Pengukuran Koefisien Perpindahan Kalor Evaporasi Refrigeran Petrozon Rossy 12 di Dalam Saluran Halus Horisontal

Pengukuran Koefisien Perpindahan Kalor Evaporasi Refrigeran Petrozon Rossy 12 di Dalam Saluran Halus Horisontal. Telah ditemukan refrigeran dari bahan alami ( hidrokarbon ) sebagai refrigeran alternatif. Diperlukan sifat termis dan fisis bahan tersebut untuk keperluan perancangan. Di sini diuraikan salah satu pengukuran salah satu sifat yaitu nilai koefisien perpindahan kalor evaporasi Petrozon Rossy 12 di dalam saluran halus horisontal. Peralatan merupakan system kompresi uap sederhana yang dimodifikasi. Seksi uji merupakan penukar kalor pipa ganda konsentris. Pipa dalam adalah pipa tembaga sepanjang 80 cm dengan diameter dalam 16,6 mm dan diameter luar 18,85 mm. Pipa luar menggunakan pralon berdiameter 2 inchi. Parameter yang divariasi adalah laju aliran massa, tekanan evaporasi, dan kualitas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai koefisien akan turun dengan naiknya kualitas untuk berbagai tekanan evaporasi dan laju aliran massa. Nilai koefisien lebih tinggi untuk laju aliran massa dan tekanan evaporasi yang lebih besar.

Kata Kunci : koefisien, evaporasi, refrigeran, hidrokarbon, horisontal

 I. PENDAHULUAN

Dalam perancangan sistem pendingin kompresi uap perlu diperhatikan sifat-sifat fisis dan termis fluida kerjanya ( refrigerant ). Refrigeran yang beredar di pasaran dapat digolongkan menjadi empat jenis berdasarkan unsur pembentuknya, yaitu : CFC ( Chloro Fluoro Carbon ), HCFC ( Hydro Chloro Fluoro Carbon ), HFC ( Hydro Fluoro Carbon ), refrigeran hidrokarbon.

Refrigeran jenis CFC dan HCFC menurut penelitian merupakan zat yang dapat merusak lapisan ozon. Sedang refrigeran jenis HFC dapat menyebabkan
pemanasan global dan dapat bertahan lama di atmosfer sehingga akan menimbulkan efek rumah kaca.

Dari efek lingkungan tersebut, diperlukan refrigeran alternatif yang ramah lingkungan. Petrozon adalah refrigeran jenis hidrokarbon yang telah dikembangkan Pertamina. Untuk itu perlu diketahui sifat-sifat fisis dan termisnya yang akan bermanfaat dalam perancangan suatu sistem pendingin.

Dalam sistem pendingin siklus kompresi uap, refrigeran mengalami proses perubahan fasa dari fasa cair menjadi fasa uap di bagian evaporator dan dari fasa uap menjadi fasa cair di bagian kondensor. Sehingga di sini akan diusulkan penelitian salah satu sifat yang penting dalam perancangan evaporator, yaitu koefisien perpindahan kalor evaporasi Petrozon Rossy 12 dalam saluran halus horisontal.

II. TUJUAN PENELITIAN

1. Menentukan koefisien perpindahan kalor evaporasi Petrozon Rossy 12 di dalam saluran halus horizontal.

III. LANDASAN TEORI

 3.1 Pola Aliran

Dalam evaporator, refrigeran mengalami pemanasan oleh lingkungan sehingga refrigeran berubah fasa dari fasa cair menjadi fasa uap. Sehingga sangat penting untuk mengetahui bagaimana fasa-fasa tersebut terdistribusi dalam saluran. Distribusi fasa-fasa ini dikenal sebagai pola aliran.

Di dalam tabung evaporator, fraksi massa cairan turun sepanjang tabung menghasilkan serangkaian pola aliran. Jika fluida masuk sebagai cairan sub dingin, gelembung terbentuk pada dinding tabung yang dipanasi ( nukleasi ). Selanjutnya terjadi aliran gelembung ( bubble flow ), aliran sumbat cair atau kantung udara ( plug flow ), aliran acak atau semi cincin ( churn flow atau semi-annular flow ), aliran cincin ( annular flow ), aliran cincin semprot ( spray-annular flow ), dan aliran kabut tetes ( mist flow ) dengan naiknya fraksi uap.

Untuk laju aliran massa tinggi ( > 200 kg/m2.s ), aliran cincin dengan sedikit butiran cairan ( drop ) dalam inti uap ( vapor core ) dapat berlangsung lama, mulai kualitas rendah sampai kualitas lebih dari 0.9.

Sedang untuk laju aliran massa rendah ( < 200 kg/m2.s ), mula-mula cairan hanya menempati bagian sebelah bawah tabung. Hal ini menyebabkan jenis aliran bergelombang pada kualitas uap di atas 0.05. Dengan naiknya kecepatan uap akibat evaporasi, antar muka akan terganggu sehingga terbentuk aliran cincin dengan lapisan cairan di bawah lebih tebal.

3.2 Koefisien Perpindahan Kalor Evaporasi

Sangat sulit untuk menentukan koefisien perpindahan kalor evaporasi dalam saluran horisontal secara analitis. Sifat fluida baik sifat fisis maupun sifat termis yang menentukan nilai koefisien tersebut berubah karena terjadi perubahan fasa. Kondisi yang tidak simetri akibat pengaruh gravitasi semakin menyulitkan analisis. Sehingga penentuan koefisien perpindahan kalor evaporasi dilakukan secara eksperimental.

