Laporan Akhir Heat Pump

HEAT PUMP

I. TUJUAN PERCOBAAN

Memahami prinsip – prinsip termodinamika dari mesin pendingin / heat pump

Mengetahui prinsip kerja pompa kalor

Mengetahui fungsi komponen utama mesin pendingin / pompa kalor

Mengetahui hubungan antara tekanan, entalpi, entropi, dan temperatur serta

karakteristik penggunaan pompa kalor

II. MAKSUD PERCOBAAN

Setelah mengikuti pengujian ini, diharapkan praktikan mampu menggunakan diagram

p – h dan T – s dari siklus pompa kalor.

III. DASAR TEORI

Pada umumnya refrigasi merupakan suatu proses perpindahan kalor. Proses ini terjadi

antara media penyerap / pelepas kalor dengan lingkungan. Media ini biasa disebut refrigeran.

Selama proses terjadi, refrigerant mengalami perubahan fase, yaitu dari fase cair ke uap

(proses penguapan) dan dari fase uap kembali lagi ke fase cair (proses pengembunan).

Pada proses penguapan, refrigeran membutuhkan sejumlah kalor yang diambil dari

lingkungan, sehingga suhu lingkungan menjadi lebih dingin atau yang bisa disebut efek

pendinginan (refrigerant effect).

Pada proses pengembunan (kondensasi), refrigerant melepas sejumlah kalor ke

lingkungan, sehingga temperature lingkungan menjadi lebih hangat, ini disebut efek

pemanasan.

Kedua proses tersebuit terjadi pada tekanan dan temperature tertentu. Proses

penguapan terjadi pada tekanan yang rendah, yang mengakibatkan titik uap dari cairan

refrigerant turun jauh dibawah suhu lingkungan, sehingga penguapan cairan refrigerant dapat

terjadi. Sedangkan untuk proses pengembunan, terjadi pada tekanan yang lebih tinggi, yang

menyebabkan titik embun dari uap refrigerant naik melebihi suhu lingkungan, sehingga

pengembunan uap dapat terjadi.

Jadi dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa pada unti heay pump terdapat alat

yang berfungsi sebagai penguap cairan refrigerant (evaporator), pengembun uap refrigerant

(condenser), penurun tekanan cairan refrigerant (alat ekspansi), dan penambah tekanan uap

refrigerant (kompresor).

Selain itu, untuk lebih memahami siklus pendingin / heat pump kompresi uap secara

termodinamis perlu dimengerti proses – proses yang terjadi pada diagram Mollier refrigerant,

yaitu suatu kooordinat antara tekanan dan entalpi (p – h diagram) serta antara temperature

dan entropi (T – s diagram).

1. Keterangan Tentang Diagram p – h

Diagram p – h merupakan kumpulan garis – garis bantu termodinamis yang berguna

dalam memplot titik keadaan suatu fluida.

Kubah jenuh, merupakan garis tempat keadaan jenuh fluida, baik cair jenuh

(garis sebelah kiri titik kritis ) maupun uap jenuh (garis sebelah kanan titik

krisis).

Daerah carian bawah jenuh, merupakan daerah tempat keadaan cairan yang

temperaturnya lebih rendah dibanding temperatur cairan jenuhnya pada

tekanan yang sama.

Daerah uap panas lanjut, merupakan daerah tempat keadaan uap yang

temperaturnya lebih tinggi dibandingkan temperatur uap jenuhnya pada

tekanan yang sama (fase gas).

2. Keterangan Tentang Diagram T – s

Kedua diagram di atas digunakan untuk mengetahui keadaan dan sifat refrigeran

pada tiap titik dari siklus refrigerasi yang akan kita amati. Adapun cara membuat pada

diuagramn ini adalah dengan memplot titik dimana temperature dan tekanannya terukur

pada alat ukur yang digunakan. Selain itu diasumsikan bahwa proses yang terjadi pada

evaporator dan condenser berlangsung pada tekanan tetap (tidak terjadi pressure drop)

IV. DIAGRAM SKEMATIK HEAT PUMP

Dari gambar di atas, terlihat bahwa aliran refrigerant membentuk siklus tertutup dan

melalui komponen utama dari siklus kompresi uap yaitu compressor, condenser, evaporator

dan ekspansi.

