JUMLAH PANAS YANG DIBUANG OLEH KONDENSOR KE UDARA BEBAS … Fakul… · Perpindahan panas konveksi dapat didefinisikan sebagai proses transport energi dengan kerja gabungan dari koduksi

JUMLAH PANAS YANG DIBUANG OLEH KONDENSOR KE UDARA BEBAS

PADA PROSES PENDINGINAN AIR MINUM

Ir. Waldemar Naibaho, MT. ; Charles S.P. Manurung, ST., MT.

Dosen Tetap Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen

e-mail : [email protected]

ABSTRAK

Dalam proses pendinginan air ini akan dilakukan oleh refrigerator selama tiga puluh

menit, evaporator diletakkan di samping bagian bawah dari tabung air minum, selanjutnya panas

dari air di hisap oleh refrigerant pada evaporator dari bagian luar tabung dan kemudian

refrigerant tersebut dihisap oleh kompresor dan di kompresikan ke dalam kondensor. Pada unit

ini panas yang dibawa refrigerant tersebut kemudian di lepas ke udara bebas secara alami.

Selanjutnya jumlah panas yang dilepas oleh kondensor dan koefisien prestasi dari refrigerator

dapat ditentukan.

Kata kunci : proses pembuangan panas secara alami dari air ke udara bebas oleh

kondensor.

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang Masalah

Kondensor dari sistem pendingin air minum ini adalah berukuran kecil, dengan demikian

katup ekspansi digantikan dengan pipa kapiler. Kondensor adalah alat yang berfungsi untuk

membuang panas dari refrigeran yang diperoleh dari evaporator dan kompresor ke udara luar,

sehingga fasanya berubah dari wujud uap menjadi cair jenuh.

Proses perpindahan panas dari kondensor ke udara luar pada penelitian ini adalah secara

alami, hal ini karena kapasitasnya yang kecil dan karena temperaturnya lebih tinggi dari udara

luar maka panasnya akan berpindah secara alami ke udara luar tanpa memakai alat kipas udara.

Dengan demikian udara luar harus dapat bebas mengalir disekitar kondensor.

I.2 Rumusan Masalah

Proses pendinginan kondensor dari alat pendingin ini dapat dirumuskan menjadi masalah

penelitian sebagai berikut :

Kondensor adalah suatu alat yang berfungsi untuk membuang energi panas dari

refrigeran ke udara bebas, dimana energi panas tersebut diperoleh dari air yang

didinginkan oleh evaporator dan dari kompresor.

mailto:[email protected]

I.3 Tujuan Penelitian

Dari rumusan masalah diatas dapat ditentukan tujuan dari penelitian ini seperti diuraikan

berikut ini :

1. Untuk mengetahui kemampuan dari kondensor dalam membuang panas yang

diperoleh dari evaporator dan kompresor ke udara luar tanpa kipas udara.

2. Untuk menentukan koefisien prestasi dari alat pendingin

I.4 Manfaat Penelitian

Sebagai hasil dari penelitian ini dapat diperoleh manfaatnya, yaitu dapat berguna bagi

manusia, seperti beberapa hal berikut ini :

a.bagi keluarga dirumah

b.bagi tenaga kerja dikantor

c.bagi rumah sakit

d.bagi restoran, dan lain-lain.

II. TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Perpindahan Panas Konduksi Satu Dimensi Yang Stedi

Proses dengan mana panas mengalir dari bagian yang bertemperatur lebih tinggi ke

bagian yang beetemperatur lebih rendah di dalam satu media, padat, cair atau gas atau antar

media-media yang berlainan yang bersinggungan secara langsung disebut konduksi. Dalam

aliran panas secara konduksi , perpindahan energi panas terjadi karena hubungan molekul secara

langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Dalam keadaan stedi untuk satu

dimensi persamaan dasarnya dapat ditulis sebagai berikut.

qk = – k A Dt/ dx ………………………………………………………………(1)

dimana : qk = laju perpindahan panas secara konduksi, Watt

k = konduktivitas atau hantaran panas bahan, W/m K

A = luas permukaan perpindahan panas, m2

dt/ dx = factor temperatur pada penampang, yaitu laju perubahan

temperatur T terhadap jarak dalam arah aliran panas x, K/ m

Gambar 1. Bagan yang menunjukkan arah aliran panas.

Gambar 2. Distribusi temperatur untuk konduksi keadaan stedi melalui dinding datar.

Dinding Datar.

