Contoh Estimasi Beban Pendingin

DATA PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PENDINGIN

A. Data Perancangan

1. Kondisi Produk dan Sistem Refrigerasi

Cold storage dirancang untuk tempat penyimpanan

produk berupa sosis. Temperatur yang sesuai untuk

tempat penyimpanan sosis sekitar 31-40 oF (Dossat, 1961

: 458). Temperatur cold storage yang akan dirancang

sebesar 2 OC (35,6 OF), dengan temperatur tersebut

diharapkan produk dapat bertahan dalam rentang waktu

maksimal 4 bulan (Dossat, 1961 : 458).

Temperatur awal produk adalah 30OC atau 86 OF

dengan asumsi produk berasal dari kiriman luar

provinsi. Produk disimpan pada 400 dus, setiap dus

terdiri dari 10 pcs dengan berat @1pcs sebesar 500 gr.

2. Kondisi Udara Luar

Cold storage yang dirancang terletak di Paseh, Kab.

Bandung, Jawa Barat. Berdasarkan data dari situs

(http://id.wikipedia.org/wiki/Paseh,_Bandung),

temperatur maksimum Kecamatan Paseh, Kab. Bandung

sebesar 31 OC (87,8 OF). Rata-rata RH tertinggi menurut

(http://www.bplhdjabar.go.id/index.php/kondisi-umum-

daerah-jabar) sebesar 85 %.

1

http://www.bplhdjabar.go.id/index.php/kondisi-umum-daerah-jabar

http://www.bplhdjabar.go.id/index.php/kondisi-umum-daerah-jabar

Cold storage yang dirancang berupa sebuah ruangan

khusus. Temperatur ruangan gudang mengacu pada

temperatur kamar yaitu sebesar 25 OC atau 77 OF

(Wikipedia.org, 2012). Dinding sebelah utara dan barat

cold storage terkena cahaya matahari secara langsung.

Udara bertemperatur 31 OC (87,8 OF) dengan RH 85% hanya

akan menyebabkan perpindahan kalor melalui dinding cold

storage sebelah utara dan barat. Udara bertemperatur 25OC (77 OF) akan menyebabkan perpindahan kalor melalui

dinding cold storage sebelah timur dan selatan (pintu),

lantai dan atap.

3. Kondisi Udara yang Dirancang

Kondisi udara untuk bagian dalam cold storage ini

disesuaikan dengan produk yang didinginkan yaitu:

a. Temperatur ruangan cold storage : 2 OC (35,6 OF)

b. Kelembaban relatif (RH) : 80 % (Dossat,

1961: 458).

4. Dimensi Ruangan

Cold storage ini berada di dalam suatu gudang. Cold

storage yang dirancang memiliki dimensi 5 m x 5 m x 5 m

(16,4 ft x 16,4 ft x 16,4 ft) dan menghadap ke selatan.

2

Dimensi tersebut merupakan ukuran cold storage bagian

luar.

Gambar 1. Kondisi Cold Storage yang Dirancang

3

U

S

B T

Cold Storage

Gambar 2. Posisi Cold Storage yang Dirancang

5. Struktur Bangunan dan Koefisien Perpindahan Kalor

a. Struktur dan Koefisien Perpindahan Kalor dari

Dinding

Dinding sebelah barat dan utara

Struktur dinding sebelah barat dan utara terdiri

atas lapisan udara film dalam, cell PVC, insulasi kayu, plester, beton,

bata, plester dan lapisan udara luar.

4

U

S

B T

Gambar 3. Struktur Dinding Cold Storage Sebelah Barat dan

Utara

Data-data struktur dinding cold storage sebelah selatan,

barat dan utara adalah sebagai berikut:

Tabel 1. Data-data Struktur Dinding Sebelah Barat dan

Utara

No

.Bahan

Tebal (x) k C atau f(cm

)

(inc

hi)

(Btu.inch /

hr.ft2.oF)

(Btu/

hr.ft2.oF)

