BAB III ANALISA DAN PENGOLAHAN DATA

BAB III
ANALISA DAN PENGOLAHAN DATA
3.1.
Perhitungan Beban Pendinginan dan Kapasitas Mesin Pendingin
pada Pesawat Terbang LearJet 31A
Besarnya efek pendinginan yang dihasilkan dari sistem pendingin
tergantung dari beban-beban kalor yang ada pada pesawat terbang itu sendiri.
Untuk dapat memenuhi sesuai dengan kebutuhan pendinginan pada pesawat
terbang, beban kalor harus dihitung secara akurat. perhitungan beban kalor ruang,
terdapat 2 sumber kalor, yaitu beban kalor dari luar dan beban kalor dari dalam.
Dari kedua sumber kalor tersebut dapat dikelompokkan dalam 2 jenis
kalor, yaitu: kalor sensibel dan kalor laten.
1. Kalor Sensibel
41
Yaitu segala sesuatu yang mengakibatkan suhu udara kering naik.
Maksudnya adalah beban kalor yang disebabkan masuknya sejumlah kalor
kedalam ruangan sehingga menyebabkan temperatur dry bulb didalam
ruangan meningkat.
2. Kalor Laten
Yaitu segala sesuatu yang menyebabkan kadar uap air naik. Maksudnya
adalah beban kalor yang disebabkan masuknya sejumlahcampuran (udara,
air, dsb) sehingga menyebabkan meningkatnya kandungan uap air dalam
ruangan.
Perhitungan Beban Pendingin
3.2.
Sebelum menghitung beban pendinginan ada beberapa faktor yang
mempengaruhi beban pendinginan pada pesawat terbang (Stoecker, Wilbert F :
1989), yaitu :
a. Perpindahan panas dari dinding luar melalui badan pesawat ( Qv )
b. Radiasi sinar matahari melalui bagian transparan ( Qj)
c. Panas dari penumpang dan awak pesawat ( Qp)
d. Pancaran panas dari peralatan dan perlengkapan elekrtonik kabin ( Qw )
Faktor – faktor pendinginan diatas sangat mempengaruhi suhu pada bagian
dalam pesawat, yaitu : kabin, kokpit, kargo, dan ruang elektrikal (avionik), namu
yang paling diutamakan kenyamanannya hanya pada kabin, kokpit dan kargo.
42
Salah satu pada kargo karena dimungkinkan terdapat hewan dan tumbuhan di
dalamnya.
Jadi total pendinginan yang diterima di dalam pesawat adalah :
Qtotal = Qv + Qj + Qp + Qw ( kW )
Dalam perhitungan beban pendinginan pada pesawat terbang LearJet 31A,
diperlukan data – data dimensi dan kondisi yang direncanakan seperti yang tertera
di bawah ini :
Keterangan
Dimensi
Panjang keseluruhan pesawat
L = 14,8 m
Panjang kabin dan kokpit (tanpa radome)
Lk= 9,8 m
Diameter badan pesawat
Dma= 1,49 m
Lebar maksimum kabin
Dmi= 1,31 m
Jumlah kaca : penumpang
12 buah (jumlah keseluruhan)
Kokpit
2 buah
Jumlah penumpang
8 orang
Jumlah awak pesawat
2 orang
Suhu kabin
Tc = 24 °C
Table 3.1 Data dimensi pesawat dan kondisi yang direncanakan
43
3.2.1 Perpindahan panas dari dinding luar melalui badan pesawat ( Qv )
Perpindahan panas dari dinding luar ke dalam kabin melalui badan
pesawat berlangsung secara konduksi.
