BAB IV PENGUMPULAN DAN PERHITUNGAN DATA
advertisement
50 BAB IV PENGUMPULAN DAN PERHITUNGAN DATA 4.1 Menentukan Titik Suhu Pada Instalasi Water Chiller. Menentukan titik suhu pada instalasi water chiller bertujuan untuk mendapatkan kapasitas suhu air dingin maksimal yang dapat dicapai oleh mesin pendingin yang telah terpasang sebelumnya disebuah perusahaan produsen plastik injection dengan kapasitas water chiller 60 HP, kita bisa mendapatkan data berapa kapasitas maksimalnya yang dihasilkan dari mesin pendingin yang telah terpasang, berdasarkan pengukuran suhu yang telah dilakukan selama tiga kali pengukuran yaitu : Pagi, siang, sore maka di ambil suhu diameter luar pipa air yang paling dingin hal ini dikarenakan alat ukur infrared thermometer hanya bisa mengukur permukaan luar pipa yaitu pada titik T1 (air masuk ke mesin pendingin) dan T2 (air keluar dari mesin pendingin) dengan demikian maka suhu yang digunakan untuk perhitungan adalah T1 = 24,50 C , T2 = 19,80 C dan berdasarkan pengukuran suhu udara disekitar pipa T1 dan T2 dengan alat ukur Enviroment meter adalah sebagai berikut, T1udara = 32,20 C dan T2udara = 32,50 C dengan data tersebut maka dapat digunakan untuk menghitung beban water chiller maksimal yang seharusnya digunakan. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 51 Dari hasil pengukuran langsung data yang diperoleh dari lapangan pada pengambilan suhu air dengan urutan Titik pengambilan suhu sebagai berikut : Gambar 4.27 Titik pengambilan suhu dengan infrared termometer. Setelah dilakukan pengukuran langsung dengan alat ukur infrared termometer maka di peroleh data suhu pada diameter luar pipa instalasi water chiller di 8 titik pengambilan suhu pada sebuah perusahaan produsen plastik injection adalah sebagai berikut pada tabel 4.1. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 52 Tabel 4.1 Data suhu air di 8 titik dengan alat ukur infrared thermometer. NO DATA SUHU PAGI SIANG SORE 1 T1 24,50 C 27,20 C 26,40 C 2 T2 20,50 C 20,80 C 20,70 C 3 T3 18,80 C 20,30 C 19,80 C 4 T4 18,40 C 21,20 C 19,40 C 5 T5 20,40 C 22,40 C 210 C 6 T6 26,10 C 30,50 C 26,90 C 7 T7 26,50 C 30,20 C 26,90 C 8 T8 23,50 C 26,30 C 240 C Dari tabel 4.1 diatas dapat dijelaskan bahwa suhu yang diperoleh dari pengukuran terdapat perbedaan yang sangat signifikan yaitu suhu pada pagi hari relatif rendah sedangkan pada siang hari suhu mengalami kenaikan dikarenakan udara sekitar tinggi hal ini menyebabkan water chiller bekerja keras, namun pada sore hari suhu menjadi turun kembali dan water chiller bekerja normal. Setelah diperoleh data suhu air maka selanjutnya adalah pengambilan suhu udara sekitar dengan alat ukur Enviroment meter dengan urutan dan hasilnya sebagai berikut : Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 53 Gambar 4.28Titik pengambilan suhu udara di 8 titik dengan Enviroment meter. Tabel 4.2 Data suhu udara sekitar di 8 titik dengan menggunakan Enviroment meter. NO DATA SUHU PAGI SIANG SORE 1 T1 udara 32,20 C 32,50 C 32,20 C 2 T2 udara 32,50 C 32,80 C 32,50 C 3 T3 udara 33,10 C 32,80 C 32,80 C 4 T4 udara 33,10 C 32,80 C 32,40 C 5 T5 udara 35,40 C 35,40 C 35,40 C 6 T6 udara 35,40 C 35,40 C 35,40 C 7 T7 udara 330 C 33,10 C 330 C 8 T8 udara 32,50 C 32,80 C 32,40 C Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 54 Dari tabel 4.2 diatas dapat dijelaskan bahwa suhu udara mengalami kenaikan pada siang hari sehingga waktu siang hari proses perpindahan panas konveksin dari udara ke pipa sangat tinggi, dan menyebabkan kenaikan suhu air dingin dari water chiller. 