Tugas akhir Perencanan Mesin Pendingin Sistem Absorpsi (Lithium Bromide) Dengan Tinjauan Termodinamika Oleh : Robbin Sanjaya 2106.030.060 y Pembimbing : y Ir. Denny M.E. Soedjono,M.T
PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Mesin pendingin yang sudah umum dipakai di Indonesia selama ini menggunakan daur kompresi uap dimana dalam pengoperasiannya membutuhkan daya listrik yang cukup besar serta adanya efek buruk dari refrigeran yang digunakan terhadap lingkungan sekitar. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini yaitu dengan menggunakan sistem absorpsi. Pada sistem ini sebagian besar biaya operasinya berkaitan dengan pemberikan panas pada generator dan daya listrik yang dibutuhkan jauh lebih kecil sehingga lebih ekonomis. Pada saat ini untuk mendapatkan energi panas jauh lebih mudah, salah-satunya dengan memanfaatkan panas dari gas buang kendaraan bermotor.
2. Rumusan Masalah
Dalam penyusunan tugas akhir ini, masalah yang kami bahas adalah : 1.Untuk mengetahui dan memahami prinsip kerja dari alat penyejuk udara dengan sistem absorpsi. 2.Nilai COP dari refrigerasi absorpsi yang memanfaatkan panas dari gas buang kendaraan bermotor.
3. Tujuan Penulisan
Penulisan tugas akhir ini bertujuan untuk : 1. Melakukan pengujian (eksperimen) dan pengambilan data dari mesin pendingin udara absorpsi yang telah direncanakan pada tugas akhir terdahulu. 2. Mengetahui nilai COP dari hasil pengujian.
4.
Batasan Masalah Dalam pambahasan perencanaan ini, kami memberikan batasan masalah untuk lebih memfokuskan isi laporan sebagai berikut :
1.Sistem pendingin terisolasi sempurna dan tidak ada kebocoran. 2.Mesin pendingin diasumsikan dalam keadaan normal atau Kondisi steady state 3.Dalam perhitungan tidak disertakan faktor biaya 4.keluar dari kondenser diasumsikan cair jenuh
DASAR TEORI Siklus Kompresi Uap Ideal
Qc
3 kondensor
Katup ekspansi
2s Wc
kompresor
evaporator 1
4 Qe
Siklus absorpsi
Komponen AC absorpsi 1. Absorber 2. Pompa 3. Penukar Panas 4. Generator 5. Kondensor 6. Pipa Kapiler 7. Evaporator 8. Katup tortel
Prinsip Kerja Refrigerasi Absorber y Prinsip kerja dari sistem refrigerasi absorpsi sebagai berikut: yMenyerap uap tekanan rendah dari evaporator ke dalam suatu zat penyerap yang cocok, pada proses ini dilakukan di dalam absorber. yMenaikan tekanan zat cair dengan pompa. yTerjadi peningkatan temperatur zat cair setelah melewati penukar kalor. yMembebaskan uap dari zat cair yang dilakukan dengan cara memberikan kalor, uap kaya refrigeran itu akan diteruskan ke kondensor. yZat cair yang miskin refrigeran akan dikembalikan ke absorber melalui katup tortel. yPada kondensor terjadi pelepasan kalor sehingga kondisi refrigeran menjadi cair jenuh. yKemudian refrigeran masuk pada pipa kapiler pada tekanan tinggi, selanjutnya tekanannya diturunkan menuju tekanan evaporator. ySiklus ini berlangsung secara kontinyu sampai dapat mendinginkan ruangan
METODOLOGI
Mulai Tinjauan pustaka
