PEMANFAATAN LIMBAH PANAS DENGAN MENGGUNAAN HEAT PUMP UNTUK MENUNJANG KONSERVASI ENERGI

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

PEMANFAATAN LIMBAH PANAS DENGAN MENGGUNAAN HEAT PUMP UNTUK MENUNJANG KONSERVASI ENERGI Sugiyatno, Isril Haen, Mamat, Waluyo Pusat Penelitian Fisika Jl. Sangkuriang, Kompleks LIPI Bandung 40135 Email : [email protected], [email protected], [email protected] ABSTRAK Telah dibuat sistem pompa kalor (heat pump) skala laboratorium menggunakan satu unit A/C split dengan daya kompressor 2 HP dilengkapi dengan ruang panas (hot chamber) dan ruang dingin (cold chamber) yang letaknya terpisah, dengan dimensi masing-masing (180 x 180 x 210)cm, dan (150 x 150 x 210)cm. Di dalam ruang panas diletakkan unit kondensor dan kompresor sedangkan di dalam ruang dingin diletakkan unit evaporator. Pada penelitian ini digunakan refrijeran jenis R22 sesuai dengan spesifikasi unit A/C yang digunakan sebanyak 1,16 liter yang banyak terdapat di pasaran dengan tekanan kompresor 2.100 kPa. Kondisi suhu di kedua ruangan diatas dikendalikan dengan suatu sistem kontrol (on-off) dengan menghentikan kerja kompressor disaat suhu ruang telah tercapai (sesuai setting). Hal ini dimaksudkan selain untuk mengatur suhu ruang, juga untuk menghemat konsumsi energi listrik pada kompressor. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa suhu ruang panas (hot chamber) dapat mencapai rata-rata sekitar 70 oC sehingga dapat digunakan sebagai ruang pengering (drier), atau dapat juga berfungsi ganda sebagai pendingin ruangan (pada sisi ruang dingin) dengan suhu rata-rata mencapai 150C. Dengan demikian sistem pompa kalor ini dapat digunakan untuk menyerap (absorb) limbah-limbah panas/kalor buangan dan melepaskan/membuang kalor tersebut pada ruang lain pada suhu yang lebih tinggi Koefisien Performansi (COP) pompa kalor pada kondisi tunak (steady state) mencapai 3,8 sedangkan efektifitas unit kondensor dapat mencapai 100 %. Kata Kunci: Heat pump, limbah panas, konservasi energi 1. LATAR BELAKANG Dari beberapa tulisan/paper menunjukkan bahwa Indonesia merupakan salah satu negara pengguna energi yang tergolong boros, hal ini dapat dilihat bila dibandingkan dengan negara maju, seperti Jepang, Italia, Norwegia, Belanda dan Amerika Serikat. Pada tahun 1993 konsumsi energi komersial per US$ GNP di Indonesia adalah berturut-turut 4 kali, 3 kali, 2.4 kali, 1.8 kali dan 1.5 kali lebih besar dari negara-negara tersebut (World Resources Institute, 1996). Informasi tersebut menunjukkan bahwa Jepang adalah negara paling efisien penggunaan energinya dan Indonesia adalah yang paling boros. Selama tahun 1973 sampai 1993 konsumsi energi komersial di Indonesia menunjukkan pertumbuhan positif 46%, sedangkan negaranegara maju pertumbuhannya justru negatif antara 4% (Belanda) sampai 30% (Jepang). Artinya penggunaan energi di Indonesia semakin boros sebaliknya negara maju semakin efisien. Di sisi lain dari beberapa penelitian yang dilakukan di industri, ternyata masih banyak energi yang terbuang/belum termanfaatkan secara optimal terutama berupa energi panas. Untuk memanfaatkan energi yang terbuang tersebut perlu digunakan peralatan yang efektif dapat menyerap energi, seperti alat penukar kalor (heat exhanger / HE) atau pompa kalor (heat pump). Namun demikian heat pump mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan HE, diantaranya heat pump mampu memindahkan energi panas dari daerah dengan suhu yang rendah ke daerah dengan suhu lebih tinggi, sedangkan pada HE suhu yang dihasilkan selalu lebih rendah dari suhu sumbernya, sehingga untuk panas buangan yang mempunyai suhu rendah penggunaan HE tidak efektif. 2. DASAR TEORI Secara umum sistem heat pump kompressi uap yang digunakan untuk memanfaatkan limbah panas dapat digambarkan dengan blok diagram ditunjukkan pada Gambar 1. Pada dasarnya sistem mesin pendingin (refrigerator) adalah juga merupakan suatu sistem pompa kalor (heat pump), dimana kalor/energi termal dipindahkan dari suatu daerah ke daerah lain. Perbedaan mesin pendingin dengan pompa kalor hanya pada nilai gunanya. Dimana nilai guna suatu sistem refrigerator adalah untuk mendapatkan efek pendinginan oleh unit evaporator pada suatu daerah/ruangan, sedangkan nilai guna dari suatu sistem pompa kalor adalah untuk mendapatkan efek pemanasan oleh unit kondensor dalam suatu JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-1

