆ...โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ (1)
dimana : qk = laju perpindahan panas secara konduksi, Watt
k = konduktivitas atau hantaran panas bahan, W/m K
A = luas permukaan perpindahan panas, m2
dT/ dx = gradient temperatur pada penampang, yaitu laju
perubahan temperatur T terhadap jarak dalam arah aliran
panas, oK/m
Gambar 2-1. Bagan yang menunjukkan arah aliran panas.
Gambar2-2.Distribusi temperatur untuk konduksi keadaan stedi melalui
dinding datar.
Dinding Datar.
Untuk aliran panas satu-dimensi, konduksi panas melalui dinding datar untuk temperatur yang
seragam baik pada permukaan yang dingin maupun yang panas, laju perpindahan panas dengan
cara konduksi, pustaka 1 hal 6, melalui suatu bahan yang homogen adalah:
qk =k A
L (Tpanas โ Tdingin) โฆโฆโฆ.โฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ. (2)
dimana : k A/ L = tahanan panas.
Silinder Berlubang.
Laju aliran panas satu dimensi secara radial dengan cara konduksi, pustaka 1 hal 65. Melalui
silinder berpenampang lingkaran yang berlubang adalah :
qk = - k A dT/ dr โฆโฆโฆโฆโฆ..โฆ...โฆ..โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆ.โฆ. (3)
qk = - k 2ฯ r L dT/ dx โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ..... (4)
Ti โ To = qk
2ฯkl ln
ro
ri โฆโฆ...โฆ...โฆโฆโฆโฆโฆ......โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.. (5)
qk = 2ฯkl ๐๐โ๐๐
ln(๐๐
๐๐)โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.... (6)
dimana : A = 2ฯ r L
r = jari-jari silinder, m
L = panjang silinder, m
dT/dr = gradient temperatur dalam arah radial, oK/m
Ti = temperatur bagian dalam, oK
To = temperatur bagian luar, oK
Gambar2-3. Konduksi melalui silinder berlubang.
2.2 Perpindahan Panas Konveksi Satu Dimensi Yang Stedi
Perpindahan panas konveksi dapat didefinisikan sebagai proses transport energi dengan
kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan
panas konveksi diklasifikasikan atas 2 bagian :
- Konveksi bebas (konveksi alamiah) dan
- Konveksi paksa.
Gambar2-4. Distribusi temperatur dalam silinder berlubang.
Konveksi bebas adalah bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari
perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient temperatur. Bila gerakan mencampur
berlangsung oleh karena suatu alat dari luar, seperti blower, pompa dan sebagainya, maka
prosesnya disebut konveksi paksa. Besar laju perpindahan panas secara konveksi antara suatu
permukaan dan suatu fluida ditulis berikut ini, pustaka 1hal 16.
qc = hc dA (Ts - Tโ)โฆโฆโฆโฆ...โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ........... (7)
Dimana: qc = laju perpindahan panas secara konveksi, W
hc = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, W/m2oK
A = luas permukaan perpindahan panas, m2
Ts = temperatur permukaan, oK
Tโ = temperatur fluida, oK
2.3 Alat Penukar Kalor
Penukar panas adalah suatu alat yang berfungsi untuk memindahkan panas dari satu fluida
yang bertemperatur lebih tinggi ke fluida lainnya yang bertemperatur lebih rendah.
1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
Dalam hal ini ditinjau pada alat penukar panas pipa ganda Gambar2-5(a), dimana satu fluida
mengalir di dalam tabung, sedang fluda yang satu lagi mengalir di dalam ruang annulus diantara
kedua tabung. Perpindahan panas menyeluruh didapat dari jaringan panas pada Gambar 2-5 (b),
yaitu sebagai
q = TA โ TB/ [1/hi Ai + ln (ro/ ri)/ 2ฯkl + 1/ho Ao]
dimana : q = perpindahan panas menyeluruh dari fluida panas ke fluida dingin,
J/ jam
TA = temperatur fluida yang panas, oC
TB = temperatur fluida yang dingin, oC
h = koefisien perpindahan panas konveksi, W/ m2oC
A = luas permukaan perpindahan panas, m2
r = jari-jari tabung, m
i & o = bagian dalam dan bagian luar tabung
(a)
(b)
Gambar 2-5 (a) Penukar panas pipa ganda, (b) Jaringan tahanan panas untuk perpindahan panas
menyeluruh.
