BAB IV PERHITUNGAN BEBAN PENDINGIN 4.1
Dasar Perhitungan Perhitungan beban pendingin di sini adalah perhitungan jumlah panas
yang harus diambil oleh evaporator. Adapun jumlah panas yang diambil oleh evaporator terdiri dari: a. Panas yang berasal dari tanah, dimana panas ini mengalir dari bagian dasar tangki pembeku. b. Panas yang berasal dari udara ruangan di sekeliling tangki pembeku, dinding tangki pembeku dan penutup tangki pembeku. c. Panas yang berasal dari air sampai menjadi es dan es itu sendiri di dalam tangki pembeku. 4.2
Beban Pendingin pada Tangki Pembeku
4.2.1 Panas dari Tanah Melalui Dasar Tangki, Perencanaan untuk bahan lantai dari dasar tanah melalui dasar tangki menggunakan
bahan
beton-styrofoam-pelat
baja
dengan
mengasumsikan
o
temperatur normal tanah sebesar 27 C. Sebelum memperhitungkan beban pendingin melalui tanah ke dasar tangki, akan diberikan gambaran aliran panas dan tahanan pada beban pendingin terlebih dahulu. Gambar beban pendingin melalui tanah ke dasar tangki dapat dilihat pada gambar 4.1 dan hambatan beban pendinginnya dapat dilihat pada gambar 4.2.
31
To = -12oC b2 = 130 mm b3 = 6 mm
T4 T3
b1 = 150 mm
T2
T1 = 27oC
L = 20 m
Tanah Gambar 4.1. Skematik beban panas dari tanah melalui dasar tangki pembeku
Q
T1 R1 =
T2
b1 k 1 .A
R2 =
T3
b2 k 2 .A
To
T4 R3 =
b3 k 3 .A
Ro =
1 ho . A
Gambar 4.2. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari tanah melalui dasar tangki pembeku
Keterangan: T1 = Temperatur tanah, 27oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton = 0,76 W/m oC (Holman JP, “Perpindahan Panas”, Tabel A-3, hal. 584) k2 = Konduktifitas panas Styrofoam = 0,045 W/m.oC) (Holman JP, “Perpindahan Panas”, Tabel A-3, hal. 585)
32
k3 = Konduktifitas pelat baja = 21,76 W/(m.oC) (Koestoer Artono Raldi, “Perpindahan Kalor”, Hal. 409) ko = Konduktifitas brine = 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) L = Panjang penampang tangki pendingin, 20 m Lebar penampang tangki pendingin, 8,5 m A = Luas penampang = 20 m × 8,5 m = 170 m2 Panas yang mengalir pada dasar tangki:
Q=
Ti − To Rtotal
dimana:
Rtotal = R1 + R2 + R3 + Ro Rtotal =
b b1 b 1 + 2 + 3 + k1 . A k 2 . A k 3 . A ho . A
Karena perhitungan brine tank dari dasar tangki memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut: Nu = C (Gr . Pr )
n
Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.
di mana konstanta C dan eksponen n dapat dilihat pada tabel 4.1. di bawah ini:
33
Tabel 4.1. Konstanta C dan n untuk temperature dinding seragam pada plat datar GrL Pr
C
n
Aliran
0,59
1/4
Laminar
2 × 10 - 3 × 10
0,14
1/3
Turbulen
3 × 10 - 3 × 10
0,27
1/4
Laminar
Orientasi Plat Permukaan plat atas panas, bawah dingin
10 - 2 × 10 5
7
7
Permukaan plat bawah panas, atas dingin
5
10 10
Panjang karakteristik L plat dapat diambil sebagai panjang sisi untuk plat bujur sangkar, rata-rata kedua sisi untuk plat persegi panjang, dan 0,9D untuk cakram lingkaran dengan diameter D. Untuk menghitung koefisien perpindahan panas pada brine tank dari dasar tangki diperlukan beberapa ketentuan-ketentuan sebagai berikut: a. Menentukan bilangan Grashof (Gr) Gr =
g (Ts − To ) L3 v2
(Sumber: Incropera and De Witt, “Fundamental of Heat and Mass Transfer”, Third Edition, p. 549)
dimana: g = percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC) Tf = Temperatur film,
Ts + To o ( C) 2
L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s) Karena temperatur dinding pada plat baja (To) belum diketahui, maka nilai temperatur dinding tersebut dapat diasumsikan dan perhitungan menggunakan metode iterasi. Viskositas dinamik pada brine dapat ditentukan dari grafik viskositas dinamik brine dan grafik tersebut dapat dilihat pada gambar 4.3.