Sketsa alat uji
Pengecekan alat uji
Pengambilan tekanan
data
tamperatur
Perhitungan dan analisa
Pembahasan & Kesimpulan
Selesai
dan
y Data Hasil Percobaan pengukuran temperatur pada knalpot dengan jarak ukur 190 cm dari manifold knalpot
• Dalam pengambilan data temperatur knalpot dilakukan pada mobil: Merk Jenis/model Tahun/cc Bahan bakar Engine speed 1000 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500
:Mitsubishi kuda : Station Wgn : 2001/2500 : Solar Temperatur knalpot 85 90 95 100 105 110 115 120
Grafik variasi temperatur knalpot terhadap Putaran mesin
DATA PERHITUNGAN y Data-data yang digunakan dalam perhitungan ini adalah : 1. Temperatur kondensasi 2. Temperatur evaporasi 3. Temperatur absorber 4. Temperatur generator 5. Weak solution 6. Strong solution 7. Laju aliran massa pompa
: 50°C : 10°C : 40°C : 120°C : 57% LiBr : 68.8% LiBr : 0.6 kg/det
Gambar titik-titik temperatur pada siklus absorpsi
Titik 4, larutan dingin jenuh dari absorber p = 1.23 Kpa dan t = 40°C x4 = 0.57 h4 = -160 kJ/kg Titik 2, larutan panas jenuh dari generator : p = 12.3 Kpa dan t = 50°C x2 = 0.688 h2 = -22 kJ/kg Titik 1a, larutan jenuh pada tekanan kondenser dan konsentrasi 0.57 LiBr h1 = h4a + w2 (h2 – h3)/w4 h1 = (-160) + 0.4970 (-22 – (-140))/0.6 h1 = -62.2383 kJ/kg Tititk 3, larutan jenuh pada tekanan evaporator dan konsentrasi 0.688 LiBr t3 = 40°C h3 = -140 kJ/kg
Titik 3a, mempunyai entalpi, temperatur dan komposisi sama dengan titik 3. Yang berbeda adalah tekanan pada titik 3a lebih rendah dikarenakan terdapatnya katup trote. t3a = 1.23 Kpa Titik 4a, p = 12.3 Kpa dan t4a = 40°C h4 = h4a = -160 kJ/kg Titik 5, keadaan uap panas lanjut. (ref. 1 hal 454) h5 = (2501 + 1.88 t) h5 = (2501 + 1.88 X 120°C) = 2726.6 kJ/kg Titik 6, air jenuh pada 40°C (lampiran 8) h6 = 209.26 kJ/kg Titik 7, p = 1.23 Kpa dan t = 10°C (cair + uap) h6 = h7 = 209.26 kJ/kg Titik 8, p = 1.23 Kpa dan t = 10°C (uap jenuh) h8 = 2519.9 kJ/kg
Laju aliran massa yang diberikan dari absorber ke generator. w4 = w1a = 0.6 kg/det Laju aliran massa yang diberikan dari generator ke absorber. w2 + w5 = w4 = 0.6 kg/det w4 . x4 = w2 . x2 0.6 (0.57) = w2 (0.688) w2 = w3 = w3a = 0.4970 kg/det Laju uap air yang didistilasikan per ton refrigerasi w2 + w5 = w4 = 0.6 kg/det 0.4970 + w5 = 0.6 w5 = w6 = w7 = w8 = 0.1029 kg/det Kalor yang dibuang di kondenser. Qc = w5h5 – w6h6 Qc = 0.1029 (2726.6 - 209.26) Qc = 259.0518 kW Kalor yang dibuang di absorber. Qa = w2h2 + w8h8 – w4ah4a Qa = 0.4970(-22) + 0.1029(2519.9) – 0.6(-160) Qa = 285.7223 kW Kalor yang diberikan di generator. Qg = w5h5 + w2h2 – w4ah4a Qg = 0.1029(2726.6) + 0.4970(-22) – 0.6(-160) Qg =306.9931 kW
Kalor yang diambil evaporator. Qe = w8h8 – w6h6 Qe = 0.1029(2519.9 - 209.26) Qe = 237.781 kW Menentukan COPabs COPabs =Qe/Qg = 0.7745
Tabel Perhitungan COP Dengan Variabel Temperatur Pada Generator Ta (°C )
Tg (°C)
Tc (°C)
Te (°C)
40 40 40 40 40 40 40 40
85 90 95 100 105 110 115 120
