HALAMAN JUDUL LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN

438/Teknik Refrigerasi

HALAMAN JUDUL LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN

PENGEMBANGAN KATUP EKSPANSI AC DARI MATERIAL DENGAN KONDUKTIFITAS THERMAL RENDAH UNTUK MENGURANGI RUGI KALOR

Diajukan oleh : Bagiyo Condro Purnomo, ST, M.Eng (Ketua Tim) NIDN. 0617017605 Budi Waluyo, ST. MT (Anggota 1) NIDN. 0627057701 Muji Setiyo, ST. MT (Anggota 2) NIDN. 0627038302

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG 2017

HALAMAN PENGESAHAN

1.

Judul

: Pengembangan Katup Ekspansi AC dari Material dengan Konduktifitas Thermal Rendah Untuk Mengurangi Rugi Kalor

2. 3.

Kode/Nama Rumpun Ilmu Ketua Tim Pengusul a. Nama b. NIDN c. Jabatan/Golongan d. Program Studi e. Perguruan Tinggi f. Bidang Keahlian g. Alamat Kantor/Telp/Faks/E-mail Anggota Tim Pengusul a. Jumlah Anggota b. Nama Anggota I/bidang keahlian c. Mahasiswa yang terlibat Jangka waktu Pelaksanaan Biaya Total

: 438/Teknik Refrigerasi

4.

6. 7.

: : : : : : :

Bagiyo Condro P., ST., M.Eng 0617017605 Asisten Ahli/ Penata Muda Tk.1 Mesin Otomotif Universitas Muhammadiyah Magelang Konversi Energi Jl. Letjend. Bambang Sugeng Km.5 Magelang//0293 326945// [email protected]

: Dosen 2 (dua) orang, : Budi Waluyo, ST.,MT/Renewable Energy : Muji Setiyo, ST., MT/Konversi Energi : 2 (Dua) orang : 3 (tiga) Bulan : Rp. 4.000.000

Magelang, 23 Februari 2017 Ketua Tim Pengusul

Mengetahui, Dekan

Yun Arifatul Fatimah, ST., MT., Ph.D NIK. 987408139

Bagiyo Condro P., ST., M.Eng NIDN 0617017605

Mengetahui Ka LP3M

Dr. Heni Setyowati ER., S.Kp., M.Kes NIK. 937008062

ii

RINGKASAN

Umumnya, parameter untuk mengukur kinerja sistem pendingin udara adalah COP. Dalam analisis termodinamika sistem pendingin udara, kerugian yang terjadi pada katup ekspansi tidak cukup besar. Pada kenyataannya, fenomena lapisan pembentukan es terbentuk di sekitar katup ekspansi selama operasi sistem pendingin udara. Oleh karena itu, makalah ini menyajikan studi polytetrafluoroethylene (PTFE) sebagai bahan katup ekspansi untuk mengurangi kehilangan panas. Distribusi suhu R-134a sebelum dan sesudah katup ekspansi diamati untuk menentukan efeknya dibandingkan dengan katup ekspansi yang terbuat dari paduan aluminium. sistem AC yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem AC mobil yang digerakkan oleh motor listrik. Dari hasil tes dengan aliran massa refrigeran yang sama, katup ekspansi terbuat dari PTFE menghasilkan potensi penyerapan panas lebih besar dari katup ekspansi terbuat dari aluminium. Kesimpulannya, PTFE menjanjikan untuk dikembangkan sebagai katup ekspansi pada aplikasi sistem AC mobil. Kata Kunci : PTFE, Expansion valve, Ice formation layer, air conditioning, cooling effect

iii

PRAKATA

Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas nikmat dan karunia-Nya, laporan akhir kegiatan Penelitian Dosen Pemula internal ini dapat diselesaikan dengan baik. Program Penelitian Dosen Pemula dimaksudkan sebagai kegiatan penelitian dalam rangka membina dan mengarahkan para peneliti pemula untuk meningkatkan kemampuannya dalam melaksanakan penelitian di perguruan tinggi Pelaksanaan penelitian ini terlaksana atas bantuan dan didukung oleh sejumlah pihak. Oleh karena itu diucapkan terimakasih kepada : 1. Muji Setiyo, ST., MT., selaku Kepala divisi penelitian Universitas Muhammadiyah Magelang yang telah memberikan pengarahan dan monitoring selama pelaksanaan kegiatan penelitian. 2. Yun Arifatul Fatimah, ST., MT., P.hD. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah

Magelang

yang

telah

memberikan

pengarahan dan fasilitas selama kegiatan. Akhir kata semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak terkait, dan koreksi maupun saran sangat diharapkan untuk penyempurnaannya.

Magelang,

Pebruari 2017

Bagiyo Condro P., ST, M.Eng NIDN. 0617017605

iv

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL........................................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................................ ii RINGKASAN ................................................................................................................... iii PRAKATA ....................................................................................................................... iv DAFTAR ISI...................................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ....................................................................................................... vi DAFTAR TABEL ............................................................................................................ vii BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................1 1.1.

Latar belakang ....................................................................................................1

1.2.

Perumusan Masalah ............................................................................................3

1.3.

Tujuan Penelitian................................................................................................3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................4 BAB III. METODE PENELITIAN ....................................................................................9 3.1.

Katup Ekspansi...................................................................................................9

3.2.

Set Up Penelitian dan Peralatan ..........................................................................9

3.3.

Lokasi penelitian ..............................................................................................10

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .........................................................................11 4.1.

Distribusi Temperatur.......................................................................................11

4.2.