4.2 Mencari Suhu Air di dalam Pipa (TA1). Gambar 4.29 Pipa instalasi yang digunakan. Gambar 4.34 Pengambilan suhu di T1 dengan infrared themometer Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 55 Dari data diketahui yang diperoleh dari sebuah perusahaan produsen plastik injection, diperoleh data ukuran pipa dan suhu udara sebagai berikut : Diameter dalam pipa (Di) = 0,0779 m. Diameter luar pipa (D0) = 0,0888 m. Suhu udara sekitar( Tu1) = 32,2 0C. = (32,2 + 273 ) = 305,2 0K Suhu sebenarnya di pipa T1L = 24,5 0C. =(24,5 + 273 ) =297,5 0K L.in ( panjang pipa ) = 8 m. L. out (panjang pipa) = 5 m. Setelah semua data terkumpul maka langkah perhitunganya adalah sebagai berikut : 1. Menentukan besarnya nilai laju perpipindahan energi panas konveksi (Qu) dari udara (Tu1) ke permukaan pipa (T1L) perhitungan ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar laju perpindahan energi panas dari udara sekitar ke pipa instalasi yang menyebabkan naiknya temperatur air dingin di dalam pipa silindrik maka dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut : Qu = h .Ap (Tu1 – T1L). Dimana, h. : Koefisien perpindahan panas konveksi udara. (W/mK) Ap : Luas bidang perpindahan panas konveksi. (m2) Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-1) 56 Tu1 : Suhu udara sekitar.( 0K) T1L : Suhu pada permukaan pipa. (0K) Perhitungan : Dengan demikian untuk menghitung nilai dari besarnya laju perpipindahan energi panas konveksi (Qu) dengan persamaan (1-3), maka terlebih dahulu di hitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi udara (h) (W/mK) dengan persamaan sebagai berikut Sebelumnya ditentukan nilai perhitungan mencari suhu air didalam pipa silindrik terlebih dahulu mencari nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h) dengan langkah-langkah sebagai berikut : a) Menentukan nilai dari angka Rayleigh (Grd Pr) dengan persamaan sebgai berikut : Grd Pr = g .β . ( TŐĄ − T∞ ) đ 2 đŁ2 đĽ Pr Dimana, g. : gravitasi. (9,8) TŐĄ : Suhu di permukaan pipa. (24,5 0C) T∞ : Suhu udara sekitar.( 32,2 0C ) Tf = TŐĄ + T∞ / 2 = 24,5 0C + 32,2 0C / 2 = 28,35 0C = (28,35 + 273 ) = 301,35 0K Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-2) 57 β. 1 1 = Bilangan konstanta yang nilainya ( β.= đđ = 302 ,2 = 3,310 đĽ 10 -3 k – 1) = 0,00331 k – 1 Pr : Bilangan prond (5,85) D : diameter pipa. V : Percepatan.( Pada tabel tekanan udara pada tekanan atmosfir dari NaH .Bur .stand ( U.S ) diperoleh nilai v = 15,69 x 10 6 m2/s.) Maka perhitunganya sebagai berikut : Grd Pr = Grd Pr = Grd Pr = Grd Pr = Grd Pr = g .β . ( TŐĄ − T∞ ) đ 2 đŁ2 đĽ Pr (4-2) 9.8 . 3,310 .(10 −3 ).(đž −1 ) (32,2â – 24,5â).(0,0888 3 ).(5,85) 15,69 x10 6 0,032438 . 7,7 .(0,00070022 .5,85) 0,00001569 . 0,2497 . 0,00070022 .(5,85) 0,00001569 . 0,0010228 0,00001569 . = 65,18. Maka nilai Grd Pr adalah 65,18. b) Setelah nilai dari bilangan Rayleigh (Grd Pr) diperoleh selanjutnya adalah menghitung nilai konveksi bebas perpindahan kalor silindrik (Nud) dengan persamaan sebagai berikut : Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 58 Tabel 4.3 konstanta Persamaan J.P Holman E.Jasjfti untuk permukaan isotermal Geometri Grf Bidang dan silinder vertikal 10-1-104 Permukaan atas plat panas Gunakan gb 7.7 m Rujukan (s) Gunakan gb 7.7 4 104-109 0,59 ¼ 4 109-1013 0,021 ¼ 30 109-1013 0,10 1/3 22.161 0-10-5 0,4 0 4 Gunakan gb 7-8 4 10-5-104 Silinder horizontal C Gunakan gb 7-8 104-109 0,53 ¼ 4 109-1012 0,13 1/3 4 10-10-10-2 0,675 0,058 761 10-2-102 1,02 0,148 761 102-104 0,850 0,188 76 104-107 0,480 ¼ 76 107-1012 0,125 ¼ 76 2 x 104- 8 x 106 0,54 ¼ 44,52 8 x 106-1011 0,15 ¼ 44,52 105-1011 0,27 ¼ 44, 37, 75 Atau permukaan bawah Plat dingin Permukaan atas plat panas Atau permukaan bawah Plat dingin Permukaan atas plat panas Atau permukaan bawah Plat dingin Silinder vertikal 104-106 0,775 0,21 77 0,52 ¼ 78 Tinggi = diameter Panjang karakteristik = diameter Benda padat tak teratur, panjang 104-109 Karakteristik = jarak yang ditempuh Partikel fluida dalam lapisan batas Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 59 Dari tabel konstanta diatas diperoleh nilai C = 0,675 dan M = 0,058 sehingga : Nud = (C) . (Grd Pr)1/4 Nud = (0,675) . (Grd Pr)1/4 Dimana, Grd Pr : Nilai bilangan Rayleigh (Grd Pr) nilainya (65,18.) Perhitungan, Nud = (0,675) . (Grd Pr)1/4 = (0,675) . (52,50) ¼ Nud = (0,675) . ( 2,6917) = 1,917 c) Setelah nilai konveksi bebas perpindahan kalor silindrik (Nud) diperoleh dari perhitungan, maka nilai (h) Koefisien perpindahan panas konveksi udara. (W/mK) dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut : h.udara = kNud (4-3) đ dimana, h.udara : konduktifitsas termal pipa galvanis dengan nilai 15,8 w/m.k. Nud : konveksi bebas perpindahan kalor silindrik 1,917 d. : diameter luar pipa. 0,0888 Perhitungan: h.udara = kNud đ Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 60 h.udara = 15,8 w /m.0C (1,917) h.udara.