Refrigeration Cooling Load Oleh : Windy Hermawan Mitrakusuma Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
Definisi : Refrigerasi
Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan panas/kalor dari suatu benda/ruangan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Refrigerasi
akan selalu berhubungan proses-proses aliran dan perpindahan panas. Dibutuhkan dasar pengetahuan Perpindahan Panas dan termodinamika.
WHM-2017
Sistem Refrigerasi Cold Storage
W
Qe
WHM-2017
Qk
Design : Basic Parameter 1. 2.
Temperatur / RH lingkungan Produk yang akan disimpan
3. 4. 5. 6.
Jenis Jumlah / kuantitas MAKSIMUM
Kondisi penyimpanan Temperatur dan RH disain ruangan (atas dasar produk yang disimpan) Ukuran ruangan (Cold Storage) Identifikasi peralatan yang ada dalam ruangan Jumlah orang dalam ruangan
WHM-2017
Remark 1.
2. 3.
4.
Load Temperature, asumsi : - 15 ⁰C untuk Freezer dan 10 ⁰C untuk Chiller Daily Load : Produk masuk harian. Cooling Time = pull down time = waktu penurunan temperatur. Jarak Outdoor ke Cold Storage, akan menentukan drop tekanan dan beban (kenaikan daya) kompresor
WHM-2017
Parameter yang ditentukan (1) 1.
Maximum Quantity of Product atau Size Cold Storage
2.
Ketebalan Insulasi
3.
Maximum Capacity : 1/3 volume p y / Maximum Capacity : ¼ volume (jika ada forklift) Khusus Blast Freezer : 1/12 volume 60 mm = positive temperature (> 0°C) 80 mm = positive and negative temperature (> - 20°C) 100 mm = positive and negative temperature (> - 25°C) 140 mm = negative temperature (> - 35°C)
Load Temperature asumsi :
WHM-2017
-15 ⁰C untuk Freezer -10 ⁰C untuk Chiller
Parameter yang ditentukan (2) 4.
Daily Load, asumsi : 10 % dari Maximum Capacity
5.
Cooling Time = pulldown time, asumsi : 6 jam
6.
Tentukan ΔT, asumsi : 6 – 7 ⁰K (sesuaikan dengan RH ruangan)
7.
Evaporating Temperature : Room Temperature – ΔT
8.
Condensing Temperature : 45 ⁰C
9.
Jumlah Orang, asumsi : 2-orang tergantung besar ruangan
10. Jarak WHM-2017
Outdoor ke Cold Storage, asumsi : 20 meter
Sumber Kalor Pada Cold Storage
15417mm.
Tkabin
Tlingkungan
WHM-2017
Cooling Load Parameter A. B.
C.
D. E.
Transmition Loss Beban Sensible atau Laten dari produk dan beban respirasi bila produk adalah sayuran/buah-buahan. Infiltration, rekomendasi ACF (air Change Factor) : 9 Beban dari pekerja di ruangan Beban dari peralatan (atau lain-lain)
WHM-2017
A. Beban Transmisi
Disebut juga sebagai bocoran kalor melaui dinding cold storage. Terjadi karena beda temperatur antara ruang yang didinginkan dengan lingkungannya Bergantung pada : jenis
isolasi yang digunakan luas / dimensi cold storage Beda temperatur ruang – lingkungan
WHM-2017
Contoh Panel Cold Storage
WHM-2017
Minimum Ketebalan insulasi
Walk in Cooler
Walk in Freezer
WHM-2017
Minimum Ketebalan Panel Insulasi Cold Room Storage Temperature
Panel Thickness (mm)
Walk in Cooler
≥5℃
50
Walk in Cooler
≥ -5 ℃
75
Walk in Freezer
≥ -25 ℃
100
Walk in Freezer
≥ -45 ℃
150
Cold Room
WHM-2017
Transmisi kalor melalui dinding T1 h1 T 2
q UADT k
Hot air
L
q1
q2
T3 h2 T4 Cold air q3
T1 T4 q 1 L 1 h1 A kA h2 A 1 1 L 1 U h1 k h2
Untuk isolasi MultiLayer
Ln 1 1 1 L1 L2 ..... U h1 k1 k 2 k n h2 WHM-2017
Nilai Konduktivitas termal berbagai bahan isolasi
WHM-2017
Koefisien Konveksi Koefisien konveksi permukaan di udara (h) Udara
Koefisien konveksi (W/m2.K)
Diam
9.37
Bergerak kecepatan rendah
22.70
Bergerak kecepatan tinggi
34.10
WHM-2017