Untuk aliran panas satu-dimensi, konduksi panas melalui dinding datar untuk temperatur yang

seragam baik pada permukaan yang dingin maupun yang panas, laju perpindahan panas dengan

cara konduksi, Frank Kreith & Mark S. Bohn, hal 6, melalui suatu bahan yang homogen adalah

qk =k A

L (Tpanas – Tdingin) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (2)

dimana : L/k A = tahanan panas

Slinder Berlubang.

Laju aliran panas satu dimensi secara radial dengan cara konduksi. Melalui silinder

berpenampang lingkaran yang berlubang adalah

qk = – k A dt/ dr …………………………………………………………….…..(3)

qk = – k 2π r l Dt/ dr ……………………………………………………………(4)

Ti – To = qk

2πkl ln

ro

ri… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (5)

qk = 2πklTi – To

ln (ro

ri)

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . … … … . … … … . (6)

dimana : A = 2π r l

r = jari-jari silinder, m

l = panjang silinder, m

dt/dr = gradient temperatur dalam arah radial, K/m

Ti = temperatur bagian dalam, K

To = temperatur bagian luar, K

Gambar 3. Konduksi melalui silinder berlubang.

II.2 Perpindahan Panas Konveksi Satu Dimensi Yang Stedi

Perpindahan panas konveksi dapat didefinisikan sebagai proses transport energi dengan

kerja gabungan dari koduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan

panas konveksi diklasifikasikan atas 2 bagian :

- konveksi bebas (konveksi alamiah) dan

- konveksi paksa.

Gambar 4. Distribusi temperatur dalam silinder berlubang.

Konveksi bebas adalah bila gerakan mencampur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari

perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradient temperatur. Bila gerakan mencampur

berlangsung oleh karena suatu alat dari luar, seperti blower, pompa dan sebagainya, maka

prosesnya disebut konveksi paksa. Besar laju perpindahan panas secara konveksi antara suatu

permukaan dan suatu fluida dapat ditulis berikut ini.

dqc = hc Da (Ts – T∞) …………………………………………………………………(7)

dimana : qc = laju perpindahan panas secara konveksi, W

hc = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, W/m2 K

A = luas permukaan perpindahan panas, m2

Ts = 5actor5ture permukaan, K

T∞ = 5actor5ture fluida, K

II.3 Alat Penukar Panas

Penukar panas adalah suatu alat yang berfungsi untuk memindahkan panas dari satu

fluida yang bertemperatur lebih tinggi ke fluida lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Dilihat

dari proses pemindahan panasnya alat penukar panas dapat dibagi menjadi tiga bagian yaitu :

a. Sistem kontak lansung, alat penukar kalor ini mencampurkan kedua fluida

panas dan dingin yang akhirnya 5actor5ture kedua fluida menjadi sama.

b. Sistem kontak taklangsung, alat penukar kalor ini menempatkan satu fluida

panas dan satu fluida dingin secara terpisah sehingga fluida panas akan

memindahkan panasnya ke fluida dingin melalui dinding pemisah.

c. Sistem regeneratif, alat penukar kalor ini fluida panas dan fluida dingin secara

bergantian melewati tempat yang sama didalam alat penukar kalor,

sehingga panas dari fluida panas dipindahkan ke inti alat penukar kalor dan

selanjutnya dipindahkan ke fluida dingin.

Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Dalam hal ini ditinjau pada alat penukar panas pipa ganda Gambar 5(a), dimana satu fluida

mengalir di dalam tabung, sedang yang satu lagi mengalir di dalam ruang annulus diantara kedua

tabung. Perpindahan panas menyeluruh didapat dari jaringan panas pada Gambar 5(b), yaitu

sebagai.

q = (Ta – Tb)/[1/hi Ai + ln(ro/ri)/2πkl + 1/ho Ao]

dimana :

q = perpindahan panas menyeluruh dari fluida panas ke fluida dingin, J/ jam

Ta = temperatur fluida yang panas, oC

Tb = temperatur fluida yang dingin, oC

h = koefisien peroindah panas konveksi, W/m2 oC

A = luas permukaan perpindahan panas, m2

r = jari-jari tabung, m

i & o = bagian dalam dan luar tabung

Gambar 5. (a) Penukar kalor pipa ganda, (b) Jaringan tahanan panas untuk perpindahan panas

menyeluruh.

Koefisien perpindahan panas menyeluruh bisa didasarkan atas luas bagian dalam (Ui) atau luas

bagian luar dari tabung (Uo), seperti berikut ini

Ui = 1//[1/hi + Ai ln(ro/ri)/2πkl + Ai/ ho Ao]

Uo = 1//[ Ao/hi Ai + Ao ln(ro/ri)/2πkl + 1/ ho]

Sehingga laju perpindahan panas dapat dihitung dari persamaan berikut

q = Ui Ai ΔTmenyeluruh = Uo Ao ΔTmenyeluruh

Beda Temperature Rata-Rata .

