Minggu, 04 Oktober 2015
PERFORMA UNIT WATER CHILLER UNTUK APLIKASI
HEAT RECOVERY
ABSTRAK
Air
sebagai refrigeran sekunder pada sistem water chiller digunakan untuk
mengkondisikan ruangan. Temperatur di dalam ruangan hotel mencapai
76,10F dari kondisi temperatur awal 71,60F.
Akibatnya
temperatur di dalam ruangan naik hingga 4,50F. Tujuan penelitian
iniuntuk mengetahui penyebab terjadinya kenaikan temperatur ruangan
dengan menganalisa kapasitas pendinginan aktual unit water chiller,
terhadap total beban pendinginan ruangan yang harus ditanggulangi.
Metode
penelitian yang digunakan yaitu pengamatan dan pengukuran langsung
terhadap kondisi unit water chilleruntuk aplikasi heat recovery. Hasil
penelitian diperoleh kapasitas pendinginan aktual unitwater chiller
sebesar 90,15 TR.
Total
beban pendinginan ruangan yang harus ditanggulangi 95,1 TR. Kapasitas
pendinginan awal unit water chiller 103,2 TR. Hasil penelitian
menunjukan bahwa unjuk kerja kapasitas pendinginan unitwater chiller
mengalami penurunan hingga 13,05 TR. Akibatnya temperatur naik di dalam
ruangan hotel karena 4,95 TR beban pendinginan ruangan tidak teratasi.
Kata kunci:beban pendinginan, unjuk kerja,water chiller, heat recovery.
ABSTRACT
Water as a secondary refrigerant in the water chiller systems used to
condition the room. The temperature inside the hotel room reaches 76,10F
of the initial conditions of temperature 71,60F. As a result, the
temperature in the room rose to 4,5 0F. The purpose of this research was
to determine the cause of the increasetemperature in the room by
analyzing the actual cooling capacity water chiller units, the total
room cooling load that must be addressed. The method used is direct
observation and measurement of the condition water chiller units for
specific heat recovery applications. The result showed the actual
cooling capacity of water chiller units 90,15 TR. Total room cooling
load that must be addressed 95,1 TR. Initial cooling capacity water
chiller units 103,2 TR. The results showed that the performance of the
cooling capacity water chiller units has decreased by 13,05 TR. As a
result, the temperature rises in the hotel room because the room cooling
load of 4,95 TR is not resolved.
Keywords: cooling load,performance,water chiller, heat recovery.
PENDAHULUAN
Air Conditioner (AC) merupakan aplikasi dari sistem refrigerasi. Prinsip
dasar sistem ACadalah menyerap panas yang tidak dibutuhkan dari suatu
ruangan untuk dilepaskan ke ruangan lain dengan menggunakan media
refrigeran. Penelitian tentang penggunaan air sebagai refrigeran telah
dilakukan oleh beberapa peneliti. Kruse (2000) melakukan penelitian
tentang penggunaan refrigeran di Eropa. Berdasarkan hasil penelitiannya
menyatakan bahwa penggunaan sistem refrigerasi tidak langsung (siklus
sekunder) memerlukan refrigeran lebih sedikit pada siklus primernya
dibandingkan dengan sistem refrigerasi langsung (direct expantion).
Water chiller(Daikinaircon, 2013) adalah salah satu jenisAC untuk
mendinginkan air sebagai secondary refrigerant yang mengaplikasikan
sistem refrigerasi tidak langsung. Air akan disirkulasikan untuk
mengambil panasdari suatu ruangan. Panas akan dibawa air untuk diserap
oleh evaporator sebagai beban pendinginan yang harus ditanggulangi.
Penyerapan panas pada evaporator terjadi dengan cara refrigeran yang
memiliki temperatur dan tekanan rendah menyerap panas dari air sampai
tercapai titik temperatur penguapan refrigeran. Refrigeran yang telah
menyerap panas akan dikompresikan dan dibuang panasnya pada kondenser.
Air yang telah didinginkan akan disirkulasikan kembali untuk menyerap
panas dari ruangan yang dikondisikan temperaturnya.