Koefisien perpindahan panas menyeluruh bisa didasarkan atas luas bagian dalam (Ui) atau luas
bagian luar tabung (Uo), seperti berikut ini
Ui = 1/ [1/hi + Ai ln (ro/ ri)/ 2ฯkl + Ai /ho Ao]
Uo = 1/ [Ao /hi Ai + Ao ln (ro/ ri)/ 2ฯkl + 1/ho]
Sehingga laju perpindahan panas dapat dihitung dari persamaan berikut
q = Ui Ai โTmenyeluruh = Uo Ao โTmenyeluruh
2. Beda Temperatur Rata-Rata.
Temperatur fluida-fluida di dalam alat penukar panas umumnya berbeda dari satu titik ke titik
lainnya, pada waktu panas mengalir dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin.
Gambar2-6.Distribusi temperatur dalam penukar panas aliran-searah lintas-tunggal.
Laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor, pustaka 1hal 401 -402, dapat dituliskan sebagai
berikut :
dq = U dA โTโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ (8)
Dimana : dq = diferensial laju perpindahan panas, Watt
U = konduktansi satuan keseluruhan, W/m2oK
dA = diferensial luas permukaan perpindahan panas, m2
โT = beda temperatur, oK
Keseimbangan energi pada luas diferensial dA menghasilkan
dq = - mh Cph dTh = -mc Cpc dTc = U dA (Th - Tc)..โฆโฆโฆโฆโฆโฆ. (9)
dimana : m = laju aliran massa, kg/dtk
Cp = panas jenis pada tekanan konstan, W/kg K
Th = temperatur fluida panas, oK
Tc = temperatur fluida dingin, oK
h dan c = indeks untuk menyatakan panas dan dingin
keseimbangan panas dari lubang masuk dan lubang keluar
-Ch (Th โ Thm) = Cc (Tc โ Tcm)โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆโฆโฆโฆโฆ (10)
Dimana : Ch = mh Cph = laju aliran kapasitas panas per jam untuk fluida panas
Cc = mc Cpc = laju aliran kapasitas panas per jam untuk fluida dingin
Indeks m berarti masuk
Indeks k berarti keluar
Dari persamaan (10) harga Th dapat ditentukan
Th = Thm โ (Cc / Ch)(Tc โ Tcm)โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆโฆโฆ............. (11)
Dari persamaan diatas dapat kita peroleh
Th โ Tc = - (1 + Cc /Ch)Tc + (Cc /Ch) Tcm โ Thm ...โฆโฆโฆโฆโฆโฆ. (12)
Dengan memasukkan Th โ Tc dari persamaan (5) kedalam persamaan (2) diperoleh :
dTc- [1 + (Cc/Ch)Tc + (Cc/Ch) Tcm + Thm] = UdA/Ccโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.(13)
Dengan mengintegrasi persamaan (13) pada seluruh panjang penukar panas menghasilkan
๐๐ [โ [1+(
Cc
Ch)Tck+(
Cc
Ch) Tcm+Thm
โ [1+ (Cc
Ch)Tcm+ (
Cc
Ch) Tcm+Thm
] = โ (1
๐ถ๐+
1
๐ถโ)UAโฆโฆโฆโฆ.โฆโฆ............ 14)
๐๐ [(๐+(
๐ช๐
๐ช๐)(๐ป๐๐โ๐ป๐๐)+ ๐ป๐๐+๐ป๐๐
๐ป๐๐โ ๐ป๐๐] = โ (
๐
๐ช๐+
๐
๐ช๐) ๐๐ดโฆโฆ..โฆโฆ....โฆโฆโฆ..โฆ(15)
Dari persamaan (10) dapat diperoleh
๐ถ๐
๐ถโ = -
๐โ๐โ๐โ๐
๐๐๐โ๐๐๐ โฆโฆโฆ..โฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.(16)
Persamaan (16) dapat dipergunakan untuk melenyapkan kapasitas-kapasitas panas per jam dalam
persamaan (15), seperti berikut ini.
ln (๐โ๐โ๐๐๐
๐โ๐โ๐๐๐) = [(Thk โ Tck) โ (Thm โ Tcm)]
๐๐ด
๐โฆโฆโฆโฆโฆ.. ..(17)
Karena q = Cc (Tck โ Tcm) = Ch (Thm โ Tck)
Jika kita tuliskan Th โ Tc = โT maka persamaan (17) dapat ditulis
q = UA โ๐๐โ โ๐๐
ln โ๐๐/๐๐ โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.....โฆ.. .... (18)
Dimana indeks a dan b adalah menunjuk kepada masing-masing ujung penukar panas, lihat
Gambar 2-6. Persamaan (18) dapat dibuang dengan menggantikan perbandingan temperatur
menjadi suatu beda temperatur efektif rata-rata โTฬ ฬ ฬ ฬ yang defenisinya.