Temperatur fluida-fluida di dalam alat penukar panas umumnya berbeda dari satu titik ke titik

lainnya, pada waktu panas mengalir dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin.

Gambar 6. Distribusi temperatur dalam penukar panas aliran-searah lintas-tunggal.

Beda temperatur keseluruhan rata-rata logaritmik untuk aliran searah atau aliran lawan :

Δ𝑇̅̅̅̅ = ΔTa − ΔΤb

lnΔTaΔΤb

… … … … … … … … . … … … … … … … … … … … … … . . (8)

dimana : Δ𝑇̅̅̅̅ = beda temperatur keseluruhan rata-rata logaritmik

Laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor dapat dituliskan sebagai berikut

𝑞 = 𝑈Α ΔTa − ΔΤb

ln ΔTa/ ΔΤb… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (9)

Dimana indeks a dan b adalah menunjuk kepada masing-masing ujung penukar panas , lihat

Gambar 5.

Persamaan (9) dapat dibuat dengan menggantikan perbandingan temperatur menjadi suatu beda

temperatur efektif rata-rata Δ𝑇̅̅̅̅ yang defenisinya

q = UA Δ𝑇̅̅̅̅ ………………………………….………………………….…(10)

Efektifitas Alat Penukar Panas

Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam

penukar panas tertentu terhadap laju perpindahan panas maksimum yang mungkin. Yang

disebutkan belakangan adalah diperoleh dalam alat penukar panas aliran lawan dengan luas

perpindahan panas yang takhingga.

Keefektifan, Frank Kreith & Mark S. Bohn, hal 407-409, tersebut dapat dituliskan : Є

Є =𝐶ℎ(𝑇ℎ𝑚 − 𝑇ℎ𝑘)

𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇ℎ𝑚 − 𝑇𝑐𝑚)… … … . . … … … … … … … … … … … … … . . … … . . (11)

Atau

Є =𝐶𝑐(𝑇𝑐𝑘 − 𝑇𝑐𝑚)

𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇ℎ𝑚 − 𝑇𝑐𝑚)… … … … … … … … … … … … … … … . . … … … … … (12)

dimana : Cmin = harga mh cph atau mc cpc yang lebih kecil

Laju perpindahan panasnya dapat ditentukan dari persamaan

q = Є Cmin (Thm - Tcm) ……..………………………….…..………….(13)

Dimana :

Є Cmin (Thm - Tcm) = Cc (Tck – Tcm) = Ch (Thm – Thk)

Selanjutnya untuk alat penukar kalor aliran searah kita peroleh :

ln [1 − Є (Cmin

Ch+

Cmin

Cc)] = − (

1

Cc +

1

Ch) UA

Atau

1 − Є (Cmin

Ch+

Cmin

Cc) = e−(

1Cc+

1Ch

)UA

Selanjutnya dengan menyelesaikan untuk Є diperoleh

Є = 1−e

−(1+ChCc)

UA/Ch

Cmin

Ch+

Cmin

Cc

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . (14)

Selanjutnya dapat dituliskan keefektifan dari alat penukar kalor untuk aliran searah dapat ditulis

Є = 1 − e−(1+

CminCmaks

)UA/Cmin

1 + Cmin/Cmaks… … … … … … … … … … … … … … … … . … (15)

dimana : UA/Cmin = jumlah satuan perpindahan panas (NTU)

Faktor Pengotoran

Suatu alat penukar panasr apabila telah beroperasi dalam waktu tertentu maka

akan terbentuk lapisan kotoran pada permukaan perpindahan panas secara berangsur-angsur.

Lapisan endapan itu disebut sebagai pengotoran (fouling), efeknya adalah akan mempertinggi

tahanan termal. Tahanan termal endapan, Frank Kreith, hal 571-572, dapat ditentukan dari

persamaan berikut

𝑅𝑑 = 1

𝑈𝑎−

1

𝑈

dimana U = konduktansi satuan penukar kalor bersih

Ua = koduktansi setelah terjadi pengotoran

Rd = tahanan termal satuan endapan

Dengan memasukkan 8actor pengotoran kedalam koefisien perpindahan panas rancangan

keseluruhan Ud dari pipa tanpa sirip diperoleh

Ud =1

1

ho̅̅ ̅̅ +Ro+Rk+

RiAo

Ai+

Ao

hiAi ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅

… … … … … … … … … … … … … … … … … . . … … … … . (16)

