JUMLAH PANAS YANG DIPINDAHKAN PADA PROSES ......T A = temperatur fluida yang panas, oC T B = temperatur fluida yang dingin, oC 2o h = koefisien perpindahan panas konveksi, W/ m C 2

JUMLAH PANAS YANG DIPINDAHKAN PADA PROSES PENDINGINAN AIR

MINUM

DAN KOEFISIEN PRESTASI DARI MESIN PENDINGIN Ir. Waldemar Naibaho, MT ; Parulian Siagian, ST.,MT.

Dosen Tetap Program Studi Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen

e-mail :[email protected]

ABSTRACT

In the process of this study, drinking water to a temperature didinginankan cukuprendah, that it has achieved

refrigeration machine will stop automatically and the water can be removed from the tank to the dispenser to be drunk.

This cooling process, on the outside of the bottom of the tank ridden by pipeline, in this case called the evaporator,

the refrigerant flows inside the device serves to absorb heat from the water through the tube wall and the pipe. At the

exit of the evaporator is connected to a compressor, which serves to drain the refrigerant, then the refrigerant flows

into the condenser and the tool is heat discharged to the outside air, then the refrigerant flowing into the capillary tube

to lower the pressure of the refrigerant which then entered into the evaporator. The entire exterior of the drinking water

tank insulated to keep the heat from the outside air only a few enter into the drinking water.

In this cooling process, the research methods that will be used is an experimental method, wherein the temperature of

the water is the independent variable that will be determined later.

From these tests it can be concluded that in the cooling process for 35 minutes obtained water temperature 9.8 s / d 14

° C, the number of average heat energy released from drinking water 163.08 kJ / h, coefficient of average achievement

of machinery cooling 2.76, the average heat transfer from the outside air into drinking water 0.3275 kJ / hour.

Keyword : Heat Transfer, Coefficient of Performance.

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Air minum yang kondisinya sudah standar temperaturnya dapat dibuat bervariasi, seperti

temperatur mendekati titik beku (rendah) dan temperatur mendekati titik didih (tinggi).

Untuk membuat air minum bertemperatur rendah maka diperlukan suatu wadah air yang

dilengkapi dengan sistem pendingin. Selanjutnya panas dari air minum dipindahkan ke evaporator

dan panas tersebut dibawa oleh refrigeran ke kondensor dan selanjutnya dilepas ke udara luar.

Sistem pendingin akan berhenti bekerja apabila temperatur air telah mencapai besaran yang

ditentukan. Bila air minum yang dingin ingin dikeluarkan dapat dilakukan dengan menekan

katupnya sehingga air keluar.

1.2 Rumusan Masalah

Proses pendinginan dari air minum ini dapat dirumuskan menjadi masalah penelitian

sebagai berikut:

Untuk proses pendinginan.

1. Evaporator dari mesin pendingin dibuat disekeliling bagian samping dari tanki air minum

dengan ketinggian beberapa cm dari bagian bawahnya dan seluruh bidang bagian luar dari

tanki diisolasi, sehingga perpindahan panas dari lingkungan ke air minum diupayakan

menuju nol selama proses pendinginan.

2. Setelah air minum mencapai temperatur yang rendah yang ditetapkan, mesin pendingin

akan dimatikan secara otomatis oleh alat kontrol otomatik.

1.3 Tujuan Penelitian

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

berikut ini:

1. Untuk membuat air minum memiliki temperatur yang rendah dan untuk mengetahui

jumlah panas yang dikeluarkan oleh air minum dan berapa lama waktu yang dibutuhkan

untuk suatu angka koefisien prestasi tertentu dari alat pendingin.

2. Untuk mengetahui nilai pertambahan panas yang masuk dari isolator ke air minum selama

proses pendinginan air minum.

1.4 Manfaat Penelitian

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

manusia, seperti beberapa hal berikut ini yaitu peralatan untuk minum

a. Bagi keluarga di rumah

b. Bagi tenaga kerja di kantor

c. Bagi penghuni di rumah sakit

d. Bagi pengunjung di restoran

e. Dan lain-lain.

2.TINJAUAN PUSTAKA

Untuk daerah tropis, seperti kota madia Medan ini, kebutuhan air minum yang dingin

merupakan suatu kebutuhan khususnya pada saat musim panas tiba. Oleh karena itulah penulis

melakukan penelitian pada bidang ini.

2.1 Perpindahan Panas Konduksi Satu Dimensi Yang Stedi

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

yang bertemperatur 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 dari pustaka 1, hal 4.

