PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE

PERANCANGAN DAN ANALISA PERFORMANSI COLD STORAGE PADA KAPAL PENANGKAP IKAN DENGAN CHILLER WATER REFRIGERASI ABSORPSI MENGGUNAKAN REFRIGERANT AMMONIA-WATER (NH3-H2O) Nama Mahasiswa

: Radityo Dwi Atmojo

NRP

: 2108 100 613

Jurusan

: Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Djatmiko Ichsani, M.Eng

PENDAHULUAN Penggunaan balok es pada palka kapal nelayan ikan untuk mempertahankan kesegaran ikan dalam setiap pelayaran yang dilakukan nelayan kurang efisien dan kurang praktis. Sehingga penulis merancang cold storage untuk mengganti penggunaan balok es. Permasalahan yang akan dibahas dalam penulisan Tugas Akhir ini adalah mengenai perancangan beserta analisa performansi cold storage untuk ikan. Disamping itu akan direncanakan (design) pula evaporator untuk chiller water sebagai media pendingin pada cold storage.

DASAR TEORI 1. Beban Pendinginan Beban pendinginan merupakan jumlah energi panas yang harus dikeluarkan dari dalam ruangan oleh mesin pendingin untuk mendapatkan kondisi ruangan yang diinginkan. Berdasarkan jenisnya, beban pendinginan dibedakan menjadi dua yaitu beban eksternal dan beban internal. Beban eksternal adalah beban kalor yang masuk dari luar ruangan ke dalam ruangan yang terdiri dari beban transmisi melalui dinding luar, atap, dan kaca, beban radiasi matahari melalui kaca, beban infiltrasi, dan beban ventilasi. Sedangkan beban internal ialah beban kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu sendiri. Beban ini terdiri dari beban partisi, beban penerangan, beban penghuni, dan beban peralatan. Sebagai ilustrasi, dapat dilihat pada Gambar 2.6 yang merupakan contoh beban pendinginan diruang palka ikan.

Beban Infiltrasi

Beban Produk Beban Transmisi

Gambar 2.6 Ilustrasi Beban-beban Pendinginan

1.1

Beban Infiltrasi Beban ventilasi terjadi karena udara segar dimasukkan ke dalam ruangan yang

dikondisikan untuk keperluan tambahan oksigen. Sedangkan beban infiltrasi terjadi karena adanya udara luar yang masuk ke dalam ruangan melalui celah-celah pintu, jendela, dinding, plafon, dan lain sebagainya atau pada saat pintu dan jendela terbuka. Udara luar yang masuk melalui ventilasi maupun infiltrasi akan menjadi beban pendinginan tambahan bagi ruangan yang dikondisikan. Namun untuk kasus udara ventilasi biasanya adalah udara luar yang sengaja dimasukkan melalui unit pengkondisian udara (Air Handling Unit/Fan Coil Unit) sehingga menjadi beban koil/penukar kalor pada unit pengkondisian udara tersebut. Beban yang berasal dari udara luar dapat dibedakan menjadi dua, yaitu beban sensible yang berhubungan dengan proses penurunan temperatur dan beban laten yan g l eb ih berkait an dengan p e n g e m b u n a n s e b a g i a n u a p a i r ya n g t e r k a n d u n g ( p e n gu r a n g a n kelembaban). Beban-beban ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑞𝑞𝑠𝑠 + 𝑞𝑞𝑙𝑙 ............................................................................. (2.3) • •

Beban sensibel dari udara luar (𝑞𝑞𝑠𝑠 )

𝑞𝑞𝑠𝑠 = 𝑄𝑄 × 𝜌𝜌 × 𝐶𝐶𝑝𝑝 × ∆𝑇𝑇 ................................................................... (2.4) Beban laten dari udara luar (𝑞𝑞𝑙𝑙 )

𝑞𝑞𝑙𝑙 = 𝑄𝑄 × 𝜌𝜌 × ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓 × ∆𝑊𝑊 ................................................................ (2.5)

Dimana :

𝑄𝑄

= Laju aliran volumetric udara (m3/s)

𝜌𝜌

= massa jenis (kg/m3)

ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓

= panas laten (J/kg)

𝐶𝐶𝑝𝑝

= panas spesifik (J/(kg.K))