1.Lapisan film

udara dalam- - - 1,65

5

1 2 3 4 5 6 7 8

2. Cellular PVC2,5

41 0,48 -

3. Insulasi kayu5,0

82 0,80 -

4. Plester2,5

41 5 -

5. Beton10,

164 5 -

6. Bata5,0

82 5 -

7. Plester2,5

41 5 -

8.Lapisan film

udara luar- - - 4,00

Sumber: (Dossat, 1978: 192); (Wolfpac Technologies,

Inc, Tt: 1)

Nilai koefisien perpindahan kalor bisa dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut:

U = 1

1fi

+xk1

+xk2

+… xkn

+1fo

……… (1) (Dossat,

1978: 193)

Keterangan:

6

U = Koefisien perpindahan kalor total material

(Btu/hr.ft2.°F).

1fi

= Koefisien konveksi lapisan film udara pada

bagian dalam material.

x = Ketebalan material.

k1,2,…n = Konduktivitas kalor dari material.

1fo = Koefisien konveksi lapisan film udara pada

bagian luar material.

Koefisien perpindahan kalor dari dinding (U) sebelah

selatan, barat dan utara adalah sebagai berikut:

U = 1

1fi

+x1

k1+x2

k2+x3k3…..+

1fo

……… (1) (Dossat,

1978: 193)

U = 1

11,65 +

10,48+

20,80+

15+

25+

45+

15+

14

U = 10,61+2,1+2,5+0,2+0,4+0,8+0,2+0,25

U = 17,06

U = 0,142 Btu/hr.ft2.°F

7

Struktur dinding sebelah selatan :

Gambar 4. Struktur Dinding Cold Storage Sebelah Selatan

Data-data struktur dinding cold storage sebelah Selatan

adalah sebagai berikut:

Tabel.2. Data-data Struktur Dinding Sebelah selatan

No

.Bahan

Tebal (x) k f(cm

)

(inc

hi)

(Btu.inch /

hr.ft2.oF)

(Btu/

hr.ft2.oF)

1.Lapisan film


2. Cellular PVC2,5

41 0,48 -

8

1 2 3 4 5

3. Insulasi kayu5,0

82 0,80 -

4.Cellular PVC 2,5

41 0,48 -

5.Lapisan film



Inc, Tt: 1)


selatan adalah:

U = 1

1fi

+x1

k1+x2

k2+x3k3

+1fo

……… (1) (Dossat, 1978: 193)

U = 1

11,65 +

10,48+

20,80+

10,48+

11,65

U = 10,61+2,1+0,2+2,1+0,61

U = 15.62

U = 0,178 Btu/hr.ft2.°F

Struktur dinding sebelah timur :

9

Gambar 5. Struktur Dinding Cold Storage Sebelah Selatan

Data-data struktur dinding cold storage sebelah Timur


Tabel.3. Data-data Struktur Dinding Sebelah Timur

No

.Bahan

Tebal (x) k f(cm

)

(inc

hi)

(Btu.inch /

hr.ft2.oF)

(Btu/

hr.ft2.oF)

1.Lapisan film


2. Insulasi kayu5,0

82 0,80 -

3. Plester2,5

41 5 -

4.Beton 5,0

82 5 -

5.Bata 5,0

82 5 -

6.Beton 5,0

82 5 -

10

1 3 53

6 72 4

7.Plester 2,5

41 5 -

8.Lapisan film



Inc, Tt: 1)


timur adalah:

U = 1

1fi

+x1

k1+x2

k2+x3k3….+ 1

fo

……… (1) (Dossat, 1978:

193)

U = 1

11,65 +

20,80+

15+

25+

25+

25+

15+

11,65

U = 10,61+2,5+0,2+0,4+0,4+0,4+0,2+0,61

U = 15,72

U = 0,174 Btu/hr.ft2.°F

2. Struktur dan Koefisien Perpindahan Kalor dari Atap

Cold storage ini berada di bawah lantai 2. Struktur

atap terdiri atas lapisan film udara dalam, cell PVC, Insulasi kayu,

11

cell PVC dan beton plester semen. Berikut ini adalah gambar

struktur atap cold storage yang dirancang.

