Limbah Panas

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