1. Siklus refrigerant

Fluida yang digunakan padda unit pengujian heat pump sebagai medium klaor

(refrigerant) adalah dichloro difluoro metana (CCl2F2) R – 12 atau yang sering disebut Freon

12. Pada kondisi uap panas lanjut (titik 2), refrigerant dihisap kompresor, dinaikkan

tekanannya (p2) dan dibuang melalui pipa tembaga yang diisolasi karet menuju pelat nikel,

koil tembaga yang terendam dalam air pada tangki condenser (warna merah) yang berfungsi

untuk mengembunkan uap refrigerant, pada tekanan p2 dan temperature T3 (titik 3).

Perubahan fase refrigerant dari uap ke cair berlangsung pada tekanan tetap dan penurunan

temperature dari T1 ke T4.

Refrigerant cairdengan tekanan p2 dan suhu T4 (titik 4) dialirkan ke tangki evaporator

(warna biru) dengan terlebih dulu dilewatkan pada silica gel yang berfungsi menyerap uap air

yang terbawa di dalam system. Sedangkan pengaturan massa aliran refrigerant cair dilakukan

dengan refrigerant flow meter. Kemudian cairan refrigerant berekspansi pada katup ekspansi

tekanan konstan sehingga tekanannya turun (p1) dan mulai mendidih pada temperature uap

basah T1 (titik 1).

Pada koil yang terendam dalam aliran air pada tangki evaporator, refrigerant

mengalami proses penguapan penguapan dengan kadar penguapan diserap aliran air tersebut.

Proses penguapan terus berlangsung, sehingga uap refrifgeran keluar pada temperature panas

lanjut T2 dan tekanan p1. Uap refrigerant panas lanjut kembali mengalir ke kompresor

melalui pipa tembaga yang diisolasi karet. Demikianlah siklus tersebut berlangsung terus –

menerus.

1. Siklus air

Air yang menjalani siklus terbuka dialirkan terus menerus oleh pompa dengan suhu

Ts ke dalam tangki evaporator dan condenser. Besar laju massa Aliran tangki ke dalam kedua

tangki tersebut dapat diatur sesuai dengan kebutuhan percobaan melalui penunjukkan pada

skala dari water flow meter, pengamatan lain dilakukan terhadap temperature air masuk dan

temperature air pada kedua tangki. Setelah melalui kedua tangki tersebut, air dibuang melalui

pipa pembuangan masing-masing tangki.

Pada tangki kondenser aliran air berfungsi untuk menerima sebagian kalor dari uap

refrigerant sehingga didapat temperatur yang lebih tinggi (Th). Demikian pula sebaliknya

pada tangki evaporator, aliran air berfungsi untuk melepaskan kalornya untuk menguapkan

refrigeran sehingga didapat suhu air yang lebih rendah (Tc).

V. Prosedur Percobaan

Cara menjalankan Unit Percobaan Pompa Kalor

1. Unit percobaan diletakkan pada permukaan yang keras dan datar serta lebih tinggi dari

sumber air yang digunakan. Tempat pembuangan air proses harus lebih rendah dari letak

unit percobaan supaya pembuangan air (drainase) dapat berjalan dengan baik.

2. Persiapkan dan pasanglah selang karet atau plastik (dia. = 15 mm) pada tempat

pembuangan air tangki evaporator dan kondenser. Kencangkanlah selang ini dengan

menggunakan kawat atau klem untuk mencegah kebocoran.

3. Isilah tangki suplai air yang tersedia hingga penuh.

4. Pasangkanlah kabel listrik kompresor dan pompa air pada stop kontak yang tersedia.

Janganlah dihidupkan unit pada saat ini.

5. Hidupkan pompa sirkulasi air.

6. Bukalah kran air yang terdapat pada water flow meter dan aturlah laju aliran air masuk

evaporator dan kondenser sesuai dengan yang telah ditentukan asisten dengan jalan

memutar-mutar knob kran.

7. Pasanglah thermometer yang tersedia pada dudukannya dan periksa serta sesuaikan skala

thermometer dengan temperature yang akan diukur.

8. Hidupkanlah motor penggerak kompresor.

9. Bukalah katub pada refrigerant flow meter hingga penuh.

10. Biarkanlah unit ini bekerja selama kurang lebih 30 menit agar keadaan yang stabil dapat

tercapai.