Penggunaan unit water chiller pada suatu gedung perhotelan di kota
Jakarta dilengkapi dengan peralatan pemanfaatan panas kondenser untuk
pemanas air (heat recovery). Air panas pada hotel digunakan untuk
keperluan mandi, pencucian alat dan keperluan lainnya. Tingkat
kenyamanan temperatur udara di dalam ruangan merupakan salah satu faktor
pertimbangan bagi pengunjung hotel. Penulis memperoleh temperatur
ruangan di dalam hotel 76,10F dari kondisi temperatur awal 71,60F.
Akibatnya temperatur di dalam ruangan naik 4,50F. Kenyamanan di dalam
ruangan hotel akan terganggu jika kondisi yang ada tidak segera
diatasi. Penyebab kenaikan temperatur ruangan dikarenakan beberapa
faktor.
Terdapat dua unit water chiller yang terpasang pada hotel. Setiap unit
memiliki dua package sistem pendinginan yang akan bekerja sesuai
pengoperasian dan kapasitas pendinginan yang dibutuhkan. Unit sistem
pendingin ini memiliki fungsi ganda pada hotel. Fungsi utama unit sistem
pendingin adalah untuk mengkondisikan udara ruangan agar dapat tercapai
kondisi yang ideal bagi setiap orang yang berkunjung. Fungsi kedua
adalah sebagai pemanas air dengan memanfaatkan panas yang dibuang oleh
sistem refrigerasi (recovery unit).
Unit water chillerrecovery digunakan tambahan peralatan
penukar kalor heat exchanger tipe Plate(HEI, 2009) atau biasa dinamakan
Plate Heat Exchanger (PHE) yang dipasang pada sisi tekan(discharge)
sistem refrigerasi yakni setelah kompresor. Refrigeran yang memiliki
temperatur tinggi akan melepaskan kalor dan diserap oleh air yang
dialirkan pada PHE.Air panas digunakan untuk kebutuhan hotel seperti
mandi, cuci tangan, pencucian peralatan dan yang lainnya. Dengan
demikian kita dapat menghemat energi listrik atau sumber energi yang
digunakan oleh peralatan penghasil panas konvensional.
PHE adalah salah satu jenis peralatan penukar panas yang menggunakan
pelat logam untuk mentransfer panas antara dua liquid. Pelat logam yang
disusun secara berimpit memungkinkan perpindahan panas lebih efisien
melalui penampang pelat yang luas dan lebar. Bahan yang biasa digunakan
adalah menggunakan stainless steel karena tahan akan korosi, tahan akan
benturan dan memiliki daya hantar panas yang tinggi.
Insulasi pada permukaan luar PHE dengan thermalflexdilakukan agar
efektifitas perpindahan panas tidak terpengaruh oleh kondisi udara
sekitar.Adapun jarak anatara pelat biasanya 0,004 - 0,005 ft dengan
demikian pendekatan temperatur didalam PHE mencapai hingga33,8 0F
berdasarkan katalog unit heat exchanger. Prinsip perpindahan panas yang
terjadi pada PHE adalah secara konduksi antara pelat yang disusun
secara pararel dan berselingan terhubung dengan masing-masing siklus
dari aliran liquid tersebut.
Komponen utama unit water chiller pada umumnya sama seperti komponen
yang ada pada sistem refrigerasi lainnya. Adapun yang membedakan adalah
kapasitas dari pendinginan yang dihasilkan. Kapasitas pendinginan
disesuaikan dengan beban pendinginan yang harus ditanggulangi oleh unit
pendingin. Komponen utama unit water chiller diantaranya adalah
kompresor, kondenser, alat ekspansi dan evaporator.
Gambar 1.Siklus refrigerasi water chiller recover unit
Kompresor pada sistem refrigerasi memiliki fungsi menghisap refrigeran
gas dari evaporator dengan temperatur dan tekanan rendah. Memampatkan
gas tersebut sehingga menjadi gas bertekanan dan bertemperatur tinggi.