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 = gradient temperatur pada penampang, yaitu laju

perubahan temperatur T terhadap jarak dalam arah aliran

panas, oK/m

Gambar 2-1. Bagan yang menunjukkan arah aliran panas.

Gambar2-2.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, pustaka 1 hal 6, melalui suatu bahan yang homogen adalah:

qk =k A

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

dimana : k A/ L = tahanan panas.

Silinder Berlubang.

Laju aliran panas satu dimensi secara radial dengan cara konduksi, pustaka 1 hal 65. Melalui

silinder berpenampang lingkaran yang berlubang adalah :

qk = - k A dT/ dr ……………..…...…..………………………….….…. (3)

qk = - k 2π r L dT/ dx …………………..……………………………..... (4)

Ti – To = qk

2πkl ln

ro

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

qk = 2πkl 𝑇𝑖−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, oK/m

Ti = temperatur bagian dalam, oK

To = temperatur bagian luar, oK

Gambar2-3. Konduksi melalui silinder berlubang.

2.2 Perpindahan Panas Konveksi Satu Dimensi Yang Stedi

Perpindahan panas konveksi dapat didefinisikan sebagai proses transport energi dengan

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

panas konveksi diklasifikasikan atas 2 bagian :

- Konveksi bebas (konveksi alamiah) dan

- Konveksi paksa.

Gambar2-4. 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 ditulis berikut ini, pustaka 1hal 16.

qc = hc dA (Ts - T∞)…………...……………………………………........... (7)

Dimana: qc = laju perpindahan panas secara konveksi, W

hc = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, W/m2oK

A = luas permukaan perpindahan panas, m2

Ts = temperatur permukaan, oK

T∞ = temperatur fluida, oK

2.3 Alat Penukar Kalor

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

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

1. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Dalam hal ini ditinjau pada alat penukar panas pipa ganda Gambar2-5(a), dimana satu fluida

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

kedua tabung. Perpindahan panas menyeluruh didapat dari jaringan panas pada Gambar 2-5 (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 perpindahan panas konveksi, W/ m2oC

A = luas permukaan perpindahan panas, m2

r = jari-jari tabung, m

i & o = bagian dalam dan bagian luar tabung

(a)

(b)

Gambar 2-5 (a) Penukar panas 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 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 ∆Tmenyeluruh = Uo Ao ∆Tmenyeluruh

2. Beda Temperatur 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.

Gambar2-6.Distribusi temperatur dalam penukar panas aliran-searah lintas-tunggal.

Laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor, pustaka 1hal 401 -402, dapat dituliskan sebagai

berikut :

dq = U dA ∆T…………………………………………………… (8)

Dimana : dq = diferensial laju perpindahan panas, Watt

U = konduktansi satuan keseluruhan, W/m2oK

dA = diferensial luas permukaan perpindahan panas, m2

∆T = beda temperatur, oK

Keseimbangan energi pada luas diferensial dA menghasilkan

dq = - mh Cph dTh = -mc Cpc dTc = U dA (Th - Tc)..………………. (9)

dimana : m = laju aliran massa, kg/dtk

Cp = panas jenis pada tekanan konstan, W/kg K

Th = temperatur fluida panas, oK

Tc = temperatur fluida dingin, oK

h dan c = indeks untuk menyatakan panas dan dingin

keseimbangan panas dari lubang masuk dan lubang keluar

-Ch (Th – Thm) = Cc (Tc – Tcm)…………………….…………… (10)

Dimana : Ch = mh Cph = laju aliran kapasitas panas per jam untuk fluida panas

Cc = mc Cpc = laju aliran kapasitas panas per jam untuk fluida dingin

Indeks m berarti masuk

Indeks k berarti keluar

Dari persamaan (10) harga Th dapat ditentukan

Th = Thm – (Cc / Ch)(Tc – Tcm)………………….………............. (11)

Dari persamaan diatas dapat kita peroleh

Th – Tc = - (1 + Cc /Ch)Tc + (Cc /Ch) Tcm – Thm ...………………. (12)

Dengan memasukkan Th – Tc dari persamaan (5) kedalam persamaan (2) diperoleh :

dTc- [1 + (Cc/Ch)Tc + (Cc/Ch) Tcm + Thm] = UdA/Cc……………….(13)

Dengan mengintegrasi persamaan (13) pada seluruh panjang penukar panas menghasilkan