Gambar : 3.1 Perpindahan panas dari udara luar melalui badan pesawat
Luas permukaan dalam yang menerima panas dari luar (Ad)
Luas permukaaan dalam yang menerima panas dari luar adalah jumlah dari
permukaan kabin (Akb) di tambah dengan luas permukaan kargo (Akg) :
(Ad) = (Akb) + (Akg)
44
Gambar : 3.2 penampang kabin dan kargo (gambar dalam satuan mm)
Qv
W
= Rkond + Rkonv 1
W
=∑
1
2
+
2
Tood & Ellies, Applied Heat Trasfer, hal. 15
Stoecker, Refrigerasi dan Pengondisian Udara, hal. 32
45
Keterangan :
W
= tahanan panas (°C/Watt)
td
= suhu dinding luar (°C)
tc
= suhu dinding dalam (°C)
hd
= kofesiensi perpindahan panas udara dalam (Watt/m² °C)
R1
= jari – jari permukaan luar (m)
Rd
= jari – jari permukaan dalam (m)
Ad
= luas permukaan dalam (m²)
K
= konstanta konduktivitas(Watt/m² °C)
L
= panjang pesawat yang menerima beban pendinginan/kabin (m)
Rkond
= tahanan panas konduksi (°C/Watt)
Rkonv
= tahanan panas konveksi (°C/Watt)
Luas pemukaan kabin yang menerima panas dari luar adalah bagian samping dan
bagian atas badan pesawat, yaitu busur AB ( AB ).
Luas permukaan luar (A1)
A1
=2×
× R1× L
=2×
×(
=2×
× 0,745 × 9,8
)× 9,8
= 45, 85m²
Keliling penampang kabin dan kokpit ( AGF)
cos AOC
=
(Rd= jari – jari dalam kabin)
46
=
= 1,16
AOC =27,84°
Busur AGF
= 360 – 2
AGF
= 360 – 2(27,84°)
= 304,32°
Keliling busur ZYX
ZYX
=
= 2,06 m
Besar sudut AOZ dan sudut FOX
AOZ
= 90° - ∟AOC
= 90° - 27,84°
= 62,16°
AOZ = FOX
= 62,16°
Panjang busur ZA dan FX
ZA
= r ×AOZ (dalam radian)
= 0,655 × (
)
= 0,71 m
47
ZA
=
FX
= 0,71 m
Keliling busur AGF
=
+
= 2,06 + 0,71 + 0,71
= 3,48 m
Luas permukaan dinding kabin dan kopit
Ad
=
× Lk
= 3,48 × 9,8
= 34,104 m2
luas permukaan dalam yang menerima panas dari dalam (Ad)
Ad
=34,104 m2
koefisien perpindahan panas udara di dalam kabin (h)
h
= 1,2 ×√
diambil kecepatan udara didalam kabin (V) dalam lampiran
W
= 0,2 m/s
= 0,656 ft/s
h
= 1,2 × √
= 0,972 BTU/hr.ft2.°F
= 5, 521 W/m2.°C
keterangan :
1 BTU/h
= 0,293 W
1ft
= 0, 3048 m
48
1 Fahrenheit – 32 /1,8
Badan pesawat lear jet 31A dilapisi oleh tiga macam bahan dengan ketebalan dan
konduktifitas yang berlainan, seperti terlihat pada table 3.2
No
Bahan lapisan
Tebal (m)
K (Watt/m °C)
Aluminium
0,002
116,13
Sound Proofing
0,145
0,05
Fiberglass
0,003
0,074
1
2
3
Tabel : 3.2 Ketebalan dan Konduktivitas bahan pesawat
Gambar : 3.3 Lapisan badan pesawat
49
Maka jari – jari pada setiap lapisan badan pesawat adalah :
RAL
= R1= 0,745 m
Rsp
=R1– 0,002
= 0,745 – 0,002
= 0,743 m
Rd
= 0,655 m
RFG
= Rd – 0,003
= 0,655 – 0,003
= 0,652 m
Maka tahanan panas dalam pesawat (W) adalah :
W
= In
+ In
+ In
+ In
= In
+
+ In
=
+
+
= 7,168.
+ 3,509 + 4,531.
+
+
+ 1,882.
