karakteristik water chiller

Karakteristik Water Chiller
(PK Purwadi dan Wibowo Kusbandono)
KARAKTERISTIK WATER CHILLER
PK Purwadi dan Wibowo Kusbandono
ABSTRACT
The quantities of cooling load and the condition of air in air conditioning system
at a large building always change. In the air conditioning system using water chiller,
the change of two main components influences the water chiller performance. This
paper will discuss the characteristics of water chiller on the alteration of those main
components using a cycle that is generally used in the air conditioning system at a large
building - the steam compression cycle with intercooler and the standard steam
compression cycle with refrigerant R 22. Both of them are assumed to run on ideal
condition so it is expected to reach an optimum working area from each water chiller
cycle. Then the control system design can be chosen on appropriate working area.
Finally, it will be able to save electrical energy used in AC machines.
Keywords: water chiller, cooling load, air conditioning
1. Pendahuluan
Dari hasil penelitian untuk kebutuhan energi yang dipergunakan pada hotel-hotel
berbintang (Yogyakarta: Ambarukmo, Garuda, Sahid Garden, Mutiara, Jakarta: Sari Pasific,
Mandarin, Denpasar: Bali Beach Hotel) diperoleh suatu hasil bahwa konsumsi energi listrik
rata-rata setiap meter persegi luas lantai bangunan sebesar 12,65 kWh/m2 per bulan. Kesimpulan
lain, bahwa energi listrik merupakan energi terbesar yang dipergunakan pada hotel-hotel
berbintang tersebut. Selain energi listrik, energi lain yang dipergunakan adalah bahan bakar
yang meliputi energi solar, residu, bensin, gas dan lainnya. Sedangkan kebutuhan energi total
sebesar 31,41 Watt/m2 . Konsumsi energi listrik tertinggi dari seluruh pemakaian energi listrik
ternyata dipakai untuk energi listrik mesin-mesin pengkondisian udara (mesin- mesin AC).
Sekitar 53% dari seluruh energi listrik dikonsumsi untuk mesin mesin AC, sedang sisanya
dikonsumsi untuk energi lampu, energi pompa dan energi lain. Oleh karena itu sudah
sewajarnya bila dalam rangka penghematan energi, kita memperhitungkan konsumsi energi
untuk mesin mesin AC seoptimal mungkin.
Pada umumnya sistem pengkondisian udara pada hotel berbintang, atau bangunan besar
lainnya seperti: mall, komplek pertokoan, gedung bertingkat, rumah sakit, pabrik industri,
ataupun gedung olah raga mempergunakan sistem pengkondisian udara sentral dengan water
chiller, karena bangunan-bangunan tersebut mempunyai beban pendinginan yang relatif besar.
Pada kenyataannya besarnya beban pendinginan pada bangunan berubah-ubah setiap saat,
demikian pula kondisi udara luar. Perubahan ini tentu berdampak pada kondisi kerja water
chiller, yang pada akhirnya bila sistem kontrol tidak bekerja pada daerah yang tepat dari siklus
water chiller akan memerlukan konsumsi energi listrik yang tidak hemat. Penulis tertarik untuk
mengetahui pengaruh perubahan beban pendinginan dan perubahan kondisi udara luar terhadap
unjuk kerja dari water chiller dengan meninjau dua siklus yang biasa dipakai pada sistem
pengkondisian udara.
67
Jurnal Teknologi Industri Vol. V No. 2 April 2001 : 67-74
Beban pendinginan total dari water chiller adalah besarnya kalor yang diterima refrigeran
pertama dari refrigeran kedua yang berlangsung di evaporator (dari chiller). Perubahan beban
pendinginan pada water chiller dapat disebabkan antara lain karena adanya perubahanperubahan: jumlah penghuni ruangan, aktivitas penghuni, pemakaian ruangan, pemakaian alatalat listrik, kondisi udara luar maupun lampu penerangan. Komponen beban pendinginan
meliputi: panas sensibel, panas laten, ventilasi udara luar dan sumber sumber panas lain. Yang
termasuk sumber panas sensibel: perpindahan panas melalui bangunan, penyinaran matahari,
perembesan atau kebocoran udara luar, panas lampu penerangan, panas benda-benda yang
suhunya lebih tinggi yang dibawa masuk ruangan, panas penghuni, panas dari motor listrik,
proses kimia, maupun alat-alat listrik lain. Sumber panas laten: perembesan udara luar dengan
tekanan yang berbeda, kelembaban penghuni, kelembaban bahan bahan yang disimpan,
kelembaban permukaan basah, proses kimia, uap air panas dll. Sedangkan ventilasi udara luar
dapat menyebabkan adanya panas sensibel karena perbedaan suhu dan panas laten karena
perbedaan kelembaban. Untuk sumber sumber panas yang lain, misalnya adanya kebocoran
udara dari saluran udara yang dipakai pada sistem pengkondisian udara.