𝑙𝑛 [− [1+(

Cc

Ch)Tck+(

Cc

Ch) Tcm+Thm

− [1+ (Cc

Ch)Tcm+ (

Cc

Ch) Tcm+Thm

] = − (1

𝐶𝑐+

1

𝐶ℎ)UA………….……............ 14)

𝑙𝑛 [(𝟏+(

𝑪𝒄

𝑪𝒉)(𝑻𝒄𝒎−𝑻𝒄𝒌)+ 𝑻𝒄𝒎+𝑻𝒉𝒎

𝑻𝒄𝒎− 𝑻𝒉𝒎] = − (

𝟏

𝑪𝒄+

𝟏

𝑪𝒉) 𝑈𝐴……..……....………..…(15)

Dari persamaan (10) dapat diperoleh

𝐶𝑐

𝐶ℎ = -

𝑇ℎ𝑘−𝑇ℎ𝑚

𝑇𝑐𝑘−𝑇𝑐𝑚 ………..………………..……………………….(16)

Persamaan (16) dapat dipergunakan untuk melenyapkan kapasitas-kapasitas panas per jam dalam

persamaan (15), seperti berikut ini.

ln (𝑇ℎ𝑘−𝑇𝑐𝑘

𝑇ℎ𝑚−𝑇𝑐𝑚) = [(Thk – Tck) – (Thm – Tcm)]

𝑈𝐴

𝑞…………….. ..(17)

Karena q = Cc (Tck – Tcm) = Ch (Thm – Tck)

Jika kita tuliskan Th – Tc = ∆T maka persamaan (17) dapat ditulis

q = UA ∆𝑇𝑎− ∆𝑇𝑏

ln ∆𝑇𝑎/𝑇𝑏 …………………………………….....….. .... (18)

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

Gambar 2-6. Persamaan (18) dapat dibuang dengan menggantikan perbandingan temperatur

menjadi suatu beda temperatur efektif rata-rata ∆T̅̅̅̅ yang defenisinya.

q = UA ∆T̅̅̅̅ ……………………………...………………...……….(19)

Dari persamaan (18) dan (19) kita peroleh bahwa untuk aliran searah atau aliran lawan :

∆T̅̅̅̅ = ∆Ta − ∆Tb

ln∆𝑇𝑎

∆𝑇𝑏

………………………………………………..…. (20)

Dimana : ∆T̅̅̅̅ = beda temperatur keseluruhan rata-rata logaritmik.

3 Efektivitas Alat Penukar Panas

Keefektifan penukar panas adalah perbandingan laju perpindahan panas yang sebenarnya dalam

penukar panas tertentu terhadap laju perpindahan panas maksimum. Yang disebutkan belakangan

adalah diperoleh dalam alat penukar panas aliran lawan dengan luas perpindahan panas yang tak

hingga.

Keefektifan, pustaka 1 hal 407-409, tersebut dapat dituliskan :є

ϵ = 𝐶ℎ (𝑇𝑐𝑘−𝑇𝑐𝑚)

𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇ℎ𝑚−𝑇𝑐𝑚) ………………..….....……...…......………. (21)

Atau

ϵ = 𝐶𝑐 (𝑇𝑐𝑘−𝑇𝑐𝑚)

𝐶𝑚𝑖𝑛(𝑇ℎ𝑚−𝑇𝑐𝑚) ...................................................................... (22)

dimana : Cmin = harga mh Cph atau mc Cpc yang lebih kecil

laju perpindahan panasnya dapat ditentukan dari persamaan

q = ϵ Cmin (Thm – Tcm) ……………......………………...………… (23)

dimana :

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

Selanjutnya untuk alat penukar kalor aliran searah kita peroleh :

𝑙𝑛 [ 1 − ϵ (Cmin

Ch +

Cmin

Cc) ] = -(

1

𝐶𝑐+

1

𝐶ℎ) UA

Atau

1 - ϵ (𝐶𝑚𝑖𝑛

𝐶ℎ +

𝐶𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑐) = 𝑒−(

1

𝐶𝑐 +

1

𝐶ℎ)𝑈𝐴

Selanjutnya dengan menyelesaikan untuk ϵ diperoleh

ϵ = 1− e

−(1+ChCc)UA/Ch

Cmin

Ch+

Cmin

Cc

………………………………………………(24)

Selanjutnya dapat dituliskan keefektifan dari alat penukar kalor untuk aliran searah yaitu :

ϵ = 1− 𝑒

−(1+ 𝐶𝑚𝑖𝑛

𝐶𝑚𝑎𝑘𝑠)𝑈𝐴/𝐶𝑚𝑖𝑛

1+𝐶𝑚𝑖𝑛/𝐶𝑚𝑎𝑘𝑠 …………………..…………… …(25)

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

2.4 Teknik Pendingin

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

sampai temperatur tertentu. Maka mesin yang diperlukan untuk itu adalah refrigerator (mesin

pendingin) dengan siklus refrigerasi kompresi uap. Evaporator dari mesin pendingin itu dililitkan

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

belakang dispenser.