q = UA โTฬ ฬ ฬ ฬ โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ...โฆโฆโฆโฆโฆโฆ...โฆโฆโฆ.(19)
Dari persamaan (18) dan (19) kita peroleh bahwa untuk aliran searah atau aliran lawan :
โTฬ ฬ ฬ ฬ = โTa โ โTb
lnโ๐๐
โ๐๐
โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆ. (20)
Dimana : โTฬ ฬ ฬ ฬ = beda temperatur keseluruhan rata-rata logaritmik.
3 Efektivitas Alat Penukar Panas
Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam
penukar panas tertentu terhadap laju perpindahan panas maksimum. Yang disebutkan belakangan
adalah diperoleh dalam alat penukar panas aliran lawan dengan luas perpindahan panas yang tak
hingga.
Keefektifan, pustaka 1 hal 407-409, tersebut dapat dituliskan :ั
ฯต = ๐ถโ (๐๐๐โ๐๐๐)
๐ถ๐๐๐(๐โ๐โ๐๐๐) โฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆ.....โฆโฆ...โฆ......โฆโฆโฆ. (21)
Atau
ฯต = ๐ถ๐ (๐๐๐โ๐๐๐)
๐ถ๐๐๐(๐โ๐โ๐๐๐) ...................................................................... (22)
dimana : Cmin = harga mh Cph atau mc Cpc yang lebih kecil
laju perpindahan panasnya dapat ditentukan dari persamaan
q = ฯต Cmin (Thm โ Tcm) โฆโฆโฆโฆโฆ......โฆโฆโฆโฆโฆโฆ...โฆโฆโฆโฆ (23)
dimana :
ฯต Cmin (Thm - Tcm) = Cc (Tck โ Tcm) = Ch (Thm โ Thk)
Selanjutnya untuk alat penukar kalor aliran searah kita peroleh :
๐๐ [ 1 โ ฯต (Cmin
Ch +
Cmin
Cc) ] = -(
1
๐ถ๐+
1
๐ถโ) UA
Atau
1 - ฯต (๐ถ๐๐๐
๐ถโ +
๐ถ๐๐๐
๐ถ๐) = ๐โ(
1
๐ถ๐ +
1
๐ถโ)๐๐ด
Selanjutnya dengan menyelesaikan untuk ฯต diperoleh
ฯต = 1โ e
โ(1+ChCc)UA/Ch
Cmin
Ch+
Cmin
Cc
โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ(24)
Selanjutnya dapat dituliskan keefektifan dari alat penukar kalor untuk aliran searah yaitu :
ฯต = 1โ ๐
โ(1+ ๐ถ๐๐๐
๐ถ๐๐๐๐ )๐๐ด/๐ถ๐๐๐
1+๐ถ๐๐๐/๐ถ๐๐๐๐ โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ..โฆโฆโฆโฆโฆ โฆ(25)
Dimana : UA/Cmin = jumlah satuan perpindahan panas (NTU)
2.4 Teknik Pendingin
Seperti telah diutarakan pada bagian tujuan penelitian, bahwa air minum akan didinginkan
sampai temperatur tertentu. Maka mesin yang diperlukan untuk itu adalah refrigerator (mesin
pendingin) dengan siklus refrigerasi kompresi uap. Evaporator dari mesin pendingin itu dililitkan
pada bagian samping bawah dari tabung tempat air, sedangkan kondensor ditempatkan pada bagian
belakang dispenser.