Namun begitu terdapat hal-hal yang perlu diperhatikan dalam penentuan nilai koefisien perpindahan kalor evaporasi, yaitu : tegangan permukaan ( σ ), perbedaan suhu dinding dengan suhu saturasi ( ΔT = T_s – T_sat ), gaya badan akibat perbedaan densitas g( ρ_l – ρ_v ), kalor laten ( h_fg ), panjang karakteristik ( L ), dan sifat termofisika cairan dan uap ( μ, cp, k, ρ )

Sehingga koefisien perpindahan kalor evaporasi dapat dituliskan sebagai fungsi dari sifat-sifat di atas, yaitu :

h=h[ΔT,g(ρ_l – ρ_g), h_fg σ,L, ρ,Cp, k,μ] ( 1 )

Ada sejumlah korelasi empiris yang diusulkan untuk menghitung koefisien perpindahan kalor evaporasi dengan kondisi-kondisi tertentu.

V. PERALATAN DAN CARA PENELITIAN

5.1 Peralatan

Keterangan :

1. Kompresor 6. Katup Ekspansi

2. Kondensor 7. Heater

3. Filter-Dryer 8. Seksi Uji

4. Orifice 9. Evaporator

5. Manometer

5.2 Cara Penelitian

Parameter yang divariasi adalah laju aliran massa, tekanan evaporasi, dan kualitas. Variasi laju aliran massa dilakukan dengan puli pada motor berdiameter 3, 5 dan 7 inchi. Tekanan evaporasi divariasi dengan merubah pembukaan katup ekspansi ( 75, 65 dan 55 psi ). Kualitas divariasi dengan heater menggunakan voltage regulator. Termokopel tipe T dan pressure gauge dipasang pada sistem untuk tingkat keadaan. Pada seksi uji dipasang termokopel pada dinding luar ( 3 posisi ), posisi di tengah saluran pada sisi masuk dan keluarnya. Termokopel juga dipasang pada sisi air dalam annulus pada bagian masuk dan keluarnya.

Perpindahan kalor antara dinding tabung dan refrigeran, Q :

Q = h. A. ( T_w,i – T_sat ) ( 10 )

Sehingga koefisien perpindahan kalor, h :

h = Q / [ A . ( T_w,i – T_sat ) ] ( 11 )

Suhu dinding dalam tabung ( T_w,i ) ditentukan dari pengukuran suhu dinding luar saluran ( T_w,o ) dengan hubungan perpindahan kalor secara konduksi pada dinding.

Q = k . A. ( T_w,o - T_w,i ) / t ( 12 )

T_w,i = T_w,o – Q . t / ( k . A ) ( 13 )

di mana : T_w,o = ( T_w,o1 + T_w,o2 + T_w,o3 ) / 3 ( 14 )

Q=m_air . Cp_air . ( T_air,2 – T_air,1 ) ( 15 )

VI. Hasil dan Pembahasan

Hasil perhitungan koefisien perpindahan kalor evaporasi untuk variasi tekanan evaporasi dapat dilihat pada gambar 6 sedang untuk variasi laju aliran massa disajikan dalam gambar 7.

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa dengan laju aliran massa yang meningkat akan menaikkan koefisien perpindahan kalor evaporasi meskipun tekanan evaporasinya diubah. Laju aliran massa sebanding dengan bilangan Reynolds ( Re1 = 3288 untuk D1 = 5”, Re2 = 4069 untuk D2 = 7” ). Hal ini disebabkan bilangan Nusselt sebanding dengan bilangan Reynolds.

Nu = a . Re^b . Pr^c dan Nu = h . d / k

Dari grafik juga terlihat bahwa untuk suatu laju aliran massa, dengan naiknya tekanan evaporasi akan menaikkan koefisien perpindahan kalor. Hal ini disebabkan karena tekanan evaporasi akan menurunkan kalor laten. Dengan turunnya kalor laten, jumlah kalor yang diperlukan untuk merubah fasa menjadi sedikit. Untuk kondisi tekanan kritis, tidak diperlukan lagi kalor untuk merubah fasa. Terdapat koeksistensi antara fasa cair dan fasa uap untuk tekanan di atas tekanan kritis.

Dari grafik juga terlihat kecenderungan penurunan koefisien perpindahan kalor dengan naiknya kualitas. Pada kualitas rendah, fasa cair yang dominan akan membasahi dinding saluran. Perpindahan kalor dari dinding ke fasa cair lebih baik dari pada ke fasa gas. Sehingga pertukanan kalor lebih baik pada kualitas rendah. Perbedaan suhu dinding dalam dan suhu saturasi kecil untuk kualitas rendah. Sehingga untuk masukan kalor yang sama, koefisien perpindahan kalor lebih besar pada kualitas rendah. ( Ingat hokum Newton tentang pendinginan, Q = h . A . ΔT ).

VII. Kesimpulan

Dari paparan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Koefisien perpindahan kalor evaporasi dalam saluran mendatar naik dengan naiknya laju aliran massa ( bilangan Re )

2. Untuk suatu bilangan Re, kenaikan tekanan evaporasi akan menaikkan koefisien perpindahan kalor evaporasi.

3. Koefisien perpindahan kalor evaporasi cenderung turun dengan naiknya kualitas.

4. Koefisien perpindahan kalor evaporasi dalam saluran mendatar untuk Petrozon Rossy 12 lebih besar dari pada untuk Freon 12 untuk suatu bilangan Re yang sama ( heva,Rossy 12 = 1300 Btu/h.ft2.F dan heva,R12 = 450 Btu/h.ft2.F )

5. Karena koefisien perpindahan kalor evaporasi lebih tinggi, Petrozon Rossy 12 membutuhkan massa yang lebih sedikit untuk suatu beban pendinginan yang sama dibandingkan dengan Freon R12.