Gambar 6. Struktur Atap Cold Storage

Data-data struktur atap cold storage adalah sebagai

berikut:

Tabel 4. Data-data Struktur Atap Cold Storage

No

.Bahan

Tebal (x) k f(cm

)

(inc

hi)

(Btu.inch /

hr.ft2.oF)

(Btu/

hr.ft2.oF)

1.Lapisan film


2. Cellular PVC2,5

41 0,48 -

3. Insulasi kayu5,0

82 0,80 -

4. Cellular PVC2,5

41 0,48 -

5. Beton 10, 4 5 -

12

16

6. Plester Semen2,5

41

5 -

Koefisien perpindahan kalor dari atap (U) adalah

sebagai berikut:

U = 1

1fi

+x1

k1+x2

k2….+

x6

k6

……… (1) (Dossat, 1978: 193)

U = 1

11,65

+1

0,48+

20,80

+1

0,48+45

+15

U = 10,61+2,1+2,5+2,1+0,8+0,2

U = 18.31

U = 0,12 Btu/hr.ft2.°F

3. Struktur dan Koefisien Perpindahan Kalor dari

Lantai

Struktur lantai terdiri atas :

13

Gambar 7. Struktur Lantai Cold Storage

Data-data struktur lantai cold storage adalah sebagai

berikut:

Tabel 1. Data-data Struktur Lantai Cold Storage

No

.Bahan

Tebal (x) k f(cm

)

(inc

hi)

(Btu.inch /

hr.ft2.oF)

(Btu/

hr.ft2.oF)

1.Lapisan film


2. Insulasi kayu5,0

82 0,80 -

3. Plester Semen2,5

41 5 -

4. Beton10,

164 5 -

14


Inc, Tt: 1);

(Harris dan Conde, 1990: 53)

Koefisien perpindahan kalor dari lantai (U) adalah

sebagai berikut:

U = 1

1fi

+x1

k1+x2

k2…+

x4

k4

……… (1) (Dossat, 1978: 193)

U = 1

11,65

+2

0,80+15

+45

U = 10,61+2,5+0,2+0,8

U = 14,11

U = 0,24 Btu/hr.ft2.°F

B. Perhitungan Beban Pendingin

Berdasarkan sumbernya, beban pendinginan terdiri

atas dua bagian, yaitu:

1. Beban pendinginan dari luar ruangan, meliputi beban

pendinginan melalui dinding, lantai, atap, pintu dan

pertukaran udara.

15

2. Beban pendinginan dari dalam ruangan meliputi beban

pendinginan dari produk, orang yang bekerja,

peralatan yang digunakan.

1. Beban Pendinginan dari Luar Ruangan

Kalor berpindah dari bagian luar ke dalam cold storage

melalui dinding, atap, lantai, dan pintu karena adanya

perbedaan temperatur antara lingkungan dengan bagian

dalam ruangan refrigerasi tersebut. Beban pendinginan

melalui dinding, atap, lantai, dan pintu dapat dihitung

dengan persamaan berikut:

Q (24 jam) = A x U x ΔT x 24 .... (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Keterangan :

Q = Jumlah beban pendinginan yang mengalir melalui

material (Btu/ 24hr).

A = Luas permukaan material (ft2).

U = Koefisien perpindahan kalor total material

(Btu/hr.ft2.°F).

ΔT = Perbedaan temperatur antara bagian dalam dan luar

ruangan (°F).

a. Beban Pendinginan Melalui Dinding (The Wall Gain

Load)

Sebelum mengetahui besarnya beban pendinginan

melalui dinding, harus dihitung terlebih dahulu luas

16

dinding dan koefisien perpindahan kalor dari dinding.

Luas dinding beserta orientasi (arah hadapnya) adalah

sebagai berikut:

Tabel 6. Dimensi Dinding Cold Storage

No

.

Orient

asi

Lebar

(ft)

Tinggi

(ft)Luas (ft²)

1. Barat 16,4 16,4(16,4-1812) – (16,4-

1612) =

224,54

2. Utara 16,4 16,4(16,4-2512) – (16,4-

1612) =

214,56

3.Selata

n16,4 16,4

(16,4-2512) – (16,4-1612) =

214,56

4. Timur 16,4 16,4(16,4-1812) – (16,4-

1612) =

224,54

Cold storage yang dirancang berada di dalam bangunan

tertutup, tetapi dinding sebelah barat dan utara

terkena cahaya matahari secara langsung. Selisih

temperatur antara bagian dalam cold storage dengan bagian

luar dinding sebelah selatan dan timur adalah = 77 –

35,6 = 41,4 OF.