Contoh 1 Suatu dinding terdiri dari berbagai jenis bahan seperti ditunjukkan pada tabel di samping. Tentukan besarnya nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh, U, pada kasus tersebut
Dinding
L (mm)
K (W/m.K)
C (W/m.K)
Cement Plester
10
0.72
75.5
Clay Tile
100
Polyuretane
125
Asphalt
12.7
Plat
2
5.11 0.023 3.92 45.3
249.7
1 1 L1 L2 Ln 1 ..... U h1 k1 k 2 k n h2
koefisien perpindahan panas = 0.1652
1 U 1 1 0.125 1 1 0.002 1 9.37 75.5 0.023 5.11 3.92 45.3 22.7 U = 0.1652 W/m2K WHM-2017
Contoh 2
Estimasi besarnya nilai U (overall heat transfer coefficient) untuk panel yang terbuat dari polyurethane dengan tebal 10 cm. Jawab :
Dari tabel didapat k = 0,024, Tahanan thermal pelat pelapis luar panel diabaikan (karena k-nya besar) Koefisien konveksi (anggap udara diam) h = 9.37. Sehingga dari persamaan sebelumnya diperoleh:
U Bila h diabaikan
U WHM-2017
1 1 0.23 W/m2K 1 L 1 1 0.1 1 h1 k h2 9.37 0.024 9.37
1 k 1 L 1 L h1 k h2
Diperoleh U = 0,024 / 0.1 = 0,24 W/m2K
Contoh Nilai Overall Heat Transfer Coefficient
WHM-2017
Contoh 3
Perkirakan beban kalor dari suatu dinding panel poliurethan berukuran 8 m x 4 m, bila harus mempertahankan temperatur kabin sebesar -15 oC, sedangkan kondisi di luar ruangan / lingkungan adalah 33 oC.
WHM-2017
B. Beban Produk Produk masuk/dimasukan akan membawa kalor/panas, yang akan menjadi beban pendinginan mesin, terutama bila temperatur produk masuk lebih besar dari temperatur ruangan. Beban produk terbagi atas: beban sensibel dan beban laten.
WHM-2017
Kalor yang harus diambil dari Produk
Beban sensibel : beban kalor produk yang diakibatkan dari perubahan temperatur produk.
Qs m Cp DT
m : jumlah produk Cp : kalor spesifik produk DT : Penurunan Temperatur Produk
Beban Laten : beban kalor produk akibat proses pembekuan produk.
QL m L WHM-2017
m : jumlah produk L : kalor laten produk
Kalor Produk dengan perubahan Fasa Beban kalor di atas titik beku
Qbf m Cpbf T1 T f
Beban kalor pembekuan
QL m L
Beban kalor di dibawah titik beku
Qaf m Cpaf T f T2
Beban kalor TOTAL produk Cpbf : Kalor Spesifik sebelum beku Cpaf : Kalor spesifik setelah beku Tf : Titik beku produk T1 : Temperatur awal produk T2 : Temperatur akhir produk
WHM-2017
Q p Qbf QL Qaf
Beban Kalor Produk
Temperatur produk, harus diturunkan dalam waktu CT (chilling Time) atau sering disebut dengan Pulldown Time. Beban kalor Produk qp adalah Kalor yang harus dibuang dari produk dibagi dengan waktu pendinginan
qp
Qp Chilling Time 3600
Qbf QL Qaf Chilling Time 3600
Chilling time = Pulldown time = waktu pendinginan produk, bila tidak ditentukan, asumsikan 6 jam WHM-2017
Data Produk
WHM-2017
Data Produk
WHM-2017
Data Produk
WHM-2017
Beban Kalor Respirasi
Metabolisma makhluk hidup akan menghasilkan energi/kalor/panas. Produk sayur dan buah, walaupun telah dipanen, masih menghasilkan kalor respirasi. Beban kalor respirasi adalah :
Qrp m Kalor Respirasi WHM-2017
Kalor Respirasi
WHM-2017
Contoh 4
Apel pada 30 oC sebanyak 5400 kg masuk didinginkan dalam ruangan pendingin (suhu 2 oC). Hitunglah beban tambahan dalam ruang pendingin yang diakibatkan oleh apel tersebut, bila apel harus dingin dalam waktu 12 jam. Jawab: Beban kalor untuk mendinginkan :
QApel
m Cpapel DT
n 3600 Qrp m Kalor Respirasi
QApel
5400 3,81 30 2 13.335 12 3600
Qrp 5400 0.015 81
kW
W
Jadi Beban kalor tambahan akibat apel tersebut : 13.416 kW
WHM-2017
C. Beban Kalor Infiltrasi Beban kalor yang diakibatkan adanya udara masuk/menyusup (infiltrate) melalui celah atau pintu yang terbuka. Beban Kalor infiltrasi sangat dipengaruhi oleh beda temperatur serta kelembaban udara antara di dalam dan di luar ruangan
