Pengaruh_perubahan_sifat_transport_refrigeran_akibat_perubahan_suhu_ruangan_terhadap_kapasitas_pendinginan_mesin_pendingin_portable_propane-3.pdf

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/321095055

Pengaruh Perubahan Sifat Transport Refrigeran akibat Perubahan Suhu Ruangan terhadap Kapasitas Pendinginan Mesin Pendingin Portable Propane Article · April 2017 CITATIONS

READS

0

261

1 author: Jeri Tangalajuk Siang Universitas Atma Jaya Makassar 10 PUBLICATIONS   10 CITATIONS    SEE PROFILE

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

Performance of a single duct portable propane air conditioner View project

All content following this page was uploaded by Jeri Tangalajuk Siang on 16 November 2017.

The user has requested enhancement of the downloaded file.

Jeri Tangalajuk Siang. Pengaruh Perubahan Sifat…

Pengaruh Perubahan Sifat Transport Refrigeran akibat Perubahan Suhu Ruangan terhadap Kapasitas Pendinginan Mesin Pendingin Portable Propane Jeri Tangalajuk Siang Teknik Mesin; Fakultas Teknik Universitas Atmajaya Makassar, Jl. Tanjung Alang No. 23 Makassar 90134 Telp. (0411) 871038, Fax (0411) 870294 [email protected] mempunyai potensi pemanasan global yang tinggi

Abstrak Keberadaan mesin pendingin ruangan yang ramah lingkungan sekarang ini sudah mulai dipertimbangkan.

(Global Warming Potential). Oleh karena sifatnya yang tidak ramah lingkungan, refrigeran sintetik

Masyarakat sudah sadar akan keadaan lingkungan

tersebut akan dihilangkan dan tidak diproduksi lagi

yang sudah mulai rusak akibat aktivitas manusia.

(UNEP, 2007). Sehingga, refrigeran tersebut masih

Penggunaan bahan ramah lingkungan sudah mulai

dicarikan alternatif lain yang pengaruhnya terhadap

banyak digunakan. Contohnya penggunaaan refrigeran

lingkungan dapat diabaikan atau tidak mempunyai

propan dalam bidang pengkondisian udara. Pada

potensi untuk merusak lingkungan (Teng et al.,

penelitian ini terlihat pengaruh konduktivitas termal

2012).

refrigeran tidak membantu bertambahnya kapasitas pendinginan dari sistem. Di mana pada suhu ruangan

Salah

satu

jenis

refrigeran

yang

ramah

20ºC konduktivitas termal refrigeran rata – rata di

lingkungan adalah refrigeran yang terbuat dari unsur

evaporator adalah 0.05497 kW/m K hal ini berlawanan

alami. Sebagai contoh: air, karbondioksida, amoniak

dengan

perubahan

perpindahan

panas

pada

evaporator. Pada suhu ruangan 35ºC konduktivitas termal justru turun menjadi 0.0503 kW/m K. Viskositas refrigeran juga mempunyai efek berlawanan pada

dan hidrokarbon. Refrigeran ini tidak mempunyai efek yang merusak lingkungan. Oleh karena tidak mempunyai efek yang merusak lingkungan, maka

penurunan tekanan pada sisi pipa kapiler.

pemakaiannya sudah banyak didapati di masyarakat.

Kata kunci: konduktivitas termal, kapasitas pendinginan,

Sebagai contoh refrigeran hidrokarbon. Refrigeran ini

viskositas

mempunyai beberapa jenis yang digunakan di masyarakat. Sebagai contoh metane, isobutene, dan I.

PENDAHULUAN

propane. Isobutane dan propane banyak digunakan

Semakin sadarnya manusia akan kondisi lingkungan

pada bidang refrigerasi dan pendinginan udara.

membuat manusia selalu mencari bahan yang ramah lingkungan. Pada bidang refrigerasi dan pengkondisian

Oleh karena sifatnya yang ramah lingkungan,

udara, refrigeran yang umum dipakai adalah R22, R134a,

hidrokarbon menjadi salah satu pilihan untuk

R410A atau R407C. Akan tetapi refrigeran ini masih

dijadikan sebagai salah satu refrigeran alternatif.

mempunyai dampak negatif terhadap lingkungan (Bolaji et

Salah satu jenis hidrokarbon yang sudah digunakan

al.,

2013).