Gambar 2-7Diagram alir sistem kompresi uap
Gambar 2-8
Siklus kompresi
uap dalam
diagram tekanan-
entalpi
-Kalor yang
diserap oleh
evaporator (efek
refrigerasi) :
qe = h1 โh4
.............................................................................................โฆโฆโฆโฆโฆ.. (27)
-Kerja yang dilakukan kompresor: wk = h2 โ h1โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ (28)
-Kalor pengembunan : qc = h2 โ h3 = wk + qe
= h2 โ h3โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ.โฆ (29)
Jumlah refrigeran yang bersirkulasi : G = Q/qe โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ... (30)
Koefisien prestasi : KP = qc / qe = h2 โ h3 / h2 โ h1 โฆโฆโฆโฆโฆโฆโฆ. (31)
Dimana : qe = efek refrigerasi (kalor yang diserap evaporator), J/kg
wk = kerja yang dilakukan kompresor, J/kg
qc = kalor yang dilepas oleh kondensor ke udara luar, J/kg
G = jumlah refrigerant yang bersirkulasi, kg/jam
Q = kapasitas refrigerasi, J/jam
KP = koefisien prestasi
h1 = entalpi refrigeran keluar dari evaporator/ masuk ke kompresor, J/kg
h2= entalpi refrigeran keluar dari kompresor/ masuk ke kondensor, J/kg
h3 = entalpi refrigeran keluar dari kondensor/ masuk ke pipa kapiler, J/kg
h4= entalpi refrigeran keluar dari pipa kapiler/ masuk ke evaporator, J/kg
3. METODE PENELITIAN
Metode yang akan dipakai dalam melaksanakan kegiatan penelitian ini adalah metode
eksperimental. Dimana peralatan yang akan dipakai sebagai mesin pendingin (refrigerator) akan
menyerap panas dari air minum yang berada didalam tabung sampai pada temperatur yang relatif
rendah, dan panas yang dihisap oleh evaporator tersebut kemudian dipindahkan oleh kompresor
ke kondensor, pada alat ini panas yang dihisap tadi akan dibuang keudara luar. Pada sistem tersebut
apabila kondisi air telah mencapai temperatur yang direncanakan maka mesin akan berhenti secara
otomatis yang dikendalikan oleh alat kontrol otomatik.
3.1 Model Penelitian
Proses pendinginan dari air minum dilakukan dengan menghidupkan kompresor, selanjutnya
refrigeran yang berasal dari evaporator akan dihisap oleh kompresor dan dikeluarkan dengan cara
mengkompresikan kedalam kondensor, dimana kondensor diletakkan pada bagian luar agar ia
dapat membuang energi panas ke udara luar. Selanjutnya refrigeran dialirkan ke pipa kapiler
(katub ekspansi) sehingga tekanannya akan turun dan akhirnya masuk kedalam evaporator.
Evaporator yang bertemperatur rendah akan menghisap panas yang dikandung oleh air melalui
dinding tanki air minumdan pipa refrigerant. Tanki air minum diisolasi agar panas dari bagian luar
sangat sedikit yang masuk ke dalam tankinya, dengan demikian temperaturnya dapat dikatakan
hasil dari proses pendinginan. Mesin pendingin akan otomatis mati bila air minum telah mencapai
temperatur yang direncanakan, dikendalikan oleh alat kontrol otomatik. Komponen mesin
pendinginnya adalah kompresor, kondensor, pipa kapiler (katub ekspansi) dan evaporator.
Gambar 3-1. Sketsa
perangkat penelitian dari
pendinginan air minum
Keterangan gambar :
a. Isolasi
b. Alat ukur temperatur
c. Tanki
d. Air minum
e. Refrigeran R 134 A
f. Evaporator (alat pendingin)
3.2 Teknik Pengumpulan Data
Setelah perangkat penelitian selesai maka pekerjaan selanjutnya adalah melakukan
pengkalibirasian dari alat ukur temperature, agar hasil pengukurannya mempunyai acuan yang
sama.Dengan demikian kegiatan penelitian dapat dilakukan dengan baik terhadap proses
pendinginan. Kegiatan penelitian diawali dengan melakukan pengukuran terhadap :
- Bahan, Diameter dalam dan luar, Tinggi, Bahan dan Konduktivitas termal dari tabung.
- Bahan, Tebal dan Konduktivitas termal isolasi
- Volume, Tinggi, Kerapatan, Kapasitas panas jenis pada tekanan konstan,
Konduktivitas termal air dan Temperatur air
- Temperatur, Kerapatan, Konduktivitas dan Panas jenis udara luar
- Bahan, Diameter, Panjang dan Konduktivitas termal pipa evaporator
- Bahan, Diameter, Panjang dan Konduktivitas termal pipa kondensor
- Konsumsi arus listrik
Selanjutnya dilakukan kegiatan penelitian dengan proses pendinginan, data yang akan diukur oleh
termometer/termokopel adalah temperatur-temperatur dari awal sampai akhir penelitian, pada
interval waktu tertentu.
4. ANALISIS DATA HASIL PENGUJIAN
4.1 Data Hasil Pengujian
Data yang diperoleh dari pengujian ini adalah temperatur air, udara luar, dinding tabung
sebelah luar dan sebelah dalam, tekanan dan temperatur refrigeran pada evaporator dan
kondensor.