34
Gambar 4.3. Viskositas Sodium Chloride Brines
Nilai viskositas kinematik brine dapat ditentukan dengan membagi nilai viskositas dinamik dengan densitas brine. Nilai densitas brine dapat ditentukan dari tabel sifat-sifat brine. Tabel sifat-sifat brine dapat ditentukan dapat dilihat pada tabel 4.2.
35
Tabel 4.2. Sifat-sifat Sodium Chloridea Brine murni NaCl2
Panas
Murni, %
Spesifik pada
Massa
15oC,
Awal
Densitas pada o
Pengkristalan, o
Densitas pada Bermacam
3
Temperatur, kg/m3
16 C, kg/m
C
NaCl2
Brine
1)
-20oC
-10oC
0o C
10oC
J/(kg.K) 0
4184
0,0
0,0
1000
5
3925
-2,9
51,7
1035
1038,1
1036,5
1034,0
6
3879
-3,6
62,5
1043
1045,8
1043,9
1041,2
7
3836
-4,3
73,4
1049
1053,7
1051,4
1048,5
8
3795
-5,0
84,6
1057
1061,2
1058,9
1055,8
9
3753
-5,8
95,9
1065
1069,0
1066,4
1063,2
10
3715
-6,6
107,2
1072
1076,8
1074,0
1070,6
11
3678
-7,3
118,8
1080
1084,8
1081,6
1078,1
12
3640
-8,2
130,3
1086
1092,4
1089,6
1085,6
13
3607
-9,1
142,2
1094
1100,3
1097,0
1093,2
14
3573
-10,1
154,3
1102
1108,2
1104,7
1100,8
15
3544
-10,9
166,5
1110
1119,4
1116,2
1112,5
1108,5
16
3515
-11,9
178,9
1118
1127,6
1124,2
1120,4
1116,2
17
3485
-13,0
191,4
1126
1135,8
1132,2
1128,3
1124,0
18
3456
-14,1
204,1
1134
1144,1
1140,3
1136,2
1131,8
19
3427
-15,3
217,0
1142
1153,4
1148,5
1144,3
1139,7
20
3402
-16,5
230,0
1150
1160,7
1156,7
1154,1
1147,7
21
3376
-17,8
243,2
1158
1169,1
1165,0
1160,5
1155,8
22
3356
-19,1
256,6
1166
1177,6
1173,3
1168,7
1163,9
23
3330
-20,6
270,0
1174
1186,1
1181,7
1177,0
1172,0
24
3310
-15,7
283,7
1182
1194,7
1190,1
1185,3
1180,3
25
3289
-8,8
297,5
1190
25,2
0,0 a
Catatan: Massa NaCl yang diperlukan = (massa NaCL murni yang diperlukan)/(% kemurnian). b
Massa air per satuan volume = Massa brine dikurang massa NaCl.
b. Menentukan bilangan Prandtl (Pr) 1) 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook, SI Edition, 1791 Tullie Circle, N. E., Atlanta, GA 30329, Table 2, p. 21.2
36
Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)
c. Menentukan bilangan Rayleigh (Ra) Nilai Bilangan Rayleigh adalah hasil kali bilangan Grashof dengan bilangan Prandtl. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi yang mengalir dari plat baja ke daerah brine dapat ditentukan dari nilai temperatur dinding pada pelat baja. Karena temperatur dinding pada plat baja belum diketahui maka dapat menggunakan beberapa asumsi untuk nilai temperatur dinding plat baja tersebut. Untuk menentukan beberapa parameter perhitungan panas yang mengalir dari dasar tangki ke daerah brine, maka perlu diketahui beberapa ketentuan. 1. Nilai densitas brine Nilai densitas brine dapat diketahui dari tabel sifat-sifat brine (lihat tabel 4.2). Nilai tersebut dapat ditentukan dari temperatur brine dan % massa kemurnian brine. Temperatur brine yang diketahui adalah -12oC dan % massa kemurnian brine sebesar 21% (Sumber: Quality Control . Karena nilai temperatur brine tersebut tidak diketahui di tabel, maka dengan menggunakan metode interpolasi, nilai densitas brine tersebut dapat diketahui. NaCl2
Panas
Murni,
Spesifik
%
pada
Massa
o
Awal Pengkristalan, o
Densitas pada o
Densitas pada Bermacam
3
Temperatur, kg/m3
16 C, kg/m
C
NaCl2
Brine
-20oC
-10oC
0o C
10oC
15 C, J/(kg.K)
21
3376
-17,8
243,2
1158
1169,1
1165,0
1160,5
1155,8
22
3356
-19,1
256,6
1166
1177,6
1173,3
1168,7
1163,9
Dari tabel tersebut, nilai densitas brine dapat diketahui. Diketahui: 37
Tbrine = -12oC (data dari Quality Control) % massa brine = 21% (data dari Quality Control) Maka nilai densitasnya:
(− 20 C ) − (− 10 C ) = (1169,1 kg m ) − (1165,0 kg (− 20 C ) − (− 12 C ) (1169,1 kg m ) − ρ (− 10 C ) = 4,1 kg m (− 8 C ) (1169,1 kg m ) − ρ o
o
o
o
3
m3
3
)
3
o
o
3
1,25 = 1169,1 kg/m3 - ρ =
4,1 kg m 3 1169,1 kg m 3 − ρ
(
)
4,1 kg m 3 1,25
= 3,28 kg/m3
ρ = (1169,1 – 3,28) kg/m3 = 1165,82 kg/m3 2. Nilai Viskositas kinematik Nilai viskositas kinematik brine, dapat ditentukan dengan membagi nilai viskositas dinamik terhadap densitasnya. Nilai viskositas dinamik dapat ditentukan dengan membaca grafik pada gambar 4.3. Diketahui: Tbrine = -12oC (data dari Quality Control) % massa brine = 21% (data dari Quality Control) Dari data tersebut dapat ditentukan viskositas dinamiknya dengan menarik garik tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai viskositas dinamiknya. Nilai viskositas dinamik brine menurut hasil pengukuran sebesar = 4,65 mPa . s Dari hasil tersebut dapat ditentukan nilai viskositas kinematiknya.
υ =
µ ρ 38
=
4,65 mPa . s 1165,82 kg m 3
=
0,00465 Pa . s 1165,82 kg m 3
N .s m2 = 1165,82 kg m 3 0,00465
kg . m s 2 0,00465 .s m2 = 1165,82 kg m 3
kg .s m. s 2 = 1165,82 kg m 3 0,00465
=
0,00465 kg (m.s ) 1165,82 kg m 3
= 3,98861 × 10-6 m2/s 3. Konduktivitas panas brine Nilai konduktivitas panas brine dapat ditentukan dengan mengetahui temperatur brine dan % massa brine. Nilai tersebut dapat ditentukan dengan membaca grafik pada gambar 4.4.
39
Gambar 4.4. Konduktivitas panas Sodium Chloride Brines
Diketahui: Tbrine = -12oC (data dari Quality Control) % massa brine = 21% (data dari Quality Control) Dari data tersebut dapat ditentukan konduktivitas panas dengan menarik garis tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai konduktivitasnya. Nilai konduktivitas panas brine menurut hasil pengukuran sebesar 0,43 W/(m.K). 4. Panas spesifik brine Nilai panas spesifik brine dapat ditentukan dengan mengetahui temperatur brine dan % massa brine. Nilai tersebut dapat ditentukan dengan membaca grafik pada gambar 4.5.
40
Gambar 4.5. Panas spesifik Sodium Chloride Brines
Diketahui: Tbrine = -12oC (data dari Quality Control) % massa brine = 21% (data dari Quality Control) Dari data tersebut dapat ditentukan nilai panas spesifik dengan menarik garis tegak lurus temperatur brine ke garis melingkar % massa brine. Setelah itu dapat ditarik garis lurus horisontal untuk menentukan nilai panas spesifiknya. Nilai panas spesifik brine menurut hasil pengukuran sebesar 3,365 kJ/(kg.K)
41
Dari hasil perhitungan didapatkan data-data hasil perhitungan sifat-sifat brine yaitu: Fluida
= Sodium Chloride
X [mass %]
= 21,00
T [°C]
= -12,00
Density [kg/m3]
= 1165,82
Specific heat [kJ/(kg.K)]
= 3,365
Conductivity [W/(m.K)]
= 0,43
Dynamic viscocity [mPa·s]
= 4,65 mPa . s
2
Kinematic viscocity [m /s]
= 3,98861 × 10-6
Freeze point [°C]
= -17,95
Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode tryal error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding plat baja (T4) adalah -11,74212oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan. Bilangan Grashoff: Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
dimana: g
= percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC)
Tf = Temperatur film,
T4 + To o ( C) 2
L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s)
42
Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
9,81 m s 2 . =
1 − 11,74212 + (− 12) 2
o
C −1 . (- 11,74212 − (- 12 )) C . 20 3 m 3 o