Refrigeran-refrigeran

tersebut

masih

sebagai refrigeran pada mesin pendingin adalah

JURNAL REALTECH Vol. 13, No. 1, April 2017: 69 – 72 ISSN: 1907 - 0837 propane (Corberán et al., 2011). Menurut penelitian

𝑞=

terdahulu, penggunaan, propane dapat digunakan

𝑇𝑟𝑒𝑓 −𝑇𝑢𝑑

(1)

𝑑 𝑙𝑜𝑔 𝑑𝑜 1 1 𝑖 + + 𝑕 𝑟𝑒𝑓 .𝐴 𝑖𝑛 2𝑘 𝑝𝑖𝑝𝑎 𝜋𝐿 𝑕 𝑢𝑑 +𝑕 𝑟 𝐴 𝑜𝑢𝑡

untuk menggantikan R 22 langsung tanpa melakukan perubahan

pada

sistem

pendinginan

tersebut.

Secara langsung pengaruh konduktivitas termal

Apabila propane digunakan sebagai fluida pengganti

refrigeran di dalam perhitungan, dapat dilihat pada

untuk R 22 maka kapasitas pendinginan yang

persamaan koefisien perpindahan panas konveksi.

dihasilkan oleh propane lebih kecil dari R 22 tetapi CoP propane lebih tinggi dibandingkan dengan R 22

Koefisien perpindahan panas konveksi refrigeran diperoleh dengan rumus:

(Park et al., 2007). Pada penelitian digunakan mesin pendingin

𝑕𝑟𝑒𝑓 =

𝑁𝑢 𝑟𝑒𝑓 ∗𝑘 𝑟𝑒𝑓

(2)

𝑑𝑖

portabel yang sudah dirancang dengan refrigeran propane. Pada penelitian ini akan dianalisa pengaruh

Sedangkan

dari

diperoleh dengan persamaan:

konduktivitas

termal

refrigeran

terhadap

kenaikan kapasitas pendinginan pada mesin fluida portable. Penelitian ini merupakan bagian kedua dari penelitian Impact of room temperature on the performance of a portable propane air conditioner

𝑕𝑎𝑖𝑟 =

koefisien

perpindahan

panas

𝑁𝑢 𝑎𝑖𝑟 ∗𝑘 𝑎𝑖𝑟

udara

(3)

𝑑𝑜

Untuk bagian evaporator dengan sirip dipergunakan rumus (Incropera, 1996):

(Sharifian et al., 2015). Di mana pada laporan pertama belum menguraikan pengaruh konduktivitas termal terhadap perpindahan panas pada evaporator

𝑞 = 𝑇𝑝𝑖𝑝𝑎 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 ∗ (𝑕𝑎𝑖𝑟 + 𝑕𝑟 ) ∗ 𝐴𝑡 ∗ 1−

serta pengaruh viskositas terhadap perubahan tekanan pada pipa kapiler.

evaporator adalah:

Fokus penelitian ini adalah menganalisa pengaruh transport

(4)

Koefisien perpindahan panas udara pada sirip

II. TINJAUAN PUSTAKA

sifat

𝑁∗𝐴𝑓 𝐴𝑡 ∗ 1−𝜂 𝑓

refrigeran

terhadap

𝑕𝑎𝑖𝑟 =

𝑁𝑢 𝑎𝑖𝑟 ∗𝑘 𝑎𝑖𝑟

(5)

𝐻𝑓

kapasitas

pendingian. Perpindahan panas yang terjadi di

Pengaruh

evaporator adalah penyerapan panas dari udara oleh

penelitian ini. Koefisien perpindahan panas radiasi

refrigeran.

digunakan

diperoleh dengan persamaan:

persamaan berikut untuk menghitung perpindahan

𝑕𝑟 = 4 𝜍𝜖 (𝑇𝑝𝑖𝑝𝑎 3 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 3 )

Pada

perhitungan

ini

radiasi

juga

diperhitungkan

dalam

(6)

panas: Untuk perubahan tekanan yang terjadi di dalam pipa Untuk bagian evaporator yang tidak mempunyai sirip

kapiler, dihitung dengan persamaan (Fox, 2004):

(pada belokan pipa), laju perpindahan panas dihitung dengan menggunakan persamaan (Incropera, 1996):

∆𝑃 = 𝑕𝑙 ∗ 𝜌𝑓 𝑕𝑙 =

𝐿∗𝑓 𝑟𝑒𝑓 ∗𝑉𝑎𝑣𝑒 2 2∗𝑑 𝑖

(7)