17

Dinding sebelah timur ini terkena radiasi cahaya

matahari secara langsung, sehingga perlu diperhitungkan

faktor koreksi temperatur. Berdasarkan tabel 10-7

(Dossat, 1978: 201) faktor koreksi untuk lapisan

dinding dari bahan plester semen yang tidak dicat

adalah 6 oF. Temperatur bagian luar dinding sebelah

timur adalah 88,7 OF. Setelah ditambah dengan faktor

koreksi menjadi 88,7 + 6 = 94,7 OF. Selisih temperatur

antara bagian dalam cold storage dengan bagian luar

dinding sebelah barat dan utara adalah = 94,7 – 35,6 =

59,1 OF. Besarnya beban pendinginan melalui dinding

berdasarkan orientasi (arah hadapnya) adalah sebagai

berikut:

1.) Beban Pendinginan Melalui Dinding Sebelah Barat

Q = A x U x ΔT x 24 ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 224,54 x 0,142 x (94,7 – 35,6) x 24

Q = 45.225,23 BTU/ 24 hr

2.) Beban Pendinginan Melalui Dinding Sebelah Utara

Q = A x U x ΔT ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 214,56 x 0,142 x (94,7 – 35,6) x 24

Q = 43.215,13 BTU/ 24 hr

3.) Beban Pendinginan Melalui Dinding Sebelah Selatan

18

Q = A x U x ΔT ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 214,56 x 0,178 x (77 – 35,6) x 24

Q = 37.947,25 BTU/ 24 hr

4.) Beban Pendinginan Melalui Dinding Sebelah Timur

Q = A x U x ΔT ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 224,54 x 0,174 x (77 – 35,6) x 24

Q = 38.819,9 BTU/ 24 hr

b. Beban Pendinginan Melalui Atap

Luas atap = A = (16,4-1,33-0,75) x (16,4-1-0,5) =

214,83 ft2. Atap cold storage yang dirancang berada di

dalam ruangan, berhubungan secara langsung dengan udara

dan temperatur kamar. Selisih temperatur antara bagian

dalam cold storage dengan bagian luar atap adalah = 77 –

33,8 = 43,2 OF. Besarnya beban pendinginan melalui atap


Q = A x U x ΔT x 24 ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 214,83 x 0,12 x (77 – 35,6) x 24

Q = 25.614,61 BTU/ 24 hr

c. Beban Pendinginan Melalui Lantai

Luas lantai = A = (16,4-1,33-0,75) x (16,4-1-0,5)

= 214,83 ft2. Lantai cold storage yang dirancang berada di

19

dalam ruangan, berhubungan secara langsung dengan udara

dan temperatur kamar. Selisih temperatur antara bagian

dalam cold storage dengan lantai adalah = 77 – 33,8 =

43,2 OF. Besarnya beban pendinginan melalui lantai


Q = A x U x ΔT x 24 ................. (2)

(Gunawan, 1988: 98)

Q = 214,83 x 0,24 x (77 – 35,6) x 24

Q = 51.229,22 BTU/ 24 hr

Jumlah kalor konduksi melalui dinding, atap, lantai dan

pintu adalah:

Tabel 7. Jumlah Kalor Konduksi

No

.Bagian Bangunan

Beban Pendinginan

(Btu/ 24hr)

1Dinding sebelah

barat 45.225,23

2Dinding sebelah

utara 43.215,13

3Dinding sebelah

selatan 37.947,25

4Dinding sebelah

timur 38.819,95 Atap 25.614,616 Lantai 51.228,22

20

Jumlah 242.050,34

d. Beban Pendinginan dari Pertukaran Udara

Pertukaran udara terjadi karena adanya sejumlah

udara bertemperatur cukup tinggi yang masuk ke dalam

cold storage ketika pintu dibuka dan juga infiltrasi.

