ANALISIS TERMODINAMIKA PENGGUNAAN EJECTOR SEBAGAI ALAT EKSPANSI PADA PENGKONDISI UDARA MOBIL

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

ANALISIS TERMODINAMIKA PENGGUNAAN EJECTOR SEBAGAI ALAT EKSPANSI PADA PENGKONDISI UDARA MOBIL Cecep Sunardi 1), Markus 1), Sumeru 1), Henry Nasution 2) 1) Jurusan Refrigerasi dan Tata Udara, Politeknik Negeri Bandung E-mail: [email protected]

2) Automotive Development Centre, Faculty of Mechanical Engineering Universiti Teknologi Malaysia, Skudai 81310 Johor E-mail: [email protected] Abstrak Makalah ini menyajikan analisis termodinamika penggunaan ejector sebagai alat ekspansi pada pengkondisi udara (AC) mobil untuk meningkatkan kinerja sistem. Dengan meningkatnya kinerja sistem AC akan menghemat penggunaan konsumsi bahan bakar mobil, karena sumber penggerak AC mobil adalah mesin mobil. Penggunaan ejector menggantikan thermostatic expansion valve (TXV) dapat mengurangi rugi energi selama proses ekspansi. Dengan berkurangnya rugi energi selama proses ekspansi akan meningkatkan COP (coefficient of performance) AC. Peningkatan COP disebabkan turunnnya kerja kompresor pada siklus ejector. Pengkondisi udara mobil umumnya menggunakan R-134a sebagai fluida kerja. Refrigeran jenis ini memiliki zero ODP (ozone depletion potential) dan relatif rendah sifat GWP (global warming potential) dibandingkan R12. Pemodelan termodinamika pada makalah ini menggunakan persamaan kekekalan massa, momentum dan energi. Berdasarkan pemodelan termodinamika didapat peningkatan COP sebesar 9.47%, 22.49% dan 33.16% untuk temperatur kondenser 40oC, 45oC dan 50oC, berturut-turut. Dengan kata lain, peningkatan COP semakin tinggi dengan naiknya temperatur lingkungan. Kata kunci: Ejector, pengkondisi udara, COP, R-134a

Pendahuluan Hampir semua mobil dilengkapi oleh pengkondisi udara (AC) menggunakan siklus refrigerasi kompresi uap. Tujuan utama penggunaan AC pada mobil adalah untuk kenyamanan pengendara dan penumpang. Namun karena daya penggerak AC mobil adalah mesin mobil maka pada saat AC mobil beroperasi akan menambah konsumsi bahan bakar. Penambahan konsumsi bahan bakar saat AC beroperasi tergantung pada kinerja (COP) AC, kondisi dan kecepatan mobil. Untuk mengurangi penambahan konsumsi bahan bakar saat AC beroperasi maka perlu ditingkatkan kinerja AC. Salah satu metode untuk meningkatkan kinerja AC mobil adalah menggunakan ejector sebagai alat ekspansi menggantikan alat ekspansi konvensional, yaitu thermostatic expansion valve (TXV). Penggunaan alat ekspansi konvensional pada siklus refrigerasi kompresi uap menimbulkan rugi energi selama proses ekspansi, dan menyebabkan peningkatan entropi, sehingga prosesnya entalpi konstan. Proses ideal ekspansi adalah entropi konstan, dimana tidak terjadi rugi energi atau peningkatan entropi selama proses entropi. Ekspansi menggunakan ejector dapat mengurangi rugi energi selama proses ekspansi. Oleh karena tidak ada rugi energi selama proses ekspansi, maka proses ekspansi menggunakan ejector dianggap entropi konstan. Kornhauser (1990) adalah peneliti pertama yang melakukan kajian termodinamika penggunaan ejector sebagai alat ekspansi pada siklus refrigerasi kompresi uap. Hasil kajiannya menunjukkan bahwa penggunaan ejector sebagai alat ekspansi dapat meningkatkan COP hingga 21%. Disawas dan Wongwises (2004) melakukan eksperimen menggunakan refrigeran R-134a dan melaporkan kenaikan COP, namun tidak dilaporkan secara kuantitatif. Li dan Groll (2005) melakukan kajian numerik pada penggunaan ejector sebagai alat ekspansi menggunakan refrigeran CO2, mendapatkan kenaikan COP sebesar hingga 14%. Bilir dan Ersoy (2009) juga melakukan analisis termodinamika pada penggunaan ejector sebagai alat ekspansi menggunakan refrigeran R-134a, dan melaporkan peningkatan COP sekitar 10.1% hingga 22.34%. Elbel (2011) juga