ruangan. Unjuk kerja/performansi suatu sistem refrijerator dapat dinilai dari perbandingan jumlah kalor yang dapat diserap pada evaporator dibandingkan dengan energi listrik masukan pada kompressor dan sering disebut dengan COP (Coefficient of Performance), sedangkan unjuk kerja/performansi suatu sistem heat pump juga dapat dilihat dari harga COP nya, yaitu perbandingan energi termal yang dapat dikeluarkan/dibuang pada kondensor dengan energi listrik yang diperlukan pada kompressor, atau dapat dituliskan sebagai berikut:

COPHP =

Energiyangdikeluarkan(kW ) Energiyang dim asukkan(kW )

(1) Panas Keluar

Uap Tek. tinggi

Energi Listrik

Cairan Tek. tinggi Kondensor

Kondensor

Ex Valve

Motor

Kompresor

Evaporator Uap Tek. Rendah

Cairan Tek. Rendah Limbah Panas

`Gambar 1. Diagram alir fluida kerja/refrijeran pada sistem heat pump Dari Gambar 1, terlihat bahwa dengan penyerapan energi termal (dapat berupa panas buangan) oleh cairan fluida kerja/refrijeran pada evaporator pada kondisi suhu dan tekanan evaporasi, akan meningkatkan enthalpinya sehingga cairan fluida kerja/refrijeran tersebut berubah fasa menjadi uap/gas dengan proses tekanan tetap (isobar), dan selanjutnya uap refrijeran akan ditekan oleh kompressor sehingga suhu dan tekanannya naik mencapai tekanan dan suhu kondensasi di kondensor. Pada akhir proses kompressi, uap refrijeran dapat mencapai uap super panas (super heat). Selama proses kondensasi di dalam kondensor sejumlah energi akan dikeluarkan/dibuang ke sekitanya berupa kalor latent (latent heat) pada tekanan kondensasi yang konstan, sehingga enthalpi kembali turun. Jumlah energi baik yang diserap di evaporator maupun yang dikeluarkan di kondensor serta kebutuhan energi pada kompressor dapat dilihat/dihitung dengan menggunakan diagram tekanan-enthalpy (p-h diagram) suatu refrijeran seperti pada Gambar 2 Dari p-h diagram tersebut maka, koefisien performansi (COP) dapat ditulis sbb:

COPHP =

m R (h2 − h3 ) m R (h2 − h1 )

(2) dimana : mR = laju aliran refrijeran [kg/det], COPHP = COP sistem heat pump, COPR = COP sistem refrigerator,

COPR =

m R (h1 − h4 ) m R (h2 − h1 )

h2 - h3 = perubahan enthalpi fuida kerja dalam kondensor [kJ/kg] h2 - h1 = perubahan enthalpi fluida kerja dalam kompressor [kJ/kg] h1 - h4 = perubahan enthalpi fluida kerja dalam eveporator [kJ/kg]

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-2

P(bar)