50 50 50 50 50 50 50 50
10 10 10 10 10 10 10 10
X weak (%) X Strong (%) h1 (kJ/ kg) h2 (kJ/ kg) h3 (kJ/ kg) h4 (kJ/ kg) h5(kJ/ kg) h6 (kJ/ kg) 57 57 57 57 57 57 57 57
h7 (kJ/ kg) h8 (kJ/ kg) h9 (kJ/ kg) h10 (kJ/ kg) w1 (kg/ s) 2660.8 209.26 209.26 2519.9 0.6 2670.2 209.26 209.26 2519.9 0.6 2679.6 209.26 209.26 2519.9 0.6 2689 209.26 209.26 2519.9 0.6 2698.4 209.26 209.26 2519.9 0.6 2707.8 209.26 209.26 2519.9 0.6 2717.2 209.26 209.26 2519.9 0.6 2726.6 209.26 209.26 2519.9 0.6
56 58 61 62 63.8 65.3 66.8 68.8
-158 -158 -158 -158 -158 -158 -158 -158
-158 -158 -158 -158 -158 -158 -158 -158
-67.41071 -64.63793 -59.88525 -58.70968 -59.72414 -58.49005 -59.01796 -60.23837
w4 (kg/ s) 0.610714 0.589655 0.560656 0.551613 0.53605 0.523737 0.511976 0.497093
w7 (kg/ s) -0.01071 0.010345 0.039344 0.048387 0.06395 0.076263 0.088024 0.102907
Qe (kW) -24.7569 23.90317 90.91043 111.8052 147.7651 176.2173 203.3917 237.781
Qa (kW) -29.3025 26.5231 104.2387 129.5758 172.3234 207.3682 240.8391 284.5223
-70 -65 -55 -50 -46 -38 -32 -22
Qg (kW) -30.8121 28.07793 110.522 137.7581 183.7384 221.6981 258.2062 305.7931
-159 -160 -160 -158 -156 -152 -148 -140
-159 -160 -160 -158 -156 -152 -148 -140
Qc (kW) -26.2665 25.458 97.1937 119.9874 159.1801 190.5472 220.7588 259.0518
COP 0.803477 0.851315 0.822555 0.811605 0.804214 0.794852 0.78771 0.777588
Grafik variasi COP (coefficient of performance) terhadap perubahan temperatur generator
Grafik tingkat perpindahan panas pada komponen-komponen refrigerasi absorpsi terhadap perubahan temperatur generator
Tabel Perhitungan COP Dengan Variabel Temperatur Pada Condensor Ta (°C ) Tg (°C ) Tc (°C ) Te (°C ) 40 40 40 40 40 40 40
90 90 90 90 90 90 90
h7 (kJ/kg) 2670.2 2670.2 2670.2 2670.2 2670.2 2670.2 2670.2
h8 (kJ/kg) 167.45 175.31 184.17 192.53 200.89 209.26 217.62
40 42 44 46 48 50 52
10 10 10 10 10 10 10
X weak (%) X Strong (%) h1 (kJ/kg) h2 (kJ/ kg) h3 (kJ/ kg) h4 (kJ/kg) h5 (kJ/kg) h6 (kJ/kg) 57 57 57 57 57 57 57
h9 (kJ/kg) h10 (kJ/kg) w1 (kg/s) 167.45 2519.9 0.6 175.31 2519.9 0.6 184.17 2519.9 0.6 192.53 2519.9 0.6 200.89 2519.9 0.6 209.26 2519.9 0.6 217.62 2519.9 0.6
63 62.5 60.5 60 58.8 58 57.5
-158 -158 -158 -158 -158 -158 -158
w4 (kg/s) 0.542857 0.5472 0.565289 0.57 0.581633 0.589655 0.594783
w7 (kg/s) 0.057143 0.0528 0.034711 0.03 0.018367 0.010345 0.005217
-158 -158 -158 -158 -158 -158 -158
Qe (kW) 134.4257 123.7944 81.07493 69.8211 42.59406 23.90317 12.0119
-76.5714 -73.184 -67.5537 -65.375 57.20408 -60.7069 -58.8696
-65 -64 -63 -62.5 62 -61 -60
-155 -157 -159 -160 -160 -160 -160
-155 -157 -159 -160 -160 -160 -160
Qa (kW) 154.6514 141.9403 92.38661 79.197 48.02265 26.5231 12.78209
Qg (kW) 163.24 149.8762 97.60364 83.706 50.78327 28.07793 13.56626
Qc (kW) 143.0143 131.7302 86.29195 74.3301 45.35467 25.458 12.79607
COP 0.823485 0.825978 0.830655 0.834123 0.838742 0.851315 0.885424
Grafik variasi COP (coefficient of performance) terhadap perubahan temperatur condensor
