Senin, 12 Januari 2009

BAB 8. EVAPORATOR DAN KONDENSOR

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menghitung kebutuhan evaporator dan kondensor. Cakupan dari pokok bahasan ini meliputi keseimbangan panas dan massa pada evaporator dan kondensor, analisis rancangan evaporator dan kondensor serta berbagai jenis evaporator dan kondensor

A. Pendahuluan

Kondensor dan evaporator adalah jenis dari penukar panas (heat exchanger). Refrigeran melepaskan panas di kondensor dan menyerap panas di evaporator. Salah satu kalisfikasi kondensor dan evaporator dilihat dari letak refrigeran (di dlam atau di luar tabung) dan dari zat pendingin yang digunakan (gas atau cair). Klasifikasi ini dijelaskan pada tabel 1. Gas yang umum digunakan adalah udara dan air merupakan cairan yang sering digunakan sebagai zat pendingin.

Tabel 1. Klasifikasi refrigeran di kondensor dan evaporator

Komponen

Refrigeran

Zat pendingin

Kondensor

Di dalam pipa

Gas di luar
Cairan di dalam*

Di luar pipa

Gas di dalam
Cairan di dalam

Evaporator

Di dalam pipa

Gas di luar
Cairan di luar

Di luar pipa

Gas di dalam*
Cairan di luar

* = jarang digunakan

Evaporator dan kodensor umumnya berbentuk pipa. Perpindahan panas terjadi dari refrigeran ke dinding dalam ke dinding luar lalu ke zat pendingin. Tidak semua panas refrigeran dapat diserap oleh zat pendingin karena adanya koefisien pindah panas pada dinding pipa. Koefisien pindah panas ini dihitung dengan persamaan:

............................................................

8-1

dengan Uo = koefisien pindah panas keseluruhan (W/m2K)
ho = koefisien pindah panas di dalam pipa (W/m2K)
hi = koefisien pindah panas di luar pipa (W/m2K)
x = tebal pipa (m)
Ao = luas pipa luar (m2)
Am = luas rata-rata pipa (m2)
Ai = luas pipa dalam (m2)

Jika cairan berada di dalam pipa, maka koefisien pindah panas di dalam pipa dihitung dengan:

............................................................

8-2

dengan h = koefisien konveksi (W/m2K)
D = diameter dalam pipa (m)
k = konduktifitas termal fluida (W/mK)
V = kecepatan aliran fluida (m/det)
ρ = rapat massa fluida (kg/m3)
μ = viskositas fluida (Pa.detik)
cp = panas jenis fluida (J/kgK)

Pada heat exchanger dengan fluida yang berbeda (cairan dan gas), karena perbedaan nilai koefisien konveksi, maka akan terjadi perbedaan perpindahn panas. Untuk mengantisipasi hal ini, pipa pada bagian fluida yang berupa gas, diperluas permukaannya dengan penambahan sitip (fin). Karenanya, persamaan koefisien pindah panas keseluruhan ditulis kembali menjadi:

............................................................

8-3

dengan hf = koefisien konveksi udara (W/m2K)
Ap = luas pipa antara sirip (m2)
Ae = luas sirip (m2)
η = efektifitas sirip
efektifitas sirip bar dihitung dengan persamaan:

............................................................

8-4

............................................................

8-5

dengan L = panjang sirip (m)
k = konduktifitas bahan sirip (W/m)
y = setengah dari tebal sirip (m)
atau menggunakan grafik di bawah. Grafik di bawah digunakan untuk sirip lingkaran. Pada sirip persegi, luasan sirip persegi diubah menjadi luasan srip lingkaran untuk mendapatkan diameter sirip.

  • Contoh soal: berapakah efektifitas sirip pada sirip persegi yang terbuat dari alumunium setebal 0.3 mm yang disisipkan pada pipa dengan berdiameter luar 16 mm jika jarak vertikalnyanya 50 mm dan jarak horizontalnya 40 mm. Koefisien pindah panas udara 65 W/m2K, dan konduktifitas alumunium 202 W/mK.
  • Jawab: sirip persegi ini mempunyai luas area yang sama dengan sirip lingkaran berdiameter 50,4 mm. Setengah tebal dari sirip, y = 0.15 mm.
46.3 m-1

(re - ri)M = (0.0252-0.008)(46.3) = 0.8
dari grafik diketahui, untuk (re - ri)M = 0.8 dan (re - ri) = 25.2/8 =3.15, efektifitas sirip adalah 0.72

B. Kondensor

Berdasarkan zat pendingin yang digunakan, kondensor dibedakan menjadi kondensor berpendingin udara dan air. Sedangkan menurut konstruksinya, kondensor berpendingin air dibagi menjadi shell and tube, double pipe, dan shell and coil condensor. Pada kondensor udara, dibedakan menjadi kondenser dengan aliran udara paksa dan alami. Di bawah adalah gambar beberapa jenis kondensor.