WHM-2017
Infiltrasi udara karena perbedaan temperatur
WHM-2017
Kalor Infiltrasi - 1 Besar Kalor infiltrasi ditentukan oleh:
qt qDt D f 1 E qt = average heat gain for the 24 h or other period, kW q = sensible and latent refrigeration load for fully established flow, kW Dt = doorway open-time factor Df = doorway flow factor E = effectiveness of doorway protective device
WHM-2017
Kalor infiltrasi (sensibel + laten) Cara 1 :
i q 0.211Ahi hr r 1 r 1.5
2 Fm 1/ 3 1 r / i
WHM-2017
0.5 0.5
gH
Fm
q = sensible and latent refrigeration load, kW A = doorway area, m2 hi = enthalpy of infiltration air, kJ/kg hr = enthalpy of refrigerated air, kJ/kg ρi = density of infiltration air, kg/m3 ρr = density of refrigerated air, kg/m3 g = gravitational constant = 9.81 m/s2 H = doorway height, m Fm = density factor
Kalor infiltrasi (sensibel + laten) Cara 2 :
Qs 1 q 0.577WH A Rs 1.5
q = sensible and latent refrigeration load, kW Qs /A = sensible heat load of infiltration air per square metre of doorway opening as read from Figure 5, kW/m2 W = doorway width, m Rs = sensible heat ratio of the infiltration air heat gain, from Table 8 or 9 (or from a psychrometric chart)
WHM-2017
Penentuan Qs/A
WHM-2017
WHM-2017
Faktor Bukaan Pintu (Doorway open time factor)
Dt
P
p
60 o
3600 d Dt = decimal portion of time doorway is open P = number of doorway passages θp = door open-close time, seconds per passage θo = time door simply stands open, min θd = daily (or other) time period, h
θp for conventional pull-cord-operated doors = 15 to 25 s per passage. θp for high-speed doors = 3 to 10 s, although it can be as low as 3 s. WHM-2017
Faktor Aliran Pintu (Doorway flow factor) dan Efektivitas bukaan pintu
Faktor Aliran Pintu Df Df = 1,0 untuk pintu terbuka tanpa hambatan/penghalang. Df = 1,1 untuk beda temperatur lebih kecil dari 11 oC. Df = 0,8 untuk beda temperatur lebih besar dari 11 oC.
Faktor Efektifitas bukaan Pintu E = 0,85 - 0,95 untuk freezer E = 0,90 - 0,95 untuk Cooler E = 0,70 untuk pintu dengan tirai udara (air curtain) E = 0,00 untuk pintu yang terbuka penuh
WHM-2017
Contoh 5
Suatu pintu (2 meter x 2 meter) dengan tirai udara pada cold storage terbuka saat pemasukan produk. Temperatur dan RH untuk kabin adalah 5 oC / 90 %RH dan lingkungan 30 oC / 60 %RH. Tentukan besar beban kalor infiltrasi bila pintu terbuka selama 2 jam. (abaikan faktor waktu buka tutup pintu)
qt qDt D f 1 E 1.5 Qs 1 q 0.577WH A Rs
Dari gambar Qs/A = 10 kW/m2
Dt
P
Df = 0,8
p
60 o
3600 d
E = 0,70
q = 0.577 x 2 x 21.5 x 10 x (1/0.48) = 68 kW qt = 68 x 0,17 x 0,8 x (1-0,7) = 2,77 kW WHM-2017
60 2 60 0,17 3600 24
Rs = 0,48
D. Orang di dalam Ruangan
Manusia akan memberikan beban pendinginan sesuai dengan aktifitas yang dilakukannya. Besar beban kalor dihitung berdasarkan persamaan berikut, dimana t adalah temperatur ruang dingin. Bila orang keluar masuk cukup sering, maka besar kalor qp harus dikalikan dengan 1,25
q p 272 6t WHM-2017
Kalor ekivalen orang di ruangan
t = tempratur ruang penyimpanan qp dikalikan 1,25 bila orang sering keuar masuk WHM-2017
Contoh 6
Terdapat 5 orang pekerja (selama 2 jam sehari) dalam ruangan, perkirakan beban kalor yang timbul akibat 5 orang tersebut sering keluar masuk ruangan pendingin yang bertemperatur 20 oC. jawab Dari Tabel diperoleh data 390 W/orang. Karena sering keluar masuk, maka digunakan faktor pengali sebesar 1.25. Jadi : qp = 5 x 390 x 1,25 x 2 / 24 = 0,203 kW