11. bila terjadi pembentukan es pada bagian luar pipa tembaga diatas tangki evaporator, maka

keadaan ini adalah normal, hanya dijaga agar jangan terlalu berlebihan.

12. Setelah melakukan pengamatan (pengambilan data), maka terlebih dahulu ditunggu

sekitar 2-3 menit untuk pengambilan data berikutnya sehingga keadaan stabil terwujud dan

hasil pengamatan cukup teliti.

Cara Pengambilan Data Percobaan

Pelaksanaan percobaan harus dilakukan setelah keadaan pengukuran dari instalasi

stabil. Pengamatan dilakukan untuk dua macam laju aliran massa air yang masuk ke

evaporator dan kondenser.

Data yang diambil ialah:

mc (kg/h), yaitu laju massa aliran yang masuk ke evaporator (telah ditentukan oleh

asisten).

mH (kg/h), yaitu laju massa aliran air yang masuk ke kondenser (telah ditentukan oleh

asisten).

Ts (oC), yaitu temperatur air pada tangki evaporator.

Tc (oC), yaitu temperatur air pada tangki evaporator.

TH (oC), yaitu temperatur air pada tangki kondenser.

P1 (kPa), yaitu tekanan uap refrigerant sebelum masuk kompresor (suction pressure).

T1 (oC), yaitu temperatur cairan refrigerant setelah melewati katup ekspansi (sebelum

memasuki evaporator).

T2 (oC), yaitu temperatur uap refrigerant setelah melewati evaporator (sebelum

memasuki kompresor).

P2 (kPa), yaitu tekanan uap refrigerant setelah ditekan oleh kompresor (tekanan

kompresor).

T3 (oC), yaitu temperatur uap refrigerant uap refrigerant setelah ditekan oleh

kompresor.

T4 (oC), yaitu temperatur cairan refrigerant setelah melalui kondenser.

S (s/rev), yaitu waktu sekali putar dari [piringan watt-hour meter.

Setiap pengambilan data dimulai dengan menunggu satu kali putarannya piringan meteran

listrik. Sejak awal menunggu, stopwatch dihidupkan, untuk kemudian dihentikan tepat pada

waktu piringan berputar satu kali. Setelah itu, dicatat semua parameter data pada kertas

pengambilan data.

Cara Mematikan Unit Pompa Kalor

Ttutuplah katup refrigerant pada refrigerant flow meter. Hal ini bertujuan agar tidak

terdapat uap refrigerant di dalam silinder kompresor setelah kompresor shut down.

Apabila masih ada uap refrigerant, maka uap ini lambat laun akan mengembun karena

suhunya sama dengan suhu ruangan. Embun refrigerant ini bersifat merusak ring

piston kompresor yang salah satu material komponennya adalah karet.

Kemudian matikan mesin kompresor.

Tutup keran suplai air.

Matikan pompa air,

Ambillah semua thermometer yang terpasang,

Bersihkan unit percobaan.

VI. SPESIFIKASI UNIT PERCOBAAN DAN ALAT UKUR

Alat – alat yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Instalasi Heat Pump

Berat : 50 kg

Ukuran : 84 cm x 46 cm x 51 cm

Operasi : 220 V / Single Phase I 50 Hz

1. Refrigerant Circuit

- Refrigerant : R – 12

- Jalur refrigerant (refrigerant lines) :

Diameter pipa yang diisolasi = 3/6 inchi

- Jalur hisap (suction lines) :

Panjang pipa lurus = 0,6 m

90o standar flow = 3 buah

- Jalur tekan (discharge lines):



- Jalur refrigerant cair dari Kondenser ke katup ekspansi :



Silica gel dryer = 1 buah

Refrigerant flow meter = 1 buah

- Jalur refrigerant cair dari katup ekspansi ke evaporator :



- Kompressor single cylinder reciprocating, jenis hermetik :

Daya maksimum = 0,5 HP

Diameter piston = 3,54 mm

Panjang langkah = 15,8 mm

- Kipas pendingin kompresor. Axial flow 4 blades :

Daya motor listrik = 7 Watt / 1300 rpm

Diameter sudu = 0,2 m

- Instrument watt hour meter : digunakan untuk mengamati energy yang

sebenarnya digunakan untuk menggerakkan compressor.