Grafik tingkat perpindahan panas pada komponen-komponen pada refrigerasi absorpsi terhadap perubahan temperatur condensor
Tabel Perhitungan COP (coefficient of performance) Dengan Variabel Temperatur Pada Absorber Ta (°C ) Tg (°C) Tc (°C ) Te (°C ) 30 35 40 h7 (kJ/ kg) 2670.2 2670.2 2670.2
90 90 90 h8 (kJ/ kg) 209.26 209.26 209.26
50 50 50
10 10 10
X weak (%) X Strong (%) h1 (kJ/kg) h2 (kJ/kg) h3 (kJ/kg) h4 (kJ/kg) h5 (kJ/kg) h6 (kJ/kg) 50 53.5 57
h9 (kJ/kg) h10 (kJ/kg) w1 (kg/s) 209.26 2519.9 0.6 209.26 2519.9 0.6 209.26 2519.9 0.6
58 58 58
-168 -162 -158
-168 -162 -158
-66.27586 -62.37931 -61.68966
w4 (kg/s) 0.5172414 0.5534483 0.5896552
w7 (Kg/s) 0.0827586 0.0465517 0.0103448
Qe (kW) 191.22538 107.56428 23.903172
Qa (kW) 216.24 120.41948 26.523103
-62 -62 -62 Qg (kW) 228.67862 127.41621 28.077931
-180 -170 -160
-180 -170 -160
Qc (kW) COP 203.664 0.836219 114.561 0.844196 25.458 0.851315
Gravik variasi COP (coefficient of performance) terhadap perubahan temperatur absorber
Grafik tingkat perpindahan panas pada masing-masing komponen refrigerasi absorpsi terhadap perubahan temperatur absorber
Tabel Perhitungan COP Dengan Variabel Kosentrasi Lithium Bromide (LiBr) Tc (°C)
Te
X weak (%)
50 50 50 50 50
10 10 10 10 10
50 51 53 55 57
XStrong (%) h1 (kJ/ kg) h2 (kJ/ kg) h3 (kJ/ kg) h4 (kJ/ kg) h5 (KJ/ kg) h6 (kJ/ kg) 62 62 62 62 62
-145 -148 -150 -155 -160
-145 -148 -150 -155 -160
-57.90323 -59.16129 -57.67742 -59.19355 -60.70968
-50 -50 -50 -50 -50
-158 -158 -158 -158 -158
h7 (kJ/kg) h8 (kJ/kg) h9 (kJ/kg) h10 (kJ/kg) w1 (kg/s) w4 (kg/s) w7 (kg/s) Qe (kW) Qa (kW) Qg (kW) Qc (kW) 2689 2689 2689 2689 2689
209.26 209.26 209.26 209.26 209.26
209.26 209.26 209.26 209.26 209.26
2519.9 2519.9 2519.9 2519.9 2519.9
0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
0.483871 0.4935484 0.5129032 0.5322581 0.5516129
0.116129 0.1064516 0.0870968 0.0677419 0.0483871
268.33239 245.97135 201.24929 156.52723 111.80516
303.18194 279.06677 228.43645 179.60613 130.77581
322.81935 297.06774 243.16452 191.06129 138.95806
287.96981 263.97232 215.97735 167.98239 119.98742
-158 -158 -158 -158 -158
COP 0.831215 0.827998 0.827626 0.819251 0.804596
Grafik variasi COP (coefficient of performance) terhadap kosentrasi lithium bromide (LiBr)
Grafik tingkat perpindahan panas pada masing-masing komponen terhadap perubahan kosentrasi lithium bromide (LiBr)
KESIMPULAN Setelah melakukan percabaan dan melihat hasil grafik serta perhitungan, dapat disimpulkan sebagai berikut: y Jika perbandingan lithium bromide dan air terlalu berlebihan ini
menyebabkan penurunan pada COP. y jika temperatur absorber terlalu rendah akan menyebabkan penurunan pada COP. y Dari hasil perhitungan untuk COP tertinggi yang dihasilkan pada refrigerasi absorpsi dengan memanfaatkan gas buang kendaraan bermotor sebesar 0.85 dengan panas yang di berikan pada generator sebesar 90 °C dan temperatur evaporator 10 °C.