Mengalirkan refrigeran ke kondenseruntuk dapat membuang panas kepada
media pendingin kondenser. Menurunkan tekanan di dalam evaporator
sehingga refrigeran cair di dalam evaporator dapat menguap pada
temperatur yang lebih rendah dan menyerap panas lebih banyak dari
ruangan.Kompresor yang digunakan pada unit water chiller ini adalah
jenis kompresor semi hermetik yaitu motor penggeraknya berada satu rumah
dengan housing kompresornya. Kontruksi pengkompresi yang digunakan
adalah tipe screw yang mengaplikasikan twin screw.
Kondenser merupakan alat pengkondensasi refrigeran. Panas refrigeran
dibuang ke lingkungan sampai titik jenuh gas refrigeran tercapai
sehingga wujudnya berubah menjadi cair. Kondenser yang digunakan adalah
tipe pendingin udara (air cooled) dengan penampang berbentuk huruf “M”
terbalik. Tujuannya adalah agar setiap udara yang melewati fin pada sisi
samping luar dan sisi bawah penampang kondenser ditarik oleh fan dari
sisi atas unit. Perpindahan panas dapat berlangsung maksimal antara
refrigeran pada kondenser dengan udara lingkungan.
Alat ekspansi (metering device) pada sistem refrigerasi merupakan suatu
tahanan yang tempatnya di antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan
rendah.Refrigeran cair yang mengalir melalui alat ekspansi, tekanannya
diturunkan dan jumlahnya diatur sesuai dengan keperluan evaporator.
Expansion valve yang digunakan pada unit water chiller adalah tipe
Thermostatic Expansion Valve (TEV atau TXV). Pada dasarnya prinsip kerja
dari TXV sama seperti expansion valve lainnya. TXV adalah suatu alat
yang secara otomatis mengukur jumlah aliran refrigeran cair yang masuk
ke evaporator sehingga membuat tekanan dan temperatur menjadi rendah.
Evaporator berfungsi untuk menyerap panas dari beban pendinginan
disekitarnya.Terletak diantara alat ekspansi dan kompresor yakni pada
sisi tekanan rendah dari sistem refrigerasi. Evaporator yang digunakan
adalah tipe shell and tube dengan jenis evaporator banjir(flooded
evaporator). Pada evaporator perpindahan panas terjadi ketika air yang
mengalir melalui pipa-pipa (tube) didalam tabung (sheel) diserap
panasnya oleh cairan refrigeran dan menguap menuju kompresor. Air yang
telahdidinginkan akan disirkulasikan oleh pompa untuk menyerap panas
pada ruangan yang akan dikondisikan. Perpindahan panas antara air dingin
dengan udara yang ada di dalam ruangan digunakan sistem Air Handling
Unit (AHU). AHU adalah sebuah unit yang berfungsi sebagai pengatur udara
yang akan dimasukan ke dalam ruangan melalui saluran udara (duct).
Dimensi saluran udara yang digunakan sesuai dengan kapasitas pendinginan
yang dibutuhkan dari setiap ruangan.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan metode observasi yaitu pengumpulan data
melalui pengamatan dan pengukuran langsung terhadap objek yang
diteliti.Wawancara yaitu melakukan tanya jawab kepada pihak-pihak
terkait. Kepala teknisi gedung (chief engineer) sebagai penanggung jawab
terhadap setiap penanganan perlengkapan gedung dan teknisi lapangan
yang mengetahui kondisi unit water chillerlebih spesifik.
Supervisorkontraktoruntuk memperoleh history information datamengenai
objek yang diteliti dan didukung dengan studi literatur yaitu
pengumpulan data dan teori dari buku, artikel dan media internet serta
referensi relevan lainnya.
Pengujian dalam penelitian ini adalah dengan melakukan pengumpulan dan
pencatatan data awal tentang unit water chiller.Data diperoleh melalui
catatan riwayat troubleshooting dari perusahaan kontraktor yang
menangani pemeliharaan dan perbaikan unit water chiller. Mengajukan
pertanyaan kepada teknisi gedung yang mengetahui kondisi aktual unit
water chiller.Melakukan kalibrasi alat ukur yang akan digunakan yaitu
thermometer,pressure gauge,multitester, anemometer, dan peralatan lain
yang dibutuhkan.
