Analisis Beban Thermal Rancangan Mesin Es Puter Dengan Kompresor ½ PK Untuk Skala Industri Rumah Tangga

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Analisis Beban Thermal Rancangan Mesin Es Puter Dengan Kompresor ½ PK Untuk Skala Industri Rumah Tangga IDG Agus Tri Putra (1) dan Sudirman (2) (2) Program Studi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali Tel.: +62 361701981, E-mail address: [email protected] (2) Program Studi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali Tel.: +62 361701981, E-mail address: [email protected]

Abstrak Industri makanan dan minuman dingin mempunyai peluang pasar yang cukup besar di negara Indonesia yang memiliki iklim tropis. Es puter adalah salah satu produk minuman dingin yang sudah dikenal masyarakat secara umum. Es puter termasuk jenis produk yang tergolong jenis es dengan butiran halus (soft es cream). Walaupun sudah banyak beredar mesin es cream namun pembuatan es cream ini, sampai saat ini masih dilakukan dengan cara konvensional. Perancangan mesin es puter dengan skala yang lebih kecil sangat dibutuhkan untuk dapat meningkatkan kapasitas produksi es puter yang dikategorikan sebagai industri rumah tangga. Kapasitas rancangan mesin es puter ini dipengaruhi oleh beban pendinginan dari mesin refrigerasi yang digunakan pada rancangan mesin tersebut. Dalam studi ini dilakukan analisis beban pendinginan yang terjadi pada setiap volume produksi dari mesin es puter yang dirancang. Kecepatan produksi es puter juga dipengaruhi oleh beban pendinginan pada mesin refrigerasi rancangan tersebut. Pada analasis pengujian beban pendinginan mesin es puter ini dapat diketahui bahwa volume es puter yang dapat dihasilkan mesin ini adalah sekitar 3-4 liter dalam setiap 90 menit pengujian. Kata Kunci: Es puter, beban pendinginan, refrigerasi, dan industri kecil

I.

isolasi ruang pendinginan yang digunakan dan kerugian-kerugian thermal lainnya.

Pendahuluan

Mesin refrigerasi yang digunakan dalam rancangan mesin es puter ini menggunakan kompresor ½ PK. Performansi yang optimal dari mesin refrigerasi ini dan besarnya beban pendinginan yang sesuai dengan beban kerja dari kompresor akan mendapatkan desain yang optimal untuk pembuatan mesin es puter ini. Beban pendinginan suatu mesin refrigerasi di pengaruhi oleh beberapa faktor antara lain: jenis material yang didinginkan, model dan desain dari

Dalam perhitungan beban thermal akan mempengaruhi pemilihan jenis kompresor yang dapat digunakan secara optimal untuk sebuah perancangan mesin refrigerasi yang akan digunakan oleh industri. Semakin tinggi beban thermal akan mempengaruhi daya kompresor yang bisa digunakan pada mesin refrigerasi tersebut. Dalam tingkatan perencanaan pemberian faktor koreksi yang berlebihan pada kerugian thermal ruang pendingin akan menyebabkan hasil perhitungan yang KE-32

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

kalor yang setara dengan kerja kompresi yang dibutuhkan oleh kompresor. Melalui alat ekspansi (pipa kapiler), cairan refrigeran yang keluar dari kondensor tadi diekspansikan sehingga menjadi campuran cair ditambah dengan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur rendah (titik 4). Cairan dan uap refrigeran ini kemudian mengalir ke evaporator untuk diuapkan dengan cara menyerap sejumlah kalor dari media yang ada disekitar evaporator (udara). Uap refrigerant yang keluar dari evaporator (titik 1) untuk selanjutnya diisap kembali oleh kompresor.

tidak tepat dalam estimasi beban pendinginan yang diberikan ke kompresor. Pengujian dan analisis hasil rancangan sebuah mesin pendingin akan sangat diperlukan untuk dapat mengetahui unjuk kerja optimal dari kompresor yang digunakan mesin refrigerasi tersebut. Penggunaan jenis isolator yang digunakan pada ruang pendingin akan dipengaruhi oleh desain ruang pendingin tersebut dan hal ini juga akan mempengaruhi besarnya beban pendinginan yang akan terjadi. II. Sistem Refrigerasi Dalam Mesin Es Puter