Prediksi Efek Pendinginan ...............................................................................11

BAB V KESIMPULAN ...................................................................................................14 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................15 Lampiran draf publikasi ...................................................................................................17

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. 1 Peristiwa icing pada katup ekpansi .................................................... 2 Gambar 2. 1 Siklus AC kompresi Uap Pada Mobil ................................................ 5 Gambar 2. 2 P-h Diagram Siklus Kompresi Uap .................................................... 5 Gambar 2. 3 Icing/ frozing pada katup ekspansi ..................................................... 7 Gambar 2. 4 Formula kimia dari PTFE ................................................................... 7 Gambar 2. 5 Formula Struktur Atom dari PTFE [19] ............................................. 7 Gambar 3. 1 Katup Ekspansi dengan bahan Aluminum (a) dan PTFE (b) ............. 9 Gambar 3. 2 Set Up Penelitian dan Peralatan ....................................................... 10 Gambar 4. 1 Distribusi temperatur pada katup ekspansi aluminium dan PTFE ... 11 Gambar 4. 2 Titik keadaan tertentu pada katup ekspansi aluminium dan PTFE .. 12

vi

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1 Titik keadaan spesifik katup ekspansi aluminium ............................... 13 Tabel 4. 2 Titik keadaan spesifik katup ekspansi PTFE ....................................... 13

vii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang

Saat ini kebutuhan Air Conditioning (AC) tidak hanya meliputi kebutuhan pendinginan suatu gedung perkantoran namun telah merebak ke berbagai kebutuhan lainnya, seperti pendinginan industri makanan, industri telekomunikasi maupun pendinginan rumah dan pendinginan alat transportasi. Bahkan, saat ini sistem AC pada kendaraan telah menjadi peralatan standar, dan penting baik pada mobil pribadi maupun bus untuk meningkatkan kenyamanan berkendara [1][2]. Sistem AC kendaraan umumnya menggunakan Sistem Kompresi Uap dengan komponen utamanya meliputi kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Penggunaan sistem AC akan mengambil energy dari mesin yang cukup besar untuk menggerakan kompresor [3]. Disamping itu selama beroperasinya kendaraan penggunaan AC akan meningkatkan emisi gas CO 2 [4][5]. Oleh karena itu, makalah ini menyajikan studi efek penggunaan katup ekspansi dengan bahan PTFE untuk mengurangi kerugian kalor. Distribusi temperatur R-134a sebelum dan sesudah katup ekspansi diamati untuk menentukan efeknya dibandingkan dengan katup ekspansi yang terbuat dari paduan aluminium. Sebuah parameter untuk mengukur performa sistem udara adalah COP, yaitu membandingkan efek refrigerasi yang dibangkitkan oleh evaporator terhadap kerja yang dilakukan kompresor [6][7][8]. Pada analisis sederhana, kerugiankerugian yang terjadi pada katup ekspansi tidak diperhitungkan. Kenyatannya, saat AC beroperasi terjadi icing pada sekeliling katup ekspansi akibat penyerapan kalor oleh refrigerant (gambar 1.1). Semestinya, untuk mendapatkan COP yang tinggi, seluruh pertukaran kalornya harus terjadi di evaporator.

1

Gambar 1. 1 Peristiwa icing pada katup ekpansi Dari observasi lapangan, hampir seluruh katup ekspansi terbuat dari material logam, umumnya alumunium paduan atau baja tuang. Baik alumunium paduan atau baja tuang, keduanya adalah meterial yang memiliki nilai konduktifitas thermal yang tinggi sehingga temperatur lingkungan akan terserap ke refrigerant yang sangat dingin setelah diekspansikan. Untuk mengatasi fenomena tersebut diusulkan katup ekspansi AC dari material dengan konduktifitas thermal rendah. Dalam hal ini, dipilih material yang terbuat dari plastik teflon (bahan plastik yang keras) untuk mencegah timbulnya lapisan es (icing). Sehingga pertukaran kalor diharapkan terjadi seluruhnya di evaporator. Untuk mendapatkan hasil yang optimal, katup ekspansi dibuat dengan desain yang dapat diatur rasio tekanannya. Studi terbaru menunjukkan bahwa polytetrafluoroethylene (PTFE) merupakan bahan yang efektif untuk aplikasi tribology karena sifat mekanik dan unik gesekan, ketahanan tinggi kimia, koefisien gesek yang rendah, dan stabilitas termal yang luar biasa. Oleh karena itu, penelitian ini meneliti penggunaan PTFE sebagai katup ekspansi pada sistem pendingin udara. Suhu distribusi sebelum dan sesudah katup ekspansi disajikan dan dibandingkan dengan katup ekspansi terbuat dari aluminium.

2

1.2. Perumusan Masalah

Bagaimana kinerja katup ekspansi yang terbuat dari material dengan konduktifitas thermal rendah dibandingkan dengan katup ekspansi dari material logam, khususnya dalam hal kerugian kalor. 1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk menginvestigasi kerugian kalor pada katup ekspansi yang terbuat dari material dengan konduktifitas thermal rendah.

3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Penggunaan sistem AC akan mengambil energy dari mesin yang cukup besar untuk menggerakan kompresor. Disamping itu selama beroperasinya kendaraan penggunaan AC akan meningkatkan emisi gas CO2 [4][5]. Oleh karena itu, makalah ini menyajikan studi efek penggunaan katup ekspansi dengan bahan PTFE untuk mengurangi kerugian kalor. Distribusi temperatur R-134a sebelum dan sesudah katup ekspansi diamati untuk menentukan efeknya dibandingkan dengan katup ekspansi yang terbuat dari paduan aluminium. Di sisi lain, potensi perusak lapisan ozon (ODP) dan potensi pemanasan global (GWP) telah menjadi isu penting dalam pengembangan refrigeran baru. Hydro-fluorocarbon (HFC) refrigeran dengan nol ODP menjadi lebih baik untuk digunakan dalam aplikasi industri otomotif. HFC refrigeran juga memiliki spesifikasi yang sesuai seperti tidak-mudah terbakar, stabilitas, dan tekanan uap sama dengan CFC dan HCFC refrigeran [9][10]. Selain itu, potensi hidrokarbon (HC) seperti propana (R-290) dan butana (R600) sebagai alternatif untuk CFC dan HFC refrigeran banyak dipelajari untuk memperbaiki pengaruh efek lingkungan. Alsaad [11] melakukan studi LPG untuk menggantikan refrigeran CFC. Campuran 24,4% propana, butana 56,4%, dan 17,2% isobutene diperoleh dari LPG rumah tangga lebih disukai. suhu evaporator mampu mencapai -15 ° C pada suhu kondensor dari 27 ° C, suhu sekitar 20 ° C, dan COP dari 3.4. Campuran R-290 dan R-600 dipelajari oleh Wongwises [12] untuk menggantikan HFC-134a. Percobaan dilakukan di bawah beban yang sama dari 25 ° C. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa R-290 / R600 pada rasio 60/40 adalah campuran yang paling tepat dari kinerja HFC-134a. analisis kinerja R290/R600a sebagai pengganti R134a juga diberikan oleh Agrawal [13] yang terbukti COP lebih tinggi dari R134a pada tekanan 80 Lb/In2 dan diameter kapiler 0,5 inci. Meskipun pada tahun terakhir sistem pendingin udara telah dikembangkan dengan sistem adsorbsi [3][14][15], sistem kompresi uap masih diandalkan sebagai sistem refrigerasi mobil komersial. Dasar sirkuit dan P-h diagram