∆𝑇𝑇

= perubahan temperatur (oC)

∆𝑊𝑊

= rasio kelembaban (kgv/kgda)

1.2

Beban Transmisi Beban transmisi adalah panas/kalor yang masuk kedalam ruang yang didinginkan

melalui permukaan. Pada ruang cold storage ini, beban konduksi kedalam ruangan banyak yang melewati dinding, atap, lantai, dan pintu. Beban transmisi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.6. 𝑞𝑞𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑈𝑈 ∙ 𝐴𝐴 ∙ 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 .................................................................... (2.6) Dimana : 𝑞𝑞𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

= beban transmisi, (Watt)

𝑈𝑈

= koefisien konduktifitas overall, (Watt/ m2.K)

A

= luas permukaan perpindahan panas, (m2)

CLTD

= Cooling Load Temperatur Difference, (K)

Gambar 2.7 Sirkuit Thermal melalui Material Cold Storage

𝑈𝑈 = 𝑅𝑅

1

𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 ∙𝐴𝐴

Dimana :

=

1

1 𝐿𝐿 1 𝐿𝐿 2 𝐿𝐿 3 1 + + + + ℎ 1 𝑘𝑘 1 𝑘𝑘 2 𝑘𝑘 3 ℎ 0

.................................................. (2.7)

𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

= hambatan thermal (m2.K/W)

ℎ

= koefisien konveksi (W/m2.K)

𝑘𝑘 𝐿𝐿

= konduktivitas thermal (W/m.K)

= panjang laluan perpindahan panas (W/m.K)

Dalam perancangan Tugas Akhir ini, posisi dinding bagian atas dari cold storage dipengaruhi oleh panas radiasi. 1.3

Beban Produk Beban pendinginan produk adalah kalor yang dihasilkan oleh produk pada saat

didinginkan. Karena pada saat produk dimasukkan ke ruang pendinginan (cold storage), suhu yang lebih tinggi dari suhu ruang pendinginnya tadi akan menjadi beban pendinginan didalam ruangan tersebut. Besarnya daya pendinginan produk dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.9.

𝑄𝑄 = 𝑚𝑚 × 𝐶𝐶𝑝𝑝 × ∆𝑇𝑇 ............................................................................... (2.8) Dimana : Q

= beban pendinginan produk sebelum suhu pembekuan (J)

m

= massa produk (kg)

𝐶𝐶𝑝𝑝

= panas spesifik (J/(kg.K))

∆𝑇𝑇

= perubahan temperatur (oC)

𝑞𝑞𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑡𝑡 Dimana : 𝑞𝑞𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

........................................................................ (2.9)

= daya pendinginan yang berasal dari produk (W)

𝑡𝑡𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 1.4

𝑄𝑄

= waktu pendinginan (s)

Total beban pendinginan Beban pendinginan total adalah jumlah kalor dari keseluruhan beban pendingin

yang terdapat di ruangan pendingin, yaitu beban transmisi, beban produk, dan beban infiltrasi. Beban total pendingin dapat dihitung dengan persamaan 2.10. 𝑞𝑞𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑞𝑞𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 + 𝑞𝑞𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 + 𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ............................................ (2.10) 2. Analisa Luasan Penukar Kalor Perancangan Heat Exchanger pada tugas akhir ini merupakan jenis shell and tube, dimana fluida panas berada pada sisi shell. Perhitungan perpindahan kalor dalam perancangan termal secara umum menggunakan metode Log Mean Temperature Difference (LMTD). Metode ini berbasis pada laju (rate) perpindahan kalor dalam penukar kalor (Kakac, 1998). Dasar dari perancangan termal ini adalah menentukan keseimbangan antara laju perpindahan massa dan perubahan temperatur fluida kerja sisi shell dan sisi tube dengan laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD, sehingga diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan. Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell dan yang diterima oleh fluida pada sisi tube masing-masing dihitung dengan Persamaan 2.11 dan Persamaan 2.12:

𝑞𝑞𝑆𝑆 = 𝑚𝑚̇𝑆𝑆 𝐶𝐶𝑃𝑃𝑆𝑆 �𝑇𝑇ℎ 𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇ℎ 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 � ........................................................................... (2.11)