2.2 Performansi Mesin Refrigerasi Kompresi Uap

Mesin es puter yang dirancang menggunakan sebuah sistem refrigerasi yang menggunakan siklus kompresi uap. Perubahan pada metode konvensional yang dilakukan masyarakat selama ini adalah penggunaan sebuah mesin refrigerasi untuk melakukan proses pendinginan dari tabung es puter yang memiliki volume maksimal 5 liter.

Parameter-parameter prestasi mesin refrigerasi kompresi uap, antara lain: kerja kompresi, laju pengeluaran kalor, efek refrigerasi, dan koefisien performansi (coefficient of performance, COP) 1,2,3]. Penentuan parameter-parameter tersebut dapat dibantu dengan penggunaan diagram tekanan-entalpi. Performansi sistem refrigerasi yang akan dikaji meliputi daya yang dibutuhkan kompresor dan koefesien performansi (COP) sistem.

2.1 Prinsip Kerja Uap refrigerant R134a yang bertekanan dan bertemperatur rendah (titik 1) diisap oleh kompresor kemudian dikompresikan menjadi gas refrigeran yang bertemperatur dan bertekanan tinggi (titik 2). Gas refrigeran yang keluar dari kompresor ini kemudian masuk ke kondensor yang selanjutnya mengalami proses kondensasi di kondensor. Keluar dari kondensor, refrigeran tadi sudah berubah fasa menjadi cairan tetapi tekanan dan temperaturnya masih tetap tinggi (titik 3). Proses kondensasi refrigeran di kondensor berlangsung karena gas refrigeran melepaskan kalor laten kondensasi ke media pendingin kondensor [ HYPERLINK \l "Sto87" 1 ]. Jumlah kalor yang dilepaskan oleh refrigeran ke media pendingin sama dengan jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran di evaporator ditambah dengan

Siklus kompresi uap

Kerja kompresi merupakan perubahan entalpi pada proses 1-2 (gambar 3) atau merupakan kerja per unit massa refrigeran.

KE-32

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

wk  h1  h2 .....................................[1]

(COP:Coefficient Of Performance) merupakan perbandingan antara kapasitas refrigerasi ( KR ) dengan daya ( Pk )yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor. Untuk satu-satuan massa refrigeran maka koefisien performansi dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara efek refrigerasi (ER ) sistim dengan kerja (Wk) yang dibutuhkan untuk mengkompresi refrigeran di kompresor. Makin besar nilai COP makin baik kinerja sistim refrigerasi itu. COP merupakan besaran tanpa dimensi4].

Hubungan tersebut diturunkan dari persamaan energi dalam keadaan tunak (steady flow energy equation) yaitu : q + h1 = h2 + wk, pada proses kompresi adiabatik reversibel dengan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan. Perbedaan entalpinya merupakan besaran negatif yang menunjukkan bahwa kerja diberikan kepada sistem. Efek refrigerasi (ER) adalah kalor yang diterima oleh sistem dari lingkungan melalui evaporator per satuan laju massa refrigeran. Efek refrigerasi merupakan parameter penting yang menentukan kondisi pendinginan pada mesin es puter yang dirancang. Dari gambar 2.2 di atas, dapat dilihat bahwa efek refrigerasi ini berlangsung pada proses dari 4 ke 1. Makin besar efek refrigerasi suatu sistim refrigerasi, maka kinerja sistim makin baik dan juga menentukan kapasitas dari pendinginan yang dapat dilakukan [ HYPERLINK \l "Sto87" 1 , HYPERLINK \l "ASH06" 4 , HYPERLINK \l "JFL64" 5 ]. Besarnya efek refrigerasi tersebut adalah : ER  h1  h4

COP = KR/Pk..............................[4] Atau COP = ER/Wk ..............................[5] Dimana : KR = Kapasitas refrigerasi (Watts/s) Pk = Daya kompresor (Watts/s) ER = Efek refrigerasi (Watts/s) Wk = Kerja kompresi (Watts/s) Koefisien performansi, COP, adalah besarnya energi yang berguna, yaitu efek refrigerasi, dibagi dengan kerja yang diperlukan sistem, yaitu kerja kompresi [ HYPERLINK \l "Sto87" 1 , HYPERLINK \l "Mor88" 3 ].

