PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI SISTEM “KOMPRESI” PENDINGIN ABSORPSI MEMANFAATKAN PANAS GAS BUANG MESIN DIESEL PADA KAPAL NELAYAN IKAN DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH 3 -H 2 O) Galuh Candra P Program Sarjana Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya E-mail:
[email protected] Abstrak Kalor sisa yang sejatinya akan dilepaskan kelingkungan tanpa digunakan lebih lanjut merupakan sumber energi yang sangat ekonomis untuk digunakan bagi tujuan tertentu. Misalnya, kalor sisa hasil pembakaran (exhaust gas) mesin diesel kapal nelayan dimanfaatkan para nelayan untuk sistem refrigerasi absorpsi. Pada sistem refrigerasi absorpsi, kerja kompresor diganti dengan absorber, pompa, regenerator dan generator. Dengan cara, uap bertekanan rendah diserap di absorber kemudian tekanannya ditingkatkan dengan pompa. Regenerator digunakan untuk meningkatkan temperature (preheating) sebelum masuk generator. Exhaust gas dari mesin diesel dialirkan masuk ke generator untuk memisahkan refrigerant dari absorbennya. Persoalannya sekarang adalah bagaimana merancang absorber, regenerator dan generator yang sesuai dengan energi panas yang tersedia dari gas buang mesin diesel. Perancangan absorber, regenerator, dan generator sebagai pengganti sistem kompresi ini meliputi: analisa Thermodynamics dan Heat Transfer menggunakan metode LMTD untuk mendapatkan detail dimensi, serta mengetahui performansi dari perancangan tersebut terhadap daya yang dihasilkan oleh mesin diesel. Hasil yang didapatkan pada perancangan kali ini adalah dimensi utama absorber, regenerator, dan generator meliputi effective length sebesar 1.47 m, 0.77 m, dan 1.71 m. Dari uji performansi didapatkan hasil bahwa semakin besar panas yang diserap generator maka semakin kecil COP yang dihasilkan. Laju massa evaporator yang dapat dilepas dari generator dan panas yang dilepas absorber dipengaruhi oleh panas yang diterima generator dari exhaust gas diesel. Kata kunci : : Refrigerasi Absorpsi, Kompresi, Absorpsi, Exhaust Gas
I.1 Latar Belakang Kalor sisa yang sejatinya akan dilepaskan kelingkungan tanpa digunakan lebih lanjut merupakan sumber energi yang sangat ekonomis untuk digunakan bagi tujuan tertentu. Contohnya kalor pada exhaust sisa hasil pembakaran mesin diesel yang digunakan para nelayan untuk berlayar. Mengingat Indonesia memiliki luas perairan sebesar 5.8 juta km2 dengan potensi ikan yang diperkirakan sebanyak 6.26 juta ton per tahun, nelayan merupakan salah satu jenis mata pencaharian pokok penduduk Indonesia. Tetapi dengan potensi alam tersebut, para nelayan belum bisa memanfaatkan dengan optimal hasil tangkapan yang didapat selama ini. Hal ini sangat berkaitan dengan kurangnya pengetahuan para nelayan untuk menjaga kesegaran ikan hasil tangkapannya yang selama ini hanya menggunakan pengawet sederhana dengan pendingin es. Pengetahuan yang minim dan kurangnya modal, merupakan faktor utama bagi para nelayan untuk tidak memperhatikan masalah ini. Oleh karena itu mutu ikan yang dipasarkan masih kurang bagus. Padahal kalor sisa hasil pembakaran (exhaust gas) mesin diesel dapat dimanfaatkan untuk sistem refrigerasi absorpsi. Sistem refrigerasi absorpsi pada dasarnya tidak jauh berbeda dengan siklus kompresi uap yang membedakan adalah pada sifat dari proses kompresinya.