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 1

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

melaporkan bahwa berdasarkan pengujian pada sistem refrigerasi dengan CO2 sebagai refrigeran menggunakan ejector sebagai alat ekspansi telah terjadi peningkatan COP sebesar 7%. Perbedaan kajian pada makalah ini dengan kajian sebelumnya adalah pada kapasitas pendinginan yang telah ditentukan terlebih dulu sebelum dilakukan pemodelan serta memasukkan efisisien isentropik kompresor. Dengan diketahuinya kapasitas dari pengkondisi udara maka dapat ditentukan pula dimensi (diameter) dari motive nozzle dan mixing chamber. Prinsip Kerja dan Kinerja Ejector sebagai Alat Ekspansi Fungsi utama alat ekspansi adalah menurunkan tekanan, yaitu dari tekanan tinggi di kondenser ke tekanan rendah di evaporator. Alat ekspansi konvensional yang umum digunakan siklus refrigerasi kompresi uap adalah pipa kapiler dan thermostatic expansion valve (TXV). Pada semua literatur termodinamika disebutkan bahwa proses ekspansi menggunakan alat ekspansi konvensional adalah isenthapic (entalpi konstan). Untuk mengatasi rugi energi selama proses ekspansi dapat digunakan ejector, dan proses ekspansi menggunakan ejector dianggap isentropic (entropy konstan), karena tidak ada energi hilang selama proses ekspansi. Gambar skematik siklus refrigerasai kompresi uap standar (menggunakan alat ekspansi konvensional) dan siklus menggunakan ejector sebagai alat ekspansi ditunjukkan oleh Gambar 1 (a) dan (b), berturut-turut.

Gambar 1. Gambar skematik siklus refrigerasi kompresi uap: (a) Dengan alat ekspansi konvensional, (b) Dengan ejector sebagai alat ekspansi. Dapat dilihat pada Gambar 1 bahwa siklus kompresi uap menggunakan alat ekspansi konvensional (standar) adalah siklus P1-P2b-P3-P11-P1. Sedangkan siklus menggunakan ejector sebagai alat ekspansi terdapat dua siklus yaitu aliran primer dan sekunder. Aliran primer adalah P1-P2-P3-P4-P10-P5-P1 (garis warna merah), dan aliran sekunder adalah P7-P8-P9-P10-P5-P7 (garis warna hijau). Sedangkan siklus refrigerasi kompresi uap pada Gambar 1 pada diagram P-h (pressure vs. enthalpy) ditunjukkan oleh Gambar 2.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 2

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

Gambar 2 Siklus refrigerasi kompresi uap menggunakan ejector sebagai alat ekspansi Kinerja siklus kompresi uap menggunakan ejector sebagai alat ekspansi ditentukan oleh karakteristik ejector. Karakteristik ejector tersebut dinamakan entrainment ratio (), yrus ini perlu disefinisikanf-huruf alam rumuaitu perbandingan aliran sekunder dengan aliran primer, seperti yang ditunjukkan oleh persamaan (1). Aliran sekunder adalah aliran refrigeran yang mengalir melalui evaporator dan aliran primer adalah aliran refrigeran yang melalui kompresor dan kondeser. Semakin besar entrainment ratio berarti semakin banyak aliran refrigeran yang melalui evaporator dan menyebabkan semakin sedikit aliran yang melalui kompresor dan kondenser. Hal ini akan menyebabkan semakin meningkatnya kapasitas pendinginan dan menurunkan kerja kompresor, sehingga meningkatkan COP. Dengan kata lain, untuk mendapatkan peningkatan COP yang maksimal, maka diperlukan entrainment ratio yang maksimal pula (Kornhauser, 1990).



m evap m kond

(1)

 evap dan m kond adalah laju aliran refrigeran di dalam evaporator dan kondenser, dimana m berturut-turut. Berdasarkan Gambar 2, kapasitas pendinginan (Qevap) dan kerja kompresor (W komp) siklus standar dihitung dengan persamaan (2) dan (3), berturut-turut.