4

kompresi A/C sistem uap disajikan pada Gambar. 2.1 dan Gambar. 2.2. Demikian juga, HFC R-134a masih menjadi pilihan untuk produksi mobil baru atau untuk penggantian. Di Indonesia, kehadiran pendingin baru seperti R-290 atau R-600 sebagai pendingin lingkungan belum diterima secara luas karena tidak sepenuhnya dipaksa oleh kebijakan pemerintah.

Gambar 2. 1 Siklus AC kompresi Uap Pada Mobil

Gambar 2. 2 P-h Diagram Siklus Kompresi Uap

5

Gambar 2.2 menunjukkan diagram tekanan dan entalpi siklus kompresi uap. Refrigerant memasuki kompresor dalam fase uap jenuh pada titik 1. refrigeran dikompresi adiabatik dan menjadi uap superheated karena peningkatan tekanan, suhu, dan entalpi seperti yang ditunjukkan oleh titik 2. refrigeran pada saat ini berada di atas suhu udara luar. Kemudian, refrigeran berangkat ke kondensor. Selama kondensor, panas dari refrigeran dilepaskan ke udara luar sehingga perubahan superheated refrigeran ke dalam uap jenuh pada titik 2a. Kemudian, refrigerant mengembun menjadi cair dengan melepaskan panas laten kondensasi. Kondensasi terus sampai semua uap cair menjadi jenuh pada titik 3. Selanjutnya, refrigeran diekspansi secara iso-entalpi melalui katup ekspansi. Ketika diekspansi, tekanan dan suhu akan turun ke bawah 0 ° C. Akibatnya, penyerapan panas akan terjadi di sekitar mulut katup ekspansi. Refrigerant mengalir melalui evaporator yang bertindak sebagai penukar panas. Refrigeran cair menguap sampai menjadi uap jenuh kemudian menuju ke kompresor untuk memulai siklus lagi [16]. Seperti diketahui, salah satu parameter untuk mengukur kinerja sistem pendingin udara COP. COP membandingkan menghasilkan efek pendingin dengan evaporator ke kompresor bekerja. Dalam analisis sederhana, kerugian yang terjadi pada katup ekspansi tidak cukup. Pada kenyataannya, fenomena lapisan pembentukan es terbentuk di sekitar katup ekspansi selama sistem pendingin udara operasi (Gambar 2.3). Dalam analisis termodinamika sistem pendingin udara, umumnya membahas secara rinci pertukaran panas di evaporator, kondensor, dan kerja kompresor. Proses ekspansi yang terjadi di katup ekspansi diasumsikan proses iso-entalpi [17]. Bahkan, selama proses ekspansi refrigeran mengambil panas. Idealnya, proses pertukaran panas dalam sistem AC sepenuhnya terjadi pada evaporator. Dari pengamatan di lapangan, hampir seluruh katup ekspansi yang terbuat dari bahan logam, biasanya paduan aluminium atau besi cor. Kedua aluminium alloy dan besi cor memiliki konduktivitas termal yang tinggi, 247 W/m.K dan 80 W/m.K, masing-masing. Akibatnya, sangat dingin pendingin suhu setelah diperluas akan dibuang ke lingkungan melalui tubuh katup ekspansi.

6

Gambar 2. 3 Icing/ frozing pada katup ekspansi Sementara itu, PTFE adalah bahan yang memiliki konduktivitas termal yang

sangat rendah dibandingkan dengan aluminium dan besi cor, sekitar 0,25 W/m.K. PTFE dikenal luas sebagai bahan isolasi panas yang banyak digunakan dalam industri, teknik, tribology, listrik, obat-obatan, untuk sektor rumah tangga. PTFE memiliki sifat yang unik, yang membuatnya berharga dalam sejumlah aplikasi [18]. PTFE memiliki titik leleh yang sangat tinggi, dan juga stabil pada suhu yang sangat rendah. Teflon yang tahan sangat panas dan tahan korosi. merek yang paling dikenal dari PTFE berbasis formula adalah Teflon. Rumus kimia dan struktur atom dari PTFE disajikan pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5, Gambar 2.4.

Gambar 2. 4 Formula kimia dari PTFE

Gambar 2. 5 Formula Struktur Atom dari PTFE [19]

7

Studi terbaru menunjukkan bahwa polytetrafluoroethylene (PTFE) merupakan bahan yang efektif untuk aplikasi tribology karena sifat mekanik dan unik gesekan, ketahanan tinggi kimia, koefisien gesek yang rendah, dan stabilitas termal yang luar biasa. Oleh karena itu, penelitian ini meneliti penggunaan PTFE sebagai katup ekspansi pada sistem pendingin udara. Suhu distribusi sebelum dan sesudah katup ekspansi disajikan dan dibandingkan dengan katup ekspansi terbuat dari aluminium.

8

BAB III. METODE PENELITIAN

3.1. Katup Ekspansi Penelitian ini menggunakan dua buah katup ekspansi yang terbuat dari PTFE dan aluminium paduan. Katup ekspansi yang terbuat dari aluminium merupakan asli dari kendaraan. Sementara itu, katup ekspansi PTFE dibuat dengan ukuran yang sama seperti aslinya. Visualisasi dari aluminium dan ekspansi PTVE valve disajikan pada Gambar 3.1 sebagai berikut.