Pada sistem refrigerasi kompresi uap, kompresor digunakan untuk menekan uap refrigerant sehingga temperaturnya lebih tinggi dari temperatur lingkungan. Pada sistem pendingin absorpsi kompresor diganti dengan absorber, pompa,regenerator dan generator. Untuk melakukan proses kompresi tersebut, sistem pendingin absorbsi memerlukan masukan energi panas sedangkan sistem pendingin kompresi uap memerlukan masukan kerja mekanik. Oleh sebab itu sistem refrigerasi kompresi uap membutuhkan daya yang lebih besar dibanding dengan sistem refrigerasi absorpsi. Pemberian panas di generator dengan memanfaatkan kalor exhaust mesin merupakan hal yang efektif, karena kalor exhaust tersebut memiliki temperatur gas buang dari pembakaran yang sangat tinggi, yaitu 350oC sampai 420oC. Panas tersebut digunakan oleh generator untuk memisahkan larutan kuat (strongsolution)yang berupa refrigerant (NH 3 ) – absorben (H 2 O), sehingga refrigerant menguap dan terpisah dari absorbennya. Absorben yang sudah terpisah tadi dikembalikan ke absorber yang berupa larutan lemah (weak solution). Di dalam absorber ini terjadi proses pendinginan, sehingga uap refrigeran yang datang dari evaporator bisa diserap oleh absorben (proses absorpsi uap refrigerant). Dengan terjadinya penyerapan uap refrigeran oleh absorben, maka di absorber
terbentuklah larutan kuat (strong solution) yang selanjutnya akan dialirkan lagi menuju generator dengan menggunakan pompa. Larutan kuat yang keluar dari pompa mempunyai temperatur lebih rendah dari pada temperatur air (absorben) yang keluar dari generator menuju absorber. Adanya perbedaan temperatur ini, energi panas dari air dapat digunakan untuk pemanasan awal(preheating) larutan kuat dengan menggunakan heat exchanger yang kemudian disebut regenerator. Seluruh proses berkelanjutan dari absorber, pompa, regenerator dan generator pada refrigerasi absorpsi ini dapat sebagai pengganti proses kompresor pada sisitem refrigerasi kompresi uap. II. Tinjauan Pustaka 2.1 S.G. Wang (2004), Recent developments of refrigeration technology in fishing vessels Dalam penelitiannya pengembangan sistem refrigerasi untuk kapal nelayan penangkap ikan yang dahulu masih menggunakan es sebagai pengawet ikan, sekarang telah dikembangkan beberapa teknologi pendinginan. Teknologi pendingin ikan yang dikembangkan sekarang ini meliputi:
solution) yang digunakan untuk menguapkan refrigerant Ammonia dari pengikatnya (absorben) yang berupa air. Sehingga refrigerant yang berupa ammonia akan menuju ke condenser dan absorben yang berupa air week solution akan kembali ke absorber. 3. Pembuatan es (ice maker) dengan memanfaatkan exhaust gas mesin diesel DY Generator adalah peralatan pendinginan yang dirancang untuk kapal nelayan dengan tonase 100 ton. Mesin ini dirancang menggunakan refrigerant amoniak dan memanfaatkan panas exhaust gas mesin diesel. .
1. Sistem pendingin kompresi uap untuk kapal nelayan ikan tuna. Pada sistem ini refrigerant yang digunakan adalah amonia untuk menghasilkan suhu refrigerasi -12oC. Ukuran cold storage yang digunakan untuk penyimpanan ikan sebesar 50-106 m3
Gambar 2.2 Skema sistem ice maker
2. Sistem pendingin absorpsi Sistem pendingin yang digunakan memanfaatkan panas gas buang dari mesin diesel penggerak kapal yang mempunyai gas buangan dengan temperatur sekitar 350-420 OC. Mesin yang digunakan adalah mesin desel 4-stroke dengan daya total yang dihasilkan 700-1200 KW.
