ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Oleh : SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107
2006 DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP
SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor
Oleh : SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107
2006 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
Santi Roselinda Silalahi. F14101107. Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap. Di bawah bimbingan : Armansyah H. Tambunan. 2006.
RINGKASAN Proses termodinamik reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol). Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Eksergi merupakan bagian energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja. Analisis eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985). Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan. Program ini adalah sebuah simulasi sistem pendingin yang dibuat dengan bahasa pemrograman Visual Basic 6 (VB. 6). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan berbagai refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap. Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang dipilih, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a. Proses
analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer menggunakan program Visual Basic versi 6.0. Ada dua skenario yang digunakan pada penelitian ini. Skenario pertama suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C sedangkan suhu kondensasi berkisar tetap pada suhu 30°C. Kemudian skenario kedua suhu keluar kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C sedangkan suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C. Sehingga dapat digunakan asumís untuk penentuan tingkat keadaan: 1) suhu ruang pendingin sama dengan suhu evaporator dan suhu udara sekitar dianggap 30° C;, 2) Suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C;, 3) Suhu keluar kompresor adalah 80 °C;, 4) Suhu kondensasi berkisar pada suhu 30°C;, 5) Suhu kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C;, 6) Suhu evaporasi berada pada kisaran – 4 °C;, 7) Beban pendinginan (Qe) sebesar 1 kW. Desain parameter untuk alat penukar kalor yang digunakan sebagai kondensor dan evaporator juga perla diperhatikan. Parameter untuk evaporator dianggap sama dengan parameter untuk kondensor. Efisiensi isentropik pada kompresor dianggap 85%. Dan prosesnya diasumsikan keadaan isentropik. Desain alat penukar kalor (heat exchanger) dapat diuraikan sebagai berikut : diameter luar dan diameter dalam tabung berturut-turut sebesar 16.4 mm dan 6.68 mm.Sedangkan puncak dan ketebalan fin sebesar 275 dan 0.254 mm. Rasio antara area aliran bebas dengan area frontal 0.449 dan rasio antara area transfer panas dengan volume total 269 m2/m3. Sedangkan rasio antara area fin dan area total sebesar 0.83 dan untuk kecepatan udara keluar diasumsikan sebesar 5 m/detik. Penurunan tekanan di evaporator maupun di kondensor terjadi oleh karena proses irreversibilitas. Penurunan tekanan yang paling besar terjadi di evaporator karena panjang pipa akan menyebabkan gesekan lebih besar. Penurunan tekanan di evaporator menurun seiring dengan suhu evaporasi yang semakin bertambah. Ini dikarenakan berat jenis refrigeran menurun ketika suhu refrigeran meningkat dengan berat jenis yang lebih rendah Sedangkan penurunan tekanan di kondensor tidak sebesar penurunan tekanan di evaporator, hal ini disebabkan suhu di kondensor yang lebih tinggi daripada di evaporator mengakibatkan massa jenis refrigeran di kondensor lebih kecil, sehingga koefisien gesek menurun. COP (Coefficient of Performance) didefinisikan sebagai jumlah pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja. Nilai COP dari siklus meningkat dengan peningkatan suhu evaporasi dengan asumsi suhu kondensasi konstan. Sebaliknya nulai COP akan mengalami penurunan pada suhu kondensasi yang meningkat dengan asumsi suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Refrigeran R12 memiliki nilai COP yang paling tinggi pada suhu evaporasi dan pada suhu kondensasi yang bervariasi, yaitu sebesar 8.047 dan 5.813. Refrigeran R12 memiliki nilai entalpi yang paling besar daripada ketiga refrigeran lainnya karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih rendah. Refrigeran yang memiliki nilai COP terendah pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi adalah R134a sebesar 5.044 dan 4.39 karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih tinggi.
Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang dibutuhkan terhadap input kerja aktual Efisiensi eksergi akan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu evaporasi pada suhu kondensasi constan dan penurunan suhu kondensasi dengan asumís suhu evaporasi dalam keadaan konstan. Efisiensi eksergi terkecil terjadi pada refrigeran R-134a. Hal ini berarti pada refrigeran R-134a memberikan kehilangan eksergi yang relatif besar dibandingkan refrigeran R12, refrigeran R22 ataupun refrigeran R717. Eksergi yang hilang dalam kondensor meningkat, sedangkan dalam evaporator menurun seiring dengan naiknya suhu evaporator. Semakin tinggi perbedaan suhu pada komponen kondensor dan evaporator, maka semakin tinggi pula eksergi yang hilang. Sementara itu jumlah eksergi yang hilang di dalam kondensor akan meningkat untuk mengganti penurunan persentase eksergi yang hilang dalam evaporator. Yang perlu diperhatikan adalah meningkatnya eksergi yang hilang di dalam kondensor tidak diartikan sebagai penurunan eksergi yang hilang yang terjadi di dalam evaporator karena eksergi yang hilang di dalam komponen lainnya juga meningkat.
INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM REFRIGERASI KOMPRESI UAP SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh : SANTI ROSELINDA SILALAHI F14101107 Dilahirkan pada tanggal 20 Mei 1984 Di Pematangsiantar Tanggal lulus : 30 Januari 2006 Disetujui oleh : Bogor, 3 Januari 2006
Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M. Agr Dosen Pembimbing Mengetahui :
Dr. Ir. Wawan Hermawan, M. S Ketua Departemen Teknik Pertanian
I. PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG Proses termodinamika reversible adalah proses yang dapat berbalik ke keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol). Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Pada kenyataannya potensial energi untuk digunakan yang terdapat dalam satu sistem akan mengalami penurunan akibat adanya sifat irreversibilitas. Hal ini juga berlaku dalam sistem refrigerasi. Untuk mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis eksergi. Dari sudut pandang hukum Termodinamika pertama, COP adalah suatu ukuran khas untuk mengevaluasi sistem pendinginan. Namun demikian, menurut hukum Termodinamika kedua, analisis eksergi adalah ukuran yang umum diterapkan. Berdasarkan analisis eksergi, Yumrutas (2002) telah
mengembangkan suatu model komputasi untuk menyelidiki sistem refrigerasi kompresi uap dengan refrigeran amonia. Pada kenyataannya, analisis eksergi telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Tujuan analisis eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985). Terdapat berbagai macam sistem pendingin seperti kompresi uap, pendingin absorpsi dan lain-lain. Salah satu sistem pendingin yang banyak digunakan pada saat ini adalah sistem kompresi uap. Demikian pula ada bermacam
refrigeran
(Chlorofluorocarbon),
yang
berkaitan
hidrokarbon
atau
dengan ammonia.
itu,
seperti
Dengan
CFC
semakin
berkembangnya pemanfaatan sistem pendingin dalam kehidupan manusia, maka diperlukan studi yang lebih baik tentang siklus pendingin. Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan.
B. TUJUAN Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap penggunaan beberapa refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pematangsiantar, pada tanggal 20 Mei 1984. Penulis adalah anak kedua dari lima bersaudara dari pasangan Bapak Maludin Silalahi dan Ibu Dinar Panggabean. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD RK 2 Pematangsiantar pada tahun 1995. Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan pada SLTPN 8 Pematangsiantar, dan lulus pada tahun 1998. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan lanjutan tingkat atas di SMUN 3 Pematangsiantar dan lulus pada tahun 2001. Pada tahun 2001, penulis masuk IPB melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri). Penulis diterima di program studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 2004, penulis mengambil Sub Program Studi (SPS) Teknik Biosistem. Penulis melaksanakan Praktek Lapangan dengan judul “Mempelajari Aspek Keteknikan pada Proses Produksi Daging Rajungan (Crab meat) di PT Tonga Tiur Putra Rembang-Jawa Tengah”. Sebagai tugas akhir untuk memperoleh gelar sarjana, penulis melakukan penelitian dengan judul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”. Selama masa perkuliahan penulis aktif dalam organisasi Persekutuan Mahasiswa Kristen (UKM-PMK). Pengalaman kerja penulis adalah sebagai staf pengajar Fisika, Matematika SMP pada lembaga bimbingan belajar Kastia. Dan pengajar les privat untuk mata pelajaran Fisika, Matematika dan Kimia SMU.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan pada Tuhan atas karunia dan penyertaaNya yang begitu besar kepada penulis, sehingga pada akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini berjudul “Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”. Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada : 1.
Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr selaku dosen pembimbing akademik atas segala bimbingan, arahan dan nasihatnya selama masa studi, penelitian dan penyelesaian tugas akhir.
2.
Dr. Leopold O. Nelwan, STP,MSi selaku dosen penguji atas masukan dan nasihatnya
3.
Ir. Mohamad Solahudin, MSi selaku dosen penguji atas segala kritik dan sarannya.
4.
Yang terkasih Papa, Mama, Abang Hendri, Evi, Patar, Ricky dan Abang Udur atas segala kasih sayang, doa, nasihat, dan dukungan moril dan material yang tiada terkira kepada penulis.
5.
Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan dukungannya.
Mengingat keterbatasan penulis, kritik dan saran membangun sangat penulis harapkan dari pembaca. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi semua pihak yang membutuhkannya. Januari 2006 Penulis