(3,98861× 10 )
-6 2
m4 s
2
= 4,93305× 1015 Bilangan Prandtl: Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)
Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr = 4,93305× 1015 . 1 = 4,93305× 1015 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,27 (4,93305× 1015 . 1)1/4 = 2262,2782055 Koefisien perpindahan panas: ho = =
Nu . k o L 2.262,2782055 × 0,43W (m. K ) 20 m
2.262,2782055 × =
(
0,43 kcal h.m.o C 1,162222 20 m
) 43
=
=
(
)
(
2.262,2782055 × 0,0043021W cm.o C 20 m
(
)
0,0043021 W m.o C 0,01 20 m
2.262,2782055 × =
=
)
0,369981 W cm.o C 86 20 m
2.262,2782055 ×
=
(
2.262,2782055 × 0,369981 kcal h.m.o C 20 m
(
2.262,2782055 × 0,43021W m.o C 20 m
)
)
= 48,673619 W/(m2.oC) Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari dasar tangki. R1 = b1 (k1 . A)
(
(
)
= 0,15 m 0,76 W m. o C × 170 m 2
)
= 0,001160991 oC/W R2 = b2 (k 2 . A)
(
(
)
= 0,13 m 0,045W m. oC ×170 m 2
)
= 0,016993464 oC/W
44
R3 = b3 (k3 . A)
(
(
)
)
)
)
= 0,006 m 21,76 W m. oC ×170 m 2 = 1,62197× 10-6 oC/W Ro = 1 (ho . A)
(
(
= 1 48,673619 W m 2 . o C × 170 m 2 = 1,20853× 10-4 oC/W Maka:
Rtotal = (0,001160991 + 0,016993464 + 0,016993464 + 1,20853× 10-4) oC/W = 0,01827693 oC/W Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari dasar tangki adalah: Q = =
Ti − To Rtotal
{27 − (− 12)} o C 0,01827693 o C W
= 2.133,837606 Watt Untuk menentukan temperatur T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut: Q =
T1 − T2 R1
T2 = T1 – R1. Q = 27oC – (0,001160991 oC/W × 2.133,837606 W) = 24,5226344 oC
Q =
T2 − T3 R2
T3 = T2 – R2. Q = 24,5226344 oC – (0,016993464 oC/W × 2.133,837606 W) = -11,7386583 oC
45
Q =
T3 − T4 R3
T4 = T3 – R3. Q = -11,7386583 oC – (1,62197 × 10-6 oC/W × 2.134,751737 W) = -11,7421193 oC
Ketelitian:
ε = =
T4
asumsi
T4
− T4
perhitungan
perhitungan
× 100%
− 11,74212 − (− 11,7421193) − 11,7421193
× 100%
= 0,000006% Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari dasar tangki dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.6.
www.perum prasarana perikanan .com Gambar 4.6. Hasil perhitungan beban pendingin dari dasar tangki menggunakan Microsoft Excel
46
4.2.2 Panas dari udara Ruangan Melalui Sisi Tangki kiri dan kanan Perencanaan melalui sisi kiri-kanan tanki: beton-styrofoam-pelat baja
Ti = 32oC
T1
L = 20 m
T2
T3 To = -12oC
T4 b1 = 150 mm b2 = 130 mm b3 = 6 mm
Gambar 4.7. Skematik beban panas dari sisi kiri dan kanan tangki pembeku
Q
Ti
T1 Ri =
1 hi . A
T2 R1 =
b1 k 1 .A
T3 R2 =
b2 k 2 .A
To
T4 R3 =
b3 k 3 .A
Ro =
1 ho . A
Gambar 4.8. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari sisi kiri dan kanan tangki pembeku
Keterangan: Ti = Temperatur udara ruang, 32oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton = 0,76 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,584)
47
k2 = Konduktifitas panas Styrofoam = 0,045 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,585) k3 = Konduktifitas pelat baja = 21,76 W/(m.oC) (Koestoer Artono Raldi, “Perpindahan Kalor”, Hal. 409) ko = Konduktifitas brine = 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) = 0,369981 kcal/h.m.oC = 0,004302 W/cm.oC = 0,43021 W/m.oC L = Panjang penampang tangki pendingin, 20 m Lebar penampang tangki pendingin, 1,05 m A = Luas penampang = 20 m × 1,05 m = 21 m2 Karena perhitungan brine tank dari sisi kanan dan kiri memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut: Nu = C (Gr . Pr )
n
Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.