Qevap _ std  ( h8  h11 )

(2)

Wkomp _ std  (h2b  h8 )

(3)

Sedangkan kapasitas pendinginan dan kerja kompresor untuk sistem menggunakan ejector sebagai alat ekspansi ditentukan oleh persamaan (4) dan (5), berturut-turut. Qevap _ ejc  (h8  h7 ) (4)

Wkomp _ ejc  (h2  h1 )

(5)

Sehingga COP untuk siklus standar dan ejector dinyatakan dengan persamaan (6) dan (7), berturut-turut.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 3

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

( h8  h11 ) ( h2b  h8 ) m evap ( h8  h7 ) (h  h7 )    8 m comp ( h2  h1 ) (h2  h1 )

COPstd 

(6)

COPejc

(7)

Untuk menghitung efisiensi isentropik kompresor digunakan persamaan (8) (Brunin et al., 1997), yaitu,

 komp  0.874  0.0135

Pdisc Psuct

(8)

Berdasarkan pada Gambar 2 dan persamaan (3) dan (5) terlihat bahwa kerja kompresor siklus ejector akan selalu lebih kecil dari siklus standar. Hal ini tentu saja akan meningkatkan (improvement) COP, oleh karena nilai COP berbanding terbalik dengan kerja kompresor. Peningkatan COP akibat penggunaan ejector sebagai alat ekspansi dihitung dengan persamaan,

COPimp 

(COPejc  COPs td )

(9)

COPs td

Perbedaan utama antara siklus standar dan ejector sebagai alat ekspansi adalah adanya separator pada siklus ejector. Fungsi separator memisahkan fasa refrigeran yang datang dari difuser ejector. Fasa gas refrigeran dari separator akan menuju suction kompresor, sedangkan fasa cair refrigeran mengalir ke evaporator. Pemodelan Termodinamika Tiga persamaan, yaitu persamaan kekekalan massa, momentum dan energi yang ditunjukkan oleh persamaan (10), (11) dan (12), berturut-turut, digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat refrigeran pada tiap titik pada Gambar 2. Ketiga persamaan tersebut adalah (Kornhauser, 1990):

 u a   u a P a   m u  P a   m u u u  m (h  2 )   m (h  2 ) i

i

i

i

i

o

i

i

o

o

o

o

o

2 i

i

i

(10) o

2 o

o

o

(11) (12)

dimana i = inlet, o = outlet,  = massa jenis fluida, u = kecepatan aliran fluida, a = luas penampang saluran, P = tekanan fluida dan h = entalpi fluida. Untuk menerapkan ketiga persamaan tersebut pada tiap bagian ejector, diperlukan beberapa asumsi, yaitu: 1. Perpindahan kalor hanya terjadi di kondenser dan evaporator. 2. Sifat-sifat dan kecepatan refrigeran konstan pada satu penampang (satu dimensi). 3. Tidak ada drop tekanan pada kondenser dan evaporator. 4. Tidak ada rugi gesek antara refrigeran dengan dinding pipa tembaga (saluran). 5. Kondisi refrigeran pada outlet evaporator adalah gas jenuh, dan pada outlet kondenser adalah cair jenuh. Untuk menentukan kinerja sistem menggunakan ejector harus diketahui sifat-sifat refrigeran pada setiap titik yang terdapat pada Gambar 2. Untuk itu perlu dilakukan perhitungan untuk menentukan sifat-sifat refrigeran pada tiap bagian ejector. Terdapat

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 4

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

empat bagian ejector yang akan ditentukan sifat-sifat refrigerannya, yaitu motive nozzle, suction nozzle, mixing chamber dan diffuser. Persamaan-persamaan tersebut adalah, i.