= 0,088 30,2886 0,088 h.udara.= 344,188 w/m.0C. Maka di peroleh nilai (hudara) sebesar 344,188 w/m.0C d) Setelah diperoleh nilai h maka selanjutnya adalah mencari nilai laju perpindahan panas konveksi (Qu) dari Tu1 sampai ke T1 dengan persamaan sebagai berikut : Qu = h x Ap ( Tu1 – T1L ). Dimana, Qu : Laju perpindahan panas konveksi. h.udara : Koefisien perpindahan panas (344,188 w/m.0C) Ap : Luas permukaan perpindahan konveksi Tu1 : Suhu udara sekitar.( 0K) T1L : Suhu pada permukaan pipa. (0K) Perhitungannya adalah sebagai berikut: Qu = h x Ap ( Tu1 – T1L ). Qu = (344,188 w/m.0C) . ( 2.π.r.L) . (32,2 0C – 24,5 0C ) Qu = (344,188 w/m.0C) (2 . 3,14 . 0,0444 x 8 ) . (7,7 0C) Qu = (344,188 w/m.0C) . (2,2306). ( 7,7) Qu = 5911,642 J/s. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-1) 61 2. Setelah nilai dari laju perpindahan panas konveksi (Qu) diperoleh maka selanjutnya adalah nilai dari laju perpindahan panas konveksi (Qu) digunakan untuk mencari suhu permukaan pipa pada diameter dalam (T1D). Maka nilai T1D adalah : Gambar 4.31 Mencari suhu di T1D(suhu diameter dalam pipa). Maka temperatur pada permukaan dalam pipa silindrik (T1D) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : T1L – T1D = ( B x Qu) Dimana, B = Ln ( d0 / di ) / 2.π.k.L B = Ln ( 0,0888/0,0779 ) / 2 x 3,14 x 15,8 x 8 B = 0,1309 / 793,9792 B = 1,6490 x 10-4 T1L : suhu di permukaan pipa. T1D : Suhu di diamter dalam pipa Perhitungannya sebagai berikut : Maka nilai T1D adalah T1L – T1D = ( B x Qu) Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-4) 62 T1L – T1D = 24,5 0C - T1D = 1,6490 x 10-4 x 5911,642 J/s. T1L – T1D = 24,5 0C - T1D = 0,9748 24,5 0C - ( 0,9748) = T1D T1D = 23,52 0C Maka diperoleh suhu di T1D ( suhu di diameter dalam pipa ) sebesar 23,52 0C. 3. Setelah diperoleh nilai T1D (suhu di diameter dalam pipa) maka nilai dari TA1 (suhu air sebenarnya) dengan metode laju perpindahan energi panas konduski(Qair) dapat dicari dengan rumus perhitungan sebagai berikut : Qair = h x Ap ( T1D – TA1 ). (4-5) Dimana, h.air : koefisien perpindahan panas konduksi aliran air dalam pipa Ap : luas pipa yang digunakan. Qair : kalor jenis air TID : Suhu udara pada diameter dalam pipa. TA1 : Suhu air dalam pipa yang sebenarnya. Maka langkah – langkah perhitunganya adalah sebagai berikut : a) Untuk mencari nilai laju perpindahan energi panas konduski(Qair), dalam perhitungan ini terlebih dahulu adalah mencari nilai koefisien perpindahan panas konduksi (hair) harus di cari terlebih dahulu dengan mencari nilai (hair ) koefisien perpindahan panas di dalam air, dengan bilangan nusselt Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 63 terlebih dahulu dihitung dan mencari data dari tabel Tabel 1.8 Sifat-sifat air (zat cair jenuh) J.P Holman E.Jasjfti judul buku :Perpindahan kalor, karena suhu air sebenarnya didalam pipa (TA1) dianggap sekitar 21,11 0C maka diperoleh : ρ : Massa jenis air yang nilainya ( 997,4 kg/m3) Pr : Bilangan pround sebesar 6,78 Tabel 4.4 Sifat-sifat air (zat cair jenuh) J.P Holman E.Jasjfti judul buku :Perpindahan Kalor Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 64 b) Untuk mencari nilai bilangan nusselt dapat dihitung dengan mencari bilangan reynold dengan persamaan sebagai berikut : Re = ρ x V x d1 / μ , maka Re = 4 Mair / μ. π . (4-6) Dimana, ρ : Massa jenis air yang nilainya ( 997,4 kg/m3) V : kecepatan aliran. μ. : Viskositas dinamik yang nilainya ( 9,8 x 10 -4 kg/m.s ) Pr : Bilangan pround sebesar 6,78 π. : 3,14 Mair : Q/debit air : 70 galon/menit = 0,004519 m3/sec. Mair = (Q) debit air x ρ .air Mair = 70 x 0,002228 x 0,02832 Mair = 0,004519 m3/sec Perhitungan, Re = 4 Mair / μ. π Re = 4 x 0,004519 m3/sec / 9,8 x 10-4 kg/m.s x 3,14 Re = 0,018316 / 0,0030772 Re = 5,95 Maka dari perhitungan