Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-32

Analisis Beban Thermal Rancangan Mesin Es Puter DenganKompresor ½ PK Untuk Skala Industri Rumah Tangga

IDG Agus Tri Putra (1) dan Sudirman (2)

(2) Program Studi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Jurusan Teknik Mesin PoliteknikNegeri Bali

Tel.: +62 361701981, E-mail address: dev_ajuss@yahoo.com(2) Program Studi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali

Tel.: +62 361701981, E-mail address: sudirmansdr@yahoo.com

Abstrak

Industri makanan dan minuman dingin mempunyai peluang pasar yang cukup besar di negaraIndonesia yang memiliki iklim tropis. Es puter adalah salah satu produk minuman dinginyang sudah dikenal masyarakat secara umum. Es puter termasuk jenis produk yang tergolongjenis es dengan butiran halus (soft es cream). Walaupun sudah banyak beredar mesin escream namun pembuatan es cream ini, sampai saat ini masih dilakukan dengan carakonvensional. Perancangan mesin es puter dengan skala yang lebih kecil sangat dibutuhkanuntuk dapat meningkatkan kapasitas produksi es puter yang dikategorikan sebagai industrirumah tangga. Kapasitas rancangan mesin es puter ini dipengaruhi oleh beban pendinginandari mesin refrigerasi yang digunakan pada rancangan mesin tersebut. Dalam studi inidilakukan analisis beban pendinginan yang terjadi pada setiap volume produksi dari mesin esputer yang dirancang. Kecepatan produksi es puter juga dipengaruhi oleh beban pendinginanpada mesin refrigerasi rancangan tersebut. Pada analasis pengujian beban pendinginan mesines puter ini dapat diketahui bahwa volume es puter yang dapat dihasilkan mesin ini adalahsekitar 3-4 liter dalam setiap 90 menit pengujian.

Kata Kunci: Es puter, beban pendinginan, refrigerasi, dan industri kecil

I. Pendahuluan

Mesin refrigerasi yang digunakandalam rancangan mesin es puter inimenggunakan kompresor ½ PK.Performansi yang optimal dari mesinrefrigerasi ini dan besarnya bebanpendinginan yang sesuai dengan bebankerja dari kompresor akan mendapatkandesain yang optimal untuk pembuatanmesin es puter ini. Beban pendinginansuatu mesin refrigerasi di pengaruhi olehbeberapa faktor antara lain: jenis materialyang didinginkan, model dan desain dari

isolasi ruang pendinginan yang digunakandan kerugian-kerugian thermal lainnya.

Dalam perhitungan beban thermal akanmempengaruhi pemilihan jenis kompresoryang dapat digunakan secara optimaluntuk sebuah perancangan mesinrefrigerasi yang akan digunakan olehindustri. Semakin tinggi beban thermalakan mempengaruhi daya kompresor yangbisa digunakan pada mesin refrigerasitersebut. Dalam tingkatan perencanaanpemberian faktor koreksi yang berlebihanpada kerugian thermal ruang pendinginakan menyebabkan hasil perhitungan yang

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-32

tidak tepat dalam estimasi bebanpendinginan yang diberikan ke kompresor.

Pengujian dan analisis hasil rancangansebuah mesin pendingin akan sangatdiperlukan untuk dapat mengetahui unjukkerja optimal dari kompresor yangdigunakan mesin refrigerasi tersebut.Penggunaan jenis isolator yang digunakanpada ruang pendingin akan dipengaruhioleh desain ruang pendingin tersebut danhal ini juga akan mempengaruhi besarnyabeban pendinginan yang akan terjadi.

II. Sistem Refrigerasi Dalam Mesin EsPuter

Mesin es puter yang dirancangmenggunakan sebuah sistem refrigerasiyang menggunakan siklus kompresi uap.Perubahan pada metode konvensional yangdilakukan masyarakat selama ini adalahpenggunaan sebuah mesin refrigerasiuntuk melakukan proses pendinginan daritabung es puter yang memiliki volumemaksimal 5 liter.