(8)

Jeri Tangalajuk Siang. Pengaruh Perubahan Sifat…

𝑒

1

= −2.0𝑙𝑜𝑔

𝑓 𝑟𝑒𝑓

𝑑𝑖

3.7

2.51

+

𝑅𝑒 𝑟𝑒𝑓

(9)

𝑓 𝑟𝑒𝑓

Bilangan Reynolds dihitung dengan menggunakan persamaan: 𝑅𝑒𝑟𝑒𝑓 =

4 𝑚 𝑟𝑒𝑓

(10)

𝜋 𝜇 𝑟𝑒𝑓 𝑑 𝑖

Gambar 1: Instalasi Penelitian

III. METODOLOGI DAN PENGUKURAN Penelitian ini dilakukan secara eksperimental.

IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian

Mesin pendingin diuji tanpa mengubah massa refrigeran yang sudah ditentukan oleh pembuat mesin

Data yang direkam pada saat pengambilan data

pendingin tersebut. Suhu ruangan akan divariasikan

adalah suhu refrigeran pada sisi masuk dan keluar

mulai dari 20ºC, 23ºC, 26ºC, 29ºC, 32ºC dan 35ºC.

evaporator dan pipa kapiler. Tekanan sisi masuk pipa

Untuk memudahkan mengatur suhu ruangan, mesin

kapiler dan evaporator. Laju aliran massa refrigeran

pendingin ditempatkan di dalam sebuah tenda.

diukur pada sisi masuk evaporator. Sifat transport

Pengaturan suhu ruangan dengan menggunakan

refrigeran diperoleh dengan menggunakan perangkat

jendela tenda serta elemen pemanas ruangan untuk

lunak Refpro berdasarkan data tekanan dan suhu.

menaikkan suhu. Suhu diukur dengan menggunakan

Dengan mempergunakan persamaan (1) dan (4),

termokoppel tipe J dengan sensitivitas 50 μV/ºC – 60

kapasitas pendinginan dapat dihitung. Pengaruh sifat

μV/ºC yang dihubungkan dengan data logger

transport refrigeran terhadap kapasitas pendinginan

LabView. Laju aliran massa diukur menggunakan

dapat dilihat pada persamaan (2). Perubahan tekanan

coriolis mass flow meter dengan kesalahan linear

di

(linearity

refrigeran

persamaan (7). Pengaruh sifat transport (viskositas)

dengan

terhadap perubahan tekanan dapat dilihat pada rumus

error)

menggunakan

±0.1%,

transmitter

tekanan piezoresistive

akurasi ±1% bacaan penuh. Kecepatan angin diukur

dalam

pipa

kapiler

dihitung

berdasarkan

(10).

menggunakan anemometer tipe fan dengan akurasi ±3% bacaan penuh. Data yang diukur seperti suhu

Seperti yang sudah diberikan oleh Sharifian et

dan tekanan digunakan untuk memperoleh sifat-sifat

al., 2015 pada penelitian yang sama bahwa kapasitas

refrigeran seperti viskositas, konduktivitas termal dan

pendinginan akan bertambah dengan naiknya suhu

entalpi

ruangan.

dengan

menggunakan

perangkat

lunak

REFPRO. Skema dan alat ukur dapat dilihat pada Gambar 1.

JURNAL REALTECH Vol. 13, No. 1, April 2017: 69 – 72 ISSN: 1907 - 0837 Pada sisi udara, dengan naiknya suhu ruangan, maka konduktivitas udara juga berubah dari 2.514 × 10-5 kW/ m K pada 20ºC menjadi 2.625 × 10-5 kW/ m K pada 35ºC. Disini terjadi kenaikan konduktivitas terma udara sebesar 4.42% (Gambar 4).

