ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN

ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM
REFRIGERASI KOMPRESI UAP
Oleh :
SANTI ROSELINDA SILALAHI
F14101107
2006
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM
REFRIGERASI KOMPRESI UAP
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departemen Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
SANTI ROSELINDA SILALAHI
F14101107
2006
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
Santi Roselinda Silalahi. F14101107. Analisis Eksergi Penggunaan Refrigeran
pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap. Di bawah bimbingan : Armansyah H.
Tambunan. 2006.
RINGKASAN
Proses termodinamik reversible adalah proses yang dapat berbalik ke
keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem
dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses
balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara sistem
dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol). Semua proses nyata adalah
tidak mampu balik (irreversible). Beberapa faktor yang menyebabkan
ketidakmampubalikan pada siklus pendingin kompresi uap adalah gesekan dan
perpindahan panas melalui perbedaan suhu batas pada evaporator, kompresor
kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi subcooling agar seluruh refrigeran
berada pada kondisi cair pada saat memasuki katup ekspansi, dan superheating
agar seluruh refrigeran berada pada kondisi uap sebelum memasuki kompresor,
dan input panas pada pipa-pipa saluran refrigeran
Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat
dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Untuk
mengetahui besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja secara
cermat, mengetahui lokasi dan besarnya energi yang hilang dan tak terpakai
digunakan suatu metode analisis eksergi. Pada kenyataannya, analisis eksergi
telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan.
Eksergi merupakan bagian energi yang dapat dikonversikan menjadi kerja.
Analisis eksergi adalah suatu metoda analisis yang merupakan penerapan dari
hukum termodinamika kedua yang digunakan untuk mengetahui efisien tidaknya
suatu proses dalam penggunaan energi. Tujuan analisis eksergi adalah untuk
mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien (Sutanto, 1985).
Untuk memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan
sebuah program tentang sistem pendingin sangat diperlukan. Program ini adalah
sebuah simulasi sistem pendingin yang dibuat dengan bahasa pemrograman
Visual Basic 6 (VB. 6). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi
terhadap penggunaan berbagai refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.
Analisis eksergi pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu
memasukkan data-data yang dibutuhkan (properti termodinamika refrigeran yang
dipilih, temperatur pada kondensor, temperatur evaporator, temperatur fluida
pendingin kondensor, temperatur ruangan yang didinginkan, kapasitas refrigerasi
dan efisiensi kompressor), tahap perhitungan oleh komputer, dan tahap tampilan
hasil perhitungan. Refrigeran yang dipakai dalam analisis ini antara lain adalah
refrigeran R717, refrigeran R12, refrigeran R22, dan refrigeran R134a. Proses
analisis dan pengkajian eksergi ini dikerjakan dengan bantuan komputer
menggunakan program Visual Basic versi 6.0.
Ada dua skenario yang digunakan pada penelitian ini. Skenario pertama
suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C sedangkan suhu kondensasi
berkisar tetap pada suhu 30°C. Kemudian skenario kedua suhu keluar kondensasi
berkisar antara 24° dan 40° C sedangkan suhu evaporasi berada pada kisaran – 4
°C. Sehingga dapat digunakan asumís untuk penentuan tingkat keadaan: 1) suhu
ruang pendingin sama dengan suhu evaporator dan suhu udara sekitar dianggap
30° C;, 2) Suhu evaporasi berkisar antara -20°C dan -4°C;, 3) Suhu keluar
kompresor adalah 80 °C;, 4) Suhu kondensasi berkisar pada suhu 30°C;, 5) Suhu
kondensasi berkisar antara 24° dan 40° C;, 6) Suhu evaporasi berada pada kisaran
– 4 °C;, 7) Beban pendinginan (Qe) sebesar 1 kW.
Desain parameter untuk alat penukar kalor yang digunakan sebagai
kondensor dan evaporator juga perla diperhatikan. Parameter untuk evaporator
dianggap sama dengan parameter untuk kondensor. Efisiensi isentropik pada
kompresor dianggap 85%. Dan prosesnya diasumsikan keadaan isentropik. Desain
alat penukar kalor (heat exchanger) dapat diuraikan sebagai berikut : diameter
luar dan diameter dalam tabung berturut-turut sebesar 16.4 mm dan 6.68
mm.Sedangkan puncak dan ketebalan fin sebesar 275 dan 0.254 mm. Rasio antara
area aliran bebas dengan area frontal 0.449 dan rasio antara area transfer panas
dengan volume total 269 m2/m3. Sedangkan rasio antara area fin dan area total
sebesar 0.83 dan untuk kecepatan udara keluar diasumsikan sebesar 5 m/detik.