Gambar 3. 1 Katup Ekspansi dengan bahan Aluminum (a) dan PTFE (b) 3.2. Set Up Penelitian dan Peralatan Sistem AC yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem AC mobil yang ditempatkan di stand dan digerakkan oleh motor listrik. Konfigurasi komponen utama dan alat ukur yang digunakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2. P-in merupakan tekanan tinggi sebelum katup ekspansi dan P-out adalah tekanan rendah setelah katup ekspansi. P-in dan P-out diukur dengan pengukur tekanan CLASSE REFCD 1.6. T-in adalah suhu sebelum katup ekspansi dan T-out adalah suhu setelah katup ekspansi. T-in dan T-out diukur dengan menggunakan termokopel tipe PT-100. Suhu termokopel kemudian ditampilkan menggunakan suhu displayer OMRON E5CSL-RP. Selanjutnya, suhu diambil menggunakan ponsel kamera XIOMI REDMINOTE. Pengumpulan data dilakukan pada suhu

9

sekitar 27,4 ° C dan kelembaban relatif 71,3%. Tekanan kerja refrigeran masuk kedua tipe katup ekspansi sebesar 1585 kPa, dibaca pada manifold gauge.

Gambar 3. 2 Set Up Penelitian dan Peralatan Pemeriksaan Gambar 3.2, perbedaan suhu sebelum dan sesudah katup ekspansi diamati selama 5 menit pada kedua tipe katup ekspansi yang terbuat dari PTFE dan aluminium. Perubahan suhu dicatat oleh kamera. Hasil rekaman data dibagi menjadi 100 bagian data dan diproses dengan excel. 3.3. Lokasi penelitian Kegiatan penelitian dilaksanakan di gedung laboratorium terpadu Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Magelang. Uraian lokasinya sebagai berikut : 1. Pengujian mesin : Laboratorium Motor bensin dan diesel 2. Pengolahan data : Laboratorium Komputer

10

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Distribusi Temperatur Selama pengujian, suhu yang diperoleh pada dua jenis katup ekspansi disajikan pada Gambar 4.1.

Gambar 4. 1 Distribusi temperatur pada katup ekspansi aluminium dan PTFE Memperhatikan Gambar 4.1, kurva dengan garis lurus merupakan suhu pada tekanan tinggi sebelum katup ekspansi dan kurva dengan garis putus-putus adalah suhu pada tekanan rendah setelah katup ekspansi. simbol (○) menunjukkan katup ekspansi yang terbuat dari aluminium, sedangkan simbol (◊) menunjukkan katup ekspansi terbuat dari PTFE. Katup ekspansi terbuat dari aluminium memberikan suhu lebih tinggi dari katup ekspansi terbuat dari PTFE, baik pada tekanan tinggi dan tekanan rendah. 4.2. Prediksi Efek Pendinginan Dengan menggunakan diagram tekanan-entalpi untuk refrigerant R134a, setiap titik sebagai titik kondisi tertentu dari katup ekspansi (Gambar 4.2). Pada saat pengujian, tekanan tinggi adalah 230 psi (1.585 kPa) dan tekanan rendah adalah 35 psi (241 kPa) untuk masing-masing aluminium dan PTFE.

11

Gambar 4. 2 Titik keadaan tertentu pada katup ekspansi aluminium dan PTFE Dari Gambar 4.2, garis merah adalah katup ekspansi yang terbuat dari aluminium dan garis biru adalah katup ekspansi terbuat dari PTFE. Perbedaan entalpi yang dihasilkan oleh katup ekspansi terbuat dari PTFE lebih besar dari katup ekspansi terbuat dari aluminium. Pada titik 1 (40 ° C dan 1585 kPa), entalpi untuk katup ekspansi yang terbuat dari aluminium 256,31 kJ / kg. Mengingat katup ekspansi bekerja dalam proses iso-entalpi, titik 2 adalah sama dengan point 1 (h2 = h1). Akhirnya, pada titik 3 (10 ° C), diperoleh bahwa entalpi adalah 408,77 kJ/kg. Hasil simulasi numerik dengan REFPROP untuk katup ekspansi yang terbuat dari aluminium ditunjukkan pada Tabel 4.1.

12

Tabel 4. 1 Titik keadaan spesifik katup ekspansi aluminium

Sementara itu, untuk katup ekspansi terbuat dari PTFE, entalpi pada titik 1 (1585 kPa dan 35oC) adalah 241,00 kJ / kg. Dengan h2 = h1, entalpi pada titik 2 adalah 241.00 kJ/kg. Pada titik 3 (5○C dan 241 kPa), nilai entalpi adalah 404,43 kJ/kg. Hasil simulasi numerik dengan REFPROP untuk katup ekspansi yang terbuat dari PTFE ditunjukkan pada Tabel 4.2. Tabel 4. 2 Titik keadaan spesifik katup ekspansi PTFE

Dari Tabel 4.1 dan Tabel 4.2, perbedaan entalpi (Δh) di katup ekspansi terbuat dari aluminium adalah 152,46 kJ / kg (408,77 kJ / kg - 256,31 kJ / kg). Sementara itu, perbedaan entalpi (Δh) di katup ekspansi terbuat dari PTFE adalah 155,49 kJ / kg (404,43 kJ / kg - 248,94 kJ / kg). Dengan aliran massa refrigeran yang sama, ini berarti katup ekspansi terbuat dari PTFE menghasilkan potensi penyerapan panas lebih besar dari katup ekspansi terbuat dari aluminium (3,03 kJ/kg). Pendekatan untuk menjelaskan kondisi ini, PTFE memiliki konduktivitas termal yang sangat rendah, sehingga kehilangan panas dalam proses ekspansi dapat dikurangi.

13

BAB V KESIMPULAN

Dari hasil penelitian tersebut dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1.

Suhu sebelum dan sesudah katup ekspansi terbuat dari PTFE lebih rendah dari katup ekspansi terbuat dari aluminium,

2.