Besarnya beban pendinginan dari pertukaran udara untuk

ruangan yang memiliki volume kurang dari atau sama

dengan 100 m3 untuk penyimpanan produk dalam waktu yang

lama dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

Qf = (0,7V + 2)ΔT …….. (4) (Trott dan

Welch, 2000: 218)

Keterangan:

Qf = aliran kalor/heat flow (Watt)

V = volume (m3)

ΔT = selisih temperatur antara ruangan dan ambient (K)

Volume cold storage bagian dalam adalah sebagai berikut:

V = 4,54 m x 4,35 m x 4,57 m = 90,25 m3

Temperatur ruangan = 2 OC = 275 K

Ambient temperature = 25 OC = 298 K

ΔT = 298 – 275 = 23 K

Besarnya beban pendinginan dari pertukaran udara adalah

sebagai berikut:

21

Qf = ΔT (0,7V + 2) …….. (4) (Trott dan

Welch, 2000: 218)

Qf = 23 (0,7 (90,25) + 2)

Qf = 1.499 Watt

1 Watt = 3,412 Btu/hr (Althouse, Turnquist

dan Bracciano, 2004:50)

Qf = 1.499 x 3,412 = 5.114,58 Btu/hr

Jumlah beban pendinginan dari pertukaran udara per jam

kerja sistem refrigerasi adalah:

Qf = 5.114,58x24 = 122.749,92 Btu/ 24hr

2. Beban Pendinginan dari Dalam Ruangan

a. Beban Pendinginan dari Produk

Sosis akan melepaskan kalor sensibel sampai

temperaturnya sama dengan temperatur cold storage. Beban

kalor sensibel sosis dapat dihitung dengan persamaan

berikut.

Q = m x c x ΔT x 24 …… (5) (Dossat,

1978: 206)

Keterangan:

Q = jumlah beban kalor (Btu).

m = massa anggur (lb).

c = kalor spesifik di atas dan di bawah titik beku

(Btu/lb.OF)

ΔT = perubahan temperatur anggur (OF)

22

Sosis yang akan disimpan di dalam cold storage

memiliki temperatur awal 30 OC (86 OF) dan disimpan

pada temperatur 2OC (35,6 OF). Massa total sosis yang

disimpan adalah 2 ton (4.409,24 lb). Nilai c untuk

sosis (Dossat, 1961: 456) adalah:

1.) Nilai c di atas titik beku (before freezing) adalah

0,6 Btu/lb.OF.

Besarnya beban pendinginan dari anggur adalah:

Qanggur = m x c x ΔT x 24 ……… (5) (Dossat, 1978:

206)

Qanggur = 4.409,24 x 0,6 x (86 – 35,6) x 24

Qanggur = 3.200.050,02 Btu/ 24 hr

b. Beban Pendinginan dari Pembungkus Sosis

(Polyprolene)

Sosis dengan berat 500 gram dibungkus oleh plastic

makanan berbahan polyprolene. Massa setiap propylene

sebesar 10 gram (0,22 lb). Massa total propylene adalah

0,22 x 10 pcs x 400 dus = 880 lb. Temperaturnya

dianggap sama dengan temperatur sosis, yaitu 86 oF.

1.) Kalor spesifik plastik (polproplene) adalah:

cplastik = 2,3027 J/g·K …

(www.Wikipedia.org, 2013)

1 J/g·K = 0,24 Btu/lbOF …

(Dossat, 1978: 12)

23

cplastik = 2,3027 x 0,24 Btu/lbOF

cplastik = 0,55 Btu/lbOF

Besarnya beban pendinginan dari boks adalah:

Qkeranjang = m x cplastik x ΔT x 24 …… (7)

(Dossat, 1978: 206)

Qkeranjang = 880 x 0,55 x (86 – 35,6) x 24

Qkeranjang = 585.446,4 Btu/ 24 hr

c. Beban Pendinginan dari Dus

Pengemasan sosis dilanjutkan dengan menggunakan dus.