Mencatat waktu awal,temperatur dan kelembapan lingkungan pada saat
pengujian mulai dilakukan.Mengoperasikan pompa utama untuk mengalirkan
air sebagai sistem refrigerant skunder pada evaporator.Mengoperasikan
pompa tambahan untuk mengalirkan air sebagai penghasil air panas pada
PHE. Menghidupkan sistem pendinginan unit water chiller untuk memulai
pengujian hingga kapasitas pendinginan maksimal dapat tercapai.Mengukur
kuat arus yang digunakan unit water chiller. Mencatat tekanan dan
temperatur dari air masuk (inlet)dan air keluar (outlet) pada evaporator
(cooler) untuk siklus pendinginan dan pada PHE untuk siklus pemanasan
air. Mencatat kuantitas dan temperatur air panas yang diperoleh.
Mengukur kelembapan dan temperatur ruangan di dalam hotel. Menganalisa
beban pendinginan yang ada pada ruangan dari setiap sumber
panas.Menganalisa kapasitas pendinginan dengan diagram mollier yang
menggunakan refrigeran R-407c.
HASIL PENELITIAN
Total Beban Pendinginan
Total beban pendinginan (tabel 1) merupakan penjumlahan panas yang
berasal dari dalam ruangan dan dari luar ruangan untuk ditanggulangi
mesin pendingin. Perhitungan total beban pendinginan berdasarkan kondisi
lingkungan udara sekitar di luar ruangan dengan kondisi udara ideal
yang ada di dalam ruangan hotel (Carrier, 1965). Panas yang dikondisikan
berupa panas sensibel dan panas laten dari setiap sumber beban
pendinginan.
Tabel 1.Total beban pendinginan
COOLING LOAD ESTIMATION
Objek location Hotel Oria – Jl. Wahid Hasyim No.85 Jakarta
Calculated by Deni Indrayani
A. Design condition 0F % RH
Outdoor condition 86 74
Indoor condition 71,6 50
B. Transmission gain Sensible (Btu/hr) Latent (Btu/hr)
1. Heat gain from outside
Wall north 83.048,54 -
Wall east 223.441,57 -
Wall south 83.048,54 -
Wall west 223.441,57 -
Roof / ceilling 17.847,00 -
Floor 27.340,55 -
2. Heat gain from infiltration 6.296,4 23.029,60
3. Heat gain from inside
Equipment 225.430,84 -
Occupants 47.250,00 48.750,00
Light 28.220,00 -
.
Heat gain 965.365,01 71.779,60
Total heat gain 1.037.144,61Btu/hr
Safety factor 10% 103.714,46Btu/hr
Grand Total Cooling Load 1.140.859,07 Btu/hr = 95,1 TR
Kapasitas Pendinginan Awal Unit Water Chiller
Water chiller memiliki beberapa tipekapasitas pendinginan yang dapat
dihasilkan. Model unit water chiller(Hitachi, 2010) yang digunakan pada
hoteldapat diketahui pada name plate yang ada pada box electrical unit
pendingin. Kapasitas pendinginan awal unit water chiller(tabel 2) dapat
diketahui pada katalog unit sesuai dengan model yang tertera pada name
plate.
Tabel 2. Kapasitas pendinginan awal unit water chiller
Unit Kapasitas
Water chiller RCU 150 AHYZ-HR 103,2 TR
Compressor Power input 172,32hp
Power 2 x 80 hp
Water pump Chilling water 2175,4 ft3/hr
Hot water 88,29 ft3/hr
Heat recovery Heating capacity 97,36 hp
Temperature 1400F
Sumber:Brocure Hitachi Appliance Inc.