2.1 Prinsip Kerja

Uap refrigerant R134a yang bertekanandan bertemperatur rendah (titik 1) diisapoleh kompresor kemudian dikompresikanmenjadi gas refrigeran yang bertemperaturdan bertekanan tinggi (titik 2). Gasrefrigeran yang keluar dari kompresor inikemudian masuk ke kondensor yangselanjutnya mengalami proses kondensasidi kondensor. Keluar dari kondensor,refrigeran tadi sudah berubah fasa menjadicairan tetapi tekanan dan temperaturnyamasih tetap tinggi (titik 3). Proseskondensasi refrigeran di kondensorberlangsung karena gas refrigeranmelepaskan kalor laten kondensasi kemedia pendingin kondensor [ HYPERLINK \l"Sto87" 1 ]. Jumlah kalor yang dilepaskanoleh refrigeran ke media pendingin samadengan jumlah kalor yang diserap olehrefrigeran di evaporator ditambah dengan

kalor yang setara dengan kerja kompresiyang dibutuhkan oleh kompresor.

Melalui alat ekspansi (pipa kapiler),cairan refrigeran yang keluar darikondensor tadi diekspansikan sehinggamenjadi campuran cair ditambah denganuap refrigeran yang bertekanan danbertemperatur rendah (titik 4). Cairan danuap refrigeran ini kemudian mengalir keevaporator untuk diuapkan dengan caramenyerap sejumlah kalor dari media yangada disekitar evaporator (udara). Uaprefrigerant yang keluar dari evaporator(titik 1) untuk selanjutnya diisap kembalioleh kompresor.

2.2 Performansi Mesin RefrigerasiKompresi Uap

Parameter-parameter prestasi mesinrefrigerasi kompresi uap, antara lain: kerjakompresi, laju pengeluaran kalor, efekrefrigerasi, dan koefisien performansi(coefficient of performance, COP) 1,2,3].Penentuan parameter-parameter tersebutdapat dibantu dengan penggunaan diagramtekanan-entalpi. Performansi sistemrefrigerasi yang akan dikaji meliputi dayayang dibutuhkan kompresor dan koefesienperformansi (COP) sistem.

Siklus kompresi uap

Kerja kompresi merupakan perubahanentalpi pada proses 1-2 (gambar 3) ataumerupakan kerja per unit massa refrigeran.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-32

21 hhwk .....................................[1]

Hubungan tersebut diturunkan daripersamaan energi dalam keadaan tunak(steady flow energy equation) yaitu : q +h1 = h2 + wk, pada proses kompresiadiabatik reversibel dengan perubahanenergi kinetik dan energi potensialdiabaikan. Perbedaan entalpinyamerupakan besaran negatif yangmenunjukkan bahwa kerja diberikankepada sistem.

Efek refrigerasi (ER) adalah kalor yangditerima oleh sistem dari lingkunganmelalui evaporator per satuan laju massarefrigeran. Efek refrigerasi merupakanparameter penting yang menentukankondisi pendinginan pada mesin es puteryang dirancang. Dari gambar 2.2 di atas,dapat dilihat bahwa efek refrigerasi iniberlangsung pada proses dari 4 ke 1.Makin besar efek refrigerasi suatu sistimrefrigerasi, maka kinerja sistim makin baikdan juga menentukan kapasitas daripendinginan yang dapat dilakukan [HYPERLINK \l "Sto87" 1 , HYPERLINK \l"ASH06" 4 , HYPERLINK \l "JFL64" 5 ].Besarnya efek refrigerasi tersebut adalah :

41 hhER .....................................[2]

Kalor yang dibuang melalui kondenserdari refrigeran ke lingkungan yang lebihrendah temperaturnya terjadi pada proses2-3, yaitu:

23 hhqc .......................................[3]

Besaran ini bernilai negatif, karena kalordipindahkan dari sistem refrigerasi kelingkungan.