1. Data dari air :
Volume air (V) = 2,5 Liter = 2,5 dm3 = 0,00 25 cc
Kerapatan/densitas air (ฯ) = 994,9 kg/m3 โ 1000 kg/m3
Massa air (m) = V . ฯ = 0,0025 . 1000 = 2,5 kg
Tinggi permukaan air = 110 mm
Kapasitas panas jenis tekanan konstan air (cp) = 4,2 kJ/kg oC
Koduktivitas termal air (k) = 0,623 W/m oC
2. Distribusi temperatur pada air pendingin merupakan besaran-besaran temperatur di dalam
air dengan posisi sebagai berikut :
T1= temperatur air pada ketinggian 3 cm dari dasar dengan 3 cm dari dinding tabung.
T2= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 3 cm dari dasar tabung
T3= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 6 cm dari dasar tabung
T4= temperatur air pada ketinggian 9 cm dari dasar dengan 3 cm dari dinding tabung.
T5= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 9 cm dari dasar tabung .
3. Data dari tabung air :
Bahan tabung = paduan aluminium
Diameter dalam = 161 mm
Diameter luar = 163 mm
Tinggi tabung = 157 mm
Tebal tabung = 1 mm
Konduktivitas termal tabung-paduan aluminium = 177 W/ m oC
4. Data dari isolasi :
Bahan isolasi = gabus
Tebal isolasi = 20 mm
Koduktivitas termal isolasi-gabus (k) = 0,048 W/m oC
5. Data dari mesin pendingin :
Refrigeran (Fluida Pendingin) = R 134 A
P Evaporator = 19 Psi
T Evaporator = - 10 oC
Bahan pipa evaporator : Paduan tembaga
Koduktivitas termal paduan tembaga (k) = 111 W/m oC
Diameter luar pipa evaporator (d) = 5 mm
Jumlah pipa evaporator (n) = 4 buah
Panjang pipa evaporator (L) = ฮ . D . n = 3,14 . 163 . 4 = 2.049 mm = 2, 049 m
Luas bidang evaporator (A) = d . L = 0,005 . 2,049 = 0,010245 m2
P Kondensor = 185 Psi
T Kondensor = 135 F = 57,22 oC
Bahan pipa kondensor : Paduan tembaga
Koduktivitas termal paduan tembaga (k) = 111 W/m oC
Diameter luar pipa kondensor (d) = 3/16 inci = 3/16 . 25,4 = 4,763 mm
Panjang pipa kondensor = L . n = 300 . 16 = 4.800 mm = 4,8 m Luas bidang kondensor (A) = ฮ . d . L = 3,14 . 0,004763 . 2,049 = 0,031 m2
Konsumsi arus listrik = 90 watt
6. Data dari udara :
T maksimum = 33,3 oC
T minimum = 30,7 oC
Kerapatan/densitas udara (ฯ) = 1,1774 kg/m3
Kapasitas panas jenis tekanan konstan udara (cp) = 1,006 kJ/kg oC
Koduktivitas termal udara (k) = 0,02227 W/m oC
4.2 Pengolahan Data
Data yang diolah didasarkan pada kondisi-kondisi berikut ini :
101112131415161718192021222324252627282930313233
0 10 20 30 40
Tem
pe
ratu
r (o
C)
Waktu (menit)
T1
T2
T3T4
12,013,014,015,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tem
pe
ratu
r (o
C)
Waktu (menit)
T1
T2
T3
T4
T5
15,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0
0 10 20 30 40
Tem
pe
ratu
r (o
C)
Waktu (menit)
T1
T2
T3
T4
T5
Air yang didinginkan bervolume dan tekanan konstan. Udara disekitar pengujian bertekanan
konstan dan temperatur dianggap konstan
1. Keadaan temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit
Gambar 4-1 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pegujian pertama
Gambar 4-2 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian kedua
13,014,015,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0
0 10 20 30 40
Tem
pe
ratu
r (o
C)
Waktu (menit)
T1
T2
T3
T4
T5
Gambar 4-4 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian keempat
Gambar 4-5 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian kelima
Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa T1 adalah temperatur air pada bagian bawah, dengan jarak 3 cm
dari dasar dan 3 cm dari dinding tabung dengan kata lain memiliki besaran temperatur yang paling
rendah sekitar 10 oC dengan lama pendinginan sekitar 10,5 menit. Sedangkan T2 adalah
temperatur dari air pada jarak 3 cm dari dasar tabung terletak pada sumbu tabungnya yang
memiliki temperatur sekitar 13,5 oC. Dan seperti telah dijelaskan pada halaman terdahulu bahwa
koil pendingin (evaporator) diletakkan pada bagian bawah dari tabung, maka bagian bawah dari
air memiliki temperatur paling rendah karena apabila air dikeluarkan maka temperaturnya adalah
yang paling rendah - jadi sesuai dengan fungsi dari dispenser tersebut.