Bila suatu hotel berbintang, misalnya separuh dari ruangannya tidak dikondisikan
udaranya, sedang ruangan lainnya bekerja pada kondisi yang normal, maka dapat diperkirakan
beban pendinginannya akan berubah cukup besar. Apabila ruangan hotel yang dikondisikan itu
dilakukan dengan Fan Coil Unit (FCU) atau Air Handling Unit (AHU), maka perubahan beban
pendinginan di dalam ruangan akan berpengaruh terhadap kondisi refrigeran kedua yang
mengalir ke FCU ataupun ke AHU. Akibatnya, kondisi refrigeran kedua yang masuk ke water
chiller (melewati evaporator) mengalami perubahan, karena semua refrigeran kedua yang keluar
dari FCU atau AHU pada akhirnya menuju ke water chiller. Perubahan ini tentu berdampak
terhadap unjuk kerja dari water chiller. Apabila kondenser dari water chiller didinginkan oleh
udara luar ataupun oleh cooling tower yang didinginkan udara luar, maka perubahan kondisi
udara luar juga akan berpengaruh terhadap unjuk kerja dari water chiller.
Penelitian secara teoritis, dilakukan terhadap siklus kompresi uap dengan intercooler and
flash tank dan siklus kompresi uap standar. Daerah tekanan kerja untuk evaporator: 180-260
psia dan daerah kerja untuk kondenser: 75-120 psia. Refrigeran pertama dari mesin chiller: R22,
sedangkan refrigeran kedua yang dipergunakan dalam sistem pengkondisian udara: fluida air.
2. Dasar Teori
2.1. Siklus Kompresi Uap dengan Intercooler and Flash Tank
Siklus kompresi uap dengan intercooler dalam diagram tekanan-entalpi dan diagram
aliran dapat dilihat pada Gambar 1. Tekanan pertengahan (intermediate pressure) untuk daya
total minimum:
p i = ( p 2 .p1 ) 0 .5
(1)
Laju aliran massa m1 :
200
( h1 − h7 )
m1 = m2 = m7 = m8
m1 =
68
(2)
Karakteristik Water Chiller
(PK Purwadi dan Wibowo Kusbandono)
Laju aliran massa m3 :
m3 = m2
(h2 − h7 )
(h3 − h6 )
m3 = m4 = m5 = m6
(3)
Daya kompresor tingkat rendah (daya 1 ):
daya 1 = m 1 ( h 2 − h 1 )
(4)
Daya kompresor tingkat tinggi (daya 2 ):
daya 2 = m3 (h4 − h3 )
(h − h7 )
= m2 2
(h − h )
(h3 − h6 ) 4 3
(5)
Daya total (Daya):
Daya = daya1 + daya 2
(6)
Laju aliran kalor di kondenser (Qkon):
Q kon = m 4 (h 4 − h 5 )
(7)
Coeficien of Performance (COP):
COP =
(h 2 − h 8 )
(h − h 7 )
(m 1 ( h 2 − h 1 ) + m 2 2
(h 4 − h 3 ))
(h 3 − h 6 )
(8)
2.2. Siklus Kompresi Uap Standar
Siklus kompresi uap dasar terdiri 4 proses utama : penguapan, kompresi, pengembunan
dan throtling. Siklus kompresi uap standar dapat dilihat pada Gambar 2.
Laju aliran massa m1 :
m1 =
200
(h 1 − h 3 )
(9)
Daya per Ton Refrigeration (TR) yang diperlukan:
Daya = 4.717
( h 2 − h1 )
(h 1 − h 3 )
(10)
69
Jurnal Teknologi Industri Vol. V No. 2 April 2001 : 67-74
4
kondenser
3
5
2
Intercooler
dan
flash tank
Kompresor
tingkat tinggi
1
6
Kompresor
Tingkat rendah
Tekanan
evaporator
5
7
4
6
3
8
2
1
entalphi
Gambar 1.
Panas yang dilepas kondenser (Qkon ):
Q kon =
70
(h 2 − h 3 )
(h 1 − h 3 )
(11)
Karakteristik Water Chiller
(PK Purwadi dan Wibowo Kusbandono)
Coeficien of Performance (COP):
Tekanan
COP =
(h 1 − h 4 )
(h 2 − h 1 )
(12)
3
2
4
1
entalpi
Kondenser
Katup
ekspansi
Kompresor
Evaporator
Gambar 2.