3 2 4

h2

1 h3 =h 4

h1

. h3=h4

h1

h(kJ/kg ) h2

Gambar 2. p-h diagram refrijeran

Kuantitas kalor yang dapat diserap dari lingkungan sekitar/ruangan dingin oleh fluida pendingin (refrijeran) di dalam evaporator, maupun kuantitas kalor yang dapat dilepas/ dikeluarkan oleh fluida pendingin ke lingkungan sekitar/ruangan panas di dalam kondensor sangat tergantung dari efektifitas evaporator serta kondensor tersebut yang berupa unit-unit penukar kalor (heat exchanger - HE). Dalam perancangan suatu unit penukar kalor, efektifitas penukar kalor dihitung dari perbandingan laju aliran kalor yang dapat ditransfer dari fluida dingin ke fluida panas atau sebaliknya pada unit penukar kalor, dibandingkan dengan laju aliran kalor maksimum yang dapat terjadi pada penukar kalor jenis aliran lawan (counter flow) pada kondisi suhu dan aliran yang sama. Namun demikian analisa praktis untuk menentukan efektifitas suatu unit penukar kalor (heat exchanger) berupa kondensor atau evaporator dapat dinyatakan dengan bilangan yang menyatakan jumlah kalor yang dapat diserap oleh fluida pendingin terhadap laju aliran kalor yang mengalir dilingkungan sekitar evaporator, sebaliknya untuk unit kondensor, dan dapat dinyatakan dengan suatu persamaan sebagai berikut:

εE = dimana:

Q FE QUE

εK =

Q UK QFK

(

3) εE , εK = efektifitas evaporator dan efektifitas kondensor , % QFE = laju aliran kalor yang terserap oleh fluida refrijeran di dalam evaporator, kg/detik (perubahan enthalpi fluida refrijeran dalam evaporator) QUE= laju aliran kalor dari udara lingkungan ke evaporator, kg/detik QUK= laju aliran kalor yang dikeluarkan ke udara lingkungan kondenseo, kg/detik QFK= laju aliran kalor dari fluida kerja dalam kondensor (perubahan enthalphi fluida refrijeran dalam kondensor), kg/detik

Temperatur (oC)

3. ANALISIS HASIL EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian daerah kerja sistem Heat pump Pada tahap ini dilakukan pengujian kemampuan kerja heat pump, yaitu dengan mengeset suhu pada ruang panas (hot chamber) sebesar 70 0C, dan di dalam ruang dingin (cold chamber) diberi pemanas listrik/dibebani dengan daya 1.5kW sebagai usaha untuk memberikan beban limbah panas pada evaporator, serta menaikkan suhu udara dalam ruang dingin. Hasil pengukuran selama selang waktu sekitar satu jam dapat dilihat pada Gambar 3. 80 60 Keterangan gambar:

40

Tcin= suhu udara input evaporator

20

Tcout= suhu udara ouput evaporator

0

Thin= suhu udara input kondensor Thout= suhu udara ouput kondensor

1

21 41 Waktu (Menit) Tcin

Tcout

Thin

61 Thout

Gambar 3. Perubahan suhu udara masuk dan keluar pada evaporator dan kondensor JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-3

Dari Gambar 3 terlihat bahwa setelah dicapai suhu maksimum di dalam ruang panas, maka kompressor secara otomatis akan berhenti bekerja, dan akan bekerja kembali setelah suhu dalam ruang panas turun mencapai sekitar 41 oC. Maksimum suhu udara dalam ruang panas yang dapat dicapai adalah 70 oC. Setting suhu maksimum di dalam ruang panas dibatasi sesuai dengan daerah kerja kompresor yang diijinkan.

60 40 20

31

28

25

22

19

16

13

10

7

4

0 1

Temperatur(oC) Arus(A)

3.2 Analissis COP Untuk mengkaji performansi dari sistem heat pump adalah dengan menghitung COP, dimana COP ini akan dihitung dengan dua perhitungan yaitu dengan asumsi bahwa sistem heat pump bekerja sebagai pemanas ruangan, dan yang kedua yaitu dengan asumsi bahwa sistem heat pump bekerja sebagai refrigerator (pendingin ruangan). Pada Gambar 4. ditunjukkan perubahan suhu udara masuk dan keluar pada evaporator dan kondesor serta arus listrik pada kompresor, dengan assumsi daya listrik pada fan kondensor dan blower evaporator, laju aliran udara serta tegangan listrik dianggap tetap. Temperatur udaraPegukuran dilakukan pada sisi udara masuk dan keluar dari evaporator serta kondensor, dan hasil pegukuran adalah seperti gambar berikut:

Waktu (x3menit) Tcout

Thout

Arus Komp.