Standar pengukuran : 166,66 putaran sebanding dengan 1 kWh.

- Kondenser : tipe shell dan helitical dengan swirl flow

Di dalam pipa = R – 12

Di luar pipa = Air

Kapasitas = 5701,950 kJ/h

- Evaporator : tipe shell dan helitical coil dengan swirl flow

Di dalam pipa = R – 12

Di luar pipa = Air

Kapasitas = 4701,257 kJ/h

2. Water circuit

- Pompa sirkulasi air : tipe sentrifugal1

Daya poros = 0,11 HP/2000rpm

Kapasitas kerja = 2,822 l/s

Tinggi tekan = 2 m

- Water flow meter : skala 0 s/d 200 kg/h

2. ALAT UKUR

- Stop watch : untuk mengukur waktu putar piringan watt-hour meter

- Pressure gage (alat ukur tekanan) : untuk mengukur tekanan uap refrigerant panas

lanjut. Perhatikan batas – batas maksimum pengukuran (garis merah pada skala

penunjukan).

- Thermometer : untuk mengukur temperature air maupun refrigerant pada setiap kondisi

tertentu dalam skala derajat Celcius.

PERHITUNGAN DAN TUGAS

I. PERHITUNGAN PERCOBAAN 1

Tabel data percobaan 1

keterangan Satuan Data 1 Data 2 Rata - rataTs K 300.15 300.15 300.15Tc K 292.15 291.65 291.9Th K 318.15 319.15 318.65T1 K 264.15 264.15 264.15T2 K 293.15 293.65 293.4T3 K 280.65 352.15 316.4T4 K 302.15 302.15 302.15P1 kPa 125 125 125P2 kPa 1350 1350 1350Mc kg/h 40 40 40Mh kg/h 40 40 40

S s/rev 42.1 41.8 41.95

A. Neraca Energi

Qc = mc * Cpair * (Ts – Tc)

= 40*4190*(300.15-292.15) = 1319100 J/h

QH = mH * Cpair * (Ts – Th)

= 60*4190*(300.15-318.65) = -3100600 J/h

W = 36002 * η / (166.66 * s)

= 36002 * η / (166.66 * 41.95) = 834.16 J/h

Diketahui :

η = 45 % Cpair = 4.19 kJ/kg.K Ts, Tc, TH dalam Kelvin

Qc + QH + W = 0

1319100 + (-3100600) + 835.16 = 0

-1717065.831 ≠ 0

B. COP Heat Pump dan COP Refrigerasi Teoritis

1. Perhitungan dengan diagram p – h

Hasil Plot Grafik Perc 1 Satuanh1 227100 J/kgh2 367800 J/kgh3 390000 J/kgh4 227100 J/kg

HE = h3 – h4 = 390000 – 227100 = 162900

RE = h2 – h1 = 367800 – 227100 = 140700

Kerja Kompressor Teoritis

W = h3 – h2 = 390000 – 367800 = 22200

COPHP Teoritis = HE / W = 162900 / 22200 = 7.34

COPR Teoritis = RE / W = 140700 / 22200 = 6.25

2. Perhitungan dengan diagram T – s

Hasil Plot Grafik Perc 1 Satuanhe 369000 J/kghc 344200 J/kghf 253600 J/kgs1 1110 J/kg.Ks2 1632.5 J/kg.Ks3 1585 J/kg.Ks4 1092 J/kg.Ksc 1535 J/kg.Kse 1555 J/kg.Ksf 1170 J/kg.KTf 327.35 KTc 264.15 K

Efek pendinginan (RE) = T1 (Sc – S1) + (h2 – hc)

RE = 264.15*(1555 – 1110) + (366600 – 344200) = 139946.75

Efek Pemanasan (HE)= (hf – h4) + Tf (Se – Sf) + (h3 – he)