Penggunaan dus disini berjumlah 400 buah. Massa 1 dus

sebesar 6 ons (1,32 lb). Massa total dari seluruh dus,

yaitu sebesar 1,32 x 400 = 528 lb. Besarnya nilai u dus

sebsar 0,07 watt. Dimana,

1 Watt = 3,412 Btu/hr (Althouse, Turnquist


Artinya, u = 0,007 x 3,412 = 0,238 BTU/ hr.

Besarnya beban pendinginan dari dus adalah:

Qrak = m x c x ΔT x 24 … (7)

(Dossat, 1978: 206)

Qrak = 528x 0,238 x (86-35,6) x 24

Qrak = 152.003, 174 Btu/ 24 hr

24

d. Beban Pendinginan dari Pekerja

Pekerja bongkar muat di dalam cold storage sebanyak

2 orang dalam perhitungan 24 jam selama beberapa waktu.

Perhitungan beban pendinginan dari seorang pekerja

dihitung menggunakan persamaan berikut:

ql = pekerja x u∑ l x 24 ………… (8) (Dossat,

1961 : 462)

Keterangan:

ql = jumlah beban pendinginan (Btu/hr)

ul = kalor jenis pekerja (BTU/ hr)

Beban pendinginan dari 2 pekerja selama 24 jam adalah

sebagai berikut:

ql = 2 x 889,5 x 24 = 42.696 Btu/ 24hr

e. Beban Pendinginan dari Lampu dan Peralatan Listrik

1.) Beban Pendinginan dari Lampu

Cold storage ini dirancang menggunakan 1 buah lampu

TL (fluorescent) yang berdaya 500 Watt. Beban pendinginan

dari lampu dihitung melalui persamaan pada tabel

berikut:

Tabel 8. Beban Pendinginan dari Lampu

25

sumber : (Carrier, 1965:1-101)

Beban pendinginan dari lampu selama 24 jam adalah

sebagai berikut:

Qlampu = total light watts x 1,25 x 3,4 ..… (9)

(Carrier, 1965:1-101)

Qlampu = 500 x 1,25 x 3,4

Qlampu = 51.000 Btu/ 24hr

2.) Beban Pendinginan dari Humidifier

Humidifier diperlukan untuk menambahkan uap air ke

dalam cold storage, sehingga RH produk pun dapat dijaga

konstan sebesar 85%.

1 Watt = 3,412 Btu/hr …. (Althouse, Turnquist


Beban pendinginan dari humidifier adalah:

Qhumidifier = 290 x 3,412 x 24 = 23.747,52 Btu/ 24hr

3.) Total Beban Pendinginan

Selama sistem refrigerasi mengambil kalor dari cold

storage maka fan evaporator akan terus mensirkulasikan

udara. Selama fan evaporator bergerak, akan timbul

beban pendinginan. Besarnya beban pendinginan fan

bergantung pada daya motor, total beban pendinginan cold

storage dan kapasitas evaporator yang digunakan untuk

26

cold storage tersebut. Total beban pendinginan cold storage


Tabel.9. Total Beban Pendinginan Cold Storage

No. Sumber KalorBeban Pendinginan

(Btu/ 24 hr)1. Beban konduksi 242.050,342. Pertukaran Udara 5.114,583. Produk 3.200.050,024. Polyprolene 585.446,45. Dus 152.003,746. Pekerja 42.6967. Lampu 51.0008. Humidifier 23.747,52

Total 4.302.108,6

Total beban pendinginan diberi safety factor untuk

pengaman dari beban yang berlebih. Biasanya digunakan

10% dari total beban pendinginan (Dossat, 1978: 214).

Besarnya safety factor tersebut adalah sebagai berikut:

Safety factor = 10 % x total beban pendinginan

Safety factor = 10 % x 4.302.108,6 Btu/ 24hr

Safety factor = 430.210,86 Btu/hr

27

Total beban pendinginan cold storage setelah dijumlahkan

dengan safety factor adalah:

Qtot = 4.302.108,6 + 430.210,86 = 4.732.319.46 Btu/hr

Pendinginan sosis dalam 1 hari membutuhkan waktu

18 jam. Sehingga,

Qtotal = Qtot18 = 4.732.319.4618 = 262.906,637 BTU/ hr

28

Contoh Estimasi Beban Pendingin

Documents