Karena beban pendingin pada sisi kanan dan kiri berbentuk plat vertikal, maka konstanta C dan eksponen n dapat dilihat pada tabel 4.3. di bawah ini: Tabel 4.3. Konstanta C dan n untuk temperatur dinding seragam pada plat datar Jenis aliran Laminar Turbulen
GrL Pr
C
N
4
9
0,59
¼
9
13
0,10
1/3
10 - 10 10 - 10
Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding beton (T1) dan plat baja (T4) adalah 48
22,5175oC dan -11,969487oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding beton dan plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan. Bilangan Grashoff: Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
dimana: g
= percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC)
Tf = Temperatur film,
T4 + To o ( C) 2
L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s)
Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
9,81 m s 2 . =
1 − 11,969487 + (− 12) 2
o
C −1 . (- 11,969487 − (- 12 )) C . 20 3 m 3 o
(3,98861× 10 )
-6 2
m4 s
2
= 4,93305× 10-15
Bilangan Prandtl: Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)
Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr 49
= 4,93305× 10-15 . 1 = 4,93305× 10-15 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,10 (4,93305× 10-15 . 1)1/3 = 17.023,09864 Koefisien perpindahan panas: ho = =
Nu . k o L
(
17.023,09864 × 0,43021W m. o C 20 m
)
= 366,1757099 W/(m2.oC) Karena bagian luar brine tank berhubungan langsung dengan udara ruang, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya dapat menggunakan persamaan berikut. hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4
{
}
= 1,42 × (32 − 22,5175) C 20 m o
14
= 1,178315 W/(m2.oC) Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri.
Ri = 1 (hi . A)
(
(
)
= 1 1,178315W m 2 . o C × 21 m 2
) 50
= 0,0404128 oC/W R1 = b1 (k1 . A)
(
(
)
= 0,15 m 0,76 W m. oC × 21 m 2
)
= 0,009398496 oC/W R2 = b2 (k 2 . A)
(
(
)
= 0,13 m 0,045W m. oC × 21 m 2
)
= 0,137566138 oC/W R3 = b3 (k3 . A)
(
(
)
= 0,006 m 21,76 W m. oC × 21 m 2
)
= 1,31303× 10-5 oC/W Ro = 1 (ho . A)
(
(
)
= 1 366,1757099 W m 2 . o C × 21 m 2
)
= 1,30044× 10-4 oC/W Maka: Rtotal = (0,0404128 + 0,009398496 + 0,137566138 + 1,31303× 10-5 + 1,30044× 10-4) oC/W = 0,187520627 oC/W Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari dasar tangki adalah: Q = =
Ti − To Rtotal
{32 − (− 12)} o C 0,187520627 o C W
= 234,6408531 Watt 51
Untuk menentukan temperatur T1, T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut: Q =
Ti − T1 Ri
T1 = Ti – Ri. Q = 32oC – (0,0404128oC/W × 234,6408531 W) = 22,51750165oC
Q =
T1 − T2 R1
T2 = T1 – R1. Q = 22,5175oC – (0,009398496oC/W × 234,6408531 W) = 20,31222882oC
Q =
T2 − T3 R2
T3 = T2 – R2. Q = 20,3122288oC – (0,137566138oC/W × 234,6408531 W) = -11,96640706oC
Q =
T3 − T4 R3
T4 = T3 – R3. Q = -11,96640706oC – (1,31303× 10-5oC/W × 234,6408531 W) = -11,96714674 oC
Ketelitian: Untuk T1:
ε = =
T1
asumsi
T1
− T1
perhitungan
perhitungan
×100%
22,5175 − 22,51750165 22,51750165
× 100%
= 0,000007%
52
Untuk T4:
ε = =
T4
asumsi
T4
− T4
perhitungan
perhitungan
× 100%
− 11,969487 − (− 11,96948795) − 11,96948795
× 100%
= 0,000008% Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari sisi kanan dan kiri dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.9.
www.perum prasarana perikanan .com Gambar 4.9. Hasil perhitungan beban pendingin dari sisi kanan dan kiri menggunakan Microsoft Excel
4.2.3 Panas dari udara Ruangan Melalui Sisi Tangki depan dan belakang Perencanaan sisi depan-belakang tanki beton-styrofoam-pelat baja
53
T1 = 24,9oC
T2
L = 8,5 m
Ti = 32oC
T3 To = -12oC
o
T4 = -4,9 C b1 = 150 mm b2 = 130 mm b3 = 6 mm
Gambar 4.10. Skematik beban panas dari sisi depan dan belakang tangki pembeku Q
Ti Ri =
T1
1 hi . A
R1 =
T2
b1 k 1 .A
T3 R2 =
b2 k 2 .A
T4 R3 =
To
b3 R = 1 o ho . A k 3 .A
Gambar 4.11. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari sisi depan dan belakang tangki pembeku.