Kapasitas Pendinginan Aktual Unit Water Chiller
Kapasitas pendinginan aktual (Tabel 3) unit water chiller mempengaruhi
kapasitas pemanasan air panas yang dihasilkan. Secara tidak langsung
panas yang dibuang oleh sistem refrigerasi dapat menunjukan performa
unit water chiller. Semakin besar panas yang dibuang akan menghasilkan
kapasitas air panas yang besar. Data yang diperoleh dari hasil
penelitian menunjukan keadaan performa unit water chiller.
Tabel 3. Kapasitas pendinginan aktual unit water chiller
Unit Kapasitas
Water chiller RCU 150 AHYZ-HR 90,15 TR
Compressor Power input 147,35hp
Theoritical Power 2 x 74,74 hp
Water pump Chilling water 1925,36 ft3/hr
Hot water 270,4 ft3/hr
Heat recovery Heating capacity 83,5 hp
Temperature Max. 125,6 0F
PEMBAHASAN
Kapasitas Pendinginan Unit Water Chiller
Pembahasan penelitian dilakukan berdasarkan hasil pengukuran dan
perhitungan yang penulis lakukan terhadap beban pendinginan ruangan dan
kapasitas pendinginan unit water chiller.Total beban pendinginan ruangan
untuk temperatur 71,60Fadalah sebesar 95,1 TR. Kapasitas pendinginan
unit water chiller berdasarkan katalog data (Bayutama, 2012) adalah
sebesar 103,2 TR.
Penulis menganalisa kapasitas pendinginan aktual berdasarkan prinsip
kerja dari water chiller sebagai pendingin air. Air yang mengalir menuju
saluran masuk (inlet) evaporator membawa beban panas dari ruangan yang
harus ditanggulangi. Perpindahan panas terjadi ketika air yang
disirkulasikan pada evaporator diserap panasnya oleh refrigeran.
Refrigeran yang menyerap panas secara tidak langsung akan mengalami
perubahan temperatur dan sebagian mengalami perubahan wujud menjadi uap
lanjut. Air yang telah dingin pada bagian akhir proses perpindahan panas
akan disalurkan menuju saluran keluar (outlet) evaporator. Perbedaan
temperatur air yang masuk dan temperatur air keluar pada evaporator
dari hasil pengukuran adalah:
Beda temperatur (ΔT) = Temperatur inlet – Temperatur outlet
= 53,6 0F – 44,6 0F
= 9 0F
Air sebagai refrigeran sekunder untuk menyerap panas ruangan
disirkulasikan dengan menggunakan pompa air. Kapasitas pompa air yang
digunakan sebesar 1925,36 ft3/hr. Adapun masa jenis air adalah 62,43
lb/ft3 dengan panas jenis air sebesar 1 Btu/lb.0F. Data yang telah
diperoleh menurut UNEP (2006) digunakan untuk menghitung kapasitas
pendinginan aktual dengan persamaan:
Qact = m x Cp x ΔT
= ( ρ x ѵ )x Cp x ΔT
= 62,43 () x 1925,36 () x 1 () x 9 (0F)
= 1.081.802,02 Btu/hr
=
= 90,15 TR
Keterangan :
Qact= Kapasitas pendinginan aktual (TR)
m = Laju aliran massa pendinginan (lb/hr)
ρ = Massa jenis air (lb/ft3)
ѵ = Laju aliran air (ft3/hr)
Cp= Panas jenis air(Btu/lb.0F)
ΔT = Beda temperatur (0F)
Hasil perhitungan yang diperolehmenunjukan bahwa kapasitas pendinginan
unit water chillermengalami penurunan bila dibandingkan dengan kebutuhan
beban pendinginan ruangan dan kapasitas pendinginan awal unit water
chiller.Total kekurangan beban pendinginan ruangan yang diperoleh:
Total Kekurangan = Beban Pendinginan – Kapasitas Pendinginan Aktual
= 95,1TR – 90,15TR
= 4,95 TR
Penurunan kapasitas pendinginan yang diperoleh:
Penurunan Kapasitas Pendinginan = Kapasitas awal– Kapasitas aktual
= 103,2 TR – 90,15 TR
= 13,05 TR
Terdapat beberapa faktor terjadinya penurunan kapasitas pendinginan unit
water chiller. Penggunaan air sebagai secondary refrigerant perlu
mendapat perhatian khusus. Air yang digunakan harus sesuai dengan
standar karakteristik dan pemakaiannya. Kandungan air yang aman
memiliki keasamaan sekitar 6,5-9,2 dengan warna air jernih dan tidak
berbau. Meski air yang disirkulasikan dalam siklus tertutup, namun
penggantian air dan pembersihan komponen perlu dilakukan setiap
priodenya.