= 3,865.10-3°C/watt
Suhu udara dalam kabin (Tc) yang direncanakan yaitu :
tc
= 24 °C
Tc
= 273 + 24 = 297 K
Suhu udara dinding luar badan pesawat (Td) berdasarkan lampiran U yaitu :
td
= 50 °C
Td
= 273 + 50 = 323 K
50
Maka beban pendinginan badan kabin, kokpit akibat perpindahan panassecara
konduksi dari udara luar melalui badan pesawat (Qv)adalah :
Qv
=
=
= 6727,038 Watt = 6,73 kW
3.2.2. Radiasi sinar matahari melalui bagian transparan (Q j)
Yang termasuk dalam bagian transparan pada pesawat terbang adalah kaca
jendela pada kabin penumpang dan kokpit pesawat.
Qj
= r x G1 x A1
Keterangan :
r
= faktor transmisi
G1
= total sinar radiasi matahari (W/m2)
A1
= luas total permukaan transparan (m2)
Gambar : 3.4 Perpindahan panas dari udara luar melalui badan pesawat
51
Luas permukaan bagian transparan kabin (Ajkb)
Gambar : 3.5 kaca jendela kabin penumpang LearJet 31A
Diketahui :
Dimensi kaca jendela pada kabin penumpamg pada pesawat LearJet 31A
Tinggi
= 350 mm
= 0,35 m
Lebar
= 250 mm
= 0,25 m
Luas kaca jendela kabin (A1kb)
Ajkb
= 0,35 x 0,25
= 0,0875 m2
52
Pada kabin pesawat LearJet 31A terdapat 12 buah kaca penumpang, maka luas
permukaan transparan total pada kabin adalah :
Ajkb
= 0,0875 x 12
= 1,05 m2
Luas permukaan transparan pada kokpit (Ajcp)
pada kokpit pesawat LearJet 31A terdapat 2 buah kaca
Gambar : 3.6 kaca jendela kokpit LearJet 31A
Luas A
=(
Luas B
=(
) = 0,625 m2
) 0,5
= 0,032 m2
Luas C
=(
)x 0,2
= 0,02 m2
53
Jadi luas kaca kokpit adalah (Ajcp)
Ajcp
= Luas ( A + B + C )
= 0,625 + 0,032 +0,02
L1
= 0,677m2
L2
= 0,677 m2
Maka luas total kaca kokpit adalah (A1cp)
(Ajcp)
= L1+ L2
= 0,677 + 0,677
= 1,354 m2
Faktor Transmisi
1. Pada kabin
unntuk setiap bagian teransparan terdiri dari 3 lapisan kaca dengan
ketebalan masing – masing lapisan :
t
= 8 mm
= 0,31 inch
Diketahui permukaan kaca datar, dengan rkb = 0,88untuk setiap lapisan
kaca, maka untuk 3 lapisan kaca didapat :
t
=rkb3=(0,88)3 = 0,68
2. Pada kokpit
Untuk bagian transparan pada kokpit terdiri dari 1 lapisan kaca dengan
ketebalan :
t
= 25 mm
= 0,98 inch
54
Diketahui permukaan kaca datar dengan rcp = 0,78
Total radiasi sinar matahari (G1)
dipilih pada saat kondisi udara terpanas, yaitu :
–
keadaan tropic
–
saat di darat
Maka :
G1
= 350 BTU/hr ft2
= 1102,5 W/m2
Maka radiasi sinar matahari yang masuk melalui bagian transparan pada
kabin dan kokpit adalah :
Qj
= Qjkb + Qjcp
= ( rkbx G1 x A1kb ) + ( rcp x G1 x A1cp )
= (0,68 x 1102,5 x 1,05) + (0,78 x 1102,5 x 1,354)
= 787,18 + 1164,37
= 1951,55 Watt = 1,95 kW
3.2.3
Panas dari penumpang dan awak pesawat
Kapasita penumpang pesawat LearJet 31A terdiri dari 8 penumpang, 2
orang pilot.jadi total kapasitas penumpangnya ( ) berjumlah 10 orang.