𝑞𝑞𝑅𝑅 = 𝑚𝑚̇𝑅𝑅 ∙ (ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖 − ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 )................................................................................... (2.12) Dengan, 𝑞𝑞𝑆𝑆

= Laju kalor yang dilepas oleh fluida sisi shell (kW)

𝑚𝑚̇𝑆𝑆

= Laju massa aliran fluida sisi shell (kg/s)

𝑇𝑇ℎ 𝑖𝑖𝑖𝑖

= Temperatur fluida masuk sisi shell (K)

𝑚𝑚̇𝑅𝑅

= Laju massa aliran fluida sisi tube (kg/s)

𝑞𝑞𝑅𝑅

= Laju kalor yang diterima oleh fluida sisi tube (kW)

𝐶𝐶𝑃𝑃𝑆𝑆

= Panas spesifik fluida sisi shell (kJ/kgK)

𝑇𝑇ℎ 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

= Temperatur fluida keluar sisi shell (K)

ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖

= Enthalpy fluida masuk sisi tube (kJ/kg)

ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

= Enthalpy fluida keluar sisi tube (kJ/kg)

Dalam penukar kalor pada umumnya, laju perpindahan kalor yang dilepas fluida kerja yang bertemperatur lebih tinggi sama dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh fluida yang memiliki termperatur lebih rendah. Dan dimana besarnya laju perpindahan kalor didapatkan melalui perhitungan nilai pembebanan refrigerasi pada ruangan, yang didapatkan sebesar 𝑞𝑞𝑒𝑒 , sehingga:

𝑞𝑞𝑒𝑒 ≈ 𝑞𝑞𝑆𝑆 ≈ 𝑞𝑞𝑅𝑅 ................................................................................................. (2.13) Sedangkan, laju perpindahan kalor berdasarkan metode LMTD dapat ditentukan dengan Persamaan 2.14 : 𝑞𝑞 = 𝑈𝑈 𝐴𝐴 ∆𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙 ................................................................................................. (2.14) Dengan, U

= Koefisien perpindahan kalor total

A

= Luasan penukar kalor

∆𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙

= LMTD

Besarnya dari koefisien perpindahan kalor total dihitung melalui persamaan 2.15.

𝑈𝑈 =

1

𝑑𝑑 𝑜𝑜 𝑅𝑅 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑑𝑑 𝑜𝑜 ln �𝑑𝑑 𝑜𝑜 ⁄𝑑𝑑 � 𝑑𝑑 𝑜𝑜 𝑖𝑖 +𝑅𝑅 + 1 + + 𝑓𝑓𝑓𝑓 ℎ 2𝑘𝑘 𝑑𝑑 𝑖𝑖 𝑑𝑑 𝑖𝑖 ℎ 𝑖𝑖 𝑜𝑜

............................................................ (2.15)

Dimana : 𝑑𝑑𝑜𝑜

= diameter luar tube (m)

ℎ𝑖𝑖

= perpindahan kalor pada sisi tube (W/m2K)

𝑑𝑑𝑖𝑖

= diameter dalam tube (m)

ℎ𝑜𝑜

= perpindahan kalor pada sisi shell (W/m2K)

𝑅𝑅𝑓𝑓𝑓𝑓

= fouling resistence pada sisi shell (m2K/W)

𝑅𝑅𝑓𝑓𝑓𝑓

= fouling resistence pada sisi tube (m2K/W)

Dengan besarnya perpindahan panas pada masing-masing sisi dipengaruhi oleh bilangan nusselt (𝑁𝑁𝑁𝑁) dan diameter (d). Menurut persamaan 2.16.

ℎ=

𝑁𝑁𝑁𝑁 ∙ 𝑘𝑘 𝑑𝑑

...................................................................................................... (2.16)

Dimana : k

= konduktifitas panas fluida (W/mK) Dalam kasus ini, ditentukan perancangan metode LMTD dengan penukar kalor counter

flow, yang dihitung berdasarkan grafik pada gambar 2.8.