Keterangan: Ti = Temperatur udara ruang, 32oC To = Temperatur brine, -12oC b1 = Tebal beton, 150 mm = 0,15 m b2 = Tebal styrofoam, 130 mm = 0,13 m b3 = Tebal pelat baja, 6 mm = 0,006 m k1 = Konduktifitas panas beton = 0,76 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,584) k2 = Konduktifitas panas Styrofoam = 0,045 W/m oC (Holman J.P. Perpindahan panas, table A-3 p,585) k3 = Konduktifitas pelat baja = 21,76 W/(m.oC) (Koestoer Artono Raldi, “Perpindahan Kalor”, Hal. 409) 54
ko = Konduktifitas brine = 0,43 W/(m.K) (ASHRAE, Fundamental Handbook, 2001, p. 21.4) = 0,369981 kcal/h.m.oC = 0,004302 W/cm.oC = 0,43021 W/m.oC L = Panjang penampang tangki pendingin, 8,5 m Lebar penampang tangki pendingin, 1,05 m A = Luas penampang = 8,5 m × 1,05 m = 8,925 m2 Karena perhitungan brine tank dari sisi depan dan belakang memiliki temperatur dinding yang seragam, maka nilai Bilangan Nusselt rata-ratanya dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan berikut:
Nu = C (Gr . Pr )
n
Sumber: Koestoer, Artono, Raldi, “Perpindahan Kalor”, Edisi Kesatu, Salemba Teknika, 2002, Hal. 91.
Karena beban pendingin pada sisi kanan dan kiri berbentuk plat vertikal, maka konstanta C dan eksponen n dapat dilihat pada tabel 4.3. (lihat halaman IV-16). Tabel 4.3. Konstanta C dan n untuk temperatur dinding seragam pada plat datar Jenis aliran
GrL Pr
C
N
Laminar
104 - 109
0,59
¼
Turbulen
109 - 1013
0,10
1/3
Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding beton (T1) dan plat baja (T4) adalah 23,776649oC dan -11,968375oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding beton dan plat baja, maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan. Bilangan Grashoff:
55
Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
dimana: g
= percepatan gravitasi (m/s2) = koefisien temperatur, 1/Tf (1/oC)
Tf = Temperatur film,
T4 + To o ( C) 2
L = panjang plat (m) = viskositas kinematik (m2/s)
Gr =
g (T4 − To ) L3 v2
9,81 m s 2 .
=
1 − 11,968375 + (− 12 ) 2
o
C −1 . (- 11,968375 − (- 12 )) C . 8,5 3 m 3 o
(3,98861× 10 )
-6 2
m4 s
2
= 3,78689× 10-14 Bilangan Prandtl: Karena konveksi yang terjadi pada brine tank tersebut terjadi di zat cair, maka nilai bilangan Prandtl disesuaikan oleh Holman sebesar 1,0 (sumber: Holman JP, “Perpindahan Kalor”, Edisi Keenam, Hal. 320)
Bilangan Rayleigh: Ra = Gr.Pr = 3,78689× 10-14 . 1 =3,78689× 10-14 Bilangan Nusselt: Nu = C (Gr.Pr)n = 0,10 (3,78689× 10-14. 1)1/4 = 7.234,816921 Koefisien perpindahan panas: 56
ho = =
Nu . k o L
(
)
7.234,816921 × 0,43021W m. o C 8,5 m
= 366,1757099 W/(m2.oC) Karena bagian luar brine tank berhubungan langsung dengan udara ruang, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya dapat menggunakan persamaan berikut. hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4
{
}
= 1,42 × (32 − 23,776649 ) C 8,5 m o
14
= 1,408302077 W/(m2.oC) Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri. Ri = 1 (hi . A)
(
(
)
= 1 1,408302077 W m 2 . o C × 8,925 m 2
)
= 0,079560216 oC/W R1 = b1 (k1 . A)
(
(
)
= 0,15 m 0,76W m. oC × 8,925 m 2
)
= 0,022114109 oC/W R2 = b2 (k 2 . A)
(
(
)
= 0,13 m 0,045W m. oC × 8,925 m 2
)
= 0,32368503 oC/W R3 = b3 (k3 . A)
(
(
)
= 0,006 m 21,76 W m. o C × 8,925 m 2
)
= 3,08947× 10-5 oC/W Ro = 1 (ho . A) 57
(
(
)
= 1 366,1757099 W m 2 . o C × 8,925 m 2
)
= 3,05986× 10-4 oC/W Maka: Rtotal = (0,079560216 + 0,022114109 + 0,32368503 + 3,08947× 10-5 + 3,05986× 10-4) oC/W = 0,425696236 oC/W Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari sisi depan dan belakang adalah: Q = =
Ti − To Rtotal
{32 − (− 12)} o C 0,425696236 o C W
= 103,3600871 Watt Untuk menentukan temperatur T1, T2, T3 dan T4 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:
Q =
Ti − T1 Ri
T1 = Ti – Ri. Q = 32oC – (0,079560216 oC/W × 103,3600871 W) = 23,776649 oC
Q =
T1 − T2 R1
T2 = T1 – R1. Q = 23,776649oC – (0,022114109 oC/W× 103,3600871 W) = 21,49093279 oC
Q =
T2 − T3 R2
T3 = T2 – R2. Q = 21,49093279oC – (0,32368503oC/W× 103,3600871 W) 58
= -11,96518004oC
Q =
T3 − T4 R3
T4 = T3 – R3. Q = -11,96518004oC – (3,08947× 10-5 oC/W× 103,3600871 W) = -11,96837332 oC
Ketelitian: Untuk T1:
ε = =
T1
asumsi
T1
− T1
perhitungan
perhitungan
×100%
23,776649 − 23,77664911 23,77664911
× 100%
= 0,0000005% Untuk T4:
ε = =
T4
asumsi
T4
− T4
perhitungan
perhitungan
× 100%
− 11,968375 − (− 11,96837332 ) − 11,96837332
× 100%
= 0,000014% Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari sisi kanan dan kiri dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.12.