Sistem ice maker pada Gambar 2.2, terdiri dari mesin untuk membuat es dengan memanfaatkan sea water untuk dibekukan dan generator yang digunakan untuk menguapkan refrigeranent Ammonia. Kapasitas yang dapat dihasilkan dari mesin tersebut untuk ketebalan 1.5–2 mm adalah 33–38 kg/h dengan temperatur es -15 OC. 2.2
Gambar 2.1 Skematik system generator absorpsi Pada Gambar 2.1, dijelaskan bahwa kalor exhaust mesin sebagian diserap oleh ecomizer yang berisi oli. Kemudian oli tersebut meyerap kalor dari exhaust dan disirkulasikan oleh pompa menuju generator. Di dalam generator terjadi perpindahan panas dari oli menuju larutan Amonia-water (strong
Pongsid Srikhirin, Satha Aphornratana, Investigation of a diffusion absorption refrigerator Pongsid dan Satha melakukan studi eksperimental dengan membuat unit pendingin absorpsi yang memiliki kapasitas cukup besar, dengan amonia air -helium sebagai pasangan refrigeran-absorben-gas inert-nya. Mereka melakukan tes dengan inputan kalor pada generator sebesar 1000-2500W dan didapatkan kapasitas pendinginan sebesar 100-180W.
Gambar 2.3 Grafik Dampak Refrigerasi Fungsi Inputan Kalor pada Generator.
Gambar 2.8 Diagram siklus refrigerasi absorpsi efek tunggal III.
Gambar 2.4 Laju Massa Larutan Amonia-Air fungsi Inputan Kalor Generator Didapatkan juga kesimpulan bahwa performa system dipengaruhi oleh perbandingan laju massa amoniak yang diuapkan dengan total amoniak yang tersedia di evaporator (ε). Dan untuk mendapatkan perpindahan panas yang baik diperlukan permukaan perpindahan panas yang cukup. Seperti dapat dilihat pada grafik dalam Gambar 2.3 dan 2.4 bahwa dengan inputan kalor pada generator yang makin besar maka cooling effectnya juga meningkat, yang dikarenakan mass flow dari refrigeran juga meningkat pada evaporator. Namun pada nilai inputan sekitar 1.4kW ke atas nilai dampak refrigerasi mulai konstan ini dapat disebabkan karena besar permukaan perpindahan panas yang tetap sehingga meskipun laju refrigeran naik tetapi tidak terjadi perubahan yang signifikan.
2.3 Cara kerja sistem Refrigerasi Absorpsi Ammonia-Water (NH 3 -H 2 0) Dalam perancangan ini sistem refrigerasi yang digunakan adalah sistem absorpsi dengan menggunakan amonia-air sebagai pasangan refrigeran-absorben. Pada dasarnya komponen mesin yang digunakan dalam siklus absorpsi amonia-air sama dengan yang digunakan pada siklus absorpsi pada umumnya, namun dengan tambahan sebuah komponen yang disebut dengan rectifier yang berfungsi untuk memurnikan uap amonia dari uap air yang ikut terbawa saat proses pemanasan di generator terjadi.