Potensi penyerapan kalor dari refrigeran: dengan meninjau kegiatan penelitian yang telah dilakukan, itu fakta bahwa diperoleh menggunakan katup ekspansi terbuat dari PTFE lebih besar dari katup ekspansi terbuat dari aluminium.

3.

Kesimpulannya, PTFE menjanjikan untuk dikembangkan sebagai katup ekspansi pada aplikasi sistem AC mobil.

14

DAFTAR PUSTAKA

[1]

R. K. Shah, “AUTOMOTIVE AIR-CONDITIONING SYSTEMS – HISTORICAL DEVELOPMENTS , THE STATE OF TECHNOLOGY AND FUTURE TRENDS 2 . Basic Operation of Current Automotive A / C Systems 3 . Brief History of the Refrigerant and A / C System,” no. December, pp. 20–22, 2006.

[2]

B. M. S. Bhatti and E. A. Conditioning, “A S H RA E Evolution of Automotive Air Conditioning Riding in Comfort : Part II,” no. September, 1999.

[3]

G. Vicatos, J. Grizagoridis, and S. Wang, “A Car Air-Conditioning System Based On An Absorption Refrigeration Cycle Using Energy From Exhaust Gas Of An Internal Combustion Engine,” J. Energy South. Africa, vol. 19, no. 4, pp. 6–11, 2008.

[4]

J. Lee, J. Kim, J. Park, and C. Bae, “Effect of the air-conditioning system on the fuel economy in a gasoline engine vehicle,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part D J. Automob. Eng., vol. 227, no. 1, pp. 66–77, 2012.

[5]

S. Kumar, M. Babu, S. Sajin, K. Vishnu, R. Varun, and C. . Vishnu, “Analysis on Turbo Air-Conditioner : an Innovative,” Int. J. Mech. Prod. Eng., vol. 2, no. 3, pp. 38–41, 2014.

[6]

M. A. Qureshi and S. Bhatt, “Comparative Analysis of Cop Using R134a & R600a Refrigerant in Domestic Refrigerator at Steady State Condition,” vol. 3, no. 12, pp. 935–939, 2014.

[7]

A. Gomaa, “Performance Characteristics of Automotive Air Conditioning System with Refrigerant R134a and Its Alternatives,” Int. J. Energy Power Eng., vol. 4, no. 3, p. 168, 2015.

[8]

J. S. Brown, S. F. Yana-motta, and P. a Domanski, “Comparitive analysis of an automotive air conditioning systems operating with CO 2 and R134a,” Int. J. Refrig. 25 19–32, vol. 25, pp. 19–32, 2002.

[9]

A. S. Dalkilic and S. Wongwises, “A performance comparison of vapourcompression refrigeration system using various alternative refrigerants,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 37, no. 9, pp. 1340–1349, 2010.

[10]

M. Chandrasekharan, “Exergy Analysis of Vapor Compression Refrigeration System Using R12 and R134a as Refrigerants,” Int. J. Students’ Res. Technol. Manag., vol. 2, no. July, pp. 134–139, 2014.

[11]

M. A. Alsaad and M. A. Hammad, “The application of propane/butane mixture for domestic refrigerators,” Appl. Therm. Eng., vol. 18, no. 9–10, pp. 911–918, 1998.

15

[12]

S. Wongwises and N. Chimres, “Experimental study of hydrocarbon mixtures to replace HFC-134a in a domestic refrigerator,” Energy Convers. Manag., vol. 46, pp. 85–100, 2005.

[13]

M. K. Agrawal and A. G. Matani, “Evaluation of Vapour Compression Refrigeration System Using Different Refrigerants,” Int. J. Eng. Innov. Technol., vol. 2, no. 9, pp. 86–92, 2013.

[14]

H. Tiwari and G. V Parishwad, “Adsorption Refrigeration System for Cabin Cooling of Trucks,” Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng., vol. 2, no. 10, pp. 337–342, 2012.

[15]

S. Vasta, A. Freni, A. Sapienza, F. Costa, and G. Restuccia, “Development and lab-test of a mobile adsorption air-conditioner,” Int. J. Refrig., vol. 35, no. 3, pp. 701–708, 2012.

[16]

S. Daly, Automotive air condiotining and climate control systems, no. 1. 2006.

[17]

Gaurav and R. Kumar, “Sustainability of Automobile Air- Conditioning System Using Refrigerant R1234yf Instead of R134a,” vol. 5, no. 3, pp. 3– 8, 2015.

[18]

M. Setiyo, S. Soeparman, S. Wahyudi, and N. Hamidi, “A simulation for predicting potential cooling effect on LPG-fuelled vehicles,” AIP Conf. Proc., vol. 1717, 2016.

[19]

G. Venkateswarlu, R. Sharada, B. R. M, B. Heavy, E. Limited, and R. C. Puram, “Journal of Chemical and Pharmaceutical Research , 2014 , 6 ( 10 ): 508-517 Review Article Polytetrafluoroethylene ( PTFE ) based composites,” vol. 6, no. 10, pp. 508–517, 2014.

16

VOL. xxx, NO. xxx, xxxxxxxxxxxxx 2016

ISSN 1819-6608

ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences ©2006-2015 Asian Research Publishing Network (ARPN). All rights reserved.

www.arpnjournals.com

Lampiran draf publikasi

17


ISSN 1819-6608



TEMPERATURE DISTRIBUTION OF R-134a THROUGH ALUMINUM AND PTFE EXPANSION VALVE ON AUTOMOTIVE AIR CONDITIONING APPLICATIONS Muji Setiyo1, Saifudin2, Budi Waluyo3, Bagiyo Condro Purnomo4, Anwar Ilmar Ramadhan5 1,2,3,4

Department of Automotive Engineering, Muhammadiyah University of Magelang, Magelang 56172, Indonesia. 5 Department of Mechanical Engineering, Muhammadiyah University of Jakarta, Jakarta 10510, Indonesia E-Mail: [email protected]