WHM-2017
E. Beban kalor peralatan 1. 2. 3. 4.
Peralatan didalam ruangan yang dapat menghasilkan kalor antara lain: motor, lampu, pemanas. Beban kalor dihitung berdasarkan daya dari peralatan tersebut dikalikan dengan faktor pengali. Beban dari heater pintu, asumsi : 30 W per m keliling pintu Beban dari heater drain dan defrost
5.
Chiller : 2 % dari cooling capacity Freezer : 3 % dari cooling capacity Blast : diabaikan
Beban dari blower fan, asumsi :
WHM-2017
Chiller : 3 % dari cooling capacity Freezer : 5 % dari cooling capacity Blast : 8 % dari cooling capacity
Heat Equivalent of Electric Motors Multiplying Factor Motor Rating (kW Output)
Motor Eficiency (%)
0,1 - 0,5
Connected Load in Ref. Space
Motor Losses Outside Ref. Space
Connected Load Outside Ref. Space
33.3
1.7
1.0
0.7
0,5 - 2,0
55.0
1.5
1.0
0.5
2,0 - 15,0
85.0
1.2
1.0
0.2
WHM-2017
WHM-2017
Beban Kalor Peralatan lainnya Daya alat Jam penggunaan qm 24 jam
Contoh misalkan 12 lampu, dengan daya masing-masing 100 Watt, hidup selama 2 jam selama pemasukan produk. Maka beban kalor akibat lampu adalah : qm = 12 x 100 x 2 / 24 = 100 Watt.
WHM-2017
BEBAN KALOR TOTAL
Beban kalor total adalah JUMLAH dari: Beban
kalor Transmisi, Qt Beban kalor Produk, Qpr Beban kalor Infiltrasi, Qi Beban kalor Orang/manusia, Qp Beban kalor lain-lain, Qm
Q Qt Q pr Qi Q p Qm
Faktor Safety, biasanya digunakan sebesar 10 %
Qtotal Q Q Safety factor Q 1 10% WHM-2017
Operating Time = Running Time
Running time (RT) adalah waktu yang mana sistem pendingin ON dan menghasilkan efek pendinginan dalam 24 jam. Sistem tidak selamanya ON, karena berbagai hal :
Waktu defrost harus dilakukan Waktu pendinginan tercapai Pressurestat bekerja dll.
Besar running time (RT), biasanya disadarkan kepada metoda defrost yang digunakan:
WHM-2017
RT = 16 jam, bila off cycle defrost RT = 18 – 22 jam, bila sistem defrost menggunakan electric defrost atau hotgas defrost.
Kapasitas mesin yang dibutuhkan
Qtotal 24 Qcc RT
Qcc adalah Cooling Capacity (Kapasitas Pendinginan) dari mesin yang dibutuhkan. Kapasitas mesin ini merupakan ukuran untuk memilih peralatan. Semakin besar RT, semakin kecil kapasitas pendinginan mesin. Konsekuensinya, mesin makin lama hidup (ON) dalam 24 jam.
WHM-2017
Service
Room Volume (m3)
Average
Heavy
0.6
3.63
3.97
Untuk menghitung beban di dalam ruangan, dapat pula digunakan cara pintas, yaitu dengan mengalikan Volume dalam efektif (interior) dengan faktor penggunaan (UF, Usage Factor) dan Beda Temperatur Rungan dengan lingkungan.