diperoleh Re ( Reynold number ) sebesar : 5,95 Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 65 c) Setelah nilai Re ( Reynold number ) diketahui maka selanjutnya adalah menghitung besarnya bilangan nusselt dengan persamaan sebagai berikut : Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 (4-7) Dimana , Re : bilangan reynold yang didapat dari perhitungan Pr : Bilangan pround 6,78 . Perhitungannya sebagai berikut : Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 Nu = 0,023 x (5,95)0,8 x (6,78) 0,4 Nu = 0,023 x 4,164 x 2,150 Nu = 0,205 Maka nilai bilangan nusselt (Nu) adalah 0,205. d) Setelah diperoleh bilangan nusselt dari perhitungan sebelumnya maka nilai hair dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : Nu = h x d1/ λ maka h = Nu x λ / d1 Dimana Nu : Bilangan nusselt h. : koefisien perpindahan panas konduksi pada air. λ. : konduktifitas termal air yang nilainya 0,604 W/m. 0C d1 : Diameter dalam pipa yang nilainya 0,0779 m. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-7) 66 Perhitunganya sebagai berikut : h = Nu x λ / d1 h = 0,205 x 0,604 W/m. 0C / 0,0779 m. h = 0,12382 / 0,0779 h = 1,58 W/m e) Setelah diperoleh nilai koefisien perpindahan panas konduksi di dalam air (hair) diperoleh maka selanjutnya adalah mencari nilai Qair dengan persamaan yaitu: Qair = h x Ap ( Tu1 – T1L ). (4-1) Dimana, h.air : koefisien perpindahan panas konduksi aliran air dalam pipa ( W/m) Ap : luas pipa yang digunakan.(M2) Qair : kalor jenis air TID : Suhu udara pada diameter dalam pipa.( 0C) TA1 : Suhu air dalam pipa yang sebenarnya.( 0C) Perhitungannya sebagai berikut : Qair = h x Ap ( Tu1 – T1L ). Qair = (1,58 w/m.0C) . ( 2.π.r.L) . (32,5 0C - 24,5 0C) Qair = (1,58 w/m.0C) . (2 x 3,14 x 0,0389 x 8 ) .( 7,7 0C) Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 67 Qair = (1,58 w/m.0C) . (15,067) Qair = 23,805 J/s. 4) Setelah nilai dari kalor jenis air (Qair) diperoleh maka digunakan untuk mencari suhu air sebenarnya di dalam pipa (TA1). Maka nilai suhu air sebenarnya (TA1) adalah : Gambar1.32 Mencari suhu di TA1 (suhu air dalam pipa). Gambar 4.33 Pengambilan suhu di T1 dengan infrared themometer Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 68 Maka nilai suhu air sebenarnya (TA1) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: TD1 - TA1 = ( B x Qair) (4-4) Dimana, TD1 : Suhu permukaan pipa(0C) TA1 : Suhu air di dalam sebenarnya(0C) Qair : kalor jenis air(j/s) B = Ln ( d0 / di ) / 2.π.k.L B = Ln ( 0,0888/0,0779 ) / 2 x 3,14 x 15,8 x 8 B = 0,1309 / 793,9792 B = 1,6490 x 10-4 Maka perhitungan nilai suhu air sebenarnya di dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : TD1 - TA1 = ( B x Qu) TD1 - TA1 = 23,52 0C - TA1 = 1,6490 x 10-4 x 23,805 J/s TD1 - TA1 = 23,52 0C - TA1 = 0,00392 TD1 - TA1 23,52 0C – 0,00315 = TA1 TA1 = 23,49 0C Maka suhu di TA1 ( suhu air sebenarnya di pipa in / T1) sebesar 23,49 0C. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-4) 69 4.3 Mencari Suhu Air di dalam Pipa (TA2). Setelah suhu air didalam pipa (TA1) diperoleh maka selanjutnya adalah mencari nilai dari suhu air didalam pipa (TA2) dengan langkah pertamanya adalah mencari konduktifitas termal dari udara ke pipa out TA2 ( suhu air sebenarnya di pipa out / T2) atau mencari total kehilangan temperatur air dingin didalam pipa silindrik maka dapat dihitung menggunakan rumus : Gambar 4.34Pipa instalasi yang digunakan. Dari data diketahui yang diperoleh di sebuah perusahaan produsen plastik injection, pada pipa ke dua atau pada titik (T2) diperoleh data ukuran pipa dan suhu udara sebagai berikut : Diameter dalam pipa (Di) = 0,0779 m. Diameter luar pipa (D0) = 0,0888 m. Suhu udara sekitar( Tu1) = 32,5 0C. = (32,2 + 273 ) = 305,5 0K Suhu sebenarnya di pipa T1L = 20,5 0C. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 70 =(20,5 + 273 ) =293,5 0K L.in ( panjang pipa ) = 8 m. L. out (panjang pipa) = 5 m.. Langkah-langkah untuk menghitung temperatur air didalam pipa T2 adalah sebagai berikut : 1. Menentukan besarnya nilai laju perpipindahan energi panas konveksi (Qw ) dari udara (Tu2) ke permukaan pipa (T2L) dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut : Qw = h .Ap (Tu2 – T2L). (4-1) Dimana, h. : Koefisien perpindahan panas konveksi udara. (W/mK) Ap : Luas bidang perpindahan panas konveksi. (m2) Tu2 : Suhu udara sekitar.