ABSTRACT Generally, parameters for measuring the performance of air conditioning system is COP. In a thermodynamic analysis of air conditioning system, the losses that occur in the expansion valve is not considerable. In reality, the ice formation layer phenomenon is formed around the expansion valve during air conditioning system operation. Therefore, this paper presents a study of polytetrafluoroethylene (PTFE) as expansion valve materials to reduce heat loss. The temperature distribution of R-134a refrigerant before and after the expansion valve was observed to determine its effect in comparison with expansion valve made of aluminum alloy. The AC system used in this study is a car air conditioning system that is removed from the car and driven by an electric motor. From the test results with the same refrigerant mass flow, the expansion valve made of PTFE generates potential heat absorption greater than the expansion valve made of aluminum. In conclusion, PTFE is promising to be developed as an expansion valve on car air conditioning system applications. Keywords: PTFE, Expansion valve, Ice formation layer, air conditioning, cooling effect

mixture R-290 and R-600 was studied by Wongwises [11] to replace HFC-134a. Experiments carried out under the same load of 25 °C. The results of this study indicate that the R-290/R600 at a ratio of 60/40 is the most appropriate mix of the performance of HFC-134a. Performance analysis of R290/R600a as a replacement for R134a is also given by Agrawal [12] that proved higher COP than R134a at a pressure of 80 Lb/In2 and capillary diameter of 0.5 inches. Although in recent year the air-conditioning system has been developed in absorption system [13]– [16], vapor-compression system still relied on the commercial car. The basic circuit and P-h diagram of vapor compression A/C system is presented in Figure-1 and Figure-2, respectively. Likewise, HFC R-134a is still an option for the new cars production or for replacement. In many country, the presence of a new refrigerant like R-290 or R-600 as an environmentally refrigerant has not been accepted widely because not fully forced by government policies.

1.

INTRODUCTION After the 1970s, automobile air conditioning systems (A/C) become essential equipment to meet the comfort in the vehicle [1]–[3]. However, the air conditioning system taking considerable energy from the engine to drive the compressor [4]. Imposition of AC increased fuel consumption and CO2 emissions during vehicle operation [5], [6]. Therefore, this paper presents a study of PTFE as expansion valve materials to reduce heat loss. The temperature distribution of R134a refrigerant before and after the expansion valve was observed to determine its effect in comparison with expansion valve made of aluminum alloy. On the other hand, the ozone depleting potential (ODP) and global warming potential (GWP) has become an important issue in the development of new refrigerants. Hydro-fluorocarbon (HFC) refrigerants with zero ODP have been preferable for use in many industrial, automotive, and domestic applications intensively. HFC refrigerants also have the appropriate specifications such as non-flammability, stability, and the vapor pressure is equal to CFC and HCFC refrigerant [7]–[9]. In addition, the potential of hydrocarbons (HC) such as propane (R-290) and butane (R-600) as an alternative for CFC and HFC refrigerant widely studied to improve the environmental effect. Alsaad [10] conducted a study of LPG to replace the CFC refrigerant. A mixture of 24.4% propane, 56.4% butane, and 17.2% isobutene obtained from household LPG is preferred. Evaporator temperature capable of reaching 15 °C at the condenser temperature of 27 °C, the ambient temperature of 20 °C, and COP of 3.4. A

Figure-1. Basic of automotive AC cycle [17]

18


ISSN 1819-6608


www.arpnjournals.com during the expansion process the refrigerant taking the heat. Ideally, the process of heat exchange in the airconditioning system fully occurs in the evaporator. From field observations, almost the entire expansion valve made of a metal material, usually aluminum alloy or cast iron. Both aluminum alloy and cast iron have a high thermal conductivity, 247 W/mK and 80 W/mK, respectively. As a result, very cold temperature refrigerant after expanded will be discharged into the environment through the body of the expansion valve.

Figure-2. P-h diagram of vapor-compression AC systems Figure 2 shows a diagram of the pressure and the enthalpy of a vapor compression cycle. Refrigerant enters the compressor in a vapor phase is saturated at point 1. The refrigerant is compressed adiabatically and becomes superheated steam due to an increase in pressure, temperature, and enthalpy as indicated by point 2. Refrigerant at this point is above the temperature of the outside air. Then, the refrigerant is leaving for the condenser. During the condensers, heat from the refrigerant released into the outside air so that the change of superheated refrigerant into the saturated vapor at the point 2a. Then, the refrigerant condenses into a liquid by releasing the latent heat of condensation. Condensation continues until all the liquid vapor becomes saturated at point 3. Subsequently, the refrigerant is expanded in iso-enthalpy through the expansion valve. When expanded, the pressure and the temperature will drop to below 0 °C. As a result, the heat of absorption will occur around the mouth of the expansion valve. Refrigerant flows through the evaporator which acts as a heat exchanger. The liquid refrigerant evaporates until it becomes saturated vapor then goes to the compressor to begin the cycle again [17]. As is known, one of the parameters for measuring the performance of air conditioning system is COP [18]–[23] . COP compares the refrigerating effect generating by evaporator to the compressor work. In the simplest analysis, the losses that occur in the expansion valve is not considerable. In reality, the ice formation layer phenomenon is formed around the expansion valve during air conditioning system operation (Figure3). In a thermodynamic analysis of air conditioning system, generally discusses in detail the heat exchange in the evaporator, condenser, and compressor work. The expansion process that occurs in the expansion valve is assumed to be an iso-enthalpy process [24]. In fact,

Figure-3. Ice formation layer around the expansion valve Meanwhile, PTFE is a material that has a very low thermal conductivity compared to aluminum and cast iron, about 0.25 W/mK. PTFE is widely known as a heat insulating material that is widely used in industry, engineering, tribology, electricity, medicine, to the household sector. PTFE has many unique properties, which makes it valuable in a number of applications [25]. PTFE has a very high melting point, and also stable at very low temperatures. Teflon is very heat resistant and corrosion resistant. The most recognized brand of formula-based PTFE is Teflon. The chemical formula and atomic structure of PTFE are presented in Figure-4 and Figure-5, respectively.