0.85
2.56
3.57
1.5
1.77
2.76
2
1.44
2.24
3
1.25
1.96
6
1.07
1.72
8.5
1.01
1.61
11
0.96
1.52
14
0.94
1.45
Qint Vint UF TD
17
0.91
1.44
23
0.86
1.37
28
0.85
1.30
34
0.77
1.23
43
0.71
1.16
57
0.65
0.60
85
0.58
0.45
Cara Pintas (Short cuts):
Qint = Beban di dalam ruangan Vint = Volume interior ColdStorage UF = Usage Factor, lihat tabel TD = Beda temperatur luar dan dalam ColdStorage
Untuk mendapatkan beban total, beban ini harus ditambahkan dengan beban transmisi WHM-2017
Long Term Storage
140
0.31
200
0.24
280
0.19
560
0.16
1400
0.14
2100
0.14
2800
0.13
Contoh 7
Ruangan dgn ukuran 6 m x 4 m x 3.4 m, mempunyai tebal isolasi 200 mm. Temperatur luar adalah 30 oC dan temperatur ruangan 5 oC. Mesin didisain dengan running time 16 jam. Tentukan kapasitas mesin yang harus digunakan, bila beban transmisi melalui dinding adalah 0,899 kW. Jawab Ruangan mempunyai volume dalam sebesar = 5,6 x 3,6 x 3 m3 = 60,5 m3 Dari tabel di atas diperoleh dengan interpolasi UF = 0,642 W/m3K Beban interior Qint =60,5 m3 x 0,642 W/m3K x (30-5)K = 971 W = 0,971 kW Beban Total, Qtotal = 0,899 kW + 0,971 kW = 1,87 kW Kapasitas Mesin :
WHM-2017
Qtotal 24 1,87kW 24 Qcc 2,81kW RT 16
Program Refrigeration Cooling Load
Program sederhana, tapi cukup baik. Dapat didownload di : http://k-rp.com/support/design-tools-software/ WHM-2017
Instalasi KeepRite Buka FOLDER CalcRite Jalankan program SETUP.EXE, dengan cara men-double click icon setup.exe. Ikuti perintah berikutnya.
WHM-2017
Isi dengan data yang diperlukan
Pilih Menu “USER INFO”
WHM-2017
Pilih satuan : Metrik : kg, watt, dll. Imperial : lb, btu/h, dll Pilih bahasa dan skema warna yang ingin digunakan
Pilih Menu “PROGRAM SET-UP”
WHM-2017
Pilih Menu “GENERAL INFO”
WHM-2017
Isi dengan data yang diperlukan
Isi ukuran cold storage
Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing dinding/atap/lantai Pilih Menu “WALL LOAD
Bila ingin memulai dari awal, tekan tombol ini WHM-2017
Pilih Bentuk/layout cold storage
WHM-2017
Pilih : Lokasi cold storage Temp. lingkungan
Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing dinding/atap/lantai
WHM-2017
Masukan data yang dibutuhkan Pilih Menu “INFILTRATION LOAD”
Pilih Menu “Jenis infiltrasi yang paling mendekati”
WHM-2017
Pilih Menu “PRODUCT LOAD”
WHM-2017
Isikan data produk yang akan disimpan dalam Cold Storage
Pilih Menu “MISC. LOAD” (Beban Lain2)
Isikan penggunaan motor Isikan jumlah orang yang bekerja didalam cold storage Isikan jumlah forklifts yang ada Isikan sumbersumber panas lainnya WHM-2017
Isikan penggunaan penerangan
Perhatikan waktu penggunaan
Besarnya beban pendinginan / kapsitas mesin yang dibutuhkan
Isikan Safety Factor (0-100%)
Pilih Menu “SELECT EQUIPMENT”
WHM-2017
Contoh - 1
Desain penyimpanan untuk daging sapi sebanyak 5 ton Lokasi berada di daerah bertemperatur 35oC Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam Ruang penyimpanan -18 oC Produk masuk ruang pendingin sebesar -10oC HITUNGLAH, besar beban pendinginan
WHM-2017
Contoh - 2
Desain penyimpanan untuk Tuna sebanyak 5 ton Lokasi berada di daerah bertemperatur 35oC Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam Ruang penyimpanan -18 oC Produk masuk ruang pendingin sebesar -10oC HITUNGLAH, besar beban pendinginan
WHM-2017