Pada proses 3-4 merupakan prosesekspansi refrigeran menuju tekananevaporator. Pada proses ini biasanyadimodelkan dengan proses cekik tanpaadanya perpindahan kalor (adiabatik) danproses berlangsung tak-reversibel,sehingga diperoleh hubungan: h3 = h4

Pengertian performansi atau yang lebihdikenal dengan koefisien performansi

(COP:Coefficient Of Performance)merupakan perbandingan antara kapasitasrefrigerasi ( KR ) dengan daya ( Pk )yangdibutuhkan untuk menggerakkankompresor. Untuk satu-satuan massarefrigeran maka koefisien performansidapat didefinisikan sebagai perbandinganantara efek refrigerasi (ER ) sistim dengankerja (Wk) yang dibutuhkan untukmengkompresi refrigeran di kompresor.Makin besar nilai COP makin baik kinerjasistim refrigerasi itu. COP merupakanbesaran tanpa dimensi4].

COP = KR/Pk..............................[4]

Atau

COP = ER/Wk ..............................[5]

Dimana :KR = Kapasitas refrigerasi (Watts/s)Pk = Daya kompresor (Watts/s)ER = Efek refrigerasi (Watts/s)Wk = Kerja kompresi (Watts/s)

Koefisien performansi, COP, adalahbesarnya energi yang berguna, yaitu efekrefrigerasi, dibagi dengan kerja yangdiperlukan sistem, yaitu kerja kompresi [HYPERLINK \l "Sto87" 1 , HYPERLINK \l"Mor88" 3 ].

2.3 Beban Thermal Tabung Es Puter

Tabung es puter merupakan ruangrefrigerasi yang akan dikondisikan secarathermal. Temperatur ideal terbentuknya espada tabung adalah berkisar antara 10 -15oC. Beban thermal yang terjadi padatabung es puter meliputi 2 kategori bebanthermal antara lain: beban kalor sensibeldan beban kalor laten. Beban kalorsensibel meliputi beban kalor sensibel daribahan es puter dan udara sisa pada tabung,perpindahan panas ke dinding tabung danpenutupnya. Beban kalor laten adalahbeban kalor laten dari bahan es puter dansisa udara dalam tabung.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-32

Perpindahan panas ke dinding tabungdapat dihitung dengan persamaan Fourier(qk) yaitu:5]

...............................[6]

dimana; qk adalah perpindahan panaskonduksi [KJ], k adalah konduktivitaspanas material [KJ/m.K], dT adalah selisihtemperatur dinding tabung [K] dan dxadalah tebal plat. Jenis plat tabung es puteryang digunakan adalah stainless steel 1mm.

Beban kalor laten untuk bahan es puterdan sisa udara dapat dihitug denganpersamaan berikut ini [ HYPERLINK \l"RJD81" 2 , HYPERLINK \l "Mor88" 3 ,HYPERLINK \l "JFL64" 5 ];

..........................[7]

dimana qhfg adalah beban kalor laten daribahan-bahan cair es puter [KJ], m adalahjumlah massa bahan-bahan es puter danudara [kg] dan hfg adalah kalor laten daribahan tersebut [KJ/kg.K].

Faktor desain dari rancangan tabungrefrigerasi mesin es puter ini menyebabkankerugian thermal akibat infiltrasi udara.Infiltrasi yang terjadi diasumsikan sebesar0,5 volume udara sisa dalam tabung esputer [ HYPERLINK \l "ASH06" 4 , HYPERLINK\l "HAl81" 6 , HYPERLINK \l "FWH57" 7 ].

III. Metode Pengujian

Mesin refrigerasi yang dirancang untukmesin es puter ini adalah menggunakankompresor ½ PK, evaporatormenggunakan pipa tembaga 5/8 inch yangdililitkan pada tabung es puter (5 liter)dengan panjang 70 cm. Jenis ekspansiyang digunakan adalah pipa kapiler yangmemiliki panjang 50 cm. Sebagai kontrolsistem digunakan termostart digital danjuga sebuah kapasitor untuk kontrolkompresornya.

Rancangan pengaduk pada mesin esputer, digerakkan oleh motor listrik dengandaya 150 watts dan ditransmisikanputarannya menggunakan 2 kali reduksi

puli. Putaran pengaduk es puter menjadi80 rpm dari motor 150 watts dengankecepatan 1400 rpm. Transmisimenggunakan sistem transmisi sabukuntuk menggerakan poros pengaduk.