Motive nozzle

Motive nozzle adalah inlet ejector yang berasal dari tekanan tinggi (kondenser). Di dalam motive nozzle (mn) mengalir fluida dengan kecepatan tinggi dan berfungsi mengisap fluida dari tekanan rendah (evaporator). Entalpi pada keluaran motive nozzle dihitung dengan persamaan,

h4  h3   mn ( h3  h4 ,is )

(13)

dimana, mn dan h4,is adalah efisiensi isentropik motive nozzle dan entalpi di titik 4 jika proses isentropik, berturut-turut. Kecepatan refrigeran pada titik 4 dapat dihitung menggunakan persamaan kekekalan energi pada motive nozzle, yaitu,

u 4  [ 2( h3  h4 )] 0.5

(14)

Menggunakan prinsip kekekalan massa, luas penampang motive nozzle adalah,

a4  ii.

m kond  4u4

(15)

Suction nozzle

Suction nozzle adalah inlet ejector dari evaporator. Melalui suction nozzle ini refrigerant dari evaporator terisap oleh motive nozzle. Prosedur perhitungan pada suction nozzle (sn) serupa dengan pada motive nozzle, yaitu:

h9  h8   sn ( h8  h9,is )

(16)

u 9  [ 2( h9  h8 )] 0.5

(17)

a9  iii.

m evap.

9u9

(18)

Mixing chamber

Mixing chamber adalah tempat bertemunya aliran dari motive nozzle dan suction nozzle. Menggunakan persamaan kekekalan massa, laju aliran massa refrigeran melalui  T ) adalah: mixing chamber ( m

m T  m kond .  m evap.  10 u10 a10

a10  u10 

iv.

m evap.  m kond .

 10 u10 1 u4 1 

(19) (20) (21)

( P10  P4 ) a10  m kond . u 4  ( m evap.  m kond . )u10

(22)

u102 1 h10  (h1  h10 )  1 2

(23)

Diffuser section

Dengan menerapkan persamaan kekekalan energi, entalpi pada diffuser (dif) dihitung dengan persamaan, Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 5

SNTMUT - 2014

h5  h10   dif

ISBN: 978-602-70012-0-6

u102 2

(24)

Selanjutnya, dengan menggunakan persamaan (13) – (24), sifat-sifat refrigeran pada setiap titik di Gambar 2 dapat ditentukan. Algoritma perhitungan menggunakan persaman-persamaan tersebut ditunjukkan oleh diagram alir yang ditunjukkan oleh Gambar 3.

( P10  P4 )  0

(1  ) x5  1 T 5  T evap

Gambar 3. Diagram alir perhitungan COP ejector dan peningkatan COP Hasil dan Pembahasan Berbeda dengan pengkondisi udara yang digunakan pada gedung yang memiliki kapasitas pendinginan konstan, kapasitas pendinginan AC mobil bervariasi mengikuti putaran mesin. Semakin tinggi putaran mesin, semakin besar kapasitas pendinginan yang dihasilkan. Pada pemodelan ini dilakukan perhitungan AC mobil yang memiliki kapasitas pendinginan sebesar 2.5 kW dengan menggunakan R-134a sebagai fluida kerja. Kapasitas sebesar ini setara dengan kapasitas pendinginan yang dihasilkan AC split dengan daya kompresor sebesar 1 hp (0.75 kW). Oleh karena berfungsi sebagai pengkondisi udara, temperatur evaporasi pada evaporator adalah 5oC. Sedangkan untuk melihat pengaruh temperatur kondensasi pada kinerja sistem, temperatur kondensasi yang dikaji adalah 40oC, 45oC dan 50oC. Pada kajian ini digunakan efisiensi motive nozzle (mn) = 0.9, suction nozzle (sn) = 0.9 dan efisiensi diffuser (dif) = 0.8 (Ersoy dan Bilir, 2010). Menggunakan persamaan (6), (7) dan (9) dapat dihitung COP siklus standar, siklus ejector dan peningkatan COP, serta hasilnya ditunjukkan oleh Gambar 4. Pada Gambar 4 Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 6

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

dapat dilihat bahwa COP standar dan ejector menurun dengan naiknya temperatur kondensasi. Namun, karena penurunan COP standar lebih tajam dari penurunan COP ejector maka peningkatan COP meningkat dengan meningkatnya temperatur kondenser, yaitu dari 9.47% hingga 33.16% untuk temperatur kondenser 40oC hingga 50oC. Dengan meningkatnya COP AC mobil, maka konsumsi bahan bakar mobil dapat lebih hemat saat AC beroperasi karena waktu operasi AC mobil lebih pendek dibanding dengan menggunakan alat ekspansi konvensional. 7