Penurunan tekanan di evaporator maupun di kondensor terjadi oleh karena
proses irreversibilitas. Penurunan tekanan yang paling besar terjadi di evaporator
karena panjang pipa akan menyebabkan gesekan lebih besar. Penurunan tekanan
di evaporator menurun seiring dengan suhu evaporasi yang semakin bertambah.
Ini dikarenakan berat jenis refrigeran menurun ketika suhu refrigeran meningkat
dengan berat jenis yang lebih rendah Sedangkan penurunan tekanan di kondensor
tidak sebesar penurunan tekanan di evaporator, hal ini disebabkan suhu di
kondensor yang lebih tinggi daripada di evaporator mengakibatkan massa jenis
refrigeran di kondensor lebih kecil, sehingga koefisien gesek menurun.
COP (Coefficient of Performance) didefinisikan sebagai jumlah
pendinginan yang dapat diproduksi per satuan kerja. Nilai COP dari siklus
meningkat dengan peningkatan suhu evaporasi dengan asumsi suhu kondensasi
konstan. Sebaliknya nulai COP akan mengalami penurunan pada suhu kondensasi
yang meningkat dengan asumsi suhu evaporasi dalam keadaan konstan.
Refrigeran R12 memiliki nilai COP yang paling tinggi pada suhu evaporasi dan
pada suhu kondensasi yang bervariasi, yaitu sebesar 8.047 dan 5.813. Refrigeran
R12 memiliki nilai entalpi yang paling besar daripada ketiga refrigeran lainnya
karena refrigeran ini menguap pada suhu yang lebih rendah. Refrigeran yang
memiliki nilai COP terendah pada variasi suhu evaporasi dan suhu kondensasi
adalah R134a sebesar 5.044 dan 4.39 karena refrigeran ini menguap pada suhu
yang lebih tinggi.
Efisiensi hukum II termodinamika yang dikenal dengan efisiensi eksergi
atau effectiveness dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja minimum yang
dibutuhkan terhadap input kerja aktual Efisiensi eksergi akan meningkat seiring
dengan meningkatnya suhu evaporasi pada suhu kondensasi constan dan
penurunan suhu kondensasi dengan asumís suhu evaporasi dalam keadaan
konstan. Efisiensi eksergi terkecil terjadi pada refrigeran R-134a. Hal ini berarti
pada refrigeran R-134a memberikan kehilangan eksergi yang relatif besar
dibandingkan refrigeran R12, refrigeran R22 ataupun refrigeran R717.
Eksergi yang hilang dalam kondensor meningkat, sedangkan dalam
evaporator menurun seiring dengan naiknya suhu evaporator. Semakin tinggi
perbedaan suhu pada komponen kondensor dan evaporator, maka semakin tinggi
pula eksergi yang hilang. Sementara itu jumlah eksergi yang hilang di dalam
kondensor akan meningkat untuk mengganti penurunan persentase eksergi yang
hilang dalam evaporator. Yang perlu diperhatikan adalah meningkatnya eksergi
yang hilang di dalam kondensor tidak diartikan sebagai penurunan eksergi yang
hilang yang terjadi di dalam evaporator karena eksergi yang hilang di dalam
komponen lainnya juga meningkat.
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
ANALISIS EKSERGI PENGGUNAAN REFRIGERAN PADA SISTEM
REFRIGERASI KOMPRESI UAP
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departemen Teknik Pertanian
Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
SANTI ROSELINDA SILALAHI
F14101107
Dilahirkan pada tanggal 20 Mei 1984
Di Pematangsiantar
Tanggal lulus : 30 Januari 2006
Disetujui oleh :
Bogor, 3 Januari 2006
Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M. Agr
Dosen Pembimbing
Mengetahui :
Dr. Ir. Wawan Hermawan, M. S
Ketua Departemen Teknik Pertanian
I. PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Proses termodinamika reversible adalah proses yang dapat berbalik ke
keadaan semula tanpa merubah sedikitpun kondisi lingkungan. Sehingga sistem
dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awalnya pada akhir dari proses
balik. Jika ini terjadi maka pertukaran panas bersih dan kerja bersih antara
sistem dengan lingkungannya dapat dikatakan tidak ada (nol).
Semua proses nyata adalah tidak mampu balik (irreversible). Beberapa
faktor yang menyebabkan ketidakmampubalikan pada siklus pendingin
kompresi uap adalah gesekan dan perpindahan panas melalui perbedaan suhu
batas pada evaporator, kompresor kondensor dan pipa-pipa refrigeran, kondisi
subcooling agar seluruh refrigeran berada pada kondisi cair pada saat memasuki
katup ekspansi, dan superheating agar seluruh refrigeran berada pada kondisi
uap sebelum memasuki kompresor, dan input panas pada pipa-pipa saluran
refrigeran
Prinsip hukum termodinamika pertama adalah bahwa energi dapat
dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk lain dan bersifat kekal. Pada
kenyataannya potensial energi untuk digunakan yang terdapat dalam satu
sistem akan mengalami penurunan akibat adanya sifat irreversibilitas. Hal ini
juga berlaku dalam sistem refrigerasi. Untuk mengetahui besarnya energi yang
dapat dikonversikan menjadi kerja secara cermat, mengetahui lokasi dan
besarnya energi yang hilang dan tak terpakai digunakan suatu metode analisis
eksergi.