dimana : Ud = koefisien perpindahan panas keseluruhan berdasarkan luas satuan

permukaan luar pipa, W/m2 K

ho = koefisien perpindahan panas rata-rata fluida sebelah luar pipa, W/m2 K

hi = koefisien perpindahan panas rata-rata fluida sebelah dalam pipa, W/m2 K

Ro = tahanan pengotoran satuan pada sebelah luar pipa, m2 K/W

Ri = tahanan pengotoran satuan pada sebelah dalam pipa, m2 K/W

Rk = tahanan satuan pipa-pipa permukaan luar pipa, m2 K/W

II. 4 Teknik Pendingin

Seperti telah diutarakan pada bagian tujuan penelitian, bahwa air minum didinginkan

sampai temperatur sekitar 5 oC. Maka mesin yang diperlukan untuk itu adalah mesin pendingin

(refrigerator) dengan siklus kompresi uap. Evaporator dari mesin pendingin itu dililitkan pada

bagian samping bawah dari tabung tempat air, sedang kondensor ditempatkan pada bagian

belakang dispenser dan tepat diatas dari kompresornya.

Gambar 7. Diagram alir sistem kompresi uap

Keterangan:

1-2 = kompresi adiabatik dan reversibel (isentropis), s1 = s2

2-3 = Proses pelepasan panas (pengembunan) pada tekanan konstan pada kondensor, p2 = p3

3-4 = Proses ekspansi (penurunan tekanan) pada entalpi konstan pada pipa kapiler/ katup

ekspansi , h3 = h4

4-1 = Proses penguapan pada tekanan konstan pada evaporator, p4 = p1

Gambar 8. Diagram p vs h

-Kalor yang diserap oleh evaporator (efek refrigerasi) : qe = h1 – h4 ………………….(17)

-Kerja yang dilakukan oleh kompresor : w = h2 – h1 ……………………………..……..(18)

-Kalor pengembunan : qc = h2 – h3 = wk + qe …………………………………….……...(19)

-Jumlah refrigerant yang bersirkulasi : G = Q/qe ………………………………………..(20)

-Koefisien prestasi : Kp = qc/ qe = h2 – h3 /h2 – h1

Dimana : qc = efek refrigerasi, kJ/kg

wk = kerja yang dilakukan kompresor, kJ/kg

qc = kalor yang dilepas kondensor ke udara luar, kJ/kg

G = jumlah refrigerant yang bersirkulasi, kg/ jam

Q = kapasitas refrigerasi, J/ jam

Kp = koefisien prestasi

h1 = entalpi refrigerant keluar dari evaporator/ masuk ke kompresor, J/ kg

h2 = entalpi refrigerant keluar dari kompresor/ masuk ke kondensor, J/ kg

h3 = entalpi refrigerant keluar dari kompresor/ masuk ke pipa kapiler, J/ kg

h4 = entalpi refrigerant keluar dari pipa kapiler/ masuk ke evaporator, J/ kg

III. METODE PENELITIAN

III.1 Umum

Panas dari air yang berada didalam tabung akan diserap oleh evaporator dan selanjutnya panas

dari evaporator ditambah dari kompresor akan dibuang ke udara luar oleh kondensor, dimana

peralatan yang akan dipakai sebagai bahan pendingin refrigeran yang terdapat didalam

kondensor adalah alami, yaitu dengan menempatkannya pada bahagian belakang dari peralatan

sehingga bila beroperasi harus berada pada udara bebas. Metode yang akan dipakai dalam

melaksanakan kegiatan penelitian ini adalah metode eksperimental.

III.2 Lokasi Penelitian

Laboratorium Prestasi Mesin Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas HKBP

Nommensen Medan yang dipakai sebagai tempat penelitian ini

III.3 Model Penelitian

Model dari penelitian ini dapat dilihat pada gambar berikut ini, air yang akan didinginkan oleh

evaporator ditempatkan dalam tanki, selanjutnya pada bagian luar tangki dililitkan pipa yang

dalam hal ini disebut sebagai evaporator yang berfungsi untuk menghisap panas dari air melalui

tangki, kemudian panas tersebut dipindahkan ke refrigerant yang selanjutnya mengalir kedalam

kompresor. Dan kompresor setelah menghisap refrigerant selanjutnya ia akan mengkompresnya

sehingga ia akan mengalir kedalam kondensor. Pada alat inilah refrigerant akan membuang

panas ke udara bebas secara alami karena temperatur kondensor lebih tinggi dari udara di

sekelilingnya. Selanjutnya refrigeran yang keluar dari kondensor berubah wujud dari fasa uap

menjadi fasa cair jenuh.