( 0K) T2L : Suhu pada permukaan pipa. (0K) Perhitungan : Dengan demikian untuk menghitung nilai dari besarnya laju perpipindahan energi panas konveksi (Qw ) dengan persamaan (1-3), maka terlebih dahulu di hitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi udara (h) (W/mK) dan menentukan nilai bilangan pround, k dari tabel dibawah ini Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 71 Tabel 4.5 Sifat-sifat air (zat cair jenuh), pada buku J.P Holman&E.Jasjfti judul buku: Perpindahan Kalor. Dari tabel diatas karena suhu air di dalam aliran pipa T2 dianggap 18 0C diperoleh nilai dari bilangan pround (Pr) sebesar 7,88 dan nilai massa jenis air (ρ) sebesar 998,6. a) Menentukan nilai dari angka Rayleigh (Grd Pr) dengan persamaan sebgai berikut : Grd Pr = g .β . ( TŐĄ − T∞ ) đ 2 đŁ2 đĽ Pr Dimana, Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-2) 72 g. : gravitasi. (9,8) TŐĄ : Suhu di permukaan pipa. (20,5 0C) T∞ : Suhu udara sekitar.( 32,5 0C ) Tf = TŐĄ + T∞ / 2 = 20,5 0C + 32,5 0C / 2 = 26,5 0C = (26,5 + 273 ) = 299,5 0K 1 1 β. = đđ = 299,5 = 3,33 đĽ 10 -3 k – 1 = 0,00333 k – 1 Pr : Bilangan prond (7,88) D : diameter pipa. V : Percepatan.( Pada tabel tekanan udara pada tekanan atmosfir dari NaH .Bur .stand ( U.S ) diperoleh nilai v = 15,69 x 10 6 m2/s.) Maka perhitunganya sebagai berikut : Grd Pr = Grd Pr = Grd Pr = Grd Pr = g .β . ( TŐĄ − T∞ ) đ 2 đŁ2 đĽ Pr 9.8 . 3,310 .(10 −3 ).(đž −1 ) (32,5â – 20,5â).(0,0888 3 ).(7,88) 15,69 x10 6 0,032438 . 12 .(0,00070022 .7,88) 0,00001569 . 0,3892 . 0,00070022 .(7,88) 0,00001569 . Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 73 Grd Pr = 0,0021475 0,00001569 . = 136,87 Maka nilai Grd Pr adalah 136,87 b) Setelah nilai dari bilangan Rayleigh (Grd Pr) diperoleh selanjutnya adalah menghitung nilai konveksi bebas perpindahan kalor silindrik (Nud) dengan persamaan sebagai berikut : Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 74 Dari tabel 4.6 konstanta Persamaan hal 304, untuk permukaan isotermal. Geometri Grf Bidang dan silinder vertikal 10-1-104 Permukaan atas plat panas Gunakan gb 7.7 m Rujukan (s) Gunakan gb 7.7 4 104-109 0,59 ¼ 4 109-1013 0,021 ¼ 30 109-1013 0,10 1/3 22.161 0-10-5 0,4 0 4 Gunakan gb 7-8 4 10-5-104 Silinder horizontal C Gunakan gb 7-8 104-109 0,53 ¼ 4 109-1012 0,13 1/3 4 10-10-10-2 0,675 0,058 761 10-2-102 1,02 0,148 761 102-104 0,850 0,188 76 104-107 0,480 ¼ 76 107-1012 0,125 ¼ 76 2 x 104- 8 x 106 0,54 ¼ 44,52 8 x 106-1011 0,15 ¼ 44,52 105-1011 0,27 ¼ 44, 37, 75 Atau permukaan bawah Plat dingin Permukaan atas plat panas Atau permukaan bawah Plat dingin Permukaan atas plat panas Atau permukaan bawah Plat dingin Silinder vertikal 104-106 0,775 0,21 77 0,52 ¼ 78 Tinggi = diameter Panjang karakteristik = diameter Benda padat tak teratur, panjang 104-109 Karakteristik = jarak yang ditempuh Partikel fluida dalam lapisan batas Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 75 Dari tabel diatas diperoleh nilai C = 0,675 dan M = 0,058 sehingga : Nud = (C) . (Grd Pr)1/4 Nud = (0,675) . (Grd Pr)1/4 (4-3) Dimana, Grd Pr : Nilai bilangan Rayleigh (Grd Pr) nilainya (101,59.) Perhitungannya sebagai berikut : Nud = 0,675 x (Grd Pr)1/4 Nud = 0,675 (136,87) ¼ c) Nud = 0,675 ( 3,4204) Nud = 2,308 Setelah nilai konveksi bebas perpindahan kalor silindrik (Nud) diperoleh dari perhitungan, maka nilai (h) Koefisien perpindahan panas konveksi udara. (W/mK) dapat di hitung dengan persamaan sebagai berikut : h.udara = kNud (4-3) đ dimana, k : konduktifitsas termal pipa galvanis dengan nilai 15,8 w/m.k. Nud : konveksi bebas perpindahan kalor silindrik 2,142 d. : diameter luar pipa. 0,0888 Perhitungan: Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 76 h.udara = h.udara = kNud đ 15,8 w /m.0C ( 2,308) h.udara.= 0,088 m 36,466 0,088 m h.udara.