HE = (253600 – 228500) + 327.35*(1555 – 1170) + (389400 – 369300) = 164982.75


W = h3 – h2 = 389400 – 366600 = 22800

COPHP Teoritis = HE / W = 164982.75 / 22800 = 7.22

COPR Teoritis= RE / W = 139946.75 / 22800 = 6.73

C. Siklus Carnot Ideal

RE Ideal = T1 (Sc – Sf) = 264.15*(1555 – 1170) = 101697.75

W Ideal = (Tf – T1) x (Sc – Sf) = 24332

COP Carnot Ideal = RE Ideal / W Ideal = 4.179588608

Efisiensi Refrigasi Teoritis

= (COPCarnot Teoritis / COPCarnot Ideal) * 100% = 146.86%

D. Efisiensi Refrigasi Siklus

Daya masukkan kompressor praktek

P = (1000*3600) / (166.66*S) = 514.92 watt

Grafik Karakteristik Perc 1 SatuanP 514.9192857 WattN 48 rev / sT 1.18 N.m

Daya aktual kompressor (P) = 2 п N T = 2*3.14*48*1.18

= 355.6992 watt

Volum hisap (Vs) = 0.25*3.14*D2*L*N

= 0.25*3.14*0.03542*0.0158 *48

= 0.000746061 m3/s

Dimana D = 35.4 mm dan L = 15.8 mm

Volume spesifik uap refrigeran di titik 2 (v2) = 0.187 m3/s (diplot)

Efisiensi volumetrik (η vol) = 1 – ε [(p2/p1)1/γ – 1]

= 0.4327

dimana; ε = 0.136 dan γ 1.31

Laju massa refrigeran (mR) = (Vs * η vol) / v2

= 0.00173 kg/s

RE total = mR (h2 – h1) = 0.02829*(367400 – 227100)

= 240.829

COP siklus praktek = RE total / P masukkan kompressor praktek

= 0.677

η refrigerasi siklus = [COP siklus praktek / COP Carnot Ideal] * 100%

= (1.3079/ 4.179)*100%

= 0.162%

I. PERHITUNGAN PERCOBAAN 2

Tabel data percobaan 2

keterangan Satuan Data 1 Data 2 Rata - rataTs K 300.15 300.15 300.15Tc K 291.15 290.15 290.65Th K 316.15 315.15 315.65T1 K 264.65 264.65 264.65T2 K 292.15 291.15 291.65T3 K 351.15 352.15 351.65T4 K 302.15 302.15 302.15P1 kPa 125 125 125P2 kPa 1350 1350 1350Mc kg/h 40 40 40Mh kg/h 60 60 60

S s/rev 41 41.25 41.125

E. Neraca Energi

Qc = mc * Cpair * (Ts – Tc)

= 40*4190*(300.15-290.65) = 1592200 J/h

QH = mH * Cpair * (Ts – Th)

= 60*4190*(300.15-315.65) = -3896700 J/h

W = 36002 * η / (166.66 * s)

= 36002 * η / (166.66 * 41.125) = 850.9 J/h

Diketahui :

η = 45 % Cpair = 4.19 kJ/kg.K Ts, Tc, TH dalam Kelvin

Qc + QH + W = 0

1592200 + (-3896700) + 850.9 = 0

- -2303649.097 ≠ 0

F. COP Heat Pump dan COP Refrigerasi Teoritis

2. Perhitungan dengan diagram p – h

Grafik Karakteristik Perc 1 SatuanP 525.2489735 WattN 47.95 rev / sT 1.21 Nm

HE = h3 – h4 = 392100 – 227100 = 165000

RE = h2 – h1 = 365700 – 227100 = 138600


W = h3 – h2 = 392100 – 365700 = 26400

COPHP Teoritis = HE / W = 165000 / 26400 = 6.25

COPR Teoritis = RE / W = 140700 / 22200 = 5.25

2. Perhitungan dengan diagram T – s

Hasil Plot Grafik Perc 2 Satuanhe 369000 J/kghc 344200 J/kghf 253600 J/kgs1 1110 J/kg.Ks2 1630 J/kg.Ks3 1585.5 J/kg.Ks4 1095 J/kg.Ksc 1555 J/kg.Kse 1535 J/kg.Ksf 1170 J/kg.KTf 327.35 KTc 264.15 K

Efek pendinginan (RE) = T1 (Sc – S1) + (h2 – hc)

RE = 264.15*(1555 – 1110) + (365700 – 344200) = 139269.25

Efek Pemanasan (HE)= (hf – h4) + Tf (Se – Sf) + (h3 – he)