Metodologi Dalam hal ini study yang dilakuakan bertempat di pelabuhan ikan Juwana, guna mendapatkan pengetahuan dan pemahaman yang jelas tentang mesin kapal ikan yang umum digunakan. Proses perencanaan diperlukan suatu kerangka perancangan sehingga akan membantu dalam pelaksanaannya nanti. Kerangka perancangan tersebut harus disusun secara sistematis dan terarah, berdasarkan permasalahan yang ditinjau. Dengan adanya kerangka perancangan ini, diharapkan proses dan hasil yang diperoleh nantinya sesuai dengan tujuan yang diinginkan. 3.1 Data Pendukung Data-data pendukung yang digunakan dalam perancangan generator dan panas gas mesin kapal penangkap ikan mempunyai peranan yang sangat penting sebagai dasar dalam menentukan langkahlangkah perancangan alat yang diinginkan. Data tersebut diantaranya didapatkan dari wawancara terhadap nelayan ataupun melihat langsung kapal penangkap ikan. Data pendukung lain diambil dari handbook (ASHRAE Systems and Equipment), beberapa textbook (Fundamentals Heat and Mass Transfer oleh Frank P. Incropera dan David P. DeWitt, Fundamental Engineering of Thermodynamics oleh Michael J. Moran dan Howard N. Shapiro, dan Heat Exchangers Selection, Rating, and Thermal Design oleh Sadik Kakac dan Hongtan Liu) serta sumber-sumber relevan lainnya seperti sistem informasi data statistik kementerian kelautan dan perikanan. 3.2 Identifikasi Kapal Ikan Penjelasan tentang kapal ikan diperlukan untuk memperoleh data-data yang akan diperlukan untuk mengoptimalkan rancangan yang dibuat. Hal ini penting
karena tanpa data-data tentang perilaku nelayan, maka rancangan yang dibuat tidak bisa diterapkan di lapangan. Oleh karena itu untuk memperoleh data-data ini dilakukan survey dan wawancara di lapangan tepatnya pelabuhan Juwana, Pati, Jawa Tengah. Berikut data-data yang menjelaskan perilaku nelayan di lapangan : 1. Lama perjalanan berlayar selama pulang pergi adalah 12 minggu, dengan rata-rata tangkapan ikan sebanyak 8 ton setiap 2 minggu sekali. 2. Pada saat menangkap ikan mesin kapal tidak dimatikan karena digunakan untuk mengangkat jaring setiap ±3 jam penangkapan dan penangkapan ikan biasanya setiap hari dilakukan ± 5 kali tangkapan. Sehingga panas mesin yang digunakan masih bisa dimanfaatkan untuk di absorpsi ke generator. 3. Dimensi lambung kapal yang dipakai nelayan saat survey adalah 21.04 m (panjang) x 7.15 m (lebar) x 2.2 m (kedalaman geladak teratas sampai tengah kapal). Dengan ukuran setiap palka adalah 2.1 m x 3 m x 2.2 m, dengan jumlah palka pada kapal yang di survey adalah 10. Dengan kebutuhan 120 balok es, setiap 2 minggu sekali. Berat 1 balok es adalah 60 kg. 4. Nelayan ikan menganggap penggunaan system refrigerasi lebih menguntungkan mereka dari segi biaya operasional berlayar. Karena mereka tidak perlu mengeluarkan biaya dalam pembelian balok es. Tapi mereka mengakui tidak cukup memadai dari segi financial dalam pembelian satu unit dan pengetahuan tentang pengoperasian system refrigerasi. Nelayan juga mengakui kurang memahami tentang penerapan teknologi tersebut apalagi dengan sistem refrigerasi absorbsi. 5. Jenis-jenis tangkapan ikan yang diperoleh pada saat berlayar adalah jenis ikan yang mempunyai nilai ekonomis antara lain tenggiri, tongkol, remang, kakap dan manyung. Dari seluruh identifikasi perilaku nelayan yang didapatkan maka akan dapat dijadikan referensi perhitungan dalam perancangan generator absorpsi, sehingga rancangan yang dibuat menjadi layak untuk diterapkan dilapangan. 3.3 Konsep Rancangan 3.3.1 Ukuran Kapal Berdasarkan data dari surat ukur internasional yang dikeluarkan oleh Kementerian Perhubungan Republik Indonesia (terlampir), diketahui bahwa dimensi kapal yang di survey mempunyai panjang seluruhnya 25.35 meter dengan ukuran pokok 7.15 m (lebar) x 2.2 m (ukuran dalam terbesar di tengah kapal hingga geladak teratas). Dan Gambar 3.1 merupakan
