BAB V PEMILIHAN KOMPONEN MESIN PENDINGIN 5.1
Pemilihan Kompresor Kompresor berfungsi menaikkan tekanan fluida dalam hal ini uap
refrigeran dengan temperatur dan tekanan rendah yang keluar dari evaporator dikompresikan sehingga menjadi uap refrigeran yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Uap refrigeran yang keluar dari kondensor untuk didinginkan sehingga menjadi cairan refrigeran. Komponen yang digunakan dalam desain ini disesuaikan dengan refrigeran yang digunakan (R717) Amonia yaitu kompresor torak (Reciprocating Compressor). Spesifikasi pabrik es di antaranya: Ukuran ruangan: 30.500 mm × 32.400 mm Ukuran Tangki pembeku: Aprox 8500 × 20000 L × 1050 D Motor penggerak kompresor Merk
: Mitsubishi Super Line
Jenis
: Motor induksi, 6 kutub
Tipe
: 3B – FH
Putaran
: 970 rpm
Tegangan
: 380 Volt, 239 Ampere
Fasa
: 3 fasa
Daya
: 125 kW
Efisiensi motor
: 75 %
WC = Wel mot ×η tot
: 125 × 0,75 = 93,75 kW
Pabrik pembuat
: Mitsubishi Electric Coorporation Japan.
5.2
Proses Refrigerasi Dalam siklus refrigerasi yang dilukiskan adalah suatu siklus refrigerasi
saturasi teoritis dengan mengasumsikan uap refrigerasi meningkatkan evaporator dalam keadaan uap jenuh pada tekanan dan temperatur evaporasinya, serta keluar 68
ke kondensor dalam keadaan cair jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasinya.
Panas di buang dikondensor 2
3
Jatuh tekan melalui katup ekspansi
1
4
Efek refrigerasi
Kerja kompresor
Gambar 5.1. Proses refrigerasi
5.3
Proses Evaporasi Proses evaporasi ditunjukan oleh garis 4-1, yang terjadi di dalam
evaporator, proses ini berlangsung dalam keadaan temperatur dan tekanan konstan dari tabel properties zat pendingin R-NH3 (Amonia) didapat data sebagai berikut: Temperatur
T1 = Te = -15oC
Tekanan
P1 = Pe = 0,235 MPa
Entalpi
h1 = 481,52 kJ/kg
Entropi
S1= 10,526 kJ/kg-K
5.4
Proses Kompresi Proses kompresi ditunjukan oleh garis 1-2, proses ini dilakukan oleh
kompresor secara isentropik dengan menaikkan tekanan evaporasi menjadi tekanan kondensasi dari diagram P-h untuk NH3 (Amonia) didapatkan data sebagai berikut: Temperatur
T2 = Tk = 40oC 69
Tekanan
P2 = Pk = 1,555 MPa
Entalpi
h2 = 750 kJ/kg
Kerja spesifikasi yang diperlukan selama proses kompresi sama dengan selisih besarnya entalpi uap zat pendingin, seksi keluar evaporator dan seksi masuk kondensor, kerja spesifik inilah yang harus ditanggung oleh kompresor selama proses kompresi sehingga besarnya kerja kompresor spesifik ini adalah: W comp = h2 – h1 = (750 – 481,52) kJ/kg = 268,48 kJ/kg
= m .Wcomp
Wc
= 0,8814 × 268,48 = 236,638 kJ/s = 236,638 kW 5.5
Proses Kondensasi Proses kondensasi ditunjukkan oleh garis 2-3, proses ini terjadi di
kondensor pada tekanan konstan, uap zat pendingin yang keluar dari kompresor dalam keadaan panas lanjut diturunkan temperaturnya sampai temperatur kondensasi dari tabel properties zat pendingin NH3 (Amonia) didapatkan data sebagai berikut: Temperatur
T3 = Tk = 40oC
Tekanan
P3 = Pk = 1,555 MPa
Entalpi
h3 = -571,638 kJ/kg
Besarnya kalor spesifik yang dilepaskan kondensor ke media pendinginnya adalah sebagai berikut: Qk = h2 – h3 = 750 – (-571,638) kJ/kg = 1321,638 kJ/kg
70
Q kondensor 3
2
1
4
Q refrigerasi
Q kompresor
Gambar 5.2. Proses Kondensasi
5.6
Proses Ekspansi Proses ekspansi ditunjukan oleh garis 4-1, proses ini terjadi di dalam alat