Temperatur

Th1

∆T1

Th2 ∆T2 Tc2

Tc1

Luasan Penukar Kalor yang diperlukan

Gambar 2.8 Grafik temperatur fluida kerja pada penukar kalor counter flow Dimana, 𝑇𝑇𝐶𝐶1 = 𝑇𝑇𝐶𝐶2 = 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 , hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh sistem evaporasi. Dengan persamaan sebagai berikut :

∆𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙 =

∆𝑇𝑇1 −∆𝑇𝑇2 ln

∆𝑇𝑇 1 ∆𝑇𝑇 2

....................................................................................... (2.17)

∆𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙 di atas merupakan nilai LMTD untuk penukar kalor counter flow yang memerlukan faktor

koreksi LMTD, sehingga persamaan menjadi :

𝑞𝑞 = 𝑈𝑈 𝐴𝐴 ∆𝑇𝑇𝑙𝑙𝑙𝑙 𝐹𝐹 .............................................................................................. (2.18) Dimana, F

= faktor koreksi LMTD untuk penukar kalor shell and tube satu laluan sisi shell dan laluan sisi tube genap, ditentukan dengan grafik faktor koreksi LMTD

Gambar 2.9 Faktor koreksi shell and tube heat exchanger dengan jumlah laluan shell, satu dan jumlah laluan tube, kelipatan dua.

Diperolehnya nilai koefisien perpindahan kalor, LMTD, dan faktor koreksi LMTD, maka dapat diperoleh luasan penukar kalor yang diperlukan.

3. Daya Pompa Dalam Tugas Akhir ini digunakan rumus umum dalam pencarian daya pompa, yaitu : 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝛾𝛾 ∙ 𝑄𝑄 ∙ 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 ............................................................................................ 2.19 Dimana, 𝛾𝛾

= berat jenis fluida (N/m3)

𝐻𝐻𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

= Head effektif pompa (m), yang dipengaruhi oleh head kedalaman (𝐻𝐻𝑧𝑧 ) dan head loss

𝑄𝑄

= debit aliran fluida (m3/s)

(𝐻𝐻𝑙𝑙 )

Untuk pencarian head loss pompa (𝐻𝐻𝑙𝑙 ) dilakukan melalui pressure drop total yaitu : 𝐻𝐻𝑙𝑙 =

∆𝑃𝑃𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝛾𝛾

............................................................................................................ 2.20

Presure drop total yang ada pada instalasi cold storage, dipengaruhi oleh : 1. Pressure Drop Komponen

∆𝑃𝑃𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 = 4𝑓𝑓

𝜌𝜌𝑈𝑈 2 2

𝐿𝐿

∑ � 𝑒𝑒 �........................................................................ 2.21 𝐷𝐷 𝑖𝑖

Dengan, 𝑓𝑓

= faktor gesek Fanning

𝑓𝑓 = 0.046 ∙ 𝑅𝑅𝑅𝑅 −0.2 , untuk 3 × 104 < 𝑅𝑅𝑅𝑅 < 106 .................................. 2.22 𝑓𝑓 = 0.079 ∙ 𝑅𝑅𝑅𝑅 −0.25 , untuk 4 × 103 < 𝑅𝑅𝑅𝑅 < 105 ............................... 2.23 𝜌𝜌

𝑈𝑈

= massa jenis fluida (kg/m3) = kecepatan aliran (m/s)

𝐿𝐿𝑒𝑒

𝐷𝐷𝑖𝑖

= panjang equivalent terhadap diameter pipa, yang didapatkan melalui tabel Equivalent in pipe diameter of various valve and fittings (lampiran)

2. Pressure Drop Pipa Untuk Pressure drop dari pipa, perumusan secara umum sama dengan Pressure drop dari komponen, namun tidak dipengaruhi oleh panjang equivalent melainkan panjang dari tube yang terpasang, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝐿𝐿

∆𝑃𝑃𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 4𝑓𝑓 �𝑑𝑑 � 𝑖𝑖

𝜌𝜌𝑈𝑈 2 2

............................................................................. 2.24

3. Pressure Drop Chiller Water Pressure drop ini merupakan pressure drop yang dalam Tugas Akhir ini berada dalam sisi Shell, sehingga :

∆𝑃𝑃𝑠𝑠 =

𝑓𝑓∙𝐺𝐺𝑠𝑠2 ∙(𝑁𝑁𝑏𝑏 +1)∙𝐷𝐷𝑠𝑠 ∙𝑣𝑣 2D e 𝜙𝜙 𝑠𝑠

............................................................................ 2.25