59
www.perum prasarana perikanan .com Gambar 4.12. Hasil perhitungan beban pendingin dari sisi depan dan belakang menggunakan Microsoft Excel
4.2.4 Panas dari Udara Ruangan Melalui Tutup Tanki, Perencanaan tutup tanki terbuat dari bahan kayu jenis Mapel. Ti = 32oC
b = 0,05 m
T1
T2 L = 20 m o
To = 5 C Gambar 4.13. Skematik beban panas dari tanah melalui tutup tangki pembeku
60
Q
Ti
T1
Ri =
1 R1 = k 1 b1 .A hi . A
T2
To
1 Ro = ho . A
Gambar 4.14. Resistansi gabungan pada beban pendingin dari tanah melalui tutup tangki pembeku
Keterangan: Ti = temperatur udara ruang, 32oC To = temperatur udara di dalam tangki, 5oC b1 = tebal kayu, 50 mm =0,05 m k1 = konduktivitas panas kayu jenis Mapel = 0,166 W/m oC (Holman J.P, Perpindahan panas, table A-3 p,584) L = Panjang penampang tutup tangki pendingin, 20m Lebar penampang tutup tangki pendingin, 8,5m A = Luas penampang = 20m × 8,5m = 170 m2 Karena fluida yang berhubungan dengan dinding atas dan bawah tutup tangki adalah udara, maka untuk menghitung koefisien perpindahan panasnya menggunakan persamaan berikut:
∆T h = 1,42 L
1/ 4
(Khanna, “Heat and Mass Transfer”, p. 202)
Dari hasil perhitungan Microsoft Excel dengan menggunakan metode trial error, asumsi yang tepat untuk temperatur dinding kayu (T1) dan dinding kayu bagian dalam (T2) adalah 20,615oC dan 16,385oC. Dengan ditentukan nilai temperatur dinding kayu (T1) dan dinding kayu bagian dalam (T2), maka dapat ditentukan beberapa parameter perhitungan.
61
Koefisien perpindahan panas antara tutup tangki dengan udara ruang: hi = 1,42 [(Ti – T1)/L]1/4
{
}
= 1,42 × (32 − 20,615) C 20 m o
14
= 1,233428855 W/(m2.oC) ho = 1,42 [(T2 – To)/L]1/4
{
}
= 1,42 × (16,385 − 5) C 20 m o
14
= 1,233428855W/(m2.oC) Dari hasil perhitungan tersebut di atas, maka dapat diketahui nilai resistansi total pada brine tank dari sisi kanan dan kiri. Ri = 1 (hi . A)
(
(
)
= 1 1,23342885W m 2 . o C × 170 m 2
)
= 0,004769 oC/W R1 = b1 (k1 . A)
(
(
)
= 0,05 m 0,166 W m. oC × 170 m 2
)
= 0,001771793 oC/W
Ro = 1 (ho . A)
(
(
)
= 1 1,233428855W m 2 . o C × 170 m 2
)
= 0,004769106 oC/W Maka: Rtotal = (0,004769 + 0,001771793 + 0,004769106) oC/W = 0,011310005 oC/W
62
Laju alir Perpindahan panas yang mengalir dari tutup tangki adalah: Q = =
Ti − To Rtotal
{32 − 5} o C 0,011310 o C W
= 2387,2668Watt Untuk menentukan temperatur T1 dan T2 dapat diketahui dengan mengunakan persamaan sebagai berikut: Q =
Ti − T1 Ri
T1 = Ti – Ri. Q = 32oC – (0,004769oC/W × 2387,2668 W) = 20,6148714 oC
Q =
T1 − T2 R1
T2 = T1 – R1. Q = 21,6148714oC – (0,001771793oC/W × 2387,2668 W) = 16,38512 oC
Ketelitian: Untuk T1:
ε = =
T1
asumsi
T1
− T1
perhitungan
perhitungan
×100%
20,615 − 21,6148714 21,6148714
× 100%
= 0,000624% Untuk T2:
ε =
T2
asumsi
T2
− T2
perhitungan
perhitungan
× 100%
63
=
16,385 − 16,38512 16,38512
× 100%
= 0,000785% Hasil-hasil perhitungan beban pendingin brine tank dari tutup tangki dihitung menggunakan Microsoft Excel dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.15.