ekspansi, tekanan dan temperatur kondensasi zat pendingin diturunkan sampai mencapai tekanan dan temperatur evaporasi. Dari tabel properties dan diagram P-h zat pendingin NH3 (Amonia) didapatkan data: Temperatur
T4 = Te = -15oC
Tekanan
P4 = Pe = 0,235 MPa
Entalpi
h4 = h3 = -571,638 kJ/kg
5.7
Efek Refrigerasi Besarnya kalor yang diserap oleh sejumlah massa zat pendingin dalam
siklus ini sama dengan besar selisih entalpi titik 1 dan titik 4. Q r = h1 – h4 = 481,52 – (-571,638) kJ/kg = 1053,158 kJ/kg
71
5.8
Laju Aliran Massa Zat Pendingin Laju alir massa pada zat pendingin dapat ditentukan dengan menggunakan
metoda persamaan berikut: mr =
Qtot Qr
=
928,2558 kW 1053,158 kJ / kg
=
928,2558 kJ s 1053,158 kJ kg
= 0,8814 kg/s
5.9
Koefisien Prestasi (COP) Koefisien prestasi atau COP (Coefficient Of Performance) didefinisikan
pada refrigerasi bermanfaat sama dengan perpindahan kalor pada proses 4-1 dan daerah garis 2-3 menyatakan kalor yang dikeluarkan dari daur. Perbedaan antara kalor yang dikeluarkan dari daur dan kalor yang ditambahkan adalah kalor bersih. Koefisien prestasi siklus Carnot secara keseluruhan merupakan fungsi batasanbatasan suhu dan dapat bervariasi dari nol hingga tak terhingga. COPaktual = =
Qr × m r Pcomp 1053,158 kJ kg × 0,8814 kg s 500 kJ s
= 1,856 Dari hasil perhitungan equipment, kompresor yang terpasang pada sistem refrigerasi ini adalah kompresor dengan data 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
72
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
Minyak pelumas
: Clavus Oil 46
Pabrik pembuat
: Hasegawa Refrigerating Industries, LTD Osaka Japan
Karena menggunakan 4 buah kompressor maka motor penggerak yang digunakan juga berjumlah 4 buah maka :
WC = Wel mot ×η tot = 125 × 0,75 = 93,75 kW = 93,75 kW × 4 = 375 kW
5.10
Pemilihan Evaporator (Unit Cooler) Evaporator berfungsi menyerap panas dari ruangan yang kita kondisikan.
Prinsip kerja evaporator, cairan refrigeran yang bertemperatur dan bertekanan dalam evaporator menyerap panas dari ruangan yang bertemperatur lebih tinggi sehingga cairan refrigeran menguap. Uap refrigeran bertekanan rendah yang keluar dari evaporator masuk ke kompresor, untuk dinaikkan tekanannya hingga mencapai tekanan kondensor (condensing pressure). Dalam perencanaan ini dipakai evaporator dengan prinsip perpindahan panas secara konveksi, karena ada tiga buah brine tank yang akan dikondisikan. Maka dipilih Evaporator dengan spesifikasi sebagai berikut : Type
: Herring Bone Coil
Jumlah
: 3 set
Coil
: STPG 38 SCH (JIS g3454)
Luas permukaan
: 11/4” dia × 1.336,5 m lenght
73
5.11
Pemilihan Kondensor Kondensor berfungsi untuk melepaskan panas yang dikandung oleh uap
refrigeran yang keluar dari kompresor, sehingga uap refrigeran berubah wujud menjadi cairan refrigeran. Dalam desain ini, kondensor yang digunakan adalah kondensor jenis evaporator kondensor. Beban kalor yang harus dibuang di kondensor
Qcond = beban kalor + Daya motor kompresor = 928,2558811 kW + (125 kW × 4) = 1.428,2558811 kW
Qcond = m air . Cp (Tair keluar – Tair masuk) Qcond C p (Tair keluar − Tair masuk )
m air =
=
1.428,2558811 kW 4,175 kJ kg.o C (35 o C − 30 o C )
=
1.428,2558811 kJ s 4,175 kJ kg.o C (35 o C − 30 o C )
(
)
(
)
= 68,41944 kg/s
ρ rata− rata = =