Dengan, 𝑓𝑓 = exp(0.576 − 0.19 ln 𝑅𝑅𝑅𝑅) ............................................................... 2.26 𝜇𝜇

0.14

𝜙𝜙𝑠𝑠 = �𝜇𝜇 𝑏𝑏 � 𝑤𝑤

......................................................................................... 2.27

𝐺𝐺𝑠𝑠

= mass flux sisi Shell (kg/m2s)

𝐷𝐷𝑠𝑠

= Diameter internal shell (m)

𝑣𝑣

= volume spesifik (m3/kg)

𝑁𝑁𝑏𝑏

= Jumlah tube

De

= Diameter Equivalent (m)

3. Performansi melalui Lumped Capacitance Method Dalam Tugas Akhir ini, analisa performansinya sebatas dari pengaruh pembebanan ikan berdasarkan perancangan cold storage terhadap waktu dan temperatur pendinginan. Sehingga

dipilih penggunaan lumped capacitance method untuk mengetahui gejala dari perancangan cold storage ini. KESIMPULAN 1. Estimasi nilai beban panas dari pendinginan ikan pada cold storage, ditunjukkan pada Tabel 5.1 di bawah ini :

Tabel 5.1 Hasil Analisa Pembebanan Cold Storage ITEM

SATUAN

NILAI

JENIS PEMBEBANAN Transmisi

Watt

2652.79

Infiltrasi

Watt

105.6

Produk

kJ

1358191.2

WAKTU PENDINGINAN PRODUK Time (beban ikan = 10 ton)

jam

6.73

2. Hasil perancangan thermal chiller water dan daya pompa ditampilkan pada Tabel 5.2 di bawah ini :

Tabel 5.2 Hasil Perancangan Chiller Water dan Perhitungan Daya Pompa ITEM

SATUAN

NILAI

Chiller Water Diameter Eksternal tube (do) Tebal Tube Tube Gauge Jumlah Tube (Nt) Jumlah Laluan (Np) Diameter Shell (Ds) Pitch size (Pt) Jarak antar Baffle (B) Pressure drop shell Pressure drop tube Panjang Tube (L) ITEM

m

0.03175

in m in BWG tube pass m in m in m Pa Pa m SATUAN

1.25 0.004572 0.18 7 162 8 0.635 25 0.0396875 1.5625 0.1 1479.9848 763.44385 1.54 NILAI

Pompa Pressure drop komponen Pressure drop pipa Pressure drop heat exchanger Pressure drop total Head kedalaman Head loss Head effektif (Heff)

Pa Pa Pa Pa m m m

41.9 162.4 1479.9848 1684.3 2.5 0.17 2.67

Debit aliran (Q)

m3/s

0.0019111

Break Horse Power (BHP)

Watt

51.2

3. Hasil dari analisa performansi adalah sebagai berikut : a. Pada saat nelayan istirahat, penggunaan sistem palka (Balok Es) untuk kondisi cold storage penuh menghasilkan temperatur akhir yang lebih rendah dari penggunaan sistem cold storage. Terlihat pada tabel berikut :

Tabel 5.3 Perbandingan temperatur akhir penggunaan sistem cold storage dengan sistem palka sewaktu nelayan istirahat Temperatur akhir setelah selesai istirahat (oC) hari pertama hari ke-14

cold storage 4.07 2.88

palka 17.63 -0.70

b. Penambahan ikan di setiap tangkapan mengakibatkan peningkatan temperatur cold storage tetapi temperatur tersebut cenderung menurun dari tangkapan sebelumnya. Terlihat pada tabel berikut :

Tabel 5.4 Penurunan temperatur pada saat setiap kali tangkapan Tangkapan I II III IV

Temperatur (oC) hari pertama hari ke-14 1.036 0.297 0.261 0.177 0.240 0.170 0.237 0.169

c. Penambahan ikan dalam cold storage akan memperlambat laju pendinginan ikan. Terlihat pada tabel 5.5 dibawah ini :

Tabel 5.5 Waktu pendinginan pada setiap tangkapan Temperatur Akhir (oC) I II III IV

Untuk Pendinginan tiap 3 Jam hari pertama 0.02 0.0 0.0 0.0

hari ke-14 0.01 0.01 0.01 0.01