Figure-4. Chemical formula of PTFE [26]

Figure-5. Atomic structure (C-F bonds) of PTFE [27]

20


ISSN 1819-6608


www.arpnjournals.com Recent studies have shown that polytetrafluoroethylene (PTFE) is an effective material for tribology applications due to the mechanical properties and friction uniques, high chemical resistance, low coefficient of friction, and outstanding thermal stability [28]. Therefore, this study examines the use of PTFE as an expansion valve on the air conditioning system. Distribution temperature before and after the expansion valve is presented and compared to the expansion valve made of aluminum. 2.

METRIAL AND METHODS

1.1. The Expansion Valve This study uses two pieces of the expansion valve that made of PTFE and aluminum. Expansion valve made of aluminum is original from the vehicle. Meanwhile, the expansion valve of PTFE is made by machining with the same size as the original. Visualization of aluminum and PTVE expansion valve is presented in Figure-6 as follows.

Figure-7. Set up experiment and apparatus Inspection of Figure-7, the temperature difference before and after the expansion valve observed for 5 minutes on the expansion valve made of PTFE and aluminum, respectively. Changes in temperature are recorded by a camera. Finally, the data recording is divided into 100 parts of figure and processed with excel. 3. RESULTS AND DISCUSSION 1.3. Temperature Distribution During the test, the temperature obtained on two types of expansion valve is presented in Figure-8.

Figure-6. Aluminum (a) and PTFE (b) of expansion valve materials 1.2. Set up Experiment and Apparatus The AC system used in this study is a car air conditioning system that is removed from the car and driven by an electric motor. Configuration major components and measuring instruments used as shown in Figure-7. Pin is high pressure before the expansion valve and Pout is low pressure after the expansion valve. Pin and Pout are measured with a pressure gauge CLASSE REFCD 1.6. Tin is the temperature before the expansion valve and Tout is the temperature after the expansion valve. Tin and Tout are measured by a parts of PT-100 thermocouples. The temperature of the thermocouple then displayed using the temperature displayer OMRON E5CSL-RP. Subsequently, the temperature was recorded using a camera phone XIOMI REDMINOTE. Data collection is done at ambient temperature of 27.4°C and relative humidity of 71.3%. Refrigerant pressure is in 1585 kPa for two types of expansion valve, read by manifold gauge.

50 Tin Aluminium Tout Aluminium

45

Tin PTFE

Temperature (Celcius)

40

Tout PTFE

35 30

25 20 15 10 5 0 0

27

57

87

117

147

177

207

237

267

297

Time (s)

Figure-8. Temperature distribution on aluminum and PTFE expansion valve Noting of Figure-8, a group of curves with a straight line is the temperature at high pressure before

21


ISSN 1819-6608


www.arpnjournals.com the expansion valve and groups of curves with a dashed line is the temperature at low pressure after the expansion valve. The symbol (○) indicates expansion valves made from aluminum, while the symbol (◊) indicates expansion valve made of PTFE. The expansion valve made of aluminum give a higher temperature than the expansion valve made of PTFE, both on the high-pressure and low-pressure cycles. 1.4. Predicting on Cooling Effect By using R134a refrigerant, it is known pressureenthalpy diagram (P-h diagram) for each point as specific state point of the expansion valve (Figure-9). At the time of testing, the high pressure is 230 psi (1585 kPa) and the low pressure is 35 psi (241 kPa) for aluminum and PTFE, respectively.

Table-1. Specific state points of aluminum expansion valve

Meanwhile, for the expansion valve made of PTFE, the enthalpy at point 1 (1585 kPa and 35oC) is 241.00 kJ/kg. By h2 = h1, enthalpy at point 2 is 241.00 kJ/kg. At point 3 (5 ○C and 241 kPa), the enthalpy values is 404,43kJ/kg. The results of numerical simulations with REFPROP for the expansion valve made of PTFE are shown in Table-2. Table-2. Specific state points of PTFE expansion valve

From Table 1 and Table 2, the enthalpy difference (Δh) in the expansion valve made of aluminum is 152.46 kJ/kg (408.77 kJ/kg - 256.31 kJ/kg). Meanwhile, the enthalpy difference (Δh) in the expansion valve made of PTFE is 155.49 kJ/kg (404.43 kJ/kg – 248.94 kJ/kg). With the same refrigerant mass flow, this means the expansion valve made of PTFE generates potential heat absorption greater than the expansion valve made of aluminum (3.03 kJ/kg). Approaches for explaining this condition, PTFE has a very low thermal conductivity, so the heat loss in the expansion process can be reduced.

Figure-8. Specific state points on aluminum and PTFE expansion valve

4.

CONCLUSIONS By reviewing the research activities that have been performed, it is obtained fact that: (1) the temperature before and after the expansion valve made of PTFE is lower than the expansion valve made of aluminum, and (2) the potential het absorption from refrigerant using the expansion valve made of PTFE is greater than the expansion valve made of aluminum. In conclusion, PTFE is promising to be developed as an expansion valve on car air conditioning system applications.

From Figure 8, the red line is the expansion valves made of aluminum and the blue line is the expansion valve made of PTFE. Enthalpy difference produced by expansion valve made of PTFE is greater than the expansion valve made of aluminum. At point 1 (40 °C and 1585 kPa), enthalpy for expansion valve made of aluminum is 256.31 kJ/kg. Given the expansion valve works is in iso-enthalpy process, point 2 is the same as point 1 (h2=h1). Finally, at the point 3 (10 °C), it is obtained that the enthalpy is 408.77 kJ/kg. The results of numerical simulations with REFPROP for the expansion valve made of aluminum are shown in Table1.

ACKNOWLEDGEMENTS This study was facilitated and funded by the Automotive Laboratory, Muhammadiyah University of Magelang. The researchers would like to thank the students and laboratory staff who have helped to collect data.