Gambar 9 Sketsa perangkat penelitian dari pendingin air minum.

III.4 Teknik Pengumpulan Data

Setelah perangkat penelitian selesai maka pekerjaan selanjutnya adalah melakukan

pengkalibrasian dari alat ukur temperatur-termometer. Dengan demikian kegiatan penelitian

dapat dilakukan. Kegiatan penelitian diawali dengan melakukan pengukuran terhadap volume,

temperatur air minum dan temperatur udara sebelum kegiatan penelitian, setelah itu baru

kemudian dapat dilakukan pengukuran tekanan dan temperatur refrigeran saat masuk dan keluar

dari kondensornya.

IV. ANALISIS DATA HASIL PENELITIAN

IV. 1 Data Hasil Pengujian

Data yang diperoleh dari pengujian ini adalah tentang air, dinding tabung air, isolasi

tabung air dan udara luar.

1. Data dari air

Volume air (V) = 2,50 Liter = 2,50 dm3 = 2,50 . 10-3 m3

Kerpatan/ densitas air (𝜌) =1000 kg/m3

Massa air (m) = V . 𝜌 = 2,50 . 10-3 . 1000 = 2,50 kg

Kapasitas panas jenis pada tekanan konstan air (cp) = 4,2 kJ/kg oC

Konduktivitas panas air (k) = 0,623 W/m oC

2. Data dari tabung air

Bahan tabung adalah paduan aluminium

Diameter dalam = 161 mm

Diameter luar = 163 mm

Tinggi tabung = 157 mm

Tebal tabung = 1 mm

Konduktivitas termal tabung paduan aluminium (k) = 177 W/m oC

3. Data dari isolasi

Bahan isolasi = gabus

Tebal isolasi = 20 mm

Konduktivitas termal isolasi gabus (k) = 0,048 W/m oC

4. Data dari udara

Kerapatan/ densitas udara (𝜌) = 1,1774 kg/m3

Kapasitas panas jenis pada tekanan konstan udara (cp) = 1,006 kJ/kg oC

Konduktivitas termal udara (k) = 0,02227 W/m oC

5. Data dari evaporator

Evaporator dari sistem ini dililitkan pada bagian luar bawah dari tabung air dengan data

sebagai berikut :

Diameter luar pipa evaporator (do) = 5 mm = 0,005 m

Jumlah lilitan pipa evaporator pada tabung air (n) = 4

Diameter dalam lilitan evaporator (Di) = diameter luar tabung air = 163 mm

Panjang pipa evaporator : L = π (Di + do) n = 3,14 . (163 + 5) . 4 = 2.110 mm = 2,11 m

Luas bidang evaporator yang merapat ke dinding tabung air (AE)

AE = do . L = 0,005 . 2,11 = 0,01055 m2

Bahan pipa evaporator : paduan tembaga

Konduktivitas termal paduan tembaga (k) = 111 W/m oC

6. Temperatur air

Temperatur air mula-mula, temperatur air yang didinginkan selama 30 menit

kemudian temperatur minimumnya diukur dan setelah itu air diaduk secara merata kemudian

temperatur rata-ratanya diukur dan hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.1 Temperatur air mula-mula, temperatur air minimum dan temperatur

akhir rata-rata dari air

NO Tawal ( oC) Tmin ( oC) Takhir rata-rata ( oC)

1 28,80 6,50 17,50

2 29,80 5,50 16,90

3 29,40 6,30 18,00

4 29,00 5,80 17,40

5 28,70 6,00 16,80

6 28,60 5,20 16,30

Trata-rata

Trat

a-

rata

29,05 5,88 17,15

Dari Tabel 4.1 terlihat bahwa temperatur air mula-mula 29,05 oC, temperatur air minimum rata-

rata 5,88 oC, temperatur akhir rata-rata dari air setelah diaduk turun menjadi 17,15 oC dan besar

penurunan rata-rata temperatur air adalah 29,05 – 17,15 = 11,90 oC dengan lama pendinginan

selama 30 menit.