Diasumsikan aktifitas semua penumpang sedang duduk dengan tenang
(Q = 140 W ). Jadi jumlah panas total yang dipancarkan oleh penumpang pesawat
(Qp) adalah :
Qp
=∑
= (10.140)
55
= 1400 Watt = 1,4 kW
3.2.4 Pancaran panas dari peralatan dan perlengkapan elektronik kabin
dan kokpit
Panas dari lampu kabin dan kokpit didalam kabin, terdapat lampu – lampu
yang berkekuatan 20,40 dan 45 watt seperti terlihat pada tabel :
No
Letak Lampu
Jenis Lampu
Jumlah
Watt
Lampu lorong
20 w
8
160
40 w
6
240
45 w
2
90
1
kabin
Lampu baca
2
penumpang
Lampu dalam
3
kokpit
Total (watt)
490
Tabel : 3.3 Pancaran panas dari lampu kabin dan kokpit
Panas dari peralatan avionik memancarkan panas sebesar 4560 watt (Sumber :
Aircraft Maintenance Manual LearJet 31A)
Lampu listrik memancarkan panas dari 3,4 BTU/h = 0,996 = 1 Watt daya lampu.
Panas dari peralatan dan perlengkapan pada kabin dan kokpit (avionik)
Qw
= 490 + 4560
= 5050 Watt 5,05 kW
56
Maka dari hasil perhitungan di atas didapatkan total beban pendinginan pada
pesawat terbang LearJet 31A adalah sebagai berikut:
No
Faktor Beban Pendinginan
Beban Pendinginan
(kW)
Perpindahan panas dari dinding luar
6,73
1
melaluibadan pesawat ( Qv )
Radiasi
sinar
matahari
melalui
1,95
Panas dari penumpang dan awak
1,4
2
bagian transparan ( Qj )
3
pesawat ( Qp )
Pancaran panas dari peralatan dan
5,05
4
perlengkapan elekrtonik kabin ( Qw )
Total (Watt)
15,13
Tabel : 3.4 Jumlah Total Beban Pendingin (RE) pesawat LearJet 31A
3.3.
Perhitungan Kapasitas Mesin Pendingin
Mesin pendingin pada pesawat LearJet 31A di sebut juga air
conditioningpack yang menggunakan sistem refrigerasi udara jenis brootsrap,
yang memiliki skema dan diagram T – S seperti gambar dibawah ini :
57
Gambar : 3.7 Skema ACM dan Diagram T – S sistem refrigerasi bootstrap
1 – 2 Proses awal udara memasuk sistem melalui diffuser
58
Pada proses ini terjadi ketika udaradari luar (ambient air temperature) mengalir
masuk kedalam sistempendingin, pada proses ini terjadikenaikan suhu udara
akibat adanyapengaruh kecepatan pesawat.
2 – 3 Proses pada kompresor mesin (Engine compressor)
Disini udaradikompresikan, proses ini terjadi pada entropi konstan (isentropi)
tetapitekanan,suhu dan entalpi naik. Proses ini dilakukan oleh mesin pesawat.
3 – 4 Proses pada primary heat exchanger
Udara mengalamipenurunan temperature karenamengalami pertukaran panas,
padaproses ini tekanan konstan.
4 – 5 Proses pada kompresor ACM (Air Cycle Machine)
Udara mengalami proses kompresisehingga menimbulkan kenaikantekanan dan
suhu, proses ini dilakukan oleh kompresor pada ACM.
5 – 6 Proses padasecondary heat exchanger
Pada proses ini udara mengalamiproses penurunan suhu dengantekanan konstan
atau terjadi padaproses isobar.