Sedangkan T3,T4,T5 berada pada bagian atas dari T1 dan T2 dimana koil pendingin (evaporator)
berada dibawahnya, maka sangat sesuai kalau temperaturnya berada diatas T1 dan T2, seperti
terlihat pada grafik tersebut.
Dari Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa temperatur T1 sangat bervariasi karena mesin
pendingin hidup pada tahap pertama skitar 10,5 menit dan setelah itu mesin mati sekitar 9 menit
dan pada tahap kedua mesin hidup sekitar 3 menit kemudian mesin mati sekitar 2,5 menit sehingga
proses pendinginan berlangsung tidak kontinu. Dilihat dari temperatur air T1, mula-mula 30 oC
kemudian setelah didinginkan oleh evaporator selama 10,5 menit temperaturnya turun menjadi 10 oC, dan temperatur air T2 turun menjadi 13,5 oC. Sedangkan temperatur T3,T4 dan T5 turun hanya
sedikit yaitu berkisar 29,2 oC atau turun sekitar 1oC.
2. Temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit kemudian diaduk
Keadaan air yang didinginkan selama 35 menit kemudian temperaturnya
diukur pada posisi yang telah ditentukan seperti terlihat pada kelima gambar diatas, setelah itu air
diaduk secara merata kemudian keadaan temperaturnya diukur.
Tabel 4.1 Temperatur air mula-mula dan akhir-setelah selama 35 menit didinginkan
kemudian diaduk .
NO Tawal,( OC) Takhir ( OC)
1 30,0 21,4
2 30,0 21,3
3 30,2 21,5
4 30,3 20,5
5 29,7 20,2
Trata-rata 30,04 20,98
Dari Tabel 4.1 terlihat bahwa temperatur akhir rata-rata dari air setelah diaduk turun sekitar
30,04 โ 20,98 = 9,06 oC.
3. Jumlah energi panas yang dikeluarkan dari air selama 35 menit
Q = m . cp . (T1 โ T2)
Dimana :
Q = jumlah panas yang dikeluarkan dari air, kJ
m = massa air yang didinginkan, kg
= 2,5 kg
cp = kapasita panas jenis pada tekanan konstan, kJ/kg oC
= 4,2 kJ/kg oC
T1 = temperatur air mula-mula, oC
T2 = temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit, oC
Tabel 4.2 Jumlah panas yang dikeluarkan dari air tersebut selama 35 menit dapat dilihat
pada tabel berikut.
NO m
(kg)
cp
(kJ/kg oC)
T1
( OC)
T2
( OC)
Q
(kJ)
1 2,5 4,2 30,0 21,4 90,30
2 2,5 4,2 30,0 21,3 91,35
3 2,5 4,2 30,2 21,5 91,35
4 2,5 4,2 30,3 20,5 102,90
5 2,5 4,2 29,7 20,2 99,75
Jumlah panas rata-rata 95,13
Terlihat pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 bahwa untuk menurunkan temperatur air rata-rata dari
30,04 oC hingga 20,98 oC perlu mengeluarkan panas dari air 95,13 KJ dalam waktu 35 menit
atau 163,08 KJ/ jam
4. Koefisien prestasi dari mesin pendingin (Coefficient of Performance)
Koefisien prestasi = ๐ ๐๐๐๐๐๐๐๐๐ ๐ ๐ฆ๐๐๐ ๐๐๐๐๐๐๐๐๐๐ก
๐พ๐๐๐๐ ๐ต๐๐๐ ๐โ
Kp = (โ1โโ4)
(โ2โโ1)
Dimana :
h1= entalpi dari refrigeran keluar dari koil pendingin (evaporator)/entalpi dari refrigeran masuk
kedalam kompresor, kJ/kg
h2 = entalpi dari refrigeran keluar dari kompresor, entalpi dari refrigeran masuk kedalam
kondensor, kJ/kg
h4 = entalpi dari refrigeran keluar dari kondensor, entalpi dari refrigeran masuk ke pipa kapiler,
kJ/kg
Tabel 4.3 Koefisien prestasi dari mesin pendingin
NO h1
( kJ/kg)
h2
(kJ/kg)
h4
(kJ/kg)
(h1 โ h4)
(kJ/kg)
(h2 โ h1)
(kJ/kg) Kp
1 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94
2 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94
3 240,75 282,30 137,42 103,3 41,55 2,49
4 240,75 282,30 137,42 103,3 41,55 2,49
5 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94
Koefisien prestari rata-rata dari mesin pendingin = (2,94+2,94+2,49+2,49
+2,94) / 5
Kprata-rata = 2,76
5. Pertambahan panas dari luar tabung kedalam air (q)
q = q1 + 2 q2 , angka 2 menyatakan bahwa ada 2 permukaan yang sama, yaitu permukaan
bawah dan permukaan atas.