IV.2 Pengolahan Data

1. Kapasitas refrigerasi : Qe

Qe = m . cp . (T1 – T2)

Dimana :

Qe = Kapasitas refrigerasi, kJ/ jam

m = massa air yang didinginkan, kg

cp = kapasitas panas jenis air pada tekanan konstan, kJ/kg oC

T1 = temperatur air mula-mula, oC

T2 = temperatur air rata-rata setelah didinginkan selama 30 menit, oC

Tabel 4.2 Jumlah panas yang dikeluarkan dari air selama 30 menit

NO m

(kg)

cp

(kJ/kgoC)

T1

( oC)

T2

( oC)

Qe

(kJ)

1 2,50 4,2 28,80 17,50 118,65

2 2,50 4,2 29,80 16,90 135,45

3 2,50 4,2 29,40 18,00 119,70

4 2,50 4,2 29,00 17,40 121,80

5 2,50 4,2 28,70 16,80 124,95

6 2,50 4,2 28,60 16,30 129,15

Kapasitas refrigerasi rata-rata :

Qe = (118,65 + 135,45 + 119,70 + 121,80 + 124,95+129,15)/ 6 . 30

= 749,70/180 = 4,165 kJ/mnt

Kapasitas refrigerasi rata-rata : Qe = 4,165 kJ/mnt = 249,9 kJ/jam

2. Pertambahan panas dari luar tabung kedalam air (q)

q = q1 + q2 + q3

Dimana :

q1 = pertambahan panas dari bagian samping tabung ke dalam air, J/dtk = W

q2 = pertambahan panas dari bagian bawah tabung ke dalam air, J/dtk = W

q3 = pertambahan panas dari bagian atas tabung ke dalam air, J/dtk = W

Pertambahan panas dari bagian samping (sisi vertikal) tabung ke dalam air : q1

q1 = 𝑇∼ − 𝑇𝑎

1

(ℎ𝑖 𝐴𝑖)+𝑙𝑛

𝑟𝑜/𝑟1

2𝜋𝑘1𝐿+𝑙𝑛

𝑟1/𝑟𝑖

2𝜋𝑘2𝐿 +

1

ℎ𝑜 𝐴𝑜

= Uo1 . Ao1 . (T~ – Ta)

dimana :

T∼ = temperatur udara luar rata-rata = (30,3 + 30,6 + 30,9 + 30,5 + 30,2 + 30,1)/6 = 30,43 oC

Ta = temperatur air rata-rata = (29,05 + 17,15)/2 = 23,10 oC

L = tinggi tabung = 0,157 m

hi = Koefisien perpindahan panas permukaan horizontal bagian dalam tabung

hi = 1,42 [(Ti – Ta )/L]0,25 = 1,42 [(24,00 – 23,10)/0,157]0,25 = 2,197 W/m2 oC

Ti = temperatur dinding tabung bagian dalam = 24,00 oC

Ai = luas permukaan tabung bagian dalam

= π di L = 3,14 . 0,161 0,157 = 0,079 m2

Ao = luas permukaan taung bagian luar

= π do L = 3,14 . 0,203 0,157 = 0,100 m2

ri = jari-jari bagian dalam tabung = 0,161/2 = 0,0805 m

r1 = jari-jari bagian luar tabung/jari-jari bagian dalam isolasi = 0,163/2 = 0,0815 m

ro = jari-jari bagian luar isolasi = 0,203/2 = 0,1015 m

k1 = konduktivitas tabung = 177 W/m oC

k2 = konduktivitas isolasi = 0 ,048 W/m oC

To = temperatur dinding isolasi bagian luar = 30,10 oC

ho = Koefesien perpindahan panas permukaan horizontal bagian luar tabung

ho = 1,42 [(T∼ – To)/L]0,25 = 1,42 [(30,43 – 30,10)/0,157]0,25 = 1,710 W/ m2 oC

Koefisien perpindahan panas keseluruhan : Uo1

Uo1 = 1

𝐴𝑜

(ℎ𝑖𝐴𝑖)+ 𝐴𝑜 𝑙𝑛

𝑟𝑜/𝑟1

2𝜋𝑘1𝐿+𝐴𝑜 𝑙𝑛

𝑟1/𝑟𝑖

2𝜋𝑘2𝐿 +

1

ℎ𝑜

= 1

0,100

(2,197 . 0,079) + 0,100

ln (0,1015/0,0815)

2.3,14.0,048.0,157 + 0,100

ln (0,0815/0,0805)

2.3,14.177.0,157 +

1

1,710

= 1

1,625= 0,615 W/m2 oC

q1 = Uo1 . Ao1 . (T∼ – Ta) = 0,615 . 0,100 . (30,43 – 23,10) = 0,4510 W

Pertambahan panas dari bagian bawah tabung ke dalam air : q2

q2 = 𝑇∼ − 𝑇𝑎

1

(ℎ𝑖𝐴)+

∆𝑥1

𝑘1𝐴+

∆𝑥2

𝑘2𝐴 +

1

ℎ𝑜𝐴

= Uo2 Ao2 ((T~ – Ta)

hi = 1,32 [(Ti – Ta)/Di]0,25 = 1,32 [(24 – 23,10)/ 0,161]0,25 = 2,030 W/ m2 oC

ho = 1,32 [(T∼ – To)/Di]0,25 = 1,32 [(30,43 – 30,10)/ 0,161]0,25 = 1,579 W/ m2 oC