Gambar 2-7Diagram alir sistem kompresi uap

Gambar 2-8

Siklus kompresi

uap dalam

diagram tekanan-

entalpi

-Kalor yang

diserap oleh

evaporator (efek

refrigerasi) :

qe = h1 –h4

.............................................................................................…………….. (27)

-Kerja yang dilakukan kompresor: wk = h2 – h1………………………… (28)

-Kalor pengembunan : qc = h2 – h3 = wk + qe

= h2 – h3…………………….… (29)

Jumlah refrigeran yang bersirkulasi : G = Q/qe ……………………... (30)

Koefisien prestasi : KP = qc / qe = h2 – h3 / h2 – h1 …………………. (31)

Dimana : qe = efek refrigerasi (kalor yang diserap evaporator), J/kg

wk = kerja yang dilakukan kompresor, J/kg

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

G = jumlah refrigerant yang bersirkulasi, kg/jam

Q = kapasitas refrigerasi, J/jam

KP = koefisien prestasi

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

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

h3 = entalpi refrigeran keluar dari kondensor/ masuk ke pipa kapiler, J/kg

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

3. METODE PENELITIAN

Metode yang akan dipakai dalam melaksanakan kegiatan penelitian ini adalah metode

eksperimental. Dimana peralatan yang akan dipakai sebagai mesin pendingin (refrigerator) akan

menyerap panas dari air minum yang berada didalam tabung sampai pada temperatur yang relatif

rendah, dan panas yang dihisap oleh evaporator tersebut kemudian dipindahkan oleh kompresor

ke kondensor, pada alat ini panas yang dihisap tadi akan dibuang keudara luar. Pada sistem tersebut

apabila kondisi air telah mencapai temperatur yang direncanakan maka mesin akan berhenti secara

otomatis yang dikendalikan oleh alat kontrol otomatik.

3.1 Model Penelitian

Proses pendinginan dari air minum dilakukan dengan menghidupkan kompresor, selanjutnya

refrigeran yang berasal dari evaporator akan dihisap oleh kompresor dan dikeluarkan dengan cara

mengkompresikan kedalam kondensor, dimana kondensor diletakkan pada bagian luar agar ia

dapat membuang energi panas ke udara luar. Selanjutnya refrigeran dialirkan ke pipa kapiler

(katub ekspansi) sehingga tekanannya akan turun dan akhirnya masuk kedalam evaporator.

Evaporator yang bertemperatur rendah akan menghisap panas yang dikandung oleh air melalui

dinding tanki air minumdan pipa refrigerant. Tanki air minum diisolasi agar panas dari bagian luar

sangat sedikit yang masuk ke dalam tankinya, dengan demikian temperaturnya dapat dikatakan

hasil dari proses pendinginan. Mesin pendingin akan otomatis mati bila air minum telah mencapai

temperatur yang direncanakan, dikendalikan oleh alat kontrol otomatik. Komponen mesin

pendinginnya adalah kompresor, kondensor, pipa kapiler (katub ekspansi) dan evaporator.

Gambar 3-1. Sketsa

perangkat penelitian dari

pendinginan air minum

Keterangan gambar :

a. Isolasi

b. Alat ukur temperatur

c. Tanki

d. Air minum

e. Refrigeran R 134 A

f. Evaporator (alat pendingin)

3.2 Teknik Pengumpulan Data

Setelah perangkat penelitian selesai maka pekerjaan selanjutnya adalah melakukan

pengkalibirasian dari alat ukur temperature, agar hasil pengukurannya mempunyai acuan yang

sama.Dengan demikian kegiatan penelitian dapat dilakukan dengan baik terhadap proses

pendinginan. Kegiatan penelitian diawali dengan melakukan pengukuran terhadap :

- Bahan, Diameter dalam dan luar, Tinggi, Bahan dan Konduktivitas termal dari tabung.