Gambar 2: Grafik perubahan konduktivitas termal pada beberapa suhu ruangan dalam evaporator

Dilihat dari konduktivitas termal refrigeran pada sisi evaporator (sisi masuk dan sisi keluar) terlihat bahwa pada sisi masuk evaporator, konduktivitas termal refrigeran mengalami penurunan dari 0.09382 kW/m K pada 20ºC menjadi 0.08334 kW/m K pada 35ºC. Pada sisi keluar evaporator atau sisi masuk kompressor, konduktivitas termal berubah

Gambar 4: Konduktivitas termal udara pada rentang suhu 20ºC – 35ºC

dari

0.016127 kW/m K pada 20ºC menjadi 0.017293 kW/m K pada 35ºC (Gambar 2). Jika diambil konduktivitas termal rata-rata refrigeran di dalam evaporator maka diperoleh konduktivitas termal ratarata evaporator berubah dari 0.054973 kW/ m K pada 20ºC menjadi 0.050318 kW /mK pada 35ºC atau terjadi penurunan sebesar 8.47% (Gambar 3). Gambar 5: Perubahan viskositas refrigeran di dalam pipa kapiler pada beberapa suhu ruangan

Viskositas refrigeran pada sisi pipa kapiler juga berubah seiring dengan bertambahnya suhu ruangan. Pada sisi masukan pipa kapiler, viskositas propane berubah dari 102.8933 Pa.s pada 20C menjadi 84.0994 μ Pa s pada suhu ruangan 35C. Pada sisi keluar pipa kapiler, viskositas berubah dari 109.5127 μ Pa s pada 20ºC menjadi 92.1086 μ Pa s pada 35ºC Gambar 3: Grafik konduktivitas termal rata-rata propane di

(Gambar 4). Sehingga viskositas rata-rata berubah

dalam evaporator

dari 106.203 μ Pa s pada 20ºC menjadi 88.1040 μ Pa s pada 35ºC (Gambar 5). Perubahan viskositas yang

Jeri Tangalajuk Siang. Pengaruh Perubahan Sifat… terjadi di dalam pipa kapiler pada setiap suhu

4.42%. Melihat persamaan (1) dan (3) untuk

ruangan dapat dilihat pada Gambar 6.

kapasitas pendinginan, maka kenaikan kapasitas penginginan dengan naiknya suhu ruangan, maka dengan turunnya konduktivitas termal refrigeran maka akan berefek kebalikan dengan kenaikan kapasitas

pendinginan

perubahan

atau

konduktivitas

kontraproduktif

dengan

dengan

kata

lain,

termal

refrigeran

kenaikan

kapasitas

pendinginan. Ditinjau dari viskositas refrigeran, dimana pada penelitian ini viskositas refrigeran rata-rata di dalam Gambar 6: Grafik perubahan viskositas rata-rata di dalam pipa kapiler pada rentang suhu ruang 20ºC – 35ºC

B. Pembahasan

pipa kapiler turun seiring naiknya suhu ruangan. Pada suhu ruangan 20ºC viskositas rata-rata refrigeran dalam pipa kapiler adalah 106.203 10-6 Pa s

bahwa

sedangkan pada suhu ruangan 35ºC, viskositas rata-

konduktivitas termal pada sisi refrigeran (propane)

rata refrigeran dalam pipa kapiler adalah 88.104 10-6

berkurang sebesar 8.47% sedangkan pada sisi udara

Pa s (terjadi penurunan viskositas sebesar 17.04%).

konduktivitas termal udara bertambah sebesar 4.42%.

Dibandingkan dengan penurunan tekanan dalam pipa

Sebagaimana

perubahan

kapiler, pada suhu ruangan 20ºC, penurunan tekanan

konduktivitas termal refrigeran dan udara berperan

di dalam pipa kapiler adalah 0.5918 MPa dan pada

dalam proses perpindahan panas yang diserap oleh

suhu ruangan 35ºC, penurunan tekanan yang terjadi

refrigeran dari udara (lihat persamaan (1) dan (4).

adalah sebesar 0.9680 MPa (bertambah 63.67%).

Kapasitas

pendingin

Hasil ini sejalan dengan penelitian terdahulu (Choi et

portabel pada massa refrigeran 302.93 g (mendekati

al., 2002) mengatakan bahwa perbedaan tekanan

massa normal produsen) akan bertambah 2.7%

antara sisi masukan pipa kapiler dan sisi keluaran

dengan bertambahnya suhu ruangan dari 20ºC ke

pipa kapiler akan naik dengan naiknya suhu ruangan.