ρ air . 35o C + ρ air . 30 o C 2 995,26 + 993,95 2
= 994,605 kg/m3 Laju alir volumetrik (volumetric flow rate) Qr =
=
m air
ρ air
68,41944kg / s 994,605 kg / m 3
= 0,068791 m3/s = 247,6476 m3/jam 74
Berdasarkan data perhitungan di atas, maka dipilih kondensor dengan spesifikasi sebagai berikut : Type
: Evaporator Condensor
Jumlah
: 4 set
Coil
: 20 A STPG × 10 ST × 63 ROW × 3,850 m
Luas permukaan
: 206,2 m2
Bahan
: Galvanis
Fan
: 3,5 DS × 3 set, Sirocco Fan
Motor
: 3,7 kW × 380 volt, 50 Hz, 3 set
Kapasitas
: 960 m3/menit
Tekanan statis
: 16 mm Aq
Casing
: SPG (32t, 23t)
Flux of water
: 900 l/min (with head of 10 m Aq)
5.12
Pemilhan Penerima Cairan Penerima cairan berfungsi menampung sementara refrigeran cair dan
kondensor sebelum masuk ke katup ekspansi. alat ini dipasang dengan maksud mengatasi kenaikkan beban pendinginan yang tiba-tiba. Dengan adanya cadangan refrigeran cair, unit cooler dapat mengatasi beban pendinginan tersebut. Selain itu penerima cairan berfungsi menyimpan refrigeran pada saat mesin direparasi atau berhenti bekerja. Dari data-data equipmen diketahui: Type
: Horisontal dan Cylinder
Refrigeran
: Amonia (NH3)
Design pressure
: 16 kg/cm2 = 1,57 MPa
Design temperatur
: 43oC
Material
Shell plate : SM . 418 End plate
Jumlah
: 1 set
Diameter
: 1538 mm
Panjang
: 6000 mm 75
Shell plate thicknkess : 19 mm End plate thickness
5.13
: 19 mm
Pemilihan Pemisah Minyak Pelumas (Oil Separator) Pemisahan minyak pelumas adalah suatu alat yang berfungsi untuk
memisahkan
minyak
pelumas
yang
tercampur
dalam
refrigeran
dan
mengembalikannya ke kompresor. Pemilihan pemisah minyak pelumas untuk kompresor bertekanan. Dari data-data equipment yang ada yaitu: Maka dipilih pemisah minyak pelumas yang ada dengan spesifikasi sebagai berikut: Tipe
: Vertical dan Cylinder
Refrigeran
: Amonia
Design Pressure
: 16 kg/cm2 = 1,57 MPa
Design Temperatur
: 140oC
Material
Shell plate SM .418 = End plate SM .418
Banyak
: 3 set
Diameter
: 618 mm
Panjang
: 1400 mm
Shell plate thickness : 9 mm End plate thickness
5.14
: 9 mm
Perencanan Sistem Perpipaan Zat Pendingin (R-717) Sistem perpipaan zat pendingin berfungsi menghubungkan komponen-
komponen mesin refrigerasi, sehingga proses operasi siklus refrigerasi dapat berlangsung. Sistem perpipaan zat pendingin dirancang dan dioperasikan dengan maksud: a. Diperoleh kesesuaian jumlah zat pendingin masuk ke evaporator. b. Diperoleh ukuran pipa yang tepat tanpa mengakibatkan jatuh tekanan berlebihan. 76
c. Jumlah minyak pelumas yang terjebak dalam sistem tidak terlalu besar. d. Melindungi kompresor dari kekurangan pelumas. e. Sistem selalu berada dalam keadaan bersih dan kering. f. Mencegah zat pendingin cair atau gumpalan pelumas masuk ke dalam kompresor selama mesin beroperasi.
5.15
Jalur Hisap (Suction Line) Pada jalur hisap dirancang agar jatuh ekivalen tidak melebihi antara 0,5-
1,5 K dan dipilih sebesar 1,5 K (Sumber: ASHRAE Handbook Refrigeration, 1998 p. 3.10) perubahan pada saturation temperatur. Perancangan dimaksudkan agar: a. Tersedia jatuh tekanan minimum pada beban penuh. b. Mengembalikan/mengalirkan minyak pelumas dari evaporator ke kompresor pada kondisi opersai minimum. c. Mencegah minyak pelumas mengalir dari evaporator yang beroperasi menuju evaporator yang tidak berfungsi.