6 – 7 Proses pada turbin
Pada proses ini terjadi ekspansi udara darisecondary heatexchanger olehturbin
sehingga udara mengalamipenuruna dan tekanan dan suhu
Dari hasil survey tugas akhir di Balai Kalibrasi Fasilitas Penerbangan maka di
dapatkan data sebagai berrikut :
–
Efisiensi turbin pendingin ACM,
–
Efisiensi kompresorACM,
c
ACM
ACM
T
= 0,8
= 0,9
59
– Efisiensi primary heat exchanger
–
Efisiensi main heat exchanger
–
Efisiensi kompresorturbofan,
PHE
AMC
ACM
MHE
TBF
= 0,6
= 0,6
= 0,9
C
Berdasarkan, aircraft maintenance manual, dengan pesawat LearJet 31A memiliki
ketinggian jelajah 9000 m maka didapatkan data suhu pada air conditioning pack
pada saat dibebani penuh, yaitu :
Suhu ram air
(T1)
Suhu masuk kompresor ACM
(T4)
Suhu keluar kompresor ACM
(T5)
Suhu masuk turbin ACM
(T6)
Suhu keluar turbin ACM
(T7)
Suhu kabin ACM
(T8)
°C
K
-50
223
85
358
140
413
41
314
- 30
243
24
297
Tabel 3.5 Data suhu ACM pada saat diketinggian jelajah 9000 m
60
Gambar : 3.8 Sistem penyaluran udara pada pesawat LearJet 31A
Efisiensi Cooling Turbin ACM
T
ACM
= 0,8
maka :
ACM
T
=
0,8
=
T7
= 314 – (
)
= 225,25 k
Efisiensi kompresor ACM
ACM
c
= 0,9
maka :
ACM
c
0,9
=
=
61
= 0,9 ( 413 – 358 ) + 358
T5
= 407,5 k
Efisiensi main heat exchanger ACM
PHE
ACM
= 0,6
ACM
=
PHE
0,6
=
T2
= 413 – (
)
= 248 k
Efisiensi primary heat exchanger
PHE
AMC
= 0,6
maka :
AMC
PHE
=
0,6
=
T3
= 358 – (
)
= 523 k
Efisiensi kompresor turbofan
TBF
= 0,9
TBF
C
=
0,9
=
C
62
= 0,9 ( 523 – 248 ) + 248
T3
= 495,5 k
Masa aliran udara kabin
̇
α)
Diketahui : Total beban pendinginan (RE) = 15,13 kW
Keterangan :
Cp
= kapasitas panas spesifik udara kering ( 0,24 kkal/kg °C )
= 1,005 kJ/kg.K
Maka ̇
α
=
=
= 0,279kg/s
Besar daya yang dibutuhkan untuk ram air ( ̇ R)
̇R
= ̇ α x Cp x ( T2 - T1)
= 0,279 x 1,005 x ( 248 – 223 )
= 7,009 kW
Besar daya yang dibutuhkan untuk kompresor ( ̇ c)
̇ c1
= ̇ α x Cp x ( T3–T2)
= 0,279 x 1,005 x ( 495,5 – 248 )
=69,39 kW
Besar daya yang dibutuhkan untuk turbin ( ̇ t)
̇t
= ̇
αx
Cp x ( T6–T7)
= 0,279 x 1,005 x ( 314 – 225,25)
63
= 24,88 kW
jadi kerja bersih dari sistem pengondisian udara adalah :
̇ net
= ̇ ram + ̇ kompresor – ̇ turbin
= 7,009 + 69,39 – 24,88
= 51,519 kW
Maka didapatkan kapasitas 2 buah Air Pack pada mesin pendinginan udara pada
pesawat LearJet 31A = kerja parsial kompresor turbofan :
Wc
= ̇
αx
Cp x ( T3 –T2)
= 0,279 x 1,005 x ( 523 - 248)
= 77,1 kW
3.4.
Coefficient Of Performance (COP)
Sistem air refrigeration memiliki COP (Coefficient Of Performance) yang
rendah. COP pada air refrigeration pesawat LearJet 31A :
COP =
=
= 0,196 kW
Dengan hasil COP yang rendah maka untuk memperoleh efek refrigerasi
pendinginan yang sama denagan sistem vapor compression refrigeration cycle
dibutuhkan daya kompresor yang sangat besar. Namun dalam penggunaan air
cycle refrigeration pada pesawat terbang dapat dimanfaatkan kompresor mesin,
64
baik turbofan maupun APU, yang memiliki daya yang besar untuk memberikan
ke cooling turbine dan fan di dalam ACM.
65