Δx1 = tebal isolasi = 0,020 m

Δx2 = tebal tabung = 0,001 m

A02 = luas permukaan bagian bawah/atas tabung

= π/4 . Di2 = 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2

Ti = temperatur dinding tabung bagian dalam = 24,00 oC

k1 = 0 ,048 W/m oC

k2 = 177 W/m oC

Koefisien perpindahan panas keseluruhan : Uo

Uo2 = 1

1

2,030 . 0,0203 +

0,020

0,048 . 0,0203 +

0,001

177.0,0203 +

1

1,579 . 0,0203

= 1/51,76 = 0,0193 W/m2 oC

q2 = Uo2 Ao2 ((T~ – Ta)

= 0,0193 . 0,0203 . (30,43 – 23,10) = 0,0029 W

Pertambahan panas dari bagian atas tabung ke dalam air : q3

q3 = 𝑇∼ − 𝑇𝑎

1

(ℎ𝑖𝐴) +

∆𝑥1

𝑘1𝐴 +

1

ℎ𝑜𝐴

= U03 A03 ((T~ – Ta)

hi = Koefesien perpindahan panas permukaan horizontal bagian dalam tabung

hi = 0,61 . [(Ti – Ta)/Di2 ]0,20 = 0,61 [(24 – 23,10)/ 0,1612]0,20 ………………(Lit.1, hal.288)

= 1,24 W/ m2 oC

ho = Koefesien perpindahan panas permukaan horizontal bagian luar tabung

Temperatur udara luar : T~ = 30,43 oC

ho = 0,61 . [(T∼ – Ta)/Di2 ]0,20 = 0,61 [((30,43 – 29,30)/ 0,1612]0,20 = 1,30 W/ m2 oC

k1 = konduktivitas tutup plastik = 0,064 W/m oC

Δx = tebal tutup plastik = 0,002 m

A03 = luas permukaan bagian atas tabung

= π/4 . Di2 = 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2

Koefisien perpindahan panas keseluruhan : Uo

U03 = 1

1

1,24 . 0,0203 +

0,002

0,064 . 0,0203 +

1

1,30 . 0,0203

= 1/79,157 = 0,0126 W/m2 oC

q3 = U03 A03 ((T~ – Ta) = 0,0126 . 0,0203 . (30,43 – 23,10)

= 0,00187 W

Tabel 4.3 Pertambahan panas yang masuk dari luar tabung kedalam air (q)

NO U

(W/m2 oC)

A

(m2 )

T~

(oC)

Ta

(oC)

ΔT

(oC)

q

(Watt)

1 0,6150 0,1000 30,43 23,10 7,33 0,45079

2 0,0193 0,0203 30,43 23,10 7,33 0,00287

3 0,0126 0,0203 30,43 23,10 7,33 0,00187

Pertambahan panas rata-rata yang masuk dari luar tabung ke dalam air (q)

q = 0,45079 + 0,00287 + 0,00187 = 0,4555 Watt

= 0,4555 . 3600 = 1,64 kJ/jam

Jumlah panas rata-rata yang masuk dari luar tabung ke dalam air adalah sangat kecil, dengan

perkataan lain dapat diabaikan.

3. Data operasional dari mesin pendingin

Hasil pengukuran yang diperoleh pada evaporator dan kondensor dapat dilihat pada tabel berikut

ini

Tabel 4.4 Data operasional mesin pendingin/refrigerator

NO

EVAPORATOR KONDENSOR

PEVA (psi)

TEVA ( oC)

PKOND (psi)

TKOND ( oF)

TKOND

( oC)

1 16 -12 170 130 54,44

2 15 -13 160 128 53,33

3 14 -14 170 130 54,44

4 14 -12 160 128 53,33

5 16 -12 170 132 55,55

6 14 -12 175 130 54,44

Data hasil pengujian dari mesin pendingin :