50 COPstd

COPimp

COP

40

33.16

6

30

22.49

5

20

9.47

4

10

3

COPimp (%)

COPejt

0 35

40

45

50

55

Temperatur kondenser (oC)

Gambar 4. COP dan peningkatan COP siklus ejector terhadap siklus standar Menggunakan diagram alir pada Gambar 3 maka akan didapat temperatur dan tekanan pada titik 5 (keluaran diffuser), seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 1. Tabel 1. Temperatur dan Tekanan pada Outlet Diffuser Tkond (oC) 40 45 50 T5 (oC) P5 (MPa)

5.67 0.358

6.15 0.364

7.15 0.377

Berdasarkan Tabel 1 dapat digambarkan siklus refrigerasi kompresi uap menggunakan ejector pada diagram P-h secara lengkap. Gambar 5 menunjukkan siklus ejector pada diagram P-h untuk temperatur kondenser 45oC.

Gambar 5. Siklus ejector sebagai alat ekspansi pada diagram P-h

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 7

SNTMUT - 2014

ISBN: 978-602-70012-0-6

Pada Gambar 5 terlihat bahwa kerja kompresor siklus standar (h2b - h8) lebih besar dari siklus ejector (h2 - h1), karena selisih spesifik entalpi (h2b - h8) lebih besar dari (h2 -h1). Selain selisih entalpi yang lebih kecil, laju aliran massa pada kompresor pada siklus ejector juga lebih kecil dibandingkan dengan siklus standar, sehingga berdasarkan faktafakta ini menunjukkan bahwa penggunaan ejector sebagai alat ekspansi pasti menurunkan kerja kompresor. Sedangkan pengaruhnya pada kapasitas pendinginan tergantung pada entraiment ratio ejector. Kapasitas pendinginan siklus ejector dapat lebih besar atau lebih kecil, tergantung pada entraiment ratio. Kesimpulan Telah terbukti bahwa penggunaan ejector sebagai alat ekspansi menggantikan alat ekspansi konvensional dapat meningkatkan COP pengkondisi udara mobil. Meningkatnya COP pada pengkondisi udara mempunyai potensi menghemat konsumsi bahan bakar mobil saat AC dioperasikan. Nilai COP siklus ejector meningkat dengan meningkatnya temperatur kondenser, misalnya peningkatan hanya 9.47% pada temperatur kondenser 40oC menjadi 33.16% pada temperatur kondenser 50oC. Oleh karena temperatur kondenser berbanding lurus dengan temperatur lingkungan maka dengan kata lain, peningkatan COP siklus ejector cukup signifikan bila temperatur lingkungan panas. Ucapan Terima kasih Penelitian ini dibiayai oleh Politeknik Negeri Bandung (Polban). Daftar pustaka Bilir, N and H.K. Ersoy, H.K., 2009, Performance improvement of the vapour compression refrigeration cycle by a two-phase constant area ejector, International Journal of Refrigeration, vol 33, no 5, 469-480. Brunin, O, Feidt, M and Hivet, B., 1997, Comparison of the working domains of some compression heat pumps and a compression-absorption heat pump, International Journal of Refrigeration, vol 20, 308-318. Disawas, S and Wongwises, S., 2004, Experimental investigation on the performance of the refrigeration cycle using a two-phase ejector as an expansion device, International Journal of Refrigeration, vol 27 no 6, 587-594. Elbel, S., 2011 Historical and present developments of ejector refrigeration systems with emphasis on transcritical carbon dioxide air-conditioning applications, International Journal of Refrigeration, vol 34, no 7, 1545-1561. Kornhauser, 1990, The use of an ejector as a refrigerant expander, In: Proceeding of the USN/IIR-Purdue Refrigeration Conference, West Lafayette, IN, USA, 1990. Li, D. and Groll, E.A., 2005, Transcritical CO2 refrigeration cycle with ejector-expansion device, International Journal of Refrigeration, vol 28, no 5, 766-773.

Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti Gd. Hery Hartanto, Teknik Mesin - FTI - Usakti, 20 Februari 2014

KE10 - 8