gambaran dari ruang mesin kapan ikan dengan ukuran 4.2 m x 3 m x 2.2 m. 3.3.2 Mesin Kapal Ikan Mesin kapal merupakan peralatan utama dalam kapal ikan. Selain digunakan sebagai motor penggerak untuk berlayar, mesin ini juga digunakan untuk menangkap ikan. Dalam perancangan ini, generator absorpsi di pasangkan pada exhaust mesin kapal memanfaatkan panas dari proses pembakaran pada mesin tersebut. Dan pada kapal yang disurvey, mesin yang digunakan adalah: Type : NISSAN DIESEL Model : RF-8 Max. Output : 340PS at 2200 rpm Cyl. Volume : 16.991 cc 3.3.3 Panas Gas Buang Pada proses pembakaran hanya sebagian dari total energi yang masuk dalam ruang bakar yang diubah dalam kerja mesin. Selain tenaga yang disalurkan pada crank shaft, sebagian akan terbuang melalui: 1. Aliran panas pada mesin yang disalurkan secara radiasi, konveksi, dan konduksi pada lingkungan 2. Saluran gas buang 3. Yang dipandahkan pada air pendingin Pembagian energi yang disuplai dari bahan bakar yang diubah dalam bentuk kerja tergantung pada karakteristik bahan bakar, penggunaan bahan bakar, desain pendingin, dan jenis desain mesin sehingga setiap mesin memiliki efisiensi yang berbeda. Tetapi pada umumnya 30% energi diubah menjadi daya kerja, 30% ikut hilang melalui exhaust, dan 30% ikut hilang melalui air pendingin yang digunakan untuk mendinginkan mesin ketika dijalakan. 3.4 Identifikasi Kalor yang Dilepas Gas Buang Mesin Diesel Dalam identifikasi gas buang, dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan pengukuran dan perhitungan. 1. Pengukuran Dapat dilakukan dengan menggunakan Anemometer. Dari anemometer akan diketahui kecepatan (Vg) gas buang, setelah itu dapat dikonversikan menggunakan rumus:
m Gas buang = ρ gas .Vg . A
2.
Perhitungan Perhitungan ini dapat dilakukan dengan menggunakan reaksi pembakaran yang terjadi pada combustion.
3.6.2 Flow Chart Perancangan
Gbr. 3.3 Skema combustion engine Dari Gambar 3.3 dapat kita dapatkan persamaan Gas buang yaitu: untuk mencari m
m Gas buang = m bb + m udara 3.5 Pengambilan Data Temperatur Gas Buang di Mesin Kapal ikan Dalam pengambilan data dilakukan pada gas buang mesin kapal. Pengukuran temperatur dengan menggunakan thermocouple infrared. Table 3.3 Data temperatur gas buang pada mesin diesel Jam 08.05 08.10 08.15 08.20 08.25 08.30 08.35 08.40 08.45 08.50 08.55
Temperatur (oC) 270.8 273.1 272.1 276.2 273.3 279.2 272.2 278.8 275.9 279.6 275.6
3.6 Diagram Alir dan Flow Chart Perancangan Generator Absorpsi 3.6.1 Perancangan Absorber, Regenerator, Generator dengan Metode LMTD Diagram alir perancangan absorber, regenerator, generator secara garis besar sebagai berikut : 1. Memasukkan input property fluida kerja (laju perpindahan panas dan temperature). Misalkan yang diketahui laju perpindahan panas (𝑞𝑞𝑔𝑔 ), temperature exhaust, temperatur evaporator yang diinginkan, temperature condersor, temperatur absorber. 2. Menganalisa konsentrasi yang terjadi pada absorber, regenerator, generator menggunakan diagram 1/T-log P 3. Mencari laju aliran massa dan LMTD 4. Memasukkan input dimensi, misalkan diameter tube, ketebalan tube, jumlah tube. 5. Mencari koefisien konveksi masing-masing fluida. 6. Mencari koefisien perpindahan panas overall. 7. Mencari pressure drop pada masing-masing sisi fluida.
IV.