5.16
Perhitungan untuk Jalur Hisap (Suction Line) Beban pendinginan: Ice making Room = 928,2558 kW
Diasumsikan panjang pipa untuk jalur hisap pada Ice making adalah 15 m: Panjang pipa: 15m Tambah 50% untuk perkiraan awal panjang total ekivalen: 1,5 × 15 = 22,5m Kapasitas refrigerasi untuk Φ 100mm = 897,8 kW (Sumber: ASHRAE Handbook Refrigeration, 1998) Aktual t drop t
= t × L × (Kapasitas beban pendinginan/kapasitas refrigerasi)1,8 = 0,02 × 22,5 × (928,2558/897,8)1,8 = 0,477849 K < 1,5K
Keputusan: aman memakai pipa Φ 100 mm
77
5.17
Jalur Tekan (Discharge Line) Tiga pertimbangan dalam merancang jalur tekan adalah : 1. Pada kondisi operasi beban penuh, jatuh tekan harus dalam batas-batas yang wajar. 2. Pada beban minimum sirkulasi minyak pelumas harus dapat dipertahankan. 3. Perancangan dan tata letak peralatan harus dibuat agar pada saat “shut down” tidak terjadi akumulasi zat pendingin atau minyak pelumas di
dalam kepala silinder kompresor. Perhitungan untuk jalur tekan (discharge line): Diasumsikan panjang pipa untuk jalur tekan pada ice making adalah 30 m. a. panjang pipa: 30 m b. Tambah 50% untuk perkiraan awal panjang total ekivalen: 1,5 × 30 = 45 m Kapasitas refrigerasi untuk Φ 80 mm = 1043,1 K/m Actual t drop t
=
t × L × (Kapasitas beban pendinginan/kapasitas refrigerasi)1,8
= 0,02 × 45 × (928,2558/1043,1)1,8 = 0,7295 K < 1,5K
Keputusan: aman memakai pipa Φ 80 mm Panjang pipa: 30m Line drop aktual:
t = 0,02 × 30 × (928,2558/1043,1)1,8 = 0,4863 K < 1,5 K
Keputusan: aman untuk memakai pipa Φ 80 mm
5.18
Jalur Cair (Liquid Line) Perhitungan untuk jalur cair (liquid line) Diasumsikan panjang pipa untuk jalur cair pada ice making adalah 50m a. panjang pipa 50 m b. Tambah 50% untuk panjang ekivalen total: 1,5 × 50 = 75 m c. Untuk liquid line dengan kecepatan (velocity) 0,5 m/s 78
Kapasitas refrigerasi pipa Φ 25 mm adalah 473,4 kW (Sumber: ASHRAE Handbook Refrigeration, 1998) Aktualt drop = t × L × (Kapasitas beban pendinginan/kapasitas refrigerasi)1,8 t = 0,02 × 75 × (928,2558/473,4)1,8 = 1,6340 K Panjang ekivalen aktual = 50 m t = 0,02 × 50 × (928,2558/473,4)1,8
Line drop aktual:
= 1,0893 K < 1,5K Keputusan: aman memakai pipa Φ 25 mm
5.19
Perencanaan Sistem Perpipaan Air dan Pemilihan Pompa Jenis pompa yang dipergunakan adalah jenis pompa sentrifugal Data perencanaan: Kapasitas
aliran
air dari
kondensor ke
cooling
tower
adalah:
3
47,027 m /jam (data operasi pabrik) Diameter pipa (Dl) = 2,5 inch = 0,0635 m Perhitungan untuk head total pompa
H T = H d + H s + losses
HT = H d + H s +
V2 1 V2 + f. . 2g Dd 2 g
dengan: HT = head total (m) Hd = tinggi hantar (m) Hs = tinggi hisap (m) f = faktor gesekan pipa l = panjang pipa (m) g = gravitasi (9,81 m/s) Dd = diameter pipa dalam (m) V = kecepatan aliran air (m/s)
79
Kecepatan aliran air dalam pipa berdiameter, Dd = 0,042 m adalah VCT 1 =
QCT 1 (0,01306 m 3 / s ) = Ain π (0,042) 2 / 4 m 2
= 9,431 m / s Dari tabel rapat massa dan viskositas air pada berbagai suhu didapat data:
T (oC)
Viskositas (mPa.s)
Rapat massa (kg/m3)
30
0,803
995,64
40
0,656
992,22
Viskositas air pada 38oC
ρ 38oC = =
80