- Pertambahan panas dari bagian samping tabung kedalam air (q1)
-
q1 = ๐๐ขโ๐๐
1
(โ๐ ๐ด๐)+ln
๐๐๐๐
2๐๐1๐ฟ+ln
๐1๐๐
2๐๐2๐ฟ+
1
(โ๐ ๐ด๐)
U01 = 1
๐ด0
(โ๐ ๐ด๐)+ln
๐๐๐๐
2๐๐1๐ฟ+ln
๐1๐๐
2๐๐2๐ฟ+
1
(โ๐ ๐ด๐)
= 1
0,179
154,78 . 0,0794 +ln
0,1015
0,0815 2.3,14 .0,048 .0,157+ln
0,0815
0,08052.3,14 .177 .0,157+
1
114
U01 = 1
(0,0146+0,0104+2,155+0,0088)
= 1
2,1888 = 0,456 W/m2.oC.
Tu = temperatur udara luar rata-rata
Tu = (31,2 + 33,1)/2 = 32,15 C
Ta = temperatur air rata-rata
Ta = (30,0 + 21,4)/2 = 25,7 C
A01 = luas permukaan tegak bagian luar dari isolasi
= 3,14 (0,163 +0,20).0,157 = 0,179 m2
q1 = U01 A01 ฮT1 = U01 A01 (Tu - Ta) = 0,456 . 0,179 . (32,15 โ 25,7) = 0,526 W
- Pertambahan panas dari bagian atas dan bawah tabung kedalam air (q2)
q2 = ๐๐ขโ๐๐
1
โ๐๐ด+
ฮx
๐๐ด+
1
โ๐๐ด
U02 = 1
1
โ๐+
ฮx
๐1+
ฮx
๐2+
1
โ๐
= 1
1
154,78+
0,020
0,048+
0,001
177+
1
106
U02 =1
(0,0065+0,42+0,0000064+0,0094)
= 1
0,436
= 2,294 W/m2.oC.
A02 = luas permukaan bagian atas/bawah isolasi
= 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2
q2 = U02 A02 ฮT2 = U02 A02 (Tu - Ta) = 2,294 . 0,0203 . (32,15 โ 25,7) = 0,34 W
Dimana :
Ta = temperatur permukaan air rata-rata yang disekitar tabung
Tu = temperatur udara luar rata-rata disekitar isolasitabung
hi = koefisien perpindahan panas bagian dalam tabung, W/ m2 oC
Nu = hi D/kf = 40 Ref.3, Gbr. 7-4, hal. 393,
hi = 40 kf /D = 40 . 0,623 W/m oC/0,161 m = 154,78 W/m2oC
ho = koefisien perpindahan panas bagian luar isolasi, W/ m2 oC
Permukaan vertikal :
ho = 1,42 [(Tu-Ta)/D]0,25 = 1,42[(33,3-20,2)/0,163] = 114 W/ m2 oC
Permukaan horizontal :
ho = 1,32 [(Tu-Ta)/D]0,25 =1,32 [(33,3-20,2)/0,163]=106 W/ m2 oC
k1 = konduktivitas panas tabung = 177 W/ m oC
k2 = konduktivitas panas isolasi =0,048 W/m oC
Ai = luas permukaan tegak bagian dalam dari tabung
= 3,14 . 0,161 . 0,157 = 0,0794 m2
Ao= luas permukaan tegak bagian luar dari isolasi
= 3,14 (0,163 +0,20).0,157 = 0,179 m2
A = luas permukaan bagian atas/bawah isolasi
= 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2
ro = jari-jari bagian luar dari isolasi = (0,161/2)+0,001+0,020 = 0,1015 m
r1 = jari-jari bagian dalam dari isolasi = (0,161/2) + 0,001 = 0,0815
ri = jari-jari bagian dalam dari tabung = 0,161/2 = 0,0805 m
L = tinggi dari tabung = 0,157 m
Tabel 4.4 Tabel Pertambahan panas yang masuk dari luar tabung kedalam air (q)
NO U01
(W/m2C)
A01
(m2)
ฮT1
(oC)
q1
(Watt)
U02
(W/m2C)
A02
(m2)
ฮT02
(oC)
q2
(Watt)
q
(Watt)
1 0,456 0,179 6,45 0,526 2,294 0,0203 6,45 0,30 1,126
2 0,456 0,179 7,05 0,575 2,294 0,0203 7,05 0,33 1,235
3 0,456 0,179 6,75 0,551 2,294 0,0203 6,75 0,31 1,171
4 0,456 0,179 7,55 0,616 2,294 0,0203 7,55 0,35 1,316