35ºC (Sharifian et al., 2015). Sehingga terlihat bahwa

Seperti diketahui bahwa penurunan tekanan yang

peran dari konduktivitas termal refrigeran pada kasus

terjadi di dalam pipa kapiler oleh karena disebabkan

ini tidak membantu proses perpindahan panas dari

oleh beberapa faktor, salah satunya adalah faktor

udara ke evaporator oleh karena secara rata-rata

perubahan viskositas (lihat persamaan (7), (8), (9)

konduktivitas termal berkurang dari 0.055 kW/m K

dan (10). Akan tetapi melihat penurunan nilai

pada suhu ruangan 20ºC menjadi 0.0503 kW/m K

viskositas di dalam pipa kapiler yang turun dengan

pada suhu ruangan 35ºC. Dari sisi udara terlihat

naiknya suhu ruangan, maka pengaruh viskositas

bahwa kenaikan suhu ruangan akan meningkatkan

pada proses kenaikan beda tekanan ini tidak ada atau

nilai konduktivitas termal udara dari 2.514 10-5 kW/m

pengaruh viskositasnya berkurang terhadap kenaikan

K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 2.625 10-5 kW/m

beda tekan antara kedua sisi pipa kapiler. Dengan

K pada suhu ruangan 35ºC atau bertambah sebesar

kata lain perubahan viskositas refrigeran adalah

Dari

hasil

penelitian

diketahui

pendinginan

ini

terlihat

bahwa

untuk

mesin

JURNAL REALTECH Vol. 13, No. 1, April 2017: 69 – 72 ISSN: 1907 - 0837 kontraproduktif dengan penurunan tekanan yang terjadi di dalam pipa kapiler.

V. KESIMPULAN Konduktivitas termal refrigeran rata – rata di dalam evaporator turun dari 0.055 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 0.0503 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga pengaruh perubahan konduktivitas termal refrigeran terhadap perubahan kapasitas pendinginan tidak akan meningkatkan perpindahan panas dari ruangan ke evaporator karena terjadi penurunan konduktivitas termal dengan naiknya suhu ruangan. Akan tetapi konduktivitas termal udara akan naik dengan naiknya suhu ruangan. Konduktivitas termal udara naik dari 2.514 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 20ºC menjadi 2.625 10-5 kW/m K pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga perubahan konduktivitas termal udara menjadi salah satu

faktor

yang

dapat

meningkatkan

proses

perpindahan panas dari ruangan ke evaporator jika suhu ruangan meningkat. Kondisi yang sama juga yang ditunjukkan oleh viskositas refrigeran. Dimana dengan kenaikan suhu ruangan maka nilai viskositas akan turun. Viskositas termal refrigeran di dalam pipa kapiler turun dari 106.203 10-6 Pa s pada suhu ruangan 20ºC menjadi 88.104 10-6 Pa s pada suhu ruangan 35ºC. Sehingga pengaruhnya bukan menurunkan tekanan tetapi menaikkan tekanan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa penurunan tekanan pada sisi keluar pipa kapiler tidak disebabkan oleh perubahan sifat transport refrigeran (viskositas).

View publication stats

DAFTAR PUSTAKA BOLAJI, B. & HUAN, Z. 2013. Ozone depletion and global warming: Case for the use of natural refrigerant–a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18, 49-54. CHOI, J. M. & KIM, Y. C. 2002. The effects of improper refrigerant charge on the performance of a heat pump with an electronic expansion valve and capillary tube. Energy, 27, 391-404. CORBERÁN, J.-M., MARTÍNEZ-GALVÁN, I., MARTÍNEZ-BALLESTER, S., GONZÁLVEZ-MACIÁ, J. & ROYOPASTOR, R. 2011. Influence of the source and sink temperatures on the optimal refrigerant charge of a water-to-water heat pump. International Journal of Refrigeration, 34, 881-892. FOX, R. W. (2004). Introduction to fluid mechanics. Hoboken NJ, John Wiley INCROPERA, F. P. (1996). Introduction to heat transfer. New York, Wiley PARK, K.-J., SEO, T. & JUNG, D. 2007. Performance of alternative refrigerants for residential air-conditioning applications. Applied Energy, 84, 985-991. SHARIFIAN, A. & SIANG, J. T. 2015. Impacts of Room Temperature on the Performance of a Portable Propane Air Conditioner. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 1550015. TENG, T.-P., MO, H.-E., LIN, H., TSENG, Y.-H., LIU, R.-H. & LONG, Y.-F. 2012. Retrofit assessment of window air conditioner. Applied Thermal Engineering, 32, 100-107. UNEP 2007. Combating climate change given big confidence boost in Canada, Government agree to accelerated "freeze and phase-out" of ozone and climate damaging chemicals at Montreal Protocol's 20th anniversary celebrations, Montreal, Montreal Protocol.