Penurunan kapasitas pendinginan unit water chiller dapat disebabkan oleh
besarnya kecepatan aliran air (flow rate) yang disirkulasikan. Hal ini
tentu akan mempengaruhi kapasitas pendinginan dari unit water chiller.
Jika flow rate airnya terlalu rendah tentu beban pendinginan menurun di
bawah batas kapasitas pendinginan dan akan menyebabkan evaporator
mengalami penurunan tekanan (drop pressure).Jika flowrate terlalu tinggi
maka proses perpindahan panas air terhadap evaporator kurang maksimal.
Nilai flow rateyang direkomendasikan pada unit water chiller yaitu
memiliki densitysekitar 0,25-0,5 lb/ft3.
Kapasitas Pemanfaatan Air Panas (Heat Recovery Unit)
Kapasitas pemanasan untuk air panas dapat kita ketahui dari beberapa
parameter. Nilai-nilai pada faktor koreksi diperoleh pada tabel Hitachi
water chiller product. Kapasitas pemanasan dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan:
Heating Capacity (QHeat) = Qrejx df xcf1xcf2.
= 1.462.482,62 Btu/hr x 0,15 x 1,054 x 0,92
= 212.721 Btu/hr
Keterangan:
Qrej = Total panas yang dibuang merupakan penjumlahan kapasitas
pendinginan dengan daya kompresor aktual.
df =Kapasitas dari pemanasan air dirancang 15% dari panas yang
dikeluarkan oleh kondenser.
cf1 = Corection factor dari nilai outlet temperature of hot water
sebesar 125,6 0F sehingga diperoleh faktor koreksi sebesar 1,054.
cf2 = Corection factor dari nilai inlet temperature of outdoor sebesar
86 0F sehingga diperoleh faktor koreksi sebesar 0,92.
Laju aliran air panas (ѵ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
yang digunakan pada perhitungan kapasitas pendinginan dari unit water
chiller.
QHeat
= m x Cp x ΔT
212.721 () = m x 1 () x (125,60F-1130F)
212.721 () = m x 12,6 ()
m =
= 16.882,6 lb/hr
m = ρ x ѵ
16.882,6 () = 62,43 () x ѵ
ѵ = 270,4 ft3/hr
KESIMPULAN
Kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian mengenai performa unit
water chiller untuk aplikasi heat recoverybahwa Kapasitas pendingianan
unit water chiller mengalami penurunan sebesar 13,05 TR dari kapasitas
pendinginan awal 103,2 TR. Total beban pendinginan ruangan yang harus
ditanggulangi sebesar 95,1 TR sedangkan kapasitas pendinginan aktual
hanya 90,15 TR. Selisih beban pendinginan yang ada 4,95 TR tidak
teratasi oleh unit pendingin.Kenaikan temperatur ruangan dikarenakan
terdapat selisih beban ruangan yang tidak teratasi. Beban ruangan yang
tidak teratasi akibat laju aliran air yang dibutuhkan kurang 250 ft3/hr
dari 2175,4 ft3/hr.Kapasitas pemanasan air yang diperoleh sebesar 83,5
hp dengan temperatur air panas yang dihasilkan 1220F–125,60F. Kapasitas
pemanasan air tidak maksimal karena laju aliran air yang disirkulasikan
terlalu tinggi.Maintenance perlu dilakukan untuk mengatur dan
menyeimbangkan kembali laju aliran air. Kinerja unit water chiller dapat
maksimal jika proses perawatandilaksanakan rutin.