.....................................[2]

Kalor yang dibuang melalui kondenser dari refrigeran ke lingkungan yang lebih rendah temperaturnya terjadi pada proses 2-3, yaitu:

2.3 Beban Thermal Tabung Es Puter Tabung es puter merupakan ruang refrigerasi yang akan dikondisikan secara thermal. Temperatur ideal terbentuknya es pada tabung adalah berkisar antara 10 15oC. Beban thermal yang terjadi pada tabung es puter meliputi 2 kategori beban thermal antara lain: beban kalor sensibel dan beban kalor laten. Beban kalor sensibel meliputi beban kalor sensibel dari bahan es puter dan udara sisa pada tabung, perpindahan panas ke dinding tabung dan penutupnya. Beban kalor laten adalah beban kalor laten dari bahan es puter dan sisa udara dalam tabung.

qc  h3  h2 .......................................[3] Besaran ini bernilai negatif, karena kalor dipindahkan dari sistem refrigerasi ke lingkungan. Pada proses 3-4 merupakan proses ekspansi refrigeran menuju tekanan evaporator. Pada proses ini biasanya dimodelkan dengan proses cekik tanpa adanya perpindahan kalor (adiabatik) dan proses berlangsung tak-reversibel, sehingga diperoleh hubungan: h3 = h4 Pengertian performansi atau yang lebih dikenal dengan koefisien performansi KE-32

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Perpindahan panas ke dinding tabung dapat dihitung dengan persamaan Fourier (qk) yaitu:5]

puli. Putaran pengaduk es puter menjadi 80 rpm dari motor 150 watts dengan kecepatan 1400 rpm. Transmisi menggunakan sistem transmisi sabuk untuk menggerakan poros pengaduk. Pengujian COP dan Beban Thermal (q) tabung es puter menggunakan instrument yang berbasis mikrokontroler Atmega 328. Sensor menggunakan thermoucouple type K. Pengukuran temperatur meliputi pengukuran sistem refrigerasi dan kondisi di dalam tabung es puter dan temperatur lingkungan.

...............................[6]

dimana; qk adalah perpindahan panas konduksi [KJ], k adalah konduktivitas panas material [KJ/m.K], dT adalah selisih temperatur dinding tabung [K] dan dx adalah tebal plat. Jenis plat tabung es puter yang digunakan adalah stainless steel 1 mm. Beban kalor laten untuk bahan es puter dan sisa udara dapat dihitug dengan persamaan berikut ini [ HYPERLINK \l "RJD81" 2 , HYPERLINK \l "Mor88" 3 , HYPERLINK \l "JFL64" 5 ];

IV. Analisis Hasil Pengujian Prototype Mesin Es Puter Pengujian Mesin Es Puter ini adalah dengan memberikan variasi pengisian adonan es puter. Pengisian di variasikan dengan 5 variasi volume pengisian. Analisis data-data temperatur pada tabung es puter dapat diketahui beban thermal yang terjadi dapat dilihat pada gambar 1.

..........................[7] dimana qhfg adalah beban kalor laten dari bahan-bahan cair es puter [KJ], m adalah jumlah massa bahan-bahan es puter dan udara [kg] dan hfg adalah kalor laten dari bahan tersebut [KJ/kg.K]. Faktor desain dari rancangan tabung refrigerasi mesin es puter ini menyebabkan kerugian thermal akibat infiltrasi udara. Infiltrasi yang terjadi diasumsikan sebesar 0,5 volume udara sisa dalam tabung es puter [ HYPERLINK \l "ASH06" 4 , HYPERLINK \l "HAl81" 6 , HYPERLINK \l "FWH57" 7 ].