Gambar 4. Perubahan suhu udara masuk dan keluar pada evaporator serta kondensor Suhu udara mula-mula dalam ruang panas dan ruang dingin adalah 28 0C. Dan dari pengukuran langsung diperoleh data seperti berikut: Tabel 1. Hasil pengukuran sesaat pada kondisi tunak No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Uraian Tegangan listrik Laju alir udara evaporator (sisi output) Luas penampang evaporator Laju alir udara kondensor (sisi output) Luas penampang kondensor Arus listrik pada motor kompressor Arus listrik pada blower evaporator Arus listrik pada fan kondensor Power faktor sistem listrik total

Besarnya

Satuan

220 2,52 0,036 2,50 0,114 8,2 0.33 0.33 1.0

Volt m/detik m2 m /detik m2 Amp Amp Amp -

Untuk mendapatkan harga densitas (rapat massa) dan kapasitas panas jenis udara didekati dengan metoda interpolasi dari Tabel udara (thermodynamic properties of dry air) untuk suhu udara yang sesuai. Dari data yang tertera pada Tabel 1, dan hasil pengamatan seperti pada Gambar 7, maka laju massa udara yang mengalir pada unit evaporator dan kondensor dapat dihitung sebagai berikut: Pada kondisi tunak suhu udara output dari kondensor adalah 51,4 oC, maka laju aliran massa udara di kondensor dapat dihitung sebagai berikut: mUK = V x Ak x ρ = 2,50 m/det x 0,114 m 2 x 1,087 kg /m3 = 0,310 kg /det

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-4

Sementara pada kondisi tunak suhu udara output dari evaporator adalah 10,2 oC, dan laju aliran massa udara di evaporator dapat dihitung sebagai berikut: mUE = V x Ae x ρ = 2,52 m/det x 0,036 m 2 x 1,246 kg /m3 = 0,113 kg /det Laju aliran kalor yang dikeluarkan/dibuang pada kondensor dan yang diserap pada evaporator dapat dianalisis dengan dua cara, yaitu a) Laju aliran kalor/energi termal yang dikeluarkan/dibuang pada kondensor dan yang diserap pada evaporator ditinjau dari sisi udara,dimana suhu udara mula-mula dalam ruang panas dan ruang dingin adalah 28 0C adalah sebagai berikut: Energi termal yang dikeluarkan/dibuang pada kondensor ke udara adalah: QUK = mUK x cp x ( Thout – Thin ) = 0,310 x 1,02 x (51,4 – 28,0) = 7,40 kJ/detik = 7,399 kW Sedangkan energi termal yang diserap pada evaporator dari udara adalah: QUE = mUE x cp x ( Tcin – Tcout ) = 0,113 x 1,02 x (28,0 – 10,2) = 2,05 kJ/detik = 2,05 kW Daya listrik yang dikonsumsi oleh motor kompresor Pkomp = I x V x cos ϕ = 8,86 x 220 x 1/1000 = 1,949 kW Maka COP sistem heat pump yang berfungsi sebagai pemanas ruangan COPHP = 7,399 / 1,949 = 3,80 b) Dengan mengacu pada spesifikasi tekanan kompresor unit A/C split yang digunakan dan tabel, serta ph diagram jenis R22, maka laju aliran kalor/energi termal yang dikeluarkan/dibuang pada kondensor dan yang diserap pada evaporator ditinjau dari sisi fluida pendingin (refrijeran) dapat dianalisis, yaitu; Laju aliran massa fluida pendingin/refrijeran dalam siklus sistem heat pump dapat dianalisis dari persamaan berikut: mF = ηe Pkomp / ( h2 – h1 ) = (0,8 x 1,443 ) / ( 435,0 – 409,02) = 0,044 kg/det dengan assumsi ηe = 0,8 (effisiensi electric motor kompresor ). Maka energi termal yang dikeluarkan/dibuang ke udara sekitar oleh fluida pendingin (refrijeran) dalam proses kondensasi di kondensor, yaitu QFK = mF ( h2 – h3) = 0,044 ( 435,0 – 268,09 ) = 7,344 kJ/det = 7,344 kW Dengan demikian maka harga COPHP = QFK / Pkomp = 7,344 /1,949 = 3,77 3.3 Analisis efektifitas kondensor Efektifitas kondensor dianalisis dengan metoda praktis, yaitu dengan menghitung laju aliran kalor yang dapat dikeluarkan/dibuang oleh unit kondensor ke udara dalam ruang panas (hot chamber) yang menyebabkan terjadinya beda suhu udara input dan output pada kondensor, dibandingkan dengan laju aliran kalor yang terjadi dari proses kondensasi fluida kerja (refrijeran) didalam pipa-pipa kondensor. Efektifitas unit kondensor yang berupa suatu alat penukar kalor (heat exchanger) dianalisis menggunakan persamaan sebagai berikut:

εK =

Q UK 7,399 = x100% ≅ 100% QFK 7,344

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-5

3.4 Pengujian Optimasi sistem Heat pump Temperatur (oC) - Arus (A)

80

60

40

20

0 1

11

21

31

41

51

61

W a ktu (Me nit)

Tcin

Tcout

Thin

Thout

Arus Komp.

Gambar 5. Grafik Korelasi Temperatur vs Arus Kompresor Pada Gambar 5. Menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu udara yang mengalir pada evaporator, akan menyebabkan naiknya arus listrik yang dibutuhkan oleh kompresor. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi temperatur udara yang mengalir pada evaporator, maka beban pendinginan akan bertambah, dan dengan demikian kompressor akan bekerja lebih berat untuk menambah laju aliran fluida pendingin sehingga energi listrik yang diserap akan bertambah. 4. KESIMPULAN Dari hasil percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Temperatur udara di dalam ruang panas (hot chamber) sistem heat pump dapat berkisar antara 40 – 70 o C. 2. Dari hasil analisis performansi sistem, maka bila sistem berfungsi sebagai pompa kalor (heat pump) dapat diambil kesimpulan sementara bahwa sistem mempunyai COP yang cukup tinggi/bagus, baik dihitung dari sisi udara maupun bila dihitung dari sisi refrijeran yaitu sebesar 3,8 3. Dari hasil analisis, didapatkan efektifitas unit kondensor mendekati sempurna. 4. Semakin tinggi suhu udara yang mengalir pada evaporator atau dengan kata lain semakin tinggi suhu udara dalam ruang dingin (cold chamber), maka akan semakin banyak panas yang diserap oleh fluida refrijeran, sehingga akan banyak energi yang dapat diambil pada kondensor 5. Sistem heat pump ini akan lebih ekonomis bila beroperasi ganda, yaitu disatu sisi berfungsi sebagai pendingin ruangan (room air conditioner) dan disisi lain pada saat yang sama berfungsi sebagai pemanas / ruangan yang dapat digunakan untuk pengering (drier). DAFTARA PUSTAKA 1. …………..,(1995), ”Rencana Induk Konservasi Energi Nasional (RIKEN), BAKOREN 2. Otto Sumarwoto, Prof. (2001),“ Potret Suram, Lingkungan Hidup Indonesia, Adakah Jalan Keluarnya?”, http://www.cides.or.id 3. Chua, K.J., Chou, S. K., (2003), Heat pump Drying Technology, Regional Workshop on Drying Technology, ASEAN SCNCER, hal 113 -122 4. Perry, R. H., Green, D., (1984), Perry’s Chemical Engineers’ Hand Book, sixh Edition, Mc. Graw Hill 5. Heap, R.D.,(1983), Heat pumps, E & F. N. Spon, Second Edition, hal 17 -18 6. ----------, Heat pumps,Heat Transpormers, www.euro.eu.int/comm/energy_transport

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

A-6-6