- Bahan, Tebal dan Konduktivitas termal isolasi

- Volume, Tinggi, Kerapatan, Kapasitas panas jenis pada tekanan konstan,

Konduktivitas termal air dan Temperatur air

- Temperatur, Kerapatan, Konduktivitas dan Panas jenis udara luar

- Bahan, Diameter, Panjang dan Konduktivitas termal pipa evaporator

- Bahan, Diameter, Panjang dan Konduktivitas termal pipa kondensor

- Konsumsi arus listrik

Selanjutnya dilakukan kegiatan penelitian dengan proses pendinginan, data yang akan diukur oleh

termometer/termokopel adalah temperatur-temperatur dari awal sampai akhir penelitian, pada

interval waktu tertentu.

4. ANALISIS DATA HASIL PENGUJIAN

4.1 Data Hasil Pengujian

Data yang diperoleh dari pengujian ini adalah temperatur air, udara luar, dinding tabung

sebelah luar dan sebelah dalam, tekanan dan temperatur refrigeran pada evaporator dan

kondensor.

1. Data dari air :

Volume air (V) = 2,5 Liter = 2,5 dm3 = 0,00 25 cc

Kerapatan/densitas air (ρ) = 994,9 kg/m3 ≈ 1000 kg/m3

Massa air (m) = V . ρ = 0,0025 . 1000 = 2,5 kg

Tinggi permukaan air = 110 mm

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

Koduktivitas termal air (k) = 0,623 W/m oC

2. Distribusi temperatur pada air pendingin merupakan besaran-besaran temperatur di dalam

air dengan posisi sebagai berikut :

T1= temperatur air pada ketinggian 3 cm dari dasar dengan 3 cm dari dinding tabung.

T2= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 3 cm dari dasar tabung

T3= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 6 cm dari dasar tabung

T4= temperatur air pada ketinggian 9 cm dari dasar dengan 3 cm dari dinding tabung.

T5= temperatur air pada sumbu tabung dengan ketinggian 9 cm dari dasar tabung .

3. Data dari tabung air :

Bahan tabung = paduan aluminium

Diameter dalam = 161 mm

Diameter luar = 163 mm

Tinggi tabung = 157 mm

Tebal tabung = 1 mm

Konduktivitas termal tabung-paduan aluminium = 177 W/ m oC

4. Data dari isolasi :

Bahan isolasi = gabus

Tebal isolasi = 20 mm

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

5. Data dari mesin pendingin :

Refrigeran (Fluida Pendingin) = R 134 A

P Evaporator = 19 Psi

T Evaporator = - 10 oC

Bahan pipa evaporator : Paduan tembaga

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

Diameter luar pipa evaporator (d) = 5 mm

Jumlah pipa evaporator (n) = 4 buah

Panjang pipa evaporator (L) = Π . D . n = 3,14 . 163 . 4 = 2.049 mm = 2, 049 m

Luas bidang evaporator (A) = d . L = 0,005 . 2,049 = 0,010245 m2

P Kondensor = 185 Psi

T Kondensor = 135 F = 57,22 oC

Bahan pipa kondensor : Paduan tembaga

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

Diameter luar pipa kondensor (d) = 3/16 inci = 3/16 . 25,4 = 4,763 mm

Panjang pipa kondensor = L . n = 300 . 16 = 4.800 mm = 4,8 m Luas bidang kondensor (A) = Π . d . L = 3,14 . 0,004763 . 2,049 = 0,031 m2

Konsumsi arus listrik = 90 watt

6. Data dari udara :

T maksimum = 33,3 oC

T minimum = 30,7 oC

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

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

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

4.2 Pengolahan Data

Data yang diolah didasarkan pada kondisi-kondisi berikut ini :

101112131415161718192021222324252627282930313233

0 10 20 30 40

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (menit)

T1

T2

T3T4

12,013,014,015,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (menit)

T1

T2

T3

T4

T5

15,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0

0 10 20 30 40

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (menit)

T1

T2

T3

T4

T5

Air yang didinginkan bervolume dan tekanan konstan. Udara disekitar pengujian bertekanan

konstan dan temperatur dianggap konstan

1. Keadaan temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit

Gambar 4-1 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pegujian pertama

Gambar 4-2 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian kedua

13,014,015,016,017,018,019,020,021,022,023,024,025,026,027,028,029,030,031,032,033,0

0 10 20 30 40

Tem

pe

ratu

r (o

C)

Waktu (menit)