5 0,456 0,179 5,95 0,486 2,294 0,0203 5,95 0,28 1,046
Pertambahan panas rata-rata yang masuk dari luar tabung ke dalam air (q)
q = (1,126 + 1,235 + 1,171 + 1,316 + 1,046) / 5 = 1,179 Watt
= 1,179 J/dtk = 1,179 .1000/3600 = 0,3275 kJ/jam
Jumlah panas rata-rata yang masuk dari luar tabung ke dalam air : jumlah panas rata-rata yang
dikeluarkan dari air = (0,3275/163,08) x 100% = 0,20 %
Dari angka perbandingan itu terlihat bahwa kebocoran panas yang masuk ke dalam tabung air
adalah sangat kecil, dengan perkataan lain dapat diabaikan.
5.KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil dan pembahasan yang telah diuraikan dalam bab sebelumnya dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Temperatur air yang paling rendah terletak pada bagian bawah tabung, lihat T1 dan T2, karena
evaporator (alat pendingin) berada pada bagian bawah tabung, hal ini logis karena bila kita
ingin mengambil air minum yang dingin maka kita akan menekan tombol air dingin sehingga
ia akan keluar dari bahagian bawah.
2. Waktu yang dibutuhkan untuk melaksanakan proses pendinginan (tidak kontinu, lihat Gambar
4.1 s/d Gambar 4.5) adalah 35 menit.
3. Temperatur air minum yang minimum (T1) adalah 10 s/d 20oC setelah mengalami pendinginan
selama 10,5 menit.
4. Temperatur air minimum rata-rata setelah didinginkan (tidak kontinu, lihat
Gambar 4.1 s/d Gambar 4.5) selama 35 menit adalah 20,98 oC
5. Jumlah panas rata-rata yang dikeluarkan dari air minum adalah 163,08 KJ/ jam
6. Koefisien prestasi rata-rata dari mesin pendingin adalah Kprata-rata = 2,76.
7. Nilai pertambahan panas yang kedalam air diperoleh 0,3275 kJ/jam
5.2 Saran
1. Sebaiknya dalam pengukuran temperatur dari air dipakai data logger atau data
akuisisi/termokopel agar pengambilan temperatur dapat dilakukan dengan cepat dan akurat.
2. Mesin pendingin sebaiknya dapat diatur lama beroperasinya, sesuai dengan kebutuhannya.
3. Alat-alat ukur yang akan dipakai dapat dikalibrasi dengan alat yang sudah dikalibrasi lebih
dulu.
DAFTAR PUSTAKA
Kreith F., Bohn M. S., 1986, Principles of Heat Transfer, 4th edition,
Harper &Row, Publishers, New York.
J.P. Holman, 1984, Perpindahan Kalor, edisi kelima, Penerbit Erlangga,
Jakarta.
W. F. Stoecker, J.W Jones, 1982, Refrigerasi : Dan Pengkondisian
Udara, 2nd Edition, penerbit Erlangga, Jakarta.
Michael J. Moran, Howard N. Shapero,1988, Fundamentals of
Engineering Thermodynamics, 2nd Edition, John Wiley &
sons, Inc.
Arthur P Fraas, 1989, Heat Exchanger Design, 2nd Edition, John Wiley
& Sons, New York.
M.M. El-Wakil, 1985, Powerplant Technology, 2nd Edition, McGRAW-
HILL, New York.
J.P. Holman, 1984, Metode Pengukuran Teknik, edisi keempat,
Penerbit Erlangga, Jakarta.