PERANCANGAN DAN ANALISA
4.1. Perhitungan Perancangan Generator Gererator yang dirancang merupakan penukar kalor tertutup dengan dipilih konstruksi shell and tube, atas pertimbangan fluida yang digunakan pada refrigerant adalah Ammonia-Water (NH3-H2O) dan tekanan yang digunakan sekitar 14 bar. Di dalam
gererator terjadi perpindahan kalor dari exhaust yang terdapat pada sisi tube kepada refrigerant (ammoniawater) di dalam shell, dengan data temperatur yang dirancang terlihat pada table dibawah ini : Table 4.2 Data Temperatur pada Perancangan Generator Exhaust gas Tube side
Th in Th out
275 175
o
C C
o
573 473
K K
Ammonia-water Shell side
Tc in
85
o
358
K
Tc out (poor solution)
180
o
453
K
C C
Untuk mencari energi yang dihasilkan oleh exhaust mesin diesel yaitu dapat dicari dengan menggunakan persamaan: 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝑚𝑚̇𝑔𝑔 𝐶𝐶𝑃𝑃𝑔𝑔 �𝑇𝑇ℎ 𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇ℎ 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 � 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘 (548 − 450)𝐾𝐾 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 2.12 1.061 𝑠𝑠 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 225,1 𝐾𝐾𝐾𝐾
4.1.2 Perancangan Thermal dari Generator Jenis shell and tube Sebelum melakukan perhitungan, ditentukan terlebih dahulu data inputan awal yaitu sebagai berikut : 1. Diketahui dalam perhitungan energy yang dihasilkan oleh exhaust gas adalah 225.12 kW. 2. Refrigerasi dengan menggunakan ammoniawater dan exhaust gas sebagai penghasil energinya. Diasumsikan bahwa fluida pendingin (ammonia-water) keadaan steady masuk pada sisi shell dan exhaust gas masuk pada sisi tube dengan aliran fluidanya cross flow. Pada Perencanaan awal, ditentukan nilai-nilai seperti diameter eksternal tube, tube gauge, jumlah tube, jumlah laluan, diameter shell, square pitch, dan jarak antar baffle. Yang terlihat pada table dibawah ini : Table 4.3 Perencanaan Awal Generator
Perhitungan laju massa pada refrigerant ammonia-water pada sisi shell dapat dicari menggunakan prinsip balance energi yang terdapat pada generator. Laju massa ini dipengaruhi oleh besarnya konsentrasi pada generator, maka didapatkan hasil: 𝑄𝑄̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 𝑚𝑚̇5 ℎ5 + 𝑚𝑚̇3 ℎ3 − 𝑚𝑚̇2 ℎ2 , dimana 𝑄𝑄̇𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 𝑞𝑞𝑒𝑒𝑒𝑒 ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 225,12 𝐾𝐾𝐾𝐾 = (𝑚𝑚̇5 . 1460 + 𝑚𝑚̇3 . 720−𝑚𝑚̇2 . 150) 𝑚𝑚̇2 𝑋𝑋2 = 𝑚𝑚̇5 𝑋𝑋5 + 𝑚𝑚̇3 𝑋𝑋3 𝑚𝑚̇2 . 0,45 = 𝑚𝑚̇4 . 0,98 + 𝑚𝑚̇3 . 0,05 𝑚𝑚̇2 = 𝑚𝑚̇5 + 𝑚𝑚̇3
Perancangan
Satuan
Diameter Eksternal tube (d o )
m
Tube Gauge Jumlah Tube (Nt) Jumlah Laluan (Np)
Pass
Diameter Shell (Ds) Pitch size (Pt)
Penyelesaian dari 3 persamaan diatas menghasilkan: 𝑚𝑚̇2
𝑚𝑚̇3
𝑚𝑚̇5
𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0.253 �𝑠𝑠 𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0.144 �𝑠𝑠 𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0.109 �𝑠𝑠
4.1.1 Perhitungan laju perpindahan panas generator Dalam perancangan generator ini, laju perpindahan panasnya dibagi menjadi 2 zona yaitu zona heating dan evaporating yang mana dapat dilihat pada grafik distribusi temperatur (Gambar 4.2).