T1

T2

T3

T4

T5

Gambar 4-4 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian keempat

Gambar 4-5 Kurva Temperatur VS Waktu, hasil pengujian kelima

Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa T1 adalah temperatur air pada bagian bawah, dengan jarak 3 cm

dari dasar dan 3 cm dari dinding tabung dengan kata lain memiliki besaran temperatur yang paling

rendah sekitar 10 oC dengan lama pendinginan sekitar 10,5 menit. Sedangkan T2 adalah

temperatur dari air pada jarak 3 cm dari dasar tabung terletak pada sumbu tabungnya yang

memiliki temperatur sekitar 13,5 oC. Dan seperti telah dijelaskan pada halaman terdahulu bahwa

koil pendingin (evaporator) diletakkan pada bagian bawah dari tabung, maka bagian bawah dari

air memiliki temperatur paling rendah karena apabila air dikeluarkan maka temperaturnya adalah

yang paling rendah - jadi sesuai dengan fungsi dari dispenser tersebut.

Sedangkan T3,T4,T5 berada pada bagian atas dari T1 dan T2 dimana koil pendingin (evaporator)

berada dibawahnya, maka sangat sesuai kalau temperaturnya berada diatas T1 dan T2, seperti

terlihat pada grafik tersebut.

Dari Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa temperatur T1 sangat bervariasi karena mesin

pendingin hidup pada tahap pertama skitar 10,5 menit dan setelah itu mesin mati sekitar 9 menit

dan pada tahap kedua mesin hidup sekitar 3 menit kemudian mesin mati sekitar 2,5 menit sehingga

proses pendinginan berlangsung tidak kontinu. Dilihat dari temperatur air T1, mula-mula 30 oC

kemudian setelah didinginkan oleh evaporator selama 10,5 menit temperaturnya turun menjadi 10 oC, dan temperatur air T2 turun menjadi 13,5 oC. Sedangkan temperatur T3,T4 dan T5 turun hanya

sedikit yaitu berkisar 29,2 oC atau turun sekitar 1oC.

2. Temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit kemudian diaduk

Keadaan air yang didinginkan selama 35 menit kemudian temperaturnya

diukur pada posisi yang telah ditentukan seperti terlihat pada kelima gambar diatas, setelah itu air

diaduk secara merata kemudian keadaan temperaturnya diukur.

Tabel 4.1 Temperatur air mula-mula dan akhir-setelah selama 35 menit didinginkan

kemudian diaduk .

NO Tawal,( OC) Takhir ( OC)

1 30,0 21,4

2 30,0 21,3

3 30,2 21,5

4 30,3 20,5

5 29,7 20,2

Trata-rata 30,04 20,98

Dari Tabel 4.1 terlihat bahwa temperatur akhir rata-rata dari air setelah diaduk turun sekitar

30,04 – 20,98 = 9,06 oC.

3. Jumlah energi panas yang dikeluarkan dari air selama 35 menit

Q = m . cp . (T1 – T2)

Dimana :

Q = jumlah panas yang dikeluarkan dari air, kJ

m = massa air yang didinginkan, kg

= 2,5 kg

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

= 4,2 kJ/kg oC

T1 = temperatur air mula-mula, oC

T2 = temperatur air setelah didinginkan selama 35 menit, oC

Tabel 4.2 Jumlah panas yang dikeluarkan dari air tersebut selama 35 menit dapat dilihat

pada tabel berikut.

NO m

(kg)

cp

(kJ/kg oC)

T1

( OC)

T2

( OC)

Q

(kJ)

1 2,5 4,2 30,0 21,4 90,30

2 2,5 4,2 30,0 21,3 91,35

3 2,5 4,2 30,2 21,5 91,35

4 2,5 4,2 30,3 20,5 102,90

5 2,5 4,2 29,7 20,2 99,75

Jumlah panas rata-rata 95,13

Terlihat pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 bahwa untuk menurunkan temperatur air rata-rata dari

30,04 oC hingga 20,98 oC perlu mengeluarkan panas dari air 95,13 KJ dalam waktu 35 menit

atau 163,08 KJ/ jam

4. Koefisien prestasi dari mesin pendingin (Coefficient of Performance)

Koefisien prestasi = 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑓𝑎𝑎𝑡

𝐾𝑒𝑟𝑗𝑎 𝐵𝑒𝑟𝑠𝑖ℎ

Kp = (ℎ1−ℎ4)

(ℎ2−ℎ1)