HE = (253600 – 228500) + 327.35*(1535 – 1170) + (390300 – 369300) = 165882.75


W = h3 – h2 = 390300 – 365700 = 24600

COPHP Teoritis = HE / W = 164982.75 / 24600 = 6.74

COPR Teoritis= RE / W = 140169.25 / 24600 = 5.66

G. Siklus Carnot Ideal

RE Ideal = T1 (Sc – Sf) = 264.15*(1555 – 1170) = 101890.25

W Ideal = (Tf – T1) x (Sc – Sf) = 24139.5

COP Carnot Ideal = RE Ideal / W Ideal = 4.221

Efisiensi Refrigasi Teoritis

= (COPCarnot Teoritis / COPCarnot Ideal) * 100% = 134.13%

H. Efisiensi Refrigasi Siklus

Daya masukkan kompressor praktek

P = (1000*3600) / (166.66*S) = 525.25 watt

Grafik Karakteristik Perc 1 SatuanP 525.2489 WattN 47.95 rev / sT 1.21 N.m

Daya aktual kompressor (P) = 2 п N T = 2*3.14*48*1.21

= 364.36 watt

Volum hisap (Vs) = 0.25*3.14*D2*L*N

= 0.25*3.14*0.03542*0.0158 *47.89

= 0.000745 m3/s

Dimana D = 35.4 mm dan L = 15.8 mm

Volume spesifik uap refrigeran di titik 2 (v2) = 0.181 m3/s (diplot)

Efisiensi volumetrik (η vol) = 1 – ε [(p2/p1)1/γ – 1]

= 0.433

dimana; ε = 0.136 dan γ 1.31

Laju massa refrigeran (mR) = (Vs * η vol) / v2

= 0.00178 kg/s

RE total = mR (h2 – h1) = 0.02829*(365700 – 227100)

= 246.95

COP siklus praktek = RE total / P masukkan kompressor praktek

= 0.678

η refrigerasi siklus = [COP siklus praktek / COP Carnot Ideal] * 100%

= (1.3079/ 4.179)*100%

= 0.161 %

Tabel Perbandingan Hasil Perhitungan 1 dan 2

hasil plot percobaan 1 percobaan 2h1 227100 227100h2 367800 365700

h3 390000 392100h4 227100 227100he 369000 369000hc 344200 344200hf 253600 253600h2 366600 365700h3 389400 390300h4 228500 228500s1 1110 1110s2 1632.5 1630s3 1585 1585.5s4 1092 1095se 1535 1535sc 1555 1555sf 1170 1170Tf 327.35 327.35Tc 264.15 264.15

Neraca Energi

Nilai yang dihitung percobaan 1 percobaan 2Qc 1382700 1592200Qh -3100600 -3896700W 834.1692428 850.903337perbandingan ( = 0 ) -1717065.831 -2303649.097

COP Heat Pump dan COP Refrigerasi Teoritis

nilai yang dihitung percobaan 1 percobaan 2RE 139946.75 139269.25HE 164982.75 165882.75W kompressor teoritis 22200 26400COP hp teoritis 7.431655405 6.2834375COP r teoritis 6.303907658 5.275350379kerja kompressor teoritis 22800 24600

Siklus Carnot Ideal

nilai yang dihitung percobaan 1 percobaan 2RE ideal 101697.75 101890.25W ideal 24332 24139.5COP carnot ideal 4.179588608 4.220893142effi refr teoritis 1.508260322 1.24981851

Efisiensi Refrigasi Siklus

Dari grafik karakteristik percobaan 1 percobaan 2P 514.9192857 525.2489735N speed *) 48 47.95T *) 1.18 1.21

Lainnya

Nilai yang dihitung percobaan 1 percobaan 2daya masukkan kompressor praktek 514.9192857 525.2489735daya aktual kompressor 355.6992 364.36246Volume hisap 0.000746061 0.000745284Volume spesifik 0.187 0.181efficiency volumetrik 0.432715595 0.432715595laju masa refrigerant 0.001726376 0.001781746RE total 242.9011345 246.9500292COP siklus praktek 0.682883556 0.677759254eff refrigerasi praktek 0.163385352 0.160572474

Documents

Laporan Akhir Heat Pump