0,022

Q Total (KJ)

0,021 0,02 0,019 0,018 0,017 0,016 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

0,015

waktu (menit)

III. Metode Pengujian Mesin refrigerasi yang dirancang untuk mesin es puter ini adalah menggunakan kompresor ½ PK, evaporator menggunakan pipa tembaga 5/8 inch yang dililitkan pada tabung es puter (5 liter) dengan panjang 70 cm. Jenis ekspansi yang digunakan adalah pipa kapiler yang memiliki panjang 50 cm. Sebagai kontrol sistem digunakan termostart digital dan juga sebuah kapasitor untuk kontrol kompresornya. Rancangan pengaduk pada mesin es puter, digerakkan oleh motor listrik dengan daya 150 watts dan ditransmisikan putarannya menggunakan 2 kali reduksi

1 Liter Adonan

2 Liter Adonan

3 Liter Adonan

4 liter Adonan

5 Liter Adonan

Gambar 1 Perubahan Beban thermal (Qtotal) pada setiap pengujian volume adonan

Dari gambar tersebut, dapat diketahui bahwa pengisian 5 liter adonan menyebabkan mesin es puter memiliki rata-rata beban thermal yang lebih tinggi. Selain karena pengaruh massa adonan, faktor isolasi tabung yang kurang baik menambah besarnya nilai beban thermal dalam setiap volume pengisian yang berbeda. KE-32

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Akibat bertambahnya beban thermal ini, menyebabkan pada volume pengisian 5 liter membutuhkan waktu produksi es yang lebih lama. Hal ini akan mengurangi tingkat produktivitas dari prototype mesin es puter ini.



3,7 3,5

sehingga kerugian thermal bisa dikurangi. Pengisian tabung es puter yang efektif untuk produksi es puter adalah pada pengisian 3-4 liter dimana membutuhkan waktu produksi sekitar 1,5-2 jam.

[1] W.F Stooker dan J.W Jones, Refrigeration and Air Conditioning. Tokyo, Japan: McGraw-Hill Book Company, 1987.

3,3 P O 3,1 C 2,9 2,7 2,5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 waktu (menit) 1 Liter Adonan

2 Liter Adonan

4 liter Adonan

5 Liter Adonan

[2] R.J Dossat, Principles of Refrigeration. New York: John Willey and Sons, 1981. [3] M.J. Moran dan H.N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics. New York, USA: John Wiley & Sons, 1988.

3 Liter Adonan

Gambar 2 Perubahan Unjuk Kerja Sistem refrigerasi (COP) pada setiap pengujian volume adonan

[4] ASHRAE, ASHRAE Refrigeration Handbook 2006. Atalanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditiong Engineers.Inc, 2006.

Dari gambar 2 dapat diketahui bahwa terjadi penurunan nilai performansi (COP) pada pengisian tabung es puter secara penuh (5 Liter). Rata-rata performansi mesin es puter dalam setiap pengujian tidak terlalu jauh berbeda, akan tetapi terjadi perbedaan waktu pembentukan es dari adonan es puter cukup berbeda. Pengisian secara penuh tabung es puter menyebabkan penyerapan panas ke evaporator juga berkurang, seiring dengan beban thermal yang semakin tinggi.

[5] J.F Lee and, F.W Sears, Thermodynamics. Massachusets: Adison Wesley, 1964. [6] H Cromer Alan, Physics For The Sciences, Intenational Student Edition Second edition, Ed. Tokyo: Mc GrawHill International Book Company, 1981. [7] F.W Hutchinson, Thermodynamics of Heat Power Systems.: Adison-Wesley, 1957.

V. Kesimpulan dan Saran Berikut adalah beberapa kesimpulan yang dapat diketahui dari pengujian prototype mesin es puter, yaitu:  Nilai rata-rata beban thermal mesin puter paling tinggi adalah pada pengisian tabung es puter 5 liter adonan.  Prototype mesin es puter yang diuji masih memiliki nilai COP yang perlu dioptimasi dan peningkatan desain isolator thermal pada tabung es puter

KE-32