SARAN y Untuk temperatur yang masih tinggi pada generator bisa diatasi dengan cara mengatur letak generator dari manifold knalpot. y Mencari pengganti lithium bromide karena harga untuk lithium bromide sangat mahal. y lebih baik menggunakan panas dari panas mesin atau air radiator yang mempunyai temperatur konstan yaitu antara 80 – 90 °C.
Kondensor Alat ini berfungsi untuk mengkondensasikan refrigeran dari kompresor, yaitu merubah fase refrigeran dari uap panas menjadi cair .
Pipa Kapiler
Pipa kapiler mempunyai fungsi yang sama dengan katub ekspansi yaitu digunakan untuk menurunkan tekanan refrigeran dari tekanan kondensor menjadi tekanan evaporator pada enthalpi konstan.
Evaporator Evaporator adalah alat penukar panas yang memegang peranan paling penting dalam siklus refrigerasi, yaitu menguapkan refrigeran dari fase campuran sampai menjadi uap jenuh secara isobarik.
Pompa Untuk pemilihan pompa pada sistem refrigerasi absorpsi ini harus memperhatikan karakteristik dari aliran, yang dipengaruhi oleh kapasitas dan tinggi angkatan yang dibutuhkan, maka dipilihlah pompa jenis centrifugal pump. Pemilihan jenis pompa ini dengan alasan, terdapat beberapa kelebihan yang tak dimiliki oleh jenis pompa yang lain, yaitu: y Alirannya lebih uniform dan tekanan konstan pada operasi steady. y Ukurannya kecil, bobotnya ringan dibandingkan dengan pompa reciprocating untuk kapasitas yang sama. y Putaran relatif tinggi sehingga bisa dikopel langsung dengan motor penggeraknya. y Konstruksinya sederhana. y Tidak mudah tersumbat oleh kotoran-kotoran.
•Pompa sentripugal dengan daya 1 hp
Absorber Absorber adalah tangki untuk menampung refrigeran sebelum refrigeran itu akan di pompakan ke generator dan menyebar ke seluru sistem. Setelah sistem itu berjalan penuh, maka fungsi absorber berubah sebagai mikser atau tempat bercampurnya antara refrigeran miskin dan refrigeran kaya yang berasal dari generator dan evaporator, absorber juga bertugas untuk mendinginkan refrigeran yang ada didalamnya. Bentuk dari absorber ini dapat di desain seperti yang diinginkan, dan bahan yang di pakai biasanya besi cor atau menggunakan stainless steel.
Generator Generator adalah bagian dari mesin pendingin absorpsi yang berfungsi memisahkan refrigeran dari absorbernya dengan cara menguapkan refrigeran, Dalam hal ini air. Dari penelitian Chrysler Corporation Space Division, generator yang paling baik untuk difabrikasi dan diinstalasikan pada mesin pendingin sistem LiBr-water solution adalah generator tipe pool dengan jumlah pipa sebanyak 4 buah, karena heat transfernya cukup baik, tidak membutuhkan data empirik dalam pengembangannya serta karena bentuknya yang kompak.
Katup Trotel Katup tortel adalah katup penurun tekanan. Katup tortel ini terletak di antara generator dan absorber, jelasnya pada aliran refrigeran miskin. Katup ini digunakan untuk menaikan tekanan pada generator. Prinsip kerja dari katup ini adalah jika dia di tekan dengan tekanan tertentu dan melebihi dari kemampuan yang dimilikinya, valve pada katup ini akan terbuka.
Penukar Panas Penukar panas yang biasa dipakai pada sistem absorpsi ini adalah jenis shell and tube yang dapat digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari beberapa selongsong yang didalamnya disusun suatu anulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di anulus sehingga terjadi perpindahan panas antar fluida dengan dinding anulus sebagai perantara. Beberapa jenis rangkaian anulus misalnya; triangular, segiempat, dll.