www.perum prasarana perikanan .com Gambar 4.15. Hasil perhitungan beban pendingin dari tutup tangki menggunakan Microsoft Excel
4.3
Panas yang Diambil Evaporator Dari beban produksi (product load) yang harus diambil evaporator untuk
mengubah air menjadi es:
[
]
Qe = m C p .(Tin − Te ) + C p .(Te − To )
64
Keterangan: m = kapasitas produksi per jam (freezing time 24 jam)
= 50.000 kg/hari = 2.083,333 kg/jam Cp = panas jenis air, 4,184 kJ/kg oC (Cengel & Boles, Thermodynamics and
engineering Approach, table A3 p.766) Tin = temperatur air masuk, 28 oC (data operasi pabrik) Te = temperatur titik beku air (es), 0 oC To = temperatur brine, -12 oC
Cf = panas jenis es, 2,11 kJ/kg oC (Cengel & Boles, Thermodynamics and engineering Approach, table A3 p.767) Karena panas yang diambil dari air ke evaporator digunakan untuk pembuatan es, maka nilai panas laten pembentukan diperlukan untuk perhitungan panas evaporator. Sehingga:
[
]
Qe = m C p .(Tin − Te ) + hie + C p .(Te − To )
di mana: hif = panas laten pembentukan, 335,2 kJ/kg (Ashrae 1998, p 11.38) Maka:
[
]
Qe = m C p .(Tin − Te ) + hie + C p .(Te − To )
= 2.083,333 kg/jam . [4,184 kJ/(kg.oC)× (28-0)oC) + 335,2 kJ/kg + 2,11 kJ/(kg.oC) × (0-(-12)oC] = 995.150 kJ/jam = 276,4305556 kJ/s = 276,4305556 kW = 276.430,5556 Watt Dari hasil perhitungan tiap-tiap beban pendingin pada freeze tank, maka total beban pendingin adalah:
65
=
Qtotal
Qdari dasar tangki
+
(2× Qdari sisi kanan− kiri )
+
(2 × Qdari sisi depan−belakang )
+
Qdari tutup tangki + Q yang diambil evaporator = (2133,837606 + (2× 234,6408531) + (2× 103,3600871) + 2387,266842 + 276.430,5556) Watt = 281.289,6609 Watt = 281,2896609 kW Karena menggunakan tiga buah unit brine tank, maka total beban pendinginnya adalah: Qtotal = 3× 281,2896609 kW
= 843,8689828 kW Untuk
menanggulangi
beban
akibat
kebocoran-kebocoran,
maka
beban
keseluruhan harus ditambah 10% dari beban keseluruhan. Sehingga:
Qtotal = 843,8689828 kW + (10%× 843,8689828) kW = 928,2558 kW Kompresor yang terpasang pada sistem refrigerasi ini adalah kompresor dengan spesifikasi data sebagai berikut: Merk
: Surely
Jenis
: Reciprocating Compressor Multi Cylinder
Model
: VZ – 6A x 4 set
Jumlah silinder
: 8 silinder
Diameter silinder
: 132 mm
Panjang langkah torak
: 106 mm
Putaran
: 1000 rpm
Jumlah tingkat tekanan
: Satu tingkat
Refrigeran
: Amonia (NH3)
Kapasitas refrigerasi
: 257.100 kcal/jam/set = 257.100 × 4,184 = 1.075.706,4 kJ/jam = 298,8073333 kJ/s = 298,8073 kW 66
Minyak pelumas
: Clavus Oil 46
Pabrik pembuat
: Hasegawa Refrigerating Industries, LTD Osaka Japan
Maka kompresor yang dibutuhkan adalah sebanyak : n =
=
Q total Pcomp
928,255881 kW 298,8073 kW
= 3,10653 Maka kompresor yang digunakan adalah sebanyak 4 buah. Hasil-hasil perhitungan panas yang diambil evaporator dan total beban pendingin dihitung dengan menggunakan Microsoft Excel dan perhitungannya dapat dilihat pada gambar 4.16.
www.perum prasarana perikanan .com Gambar 4.16. Hasil perhitungan panas yang diambil evaporator dan total beban pendingin menggunakan Microsoft Excel
67