Dimana :

h1= entalpi dari refrigeran keluar dari koil pendingin (evaporator)/entalpi dari refrigeran masuk

kedalam kompresor, kJ/kg

h2 = entalpi dari refrigeran keluar dari kompresor, entalpi dari refrigeran masuk kedalam

kondensor, kJ/kg

h4 = entalpi dari refrigeran keluar dari kondensor, entalpi dari refrigeran masuk ke pipa kapiler,

kJ/kg

Tabel 4.3 Koefisien prestasi dari mesin pendingin

NO h1

( kJ/kg)

h2

(kJ/kg)

h4

(kJ/kg)

(h1 – h4)

(kJ/kg)

(h2 – h1)

(kJ/kg) Kp

1 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94

2 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94

3 240,75 282,30 137,42 103,3 41,55 2,49

4 240,75 282,30 137,42 103,3 41,55 2,49

5 241,35 278,40 132,55 108,8 37,05 2,94

Koefisien prestari rata-rata dari mesin pendingin = (2,94+2,94+2,49+2,49

+2,94) / 5

Kprata-rata = 2,76

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

q = q1 + 2 q2 , angka 2 menyatakan bahwa ada 2 permukaan yang sama, yaitu permukaan

bawah dan permukaan atas.

- Pertambahan panas dari bagian samping tabung kedalam air (q1)

-

q1 = 𝑇𝑢−𝑇𝑎

1

(ℎ𝑖 𝐴𝑖)+ln

𝑟𝑜𝑟𝑖

2𝜋𝑘1𝐿+ln

𝑟1𝑟𝑖

2𝜋𝑘2𝐿+

1

(ℎ𝑜 𝐴𝑜)

U01 = 1

𝐴0

(ℎ𝑖 𝐴𝑖)+ln

𝑟𝑜𝑟𝑖

2𝜋𝑘1𝐿+ln

𝑟1𝑟𝑖

2𝜋𝑘2𝐿+

1

(ℎ𝑜 𝐴𝑜)

= 1

0,179

154,78 . 0,0794 +ln

0,1015

0,0815 2.3,14 .0,048 .0,157+ln

0,0815

0,08052.3,14 .177 .0,157+

1

114

U01 = 1

(0,0146+0,0104+2,155+0,0088)

= 1

2,1888 = 0,456 W/m2.oC.

Tu = temperatur udara luar rata-rata

Tu = (31,2 + 33,1)/2 = 32,15 C

Ta = temperatur air rata-rata

Ta = (30,0 + 21,4)/2 = 25,7 C

A01 = luas permukaan tegak bagian luar dari isolasi

= 3,14 (0,163 +0,20).0,157 = 0,179 m2

q1 = U01 A01 ΔT1 = U01 A01 (Tu - Ta) = 0,456 . 0,179 . (32,15 – 25,7) = 0,526 W

- Pertambahan panas dari bagian atas dan bawah tabung kedalam air (q2)

q2 = 𝑇𝑢−𝑇𝑎

1

ℎ𝑖𝐴+

Δx

𝑘𝐴+

1

ℎ𝑜𝐴

U02 = 1

1

ℎ𝑖+

Δx

𝑘1+

Δx

𝑘2+

1

ℎ𝑜

= 1

1

154,78+

0,020

0,048+

0,001

177+

1

106

U02 =1

(0,0065+0,42+0,0000064+0,0094)

= 1

0,436

= 2,294 W/m2.oC.

A02 = luas permukaan bagian atas/bawah isolasi

= 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2

q2 = U02 A02 ΔT2 = U02 A02 (Tu - Ta) = 2,294 . 0,0203 . (32,15 – 25,7) = 0,34 W

Dimana :

Ta = temperatur permukaan air rata-rata yang disekitar tabung

Tu = temperatur udara luar rata-rata disekitar isolasitabung

hi = koefisien perpindahan panas bagian dalam tabung, W/ m2 oC

Nu = hi D/kf = 40 Ref.3, Gbr. 7-4, hal. 393,

hi = 40 kf /D = 40 . 0,623 W/m oC/0,161 m = 154,78 W/m2oC

ho = koefisien perpindahan panas bagian luar isolasi, W/ m2 oC

Permukaan vertikal :

ho = 1,42 [(Tu-Ta)/D]0,25 = 1,42[(33,3-20,2)/0,163] = 114 W/ m2 oC

Permukaan horizontal :