Jarak antar Baffle (B)
1 0.003404 0.134 10 260 1
m In m In
0.635 25 0.03175 1.25
m
0.254
Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan ini menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Metode LMTD dipilih karena data yang diperlukan sudah diketahui dan data yang direncanakan adalah temperatur. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan gererator. Didapatkan hasil septi dibawah ini. Item
satuan
Nud, shell shell-side coefficient (ho)
W/m2K
Nud, tube
Grafik 4.1 Distribusi Temperatur
0.0254
In m In BWG Tube
Tebal Tube
Nilai
Heating
nilai Evaporating
27.42
63.24
366.49
1250.54
71.29
59.51
tube-side coefficient (hi)
W/m2K
99.31
104.66
Clean Surface [U C ]
W/m2K
60.53
72.00
o
98.69
100.71
∆T lm
C
m2
24.19
11.12
Panjang tube, L
m
1.17
0.54
Press. Drop shell
Pa
62.23
0.24
Press. Drop tube
Pa
1684.09
2177.55
A o [c]
Item
nilai Condensing Cooling
satuan
Nud, shell shell-side coefficient (ho)
W/m2K
Nud, tube
113.798
49.585
1930.156
510.236
41.976
36.541
4.2 Perhitungan Perancangan Absorber
tube-side coefficient (hi)
W/m2K
1221.818
1024.804
Absorber yang dirancang merupakan penukar kalor tertutup, dengan konstruksi shell and tube. Di dalam absorber terjadi perpindahan kalor dari refrigerant (ammonia) dan absorben (water) yang terdapat pada sisi shell kepada coolingwater di dalam tube.
Clean Surface [U C ]
W/m2K
582.688
295.949
Table 4.6 Data Absorber Absorber inlet Ammonia (10) Ta,in = 268 K 𝑚𝑚̇𝑎𝑎 = 0.109 kg/s hg = 1455 kJ/kg
Water (4) Tw, in = 363 K 𝑚𝑚̇𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤 = 0.144 kg/s h water = 376 kJ/kg
oulet Ammonia-Water (1) Tmix, out = 308 K 𝑚𝑚̇𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 0.253 kg/s h mix = -70 kJ/kg
Dasar dari perancangan termal absorber ini adalah mengetahui laju perpindahan kalor pada absorber (q a ) dan berdasarkan pada persamaan balance energy, maka didapatkan:
𝑄𝑄̇𝑎𝑎 = 𝑚𝑚̇10 ℎ10 + 𝑚𝑚̇4 ℎ4 − 𝑚𝑚̇1 ℎ1 𝑄𝑄̇𝑎𝑎 = �0.109 𝑥𝑥 1455 + 0.144 𝑥𝑥 720 − (0.253 𝑥𝑥 − 70)� 𝑄𝑄̇𝑎𝑎 = 230.499 𝐾𝐾𝐾𝐾
Pada perancangan absorber ini, laju perpindahan panasnya dibagi menjadi 2 zona yaitu zona cooling dan condensing yang mana dapat dilihat pada grafik distribusi temperatur di bawah ini.