Dari sudut pandang hukum Termodinamika pertama, COP adalah
suatu ukuran khas untuk mengevaluasi sistem pendinginan. Namun demikian,
menurut hukum Termodinamika kedua, analisis eksergi adalah ukuran yang
umum diterapkan. Berdasarkan analisis eksergi, Yumrutas (2002) telah
mengembangkan suatu model komputasi untuk menyelidiki sistem refrigerasi
kompresi uap dengan refrigeran amonia. Pada kenyataannya, analisis eksergi
telah menjadi suatu metoda penting dalam studi pendinginan. Tujuan analisis
eksergi adalah untuk mencari lokasi dalam proses yang energinya tidak efisien
(Sutanto, 1985).
Terdapat berbagai macam sistem pendingin seperti kompresi uap,
pendingin absorpsi dan lain-lain. Salah satu sistem pendingin yang banyak
digunakan pada saat ini adalah sistem kompresi uap. Demikian pula ada
bermacam
refrigeran
(Chlorofluorocarbon),
yang
berkaitan
hidrokarbon
atau
dengan
ammonia.
itu,
seperti
Dengan
CFC
semakin
berkembangnya pemanfaatan sistem pendingin dalam kehidupan manusia,
maka diperlukan studi yang lebih baik tentang siklus pendingin. Untuk
memudahkan pemahaman tentang siklus pendingin, pengembangan sebuah
program tentang sistem pendingin sangat diperlukan.
B. TUJUAN
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis eksergi terhadap
penggunaan beberapa refrigeran pada sistem refrigerasi kompresi uap.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pematangsiantar, pada tanggal 20
Mei 1984. Penulis adalah anak kedua dari lima bersaudara
dari pasangan Bapak Maludin Silalahi dan Ibu Dinar
Panggabean. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di
SD RK 2 Pematangsiantar pada tahun 1995.
Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan pada SLTPN 8
Pematangsiantar, dan lulus pada tahun 1998. Pada tahun yang sama penulis
melanjutkan pendidikan lanjutan tingkat atas di SMUN 3 Pematangsiantar dan
lulus pada tahun 2001.
Pada tahun 2001, penulis masuk IPB melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk
Perguruan Tinggi Negeri). Penulis diterima di program studi Teknik Pertanian,
Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian
Bogor. Pada tahun 2004, penulis mengambil Sub Program Studi (SPS) Teknik
Biosistem. Penulis melaksanakan Praktek Lapangan dengan judul “Mempelajari
Aspek Keteknikan pada Proses Produksi Daging Rajungan (Crab meat) di PT
Tonga Tiur Putra Rembang-Jawa Tengah”. Sebagai tugas akhir untuk
memperoleh gelar sarjana, penulis melakukan penelitian dengan judul “Analisis
Eksergi Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.
Selama masa perkuliahan penulis aktif dalam organisasi Persekutuan
Mahasiswa Kristen (UKM-PMK). Pengalaman kerja penulis adalah sebagai staf
pengajar Fisika, Matematika SMP pada lembaga bimbingan belajar Kastia. Dan
pengajar les privat untuk mata pelajaran Fisika, Matematika dan Kimia SMU.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan pada Tuhan atas karunia dan penyertaaNya
yang begitu besar kepada penulis, sehingga pada akhirnya penulis dapat
menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini berjudul “Analisis Eksergi
Penggunaan Refrigeran pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap”.
Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk
memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian,
Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada :
1.
Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Agr selaku dosen pembimbing
akademik atas segala bimbingan, arahan dan nasihatnya selama
masa studi, penelitian dan penyelesaian tugas akhir.
2.
Dr. Leopold O. Nelwan, STP,MSi selaku dosen penguji atas
masukan dan nasihatnya
3.
Ir. Mohamad Solahudin, MSi selaku dosen penguji atas segala kritik
dan sarannya.
4.
Yang terkasih Papa, Mama, Abang Hendri, Evi, Patar, Ricky dan
Abang Udur atas segala kasih sayang, doa, nasihat, dan dukungan
moril dan material yang tiada terkira kepada penulis.
5.
Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu atas
bantuan dan dukungannya.
Mengingat keterbatasan penulis, kritik dan saran membangun sangat
penulis harapkan dari pembaca. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi semua
pihak yang membutuhkannya.
Januari 2006
Penulis