22


ISSN 1819-6608


www.arpnjournals.com [12] Agrawal, M. K., & Matani, A. G. 2013. Evaluation of Vapour Compression Refrigeration System Using Different Refrigerants. International Journal of Engineering and Innovative Technology, 2(9): 86–92. [13] Vicatos, G., Grizagoridis, J., & Wang, S. 2008. A Car Air-Conditioning System Based On An Absorption Refrigeration Cycle Using Energy From Exhaust Gas Of An Internal Combustion Engine. Journal of Energy in Southern Africa, 19(4): 6–11. [14] Tiwari, H., & Parishwad, G. V. 2012. Adsorption Refrigeration System for Cabin Cooling of Trucks. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2(10), 337–342. [15] Krishnadasan, V. B., Mohammed Sajid, N. K., & Shafi, K. A. 2014. Performance Analysis of a Triple Fluid Vapor Absorption System using Engine Exhaust Gas. International Journal of Advanced Engineering and Nano Technology, 1(12): 1–4. [16] Vasta, S., Freni, A., Sapienza, A., Costa, F., & Restuccia, G. 2012. Development and lab-test of a mobile adsorption air-conditioner. International Journal of Refrigeration, 35(3):701–708. [17] Daly, S. 2006. Automotive Air-conditioning and Climate Control Systems. Igarss 2014. Oxford: Elsevier Ltd. [18] Qureshi, M. A., & Bhatt, S. 2014. Comparative Analysis of Cop Using R134a & R600a Refrigerant in Domestic Refrigerator at Steady State Condition. International Journal of Science and Research, 3(12): 935–939. [19] Gupta, G. 201). Performance Analysis Of Air Cooled Water Cooler By Using Eco- Friendly Refrigerants As A Possible Substitute Of R134a. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology, 4(6): 279–291. [20] Gomaa, A. 2015. Performance Characteristics of Automotive Air Conditioning System with Refrigerant R134a and Its Alternatives. International Journal of Energy and Power Engineering, 4(3):168-177. [21] Brown, J. S., Yana-motta, S. F., & Domanski, P. A. 2002. Comparitive analysis of an automotive air conditioning systems operating with CO 2 and R134a. International Journal of Refrigeration 25 (2002): 19–32. [22] Nelson, S. M., & Hrnjak, P. S. 2002. Improved R134A Mobile Air Conditioning Systems General Motors Corporation (Vol. 61801). Illinois. [23] Gaurav, & Kumar, R. 2015. Sustainability of Automobile Air- Conditioning System Using

REFERENCES [1] Shah, R. K. 2006. Automotive Air-Conditioning Systems – Historical Developments, The State of Technology and Future Trends. In Proceedings of the 3rd BSME-ASME International Conference on Thermal Engineering (pp. 20–22). Dhaka. [2] Bhatti, M. S. 1999. Evolution of Automotive Air Conditioning Riding in Comfort : Part II. ASHRAE Journal, 41(9): 44–50. [3] Automobile. 2010. Automotive Air Conditioning History. Retrieved June 12, 2016, from http://www.automobilemag.com/news/automotiveair-conditoning-history/ [4] Benouali, J., Clodic, D., Mola, S., Presti, L., Magini, M., Malvicino, C., & Fiat, C. R. 2003. Fuel Consumption of Mobile Air Conditioning Method of Testing and Results. In The Earth Technology Forum (pp. 1–10). Washington. [5] Lee, J., Kim, J., Park, J., & Bae, C. 2013. Effect of the air-conditioning system on the fuel economy in a gasoline engine vehicle. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 227(January): 66–77. [6] Kumar, S., Babu, M., Sajin, S., Vishnu, K., Varun, R., & Vishnu, C. 2014. Analysis on Turbo AirConditioner : an Innovative. International Journal of Mechanical And Production Engineering, 2(3): 38–41. [7] Dalkilic, A. S., & Wongwises, S. 2010. A performance comparison of vapour-compression refrigeration system using various alternative refrigerants. International Communications in Heat and Mass Transfer, 37(9): 1340–1349. [8] Chandrasekharan, M. 2014. Exergy Analysis of Vapor Compression Refrigeration System Using R12 and R134a as Refrigerants. International Journal of Students’ Research in Technology & Management, 2(July): 134–139. [9] Teng, T. P., Mo, H. E., Lin, H., Tseng, Y. H., Liu, R. H., & Long, Y. F. 2012. Retrofit assessment of window air conditioner. Applied Thermal Engineering, 32(1): 100–107. [10] Alsaad, M. A., & Hammad, M. A. 1998. The application of propane/butane mixture for domestic refrigerators. Applied Thermal Engineering, 18(9–10): 911–918. [11] Wongwises, S., & Chimres, N. 2005. Experimental study of hydrocarbon mixtures to replace HFC134a in a domestic refrigerator. Energy Conversion and Management, 46: 85–100.

23


ISSN 1819-6608



[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

Refrigerant R1234yf Instead of R134a. International Journal of Automotive Engineering, 5(3): 3–8. Setiyo, M., Soeparman, S., Wahyudi, S., & Hamidi, N. 2016. A simulation for predicting potential cooling effect on LPG-fuelled vehicles. In AIP Conference Proceedings (Vol. 30002, p. 30002). American Institute of phisics. Teng, H. 2012. Overview of the Development of the Fluoropolymer Industry. Applied Sciences, 2(4): 496–512. Venkateswarlu, G., Sharada, R., & M, B. R. 2014. Polytetrafluoroethylene (PTF ) based composites. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 6(10): 508–517. Blonder, G. 2014. Non-stick surfaces and seasoning. Retrieved from http://www.genuineideas.com/ArticlesIndex/castir onseasoning.html Okhlopkova, A. A., Sleptsova, S. A., Alexandrov, G. N., Dedyukin, A. E., Shim, E. Le, Jeong, D. Y., & Cho, J. H. 2013. Nanoceramic and polytetrafluoroethylene polymer composites for mechanical seal application at low temperature. Bulletin of the Korean Chemical Society, 34(5): 1345–1348.

24

VOL. xxx, NO. xxx, xxxxxxxxxxxxx 2016 6608

ISSN 1819-



25

VOL. xxx, NO. xxx, xxxxxxxxxxxxx 2016 6608

ISSN 1819-



26

HALAMAN JUDUL LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN

Recommend Documents