∆T lm
o
C
68.915
16.831
A o [c]
m2
3.439
23.050
Panjang tube, L
m
0.191
1.283
Press. Drop shell
Pa
1.137
537.037
Press. Drop tube
Pa
372.429
959.574
4.3 Perancangan Thermal dari Regenerator Jenis shell and tube Sebelum melakukan perhitungan, ditentukan terlebih dahulu data inputan awal yaitu sebagai berikut : 1. Diketahui temperatur dari fluida mixture (NH 3 H 2 O) yang dijadikan sebagai fluida sisi tube. Tabel 4.8 Temperatur sisi shell Mixture Tm in Tm out
35
o
308
K
85
o
358
K
C C
Telah diketahui sebelumnya bahwa laju massa fluida masuk generator adalah 0.254 kg/s. Maka beban regenerator sebesar : 𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 𝑚𝑚̇ ∙ (ℎ𝑚𝑚 ,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 − ℎ𝑚𝑚 ,𝑖𝑖𝑖𝑖 ) 𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 0.254 𝑘𝑘𝑘𝑘⁄𝑠𝑠 ∙ �150 − (−70)� 𝑘𝑘𝑘𝑘⁄𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 55.66 𝑘𝑘𝑘𝑘
Dari beban regenerator diatas dan dengan laju massa week solution 0.145 kg/s, temperatur keluar generator 180oC dengan h w-in = 705 kJ/kg maka dapat dilihat besarnya temperatur keluar untuk fluida week solution, yaitu
Grafik 4.2 Distribusi Temperatur Absorber Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan ini menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Metode LMTD dipilih karena data-data yang diperlukan sudah diketahui. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan absorber dan didaptkan hasil
𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 𝑚𝑚̇ ∙ �ℎ𝑤𝑤,𝑖𝑖𝑖𝑖 − ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 � 55.66 𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0.254 𝑘𝑘𝑘𝑘⁄𝑠𝑠 ∙ �705 − ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 � ℎ𝑤𝑤,𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 333 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑘𝑘𝑘
Untuk h w-out = 333 kJ/kg, berada pada temperatur 90oC, maka temperatur keluar dari regenerator melewati sisi shell adalah 90oC.
Tabel 4.10 Temperatur sisi tube
BAB V
week solution Tw in
180
o
453 K
90
o
363 K
Tw out 2.
C C
Pada perencanaan awal, ditentukan nilai-nilai seperti diameter eksternal tube, tube gauge, jumlah tube, jumlah laluan, diameter shell, square pitch, dan jarak antar baffle. Tabel 4.12 Inputan awal perancangan Perancangan
Satuan
Diameter Eksternal tube (d o )
m
0.03175
in
1.25
m
0.004572
Tebal Tube
Nilai
Tube Gauge
in BWG
0.18 7
Jumlah Tube (Nt)
tube
31 8
Jumlah Laluan (Np) Diameter Shell (Ds) Pitch size (Pt) Jarak antar Baffle (B)
pass m
0.38735
in m in m
15.25 0.0396875 1.5625 0.1
Dengan menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD) yang berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Data yang diperlukan sudah diketahui dan data yang direncanakan adalah temperatur. Data-data tersebut telah mencukupi untuk dilakukannya perencanaan regererator. Didapatkan hasil seperti dibawah ini.
Item
satuan
nilai Regenerator
Nud, shell shell-side coefficient (ho)
W/m2K
Nud, tube
43.62 743.06
tube-side coefficient (hi)
W/m2K
42.27
Clean Surface [U C ]
W/m2K
128.76
∆T lm
o
C
402.27
A o [c]
m2
73.18
Panjang tube, L
m
2.36
Press. Drop shell
Pa
0.76
Press. Drop tube
Pa
24.1
KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan Berdasarkan pada pembahasan tugas akhir ini maka setelah melalui beberapa proses perencanaan dan uji performansi dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Panas gas buang yang tersedia dari mesin diesel penggerak kapal 300oC pada keadaan steady daya yang dihasilkan sebesar 225KW. 2. Hasil design absorber, regenerator dan generator yang memanfaatkan kalor dari exhaust gas dari mesin diesel dengan menggunakan analisa thermodynamics-heat transfer sebuah sistem refrigerasi absorpsi dapat dijelaskan pada tabel dibawah ini Tabel 5.1 Daya design absorber, regenerator dan generator DAYA Generator
225
KW
Absorber
230
KW
Regenerator
55.7
KW
3. Perancangan thermal dari absorber, regenerator dan generator refrigerasi absorpsi dihasilkan panjang tube yang diperlukan ±1,5 m 4. Dari uji performansi didapatkan hasil bahwa semakin besar panas yang diserap generator maka semakin kecil COP yang dihasilkan. Laju massa evaporator yang dapat dilepas dari generator dan panas yang dilepas absorber dipengaruhi oleh panas yang diterima generator dari exhaust gas diesel.