= 414,390 w/m.0C Maka di peroleh nilai (hudara) sebesar 414,390 w/m.0C d) Setelah diperoleh nilai koefisien perpindahan energi panas konveksi (hudara), maka selanjutnya adalah mencari nilai laju perpindahan panas konveksi (Qu) dari Tu2 sampai ke T2L dengan persamaan sebagai berikut : Qu = h x Ap ( Tu2 – T2L ). Dimana, Qu : Laju perpindahan panas konveksi. (J/s) h.udara : Koefisien perpindahan panas (414,390 w/m.0C) Ap : Luas permukaan perpindahan konveksi (m2) Tu2 : Suhu udara sekitar.( 0K) T2L : Suhu pada permukaan pipa. (0K) Perhitungannya adalaha sebagai berikut: Qu = h x Ap ( Tu2 – T2L ). Qu = 414,390 w/m.0C x ( 2.π.r.L) x (32,5 0C - 20,5 0C) Qu = 414,390 w/m.0C x (2 x 3,14 x 0,0444 x 8 ) x 12 0C Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-1) 77 Qu = 414,390 w/m.0C x 2,2306 x 12 Qu = 11092,06 J/s. 2. Setelah nilai dari laju perpindahan panas konveksi (Qu) diperoleh maka selanjutnya adalah nilai dari laju perpindahan panas konveksi (Qu) digunakan untuk mencari suhu pipa pada diameter dalam ( T1D). Gambar 4.35 Perhitungan suhu di T2D ( suhu di pipa ) Dengan persamaan sebagai berikut : T1L – T1D = ( B x Qu) Dimana, Qu : laju perpindahan energi panas konveksi. B = Ln ( d0 / di ) / 2.π.k.L B = Ln ( 0,0888/0,0779 ) / 2 x 3,14 x 15,8 x 8 B = 0,1309 / 793,9792 B = 1,6490 x 10-4 T2L : suhu di permukaan pipa. (20,5 0C) Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-4) 78 T2D : Suhu di diamter dalam pipa Perhitungannya sebagai berikut : Maka nilai T2d adalah T2L – T2D = ( B x Qu) T2L – T2D = 20,5 0C – T2D = 1,6490 x 10-4 x 11092,06 J/s. T2L – T2D = 20,5 0C – T2D = 1,829 20,5 0C - 1,829 = T2D T2D = 18,8 0C Maka diperoleh suhu di T2D ( suhu di diameter dalam pipa in/titik T2 ) sebesar 18,8 0C. 3. Setelah diperoleh nilai T2D (suhu di diameter dalam pipa) maka nilai dari TA2 (suhu air sebenarnya) dengan metode laju perpindahan energi panas konduski(Qair) dapat dicari dengan rumus perhitungan sebagai berikut : Qair = h x Ap ( T2D – TA2 ). (4-1) Dimana, h.air : koefisien perpindahan panas konduksi aliran air dalam pipa Ap : luas pipa yang digunakan. Qair : kalor jenis air T2D : Suhu udara pada diameter dalam pipa. TA2 : Suhu air dalam pipa yang sebenarnya. a) Untuk mencari nilai laju perpindahan energi panas konduski(Qair), dalam perhitungan ini terlebih dahulu adalah mencari nilai koefisien perpindahan Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 79 panas konduksi (hair) harus di cari terlebih dahulu dengan mencari nilai (hair ) koefisien perpindahan panas di dalam air, dengan bilangan nusselt. Untuk mencari nilai bilangan nusselt dapat dihitung dengan mencari bilangan reynold dengan persamaan sebagai berikut : Re = ρ x V x d1 / μ , maka Re = 4 Mair / μ. π . Dimana, ρ : Massa jenis air yang nilainya ( 997,4 kg/m3) V : kecepatan aliran. μ. : Viskositas dinamik yang nilainya ( 9,8 x 10 -4 kg/m.s ) Pr : Bilangan pround sebesar 6,78 π. : 3,14 Mair : Q/debit air : 70 galon/menit = 0,004519 m3/sec. Mair = (Q) debit air x ρ .air Mair = 70 x 0,002228 x 0,02832 Mair = 0,004519 m3/sec Perhitungan Re ( Reynold number ), Re = 4 Mair / μ. π. Re = 4 x 0,004519 m3/sec / 9,8 x 10-4 kg/m.s x 3,14. Re = 0,018316 / 0,0030772. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-6) 80 Re = 5,95. Maka dari perhitungan diperoleh Re ( Reynold number ) sebesar : 5,95 c) Setelah nilai Re ( Reynold number ) diketahui maka selanjutnya adalah menghitung besarnya bilangan nusselt dengan persamaan sebagai berikut : Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 (4-6) Dimana , Re : bilangan reynold yang didapat dari perhitungan Pr : Bilangan pround 6,78 Nu : bilangan nusselt Perhitungannya sebgai berikut : Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 Nu = 0,023 x (Re)0,8 x (Pr)0,4 Nu = 0,023 x (5,95)0,8 x (6,78) 0,4 Nu = 0,023 x 4,164 x 2,150 Nu = 0,205 Maka nilai bilangan nusselt (Nu) adalah 0,205. d) Setelah diperoleh bilangan nusselt dari perhitungan sebelumnya maka nilai hair dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : Nu = h x d1/ λ maka h = Nu x λ / d1 Dimana , Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ (4-7) 81 Nu : Bilangan nusselt h. : koefisien perpindahan panas konduksi pada air. λ. : konduktifitas termal air yang nilainya 0,604 W/m. 0C d1 : Diameter dalam pipa yang nilainya 0,0779 m. Perhitunganya sebagai berikut : h = Nu x λ / d1 h = 0,205 x 0,604 W/m. 0C / 0,0779 m. h = 0,12382 / 0,0779 h = 1,58 W/m e) Setelah diperoleh nilai koefisien perpindahan panas konduksi didalam air (hair) diperoleh maka selanjutnya adalah mencari nilai Qair dengan persamaan yaitu: Qair = h x Ap ( Tu1 – T1L ). (4-1) Dimana, h.air : koefisien perpindahan panas konduksi aliran air dalam pipa ( W/m) Ap : luas pipa yang digunakan.(M2) Qair : kalor jenis air TID : Suhu udara pada diameter dalam pipa.( 0C) TA1 : Suhu air dalam pipa yang sebenarnya.( 0C) Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 82 Perhitungannya sebagai berikut : Qair = h x Ap ( Tu2 – T2L ). Qair = 1,58 w/m.0C x ( 2.π.r.L) x (32,5 0C - 20,5 0C) Qair = 1,58 w/m.0C x (2 x 3,14 x 0,0389 x 8 ) x 12 0C Qair = 1,58 w/m.0C x 23,452 Qair = 37,054 J/s. 4) Setelah nilai dari kalor jenis air (Qair) diperoleh maka digunakan untuk mencari suhu air sebenarnya di dalam pipa (TA2). Gambar 4.36 Perhitungan suhu di TA2 ( suhu air di dalam pipa ). Gambar 4.37 Titik pipa T2 yang di cari suhu airnya. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 83 Maka nilai suhu air sebenarnya (TA2) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: TD2 - TA2 = ( B x Qair) (4-8) Dimana, TD1 : Suhu permukaan pipa(0C) TA1 : Suhu air di dalam sebenarnya(0C) Qair : kalor jenis air(j/s) B = Ln ( d0 / di ) / 2.π.k.L B = Ln ( 0,0888/0,0779 ) / 2 x 3,14 x 15,8 x 8 B = 0,1309 / 793,9792 B = 1,6490 x 10 Maka perhitungan nilai suhu air sebenarnya di dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : TD2 - TA2 = ( B x Qu) TD2 - TA2 = 18,8 0C – TA2 = 1,6490 x 10-4 x 37,054 J/s TD2 - TA2 = 18,8 0C – TA2 = 0,00611 TD2 - TA2 18,8 0C – 0,00611 = TA2 (4-8) TA2 = 18,79 0C . Maka nilai suhu di TA2 (suhu air didalam pipa sebenarnya/T2) adalah 18,79 0C. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 84 4.4 Perhitungan Kapasitas Water Chiller. Perhitungan kebutuhan daya water chiller Setelah nilai suhu yang sebenarnya diperoleh dari perhitungan sebelumnya dan debit air pada pompa juga sudah diketahui maka langkah selanjutnya adalah menghitung jumlah kebutuhan daya water chiller.. Maka kebutuhan water chiller dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: Q total = Mair x Cpair x ( T1 - T2 ). Dimana : (4-9) Mair : Massa air (kg/s) Cpair : Panas jenis air. Dengan nilai Cpair = 4178 J/kg. T1 : Suhu air di dalam pipa pada titik T 1. T2 : Suhu air di dalam pipa pada titik T 2. a) Menentukan konversi debit aire dengan persamaan sebagai berikut : (Q)debit air = 70 galon/menit. 1 galon/menit = 0,002228 ft3/sec. 1 ft3/sec = 0,02832 m3/sec. Sehingga, 70 galon/menit = (70).( 0,002228 ft3/sec.)( 0,02832 m3/sec) Debit air (Q), 70 galon/menit = 0,004519 m3/sec. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 85 b) kemudian nilai Mair dapat dihitung dengan persamaan sebagi berikut : Mair = Q . ρ .air Dimana, Q : debit air ρ .air. : massa jenis air yang nilainya (998 kg/m3 ) Perhitungan, Mair = Q . ρ .air. = (0,004519 m3/sec.) . (998 kg/m3) = 4,5099 kg/s. Cpair = 4178 J/kg. c) Menentukan suhu T1 dan T2, kemudian mengkonversikan kedalam satuan kelvin, T1 = 23,49 0C ( 273 + 23,49 = 296,49 0K ). T2 = 18,79 0C ( 273 + 18,79 = 291,79 0K ). Maka perhitunganya adalah sebagai berikut beban chiller : Qtotal = Mair x Cpair x ( T1 - T2 ). Qtotal = 4,5099 kg/s x 4178 J/kg x (296,49 0K – 291,79 0K). Qtotal = 4,5099 kg/s x 4178 J/kg x 4,7 0V. Qtotal = 88,559,10 J/s x 0,001 = 88,559 KW. Qtotal = 88,559 KW x 1,341022 = 118,76 HP . Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 86 Dari hasil perhitungan diperoleh nilai sebesar 118,76 HP . Dengan diperoleh nilai sebesar 136,4 HP maka dengan asumsi bahwa debit air yang ada saat ini sudah kurang kinerjanya, hal ini dikarenakan umur dari pompa ebara sendiri sudah terlalu lama dan kemungkinan besar debit air yang dipompakan ke water chiller dan ke cooler mesin injection yang melalui instalasi-instalasi pipa sudah berkurang, hal ini menyebabkan tingkat pendinginan air atau proses refrigran menjadi terganggu dan tidak maksimal hasil output yang di inginkan maka dari itu diperlukan observasi guna menentukan kondisi dari pompa ebara berdasarkan nameplate dari pompa itu sendiri. PT. Ultra Prima Plast menggunakan tipe pompa ebara 80x65 AKA55,5 dengan debit air minimal 70 galon/menit dan kapasitas maksimal 120 galon/menit dengan total head sebesar 25 meter. Maka dari itu saya mengansumsikan kondisi kapasitas pompa ebara yang ada saat ini adalah kurang dari 100% a) Dengan asumsi kondisi sebesar 95 % dari kondisi normal maka : Prosentase penurunan Qtotal = 118,76 HP x 95/100 Qtotal = 112,822. Maka kapasitas water chiller yang diperlukan untuk memenuhi 39 mesin injection sebesar 112,822 HP. b) Dengan asumsi kondisi sebesar 90 % dari kondisi normal maka : Qtotal = 118,76 HP x 90/100 Qtotal = 106,884 HP. Maka kapasitas water chiller yang diperlukan untuk memenuhi 39 mesin injection sebesar 106,884 HP. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 87 c) Dengan asumsi kondisi sebesar 85 % dari kondisi normal maka : Qtotal = 118,76 HP x 85/100 Qtotal = 100,946 HP. Maka kapasitas water chiller yang diperlukan untuk memenuhi 39 mesin injection sebesar 100,946 HP. d) Dengan asumsi kondisi sebesar 80 % dari kondisi normal maka : Qtotal = 118,76 HP x 80/100 . Qtotal = 95,00 HP Maka kapasitas water chiller yang diperlukan untuk memenuhi 39 mesin injection sebesar 95,008 HP. 4.5 Mencari Nilai COP COP ( Coefficient of Performance) adalah perbandingan antara kapasitas pendingin yang dihasilkan ( Satuan HP) terhadap ekivalensi termal kompresor yang digunakan (Satuan HP) nilai COP digunakan untuk mengevaluasi perbandingan efisiensi energi yang digunakan di salah satu perusahaan, kapasitas water chiller sebelumnya adalah 60 HP dari hasil perhitungan diperoleh nilai Qtotal sebesar 118,76 HP dan dengan asumsi bahwa kondisi debit air sudah tidak 100% hal ini dikarenakan kondisi pompa ebara sudah lama digunkan dan tidak bisa diukur debitnya karena tidak adanya alat untuk mengukur debit air tersebut. Maka nilai dari COP dapat diketahui dari perhitungan dibawah ini. Dari tabel diabawah ini diperoleh data sebagai berikut, Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 88 Tabel.4.8 Hasil perhitungan data. Suhu 1 TA1 TA2 Qtotal Asumsi debit air pompa ebara dari kondisi Selumnya dalam persen (%) 23,490C. 18,790C. 118,76HP 2 - - - 95% 90% 85% 112,822 106.88 100,95 HP HP HP 80% 95 HP Nilai COP dihitung dengan persamaan COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang Perhitungan : 1) COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang = 118,76HP / 60 HP = 1,9 2) COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang = 112,822 HP / 60 HP = 1,88 3) COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang = 106.88 HP / 60 HP = 1,78 4) COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang = 100,95 HP / 60 HP = 1,68 5) COP = Qtotal / Q water chiller yang terpasang Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/ 89 = 95 HP / 60 HP = 1,58 Berikut adalah tabel hasil perhitungan perbandingan COP dari kapasitas water chiller yang sudah terpasang adalah 60 HP di banding dengan hasil perhitungan. Tabel 4.8 Perhitungan perbandingan COP water chiller. Water Chiller Kapasitas Total % Kondisi Terpasang Water chiller Pompa 1 60 HP 118,76 HP 2 NO Qtotal COP 100 % 118,76 HP 1,9 60 HP 95 % 112,822 HP 1,88 3 60 HP 90 % 106.88 HP 1,78 4 60 HP 85 % 100,95 HP 1,68 5 60 HP 80 % 95 HP 1,58 Setelah diperoleh nilai perbandingan maka data dimasukan ke dalam grafik untuk melihat kondisi water chiller yang sudah terpasang dengan hasil perhitungan. 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 COP2 Qtotal Column1 118,76 HP 112,822 106.88 HP 100,95 HP HP 95 HP Grafik 4.1 Perbandingan COP dengan konsidi presentase kapasitas pompa. Laporan Tugas Akhir Progam Studi Teknik Mesin http://digilib.mercubuana.ac.id/