ho = 1,32 [(Tu-Ta)/D]0,25 =1,32 [(33,3-20,2)/0,163]=106 W/ m2 oC

k1 = konduktivitas panas tabung = 177 W/ m oC

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

Ai = luas permukaan tegak bagian dalam dari tabung

= 3,14 . 0,161 . 0,157 = 0,0794 m2

Ao= luas permukaan tegak bagian luar dari isolasi

= 3,14 (0,163 +0,20).0,157 = 0,179 m2

A = luas permukaan bagian atas/bawah isolasi

= 0,785 . 0,1612 = 0,0203 m2

ro = jari-jari bagian luar dari isolasi = (0,161/2)+0,001+0,020 = 0,1015 m

r1 = jari-jari bagian dalam dari isolasi = (0,161/2) + 0,001 = 0,0815

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

L = tinggi dari tabung = 0,157 m

Tabel 4.4 Tabel Pertambahan panas yang masuk dari luar tabung kedalam air (q)

NO U01

(W/m2C)

A01

(m2)

ΔT1

(oC)

q1

(Watt)

U02

(W/m2C)

A02

(m2)

ΔT02

(oC)

q2

(Watt)

q

(Watt)

1 0,456 0,179 6,45 0,526 2,294 0,0203 6,45 0,30 1,126

2 0,456 0,179 7,05 0,575 2,294 0,0203 7,05 0,33 1,235

3 0,456 0,179 6,75 0,551 2,294 0,0203 6,75 0,31 1,171

4 0,456 0,179 7,55 0,616 2,294 0,0203 7,55 0,35 1,316

5 0,456 0,179 5,95 0,486 2,294 0,0203 5,95 0,28 1,046

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

q = (1,126 + 1,235 + 1,171 + 1,316 + 1,046) / 5 = 1,179 Watt

= 1,179 J/dtk = 1,179 .1000/3600 = 0,3275 kJ/jam

Jumlah panas rata-rata yang masuk dari luar tabung ke dalam air : jumlah panas rata-rata yang

dikeluarkan dari air = (0,3275/163,08) x 100% = 0,20 %

Dari angka perbandingan itu terlihat bahwa kebocoran panas yang masuk ke dalam tabung air

adalah sangat kecil, dengan perkataan lain dapat diabaikan.

5.KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 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, lihat T1 dan T2, karena

evaporator (alat pendingin) berada pada bagian bawah tabung, 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 bawah.

2. Waktu yang dibutuhkan untuk melaksanakan proses pendinginan (tidak kontinu, lihat Gambar

4.1 s/d Gambar 4.5) adalah 35 menit.

3. Temperatur air minum yang minimum (T1) adalah 10 s/d 20oC setelah mengalami pendinginan

selama 10,5 menit.

4. Temperatur air minimum rata-rata setelah didinginkan (tidak kontinu, lihat

Gambar 4.1 s/d Gambar 4.5) selama 35 menit adalah 20,98 oC

5. Jumlah panas rata-rata yang dikeluarkan dari air minum adalah 163,08 KJ/ jam

6. Koefisien prestasi rata-rata dari mesin pendingin adalah Kprata-rata = 2,76.

7. Nilai pertambahan panas yang kedalam air diperoleh 0,3275 kJ/jam

5.2 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. Mesin pendingin sebaiknya dapat diatur lama beroperasinya, sesuai dengan kebutuhannya.

3. Alat-alat ukur yang akan dipakai dapat dikalibrasi dengan alat yang sudah dikalibrasi lebih

dulu.

DAFTAR PUSTAKA

Kreith F., Bohn M. S., 1986, Principles of Heat Transfer, 4th edition,

Harper &Row, Publishers, New York.

J.P. Holman, 1984, Perpindahan Kalor, edisi kelima, Penerbit Erlangga,

Jakarta.

W. F. Stoecker, J.W Jones, 1982, Refrigerasi : Dan Pengkondisian

Udara, 2nd Edition, penerbit Erlangga, Jakarta.

Michael J. Moran, Howard N. Shapero,1988, Fundamentals of

Engineering Thermodynamics, 2nd Edition, John Wiley &

sons, Inc.

Arthur P Fraas, 1989, Heat Exchanger Design, 2nd Edition, John Wiley

& Sons, New York.

M.M. El-Wakil, 1985, Powerplant Technology, 2nd Edition, McGRAW-

HILL, New York.

J.P. Holman, 1984, Metode Pengukuran Teknik, edisi keempat,

Penerbit Erlangga, Jakarta.