Pengujian COP dan Beban Thermal (q)tabung es puter menggunakan instrumentyang berbasis mikrokontroler Atmega 328.Sensor menggunakan thermoucouple typeK. Pengukuran temperatur meliputipengukuran sistem refrigerasi dan kondisidi dalam tabung es puter dan temperaturlingkungan.

IV. Analisis Hasil Pengujian PrototypeMesin Es Puter

Pengujian Mesin Es Puter ini adalahdengan memberikan variasi pengisianadonan es puter. Pengisian di variasikandengan 5 variasi volume pengisian.Analisis data-data temperatur pada tabunges puter dapat diketahui beban thermalyang terjadi dapat dilihat pada gambar 1.

0,015

0,016

0,017

0,018

0,019

0,02

0,021

0,022

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

110

120

130

140

150

160

Q To

tal (

KJ)

waktu (menit)

1 Liter Adonan 2 Liter Adonan

3 Liter Adonan 4 liter Adonan

5 Liter AdonanGambar 1 Perubahan Beban thermal (Qtotal) pada

setiap pengujian volume adonan

Dari gambar tersebut, dapat diketahuibahwa pengisian 5 liter adonanmenyebabkan mesin es puter memilikirata-rata beban thermal yang lebih tinggi.Selain karena pengaruh massa adonan,faktor isolasi tabung yang kurang baikmenambah besarnya nilai beban thermaldalam setiap volume pengisian yangberbeda.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-32

Akibat bertambahnya beban thermal ini,menyebabkan pada volume pengisian 5liter membutuhkan waktu produksi es yanglebih lama. Hal ini akan mengurangitingkat produktivitas dari prototype mesines puter ini.

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160

COP

waktu (menit)

1 Liter Adonan 2 Liter Adonan 3 Liter Adonan

4 liter Adonan 5 Liter Adonan

Gambar 2 Perubahan Unjuk Kerja Sistem

refrigerasi (COP) pada setiap

pengujian volume adonan

Dari gambar 2 dapat diketahui bahwaterjadi penurunan nilai performansi (COP)pada pengisian tabung es puter secarapenuh (5 Liter). Rata-rata performansimesin es puter dalam setiap pengujiantidak terlalu jauh berbeda, akan tetapiterjadi perbedaan waktu pembentukan esdari adonan es puter cukup berbeda.Pengisian secara penuh tabung es putermenyebabkan penyerapan panas keevaporator juga berkurang, seiring denganbeban thermal yang semakin tinggi.

V. Kesimpulan dan Saran

Berikut adalah beberapa kesimpulanyang dapat diketahui dari pengujianprototype mesin es puter, yaitu: Nilai rata-rata beban thermal mesin

puter paling tinggi adalah padapengisian tabung es puter 5 literadonan.

Prototype mesin es puter yang diujimasih memiliki nilai COP yang perludioptimasi dan peningkatan desainisolator thermal pada tabung es puter

sehingga kerugian thermal bisadikurangi.

Pengisian tabung es puter yang efektifuntuk produksi es puter adalah padapengisian 3-4 liter dimanamembutuhkan waktu produksi sekitar1,5-2 jam.

[1] W.F Stooker dan J.W Jones,Refrigeration and Air Conditioning.Tokyo, Japan: McGraw-Hill BookCompany, 1987.

[2] R.J Dossat, Principles of Refrigeration.New York: John Willey and Sons,1981.

[3] M.J. Moran dan H.N. Shapiro,Fundamentals of EngineeringThermodynamics. New York, USA:John Wiley & Sons, 1988.

[4] ASHRAE, ASHRAE RefrigerationHandbook 2006. Atalanta: AmericanSociety of Heating, Refrigerating andAir-Conditiong Engineers.Inc, 2006.

[5] J.F Lee and, F.W Sears,Thermodynamics. Massachusets:Adison Wesley, 1964.

[6] H Cromer Alan, Physics For TheSciences, Intenational Student EditionSecond edition, Ed. Tokyo: Mc Graw-Hill International Book Company,1981.

[7] F.W Hutchinson, Thermodynamics ofHeat Power Systems.: Adison-Wesley,1957.