3. Perhitungan dan Pembahasan
Hasil perhitungan untuk daya kompresor, panas yang dilepas kondenser dan COP untuk
siklus kompresi uap standar dan siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank
digambarkan dalam Tabel 1 s.d. Tabel 6. Perhitungan didasarkan pada persamaan (1) s.d.
persamaan (12). Besarnya entalpi, diperoleh dari tabel refrigeran R22. Tabel 1, 2 dan 3,
merupakan hasil perhitungan untuk water chiller dengan siklus kompresi uap standar, sedang
Tabel 4, 5, dan 6 untuk siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank.
Dari tabel terlihat, bahwa perubahan kondisi kerja water chiller, yaitu perubahan terhadap
tekanan kerja evaporator dan tekanan kerja kondenser berpengaruh terhadap daya kompresor,
laju pelepasan kalor, maupun COP dari water chiller. Dengan demikian bila besar beban
pendinginan yang diterima evaporator dari water chiller
berubah-ubah, maka dapat
dimungkinkan adanya suatu sistem kontrol yang dapat mengatur perubahan kondisi kerja dari
water chiller. Pemilihan daerah kondisi kerja water chiller, tentunya dipilih yang menghasilkan
harga COP, yang membutuhkan konsumsi energi sehemat mungkin.
Tabel 3 dan 6, memperlihatkan harga COP dari masing masing siklus. Dari kedua tabel
itu terbaca, bahwa harga COP untuk siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank
mempunyai harga yang lebih besar. Dari konsumsi energi, tentu akan lebih menguntungkan
pemilihan mesin dengan harga COP yang tinggi.
71
Jurnal Teknologi Industri Vol. V No. 2 April 2001 : 67-74
4. Kesimpulan
1. Harga COP mesin water chiller dengan siklus kompresi uap dengan intercooler and flash
tank mempunyai harga yang lebih besar dari siklus kompresi uap standar.
2. Perubahan kondisi kerja water chiller, yang meliputi harga tekanan evaporator maupun
tekanan kondenser dapat mengikuti perubahan besarnya beban pendinginan.
Daftar Pustaka
Ashrae Guide and Data Book, 1963, Application, American society of Heating, Refrigerating
and Air Conditioning Engineers, Inc.
Ashrae Guide and Data Book, 1963, Fundamentals and Equipment, American Society of
Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc.
Carrier Air Conditioning Company, Handbook Air Conditioning
Edward G Pita, 1981, Air Conditioning Principles and System an Energy approach, John Wiley
& Sons, Toronto
G. Harjanto dkk., 1988, Konsumsi Energi Hotel Hotel Berbintang, Seminar
Perpindahan Panas dan Massa, PAU-Ilmu Teknik UGM.
R.S. Khurmi, J.K. Gupta, 1995, Refrigeration and Air Conditioning, Eurasia Publishing
House(P) Ltd, New Delhi-110055.
Lampiran
Daya Kompresor,
HP/TR
Tabel 1
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
60
70
80
90
100 110 120 130
Tekanan Evaporator, psia
180 psia
72
200 psia
220 psia
240 psia
260 psia
Karakteristik Water Chiller
(PK Purwadi dan Wibowo Kusbandono)
Laju Pelepasan
Kalor, Ton/TR
Tabel 2
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
1
60
70
80
90
100 110 120 130
Tekanan Evaporator, psia
260 psia
240 psia
200 psia
180 psia
220 psia
COP, Ton/TR
Tabel 3
21
18
15
12
9
6
3
60
70
80
90
100
110
120
130
Tekanan Evaporator, psia
180 psia
200 psia
240 psia
260 psia
220 psia
Total Kerja
Kompresor, HP/TR
Tabel 4
0,95
0,85
0,75
0,65
0,55
0,45
0,35
0,25
60
70
80
90
100 110 120 130
Tekanan Evaporator, psia
180 psia
240 psia
200 psia
260 psia
220 psia
73
Jurnal Teknologi Industri Vol. V No. 2 April 2001 : 67-74
Laju Pelepasan
Kalor, Ton/TR
Tabel 5
1,3
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
60
70
80
90
100 110 120 130
Tekanan Evaporator, psia
180 psia
200 psia
240 psia
260 psia
220 psia
COP, Ton/TR
Tabel 6
15
13
11
9
7
5
60
70
80
90
100
110
120
Tekanan Evaporator, psia
74
180 psia
200 psia
240 psia
260 psia
220 psia
130