Refrigerant : R 134A

Tekanan evaporasi rata-rata : PEVA

PEVA = (16 + 15 + 14 + 14 + 16 + 14)/6

= 14,83 psi = 1,0218 bar

Temperatur evaporasi rata-rata : TEVA

TEVA = (–12 – 13 – 14 – 12 – 12 – 12)/6

= – 12,5 oC

Tekanan kondensasi rata-rata : PKOND

PKOND = (170 + 160 + 170 + 160 + 170 +175)/6

= 167,5 psi = 11,541 bar

Temperatur kondensasi rata-rata : TKOND

TKOND = (54,44 + 53,33 + 54,44 + 53,33 + 55,55 +54,44)/6

= 54,25 oC

Kapasitas refrigerasi rata-rata telah diperoleh pada Tabel 4.4 diatas : Qe

Qe = 4,165 kJ/mnt = 249,9 kJ/jam

Besar panas yang diserap oleh evaporator (efek refrigerasi) : qe

qe = h1 – h4

= 231,87 – 113,43 = 118,44 kJ/kg

Laju refrigeran yang bersirkulasi : G

G = Kapasitas refrigerasi : efek refrigerasi = Qe : qe

= 249,9 kJ/jam : 118,44 kJ/kg

= 2,110 kg/jam

= 5,86 . 10-4 kg/dtk

Besar kerja yang dilakukan oleh kompresor : W

W = h2 – h1

= 269,38 – 231,87

= 37,51 kJ/kg

Daya kompresor : Nk

Nk = W . G

= 37,51 kJ/kg . 2,11 kg/jam

= 79,146 kJ/jam = 21,99 J/dtk = 21,99 Watt

Kofesien prestasi : KP

KP = Kapasitas refrigerasi : Daya poros kompresor

= 249,9 kJ/jam : 79,146 kJ/jam

= 3,16

IV.3 Besar Panas Yang Dilepas Kondensor ke Udara Bebas

Besar panas ini adalah perjumlahan panas yang diserap oleh evaporator dari air dan kerja

dari kompresor.

Gambar 10 Kondensor

Bahan pipa kondensor : paduan tembaga

Konduktivitas termal paduan tembaga : k = 111 W/m oC

Dengan ukuran:

Diameter luar pipa kondensor : do = 3/16 inci = 4,76 mm = 0,0048 m

Panjang pipa kondensor : L = 16 . 28 = 448 cm = 4,48 m

Luas penampang bagian luar pipa kondensor : Ao

Ao = π do L = 3,14 . 0,0048 . 4,48 = 0,0676 m2

Besar panas yang dilepas oleh kondensor ke udara bebas : Qk

qk = (h1 – h4) + (h2 – h1)

= h2 – h4

= 269,38 – 113,43

= 155,95 kJ/kg

Qk = qk . G = 155,95 kJ/kg . 2,110 kg/jam = 329,05 kJ/jam

= 91,40 J/dtk

=========

V. KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan

Dari hasil dan pembahasan yang telah diuraikan dalam bab sebelumnya dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut :

1. Temperatur air yang paling rendah terletak pada bagian bawah tabung, karena evaporator

(alat pendingin) berada pada bagian bawah tabung (hanya 4 buah pipa), hal ini logis karena

bila kita ingin mengambil air minum yang dingin maka kita akan menekan tombol air dingin

sehingga ia akan keluar dari bahagian bawahnya.

2. Waktu yang dibutuhkan untuk melaksanakan proses pendinginan adalah 30 menit

3. Temperatur air minum yang minimum rata-rata adalah 5,88 ͦC

4. Koefisien prestasi rata-rata dari mesin pendingin : KP = 3,16

5. Jumlah panas rata-rata yang dilepas kondensor ke udara : Qk = 91,40 J/dtk

V.2 Saran

1. Sebaiknya dalam pengukuran temperatur dari air dipakai data logger atau data akuisisi/

termokopel agar pengambilan temperatur dapat dilakukan dengan cepat dan akurat

2. Kalibrasi dari alat ukur tekanan perlu dilakukan, untuk itu perlu disediakan alat ukur

tekanan yang sudah terkalibrasi.

DAFTAR PUSTAKA

1. Kreith F., Bohn M.S. : Principles of Heat Transfer, 4th Edition, Harper and Row,

Publishers, New York, 1986.

2. J.P. Holman, Perpindahan Kalor, Edisi kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1984

3. W.F. Stoecker, J.W. Jons : Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, 2nd Edition, Penerbit

Erlangga, Jakarta, 1982

4. Michael J. Moran, Howard N. Shapero, Fundamentals of Engineering Thermodynamics,

2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1988.

5. M.M. El-Wakil, Powerplant Technology, 2nd Edition, McGraw-Hill, New York, 1985

6. J.P. Holman, Metode Pengukuran Teknik, Edisi keempat, Penerbit Erlanga, Jakarta,

1984.