Gambar 8.1. Kondensor berpendingin udara


Gambar 8.2. Kondensor berpendingin air

Laju perpindahan panas pada kondensor adalah fungsi dari kapasitas refrigerasi dan suhu evaporasi serta suhu kondensasi. Kondensor harus dapat membuang panas yang diserap di evaporator dan yang ditambahkan di kompresor. Istilah yang umum digunakan untuk menunjukkan tingkat perpindahan panas dari kondenser ke evaporator adalah rasio pelepasan panas (heat rejection ratio) yang dihitung dengan persamaan:

...............

8-6


namun rasio perpindahan panas ini kurang tepat karena tidak memperhitungkan kerja kompresi. Nilai rasio perpindahan panas ini juga dapat dihitung dengan bantuan grafik di bawah.

Pada kondensor, terjadi kondensasi pada uap yang mengembun di luar pipa. Koefisien kondensasi yang terjadi di luar pipa dihitung dengan persamaan:

............................................................

8-7

dengan hct = koefisien kondensasi (W/m2K)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
ρ = rapat massa fluida (kg/m3)
hfg = kalor laten penguapan (J/kg)
μ = viskositas kondensat (Pa.detik)
Δt = perbedaan suhu antara kondensat dan pipa (K)
N = jumlah pipa dalam baris vertikal
D = diameter luar pipa (m)
saat kondensor berpendingin air telah digunakan selama beberapa waktu, akan terjadi pengendapan pada pipa karena adanya kotoran pada fluida yang mengalir. Pengendapan ini akan mengurangi proses pindah panas dan besarnya disebut

sebagai fouling factorBeberapa perusahan menetapkan fouling factor sebesar0.000176 m2K/W.Koefisien pindah panas keseluruhan ditulis ulang menjadi:
............................................................

8-8


refrigeran berada dalam keadaan superheat, sebaran suhu digambarkan pada grafik dibawah. Karena perbedaan penurunan suhu ini, beda temperatur antara refrigeran dan pendingin dihitung dengan persamaan:

............................................................

8-9

C. Evaporator

Pada banyak sistem pendinginan, refrigeran akan menguap di evaporator dan mendinginkan fluida yang melalui evaporator. Evaporator ini disebut sebagai direct-expansion evaporator. Berdasarkan zat yang didinginkan, evaporator dibedakan menjadi evaporator pendingin udara dan pendingin cairan. Berdasarkan konstruksinya, evaporator pendingin udara dibedakan menjadi plat, bare tube, dan finned evaporator. Evaporator plat biasa digunakan pada kulkas rumah. Evaporator pendingin udara ini umumnya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC).


Gambar 8-3. Evaporator

Evaporator pendingin cairan umumnya digunakan untuk mendinginkan air, susu, jus, dan kegunaan industri lainnya. Jenis evaporator yang sering digunakan adalah evaporator bare-tube karena proses pengambilan panas terjadi langsung dari bahan ke ferigeran. Terdapat bebrapa tipe evaporator yang sering digunakan, seperti pipa ganda, Baudelot cooler, tipe tank, shell and coil cooler dan shell and tube cooler.

Contoh soal:

1. Tentukan luasan yang diperlukan bagi kondensasi R-22 dengan kapasitas 80 kW dengan pendingin udara. Suhu evaporasi 50C dan suhu kondensasi 450C. Air masuk pada suhu 300C dan keluar pada suhu 350C. Kondenser dengan 42 pipa akan digunakan dengan penempatan pipa seperto gambar. Tentukan panjang pipa jika diameter dalam dan luar pipa adalah 14 dan 16 mm.

  • Jawaban: penyelesaian desain ini sebagai berikut: tentukan tingkat perpindahan panas yang diinginkan, koefisien pindah panas masing-masing dan keseluruhan, lalu hitung luasan dan panjang pipa yang dibutuhkan.
  • Laju perpindahan panas, dari gambar 1, dengan asumsi menggunakan kompresor hermetik, tingkat perpindahan panas pada suhu kondensasi 450C dan suhu evaporasi 50C adalah 1.27. Laju perpindahan panas pada kondesor q adalah

koefisien kondensasi dihitung dengan persamaan (8-7)

densitas dan kalor laten penguapan pada 450C bisa dilihat pada tabel kalor laten penguapan.

konduktifitas dan viskositas dari refrigeran cair 450C dilihat dari tabel 5.5
k= 0.0779 W/m.K μ= 0.000180 Pa.s
jumlah rata-rata pipa pada baris vertikal adalah

beda suhu antara uap dan pipa belum diketahui, karenanya Δt diasumsikan 5K dan nilai ini diperbaiki jika nanti perlu;



= 1528 W/m2K

Tahanan logam. Konduktifitas tembaga adalah 390 W/mK dan resistansi pipa adalah

m2K/W

fouling factor

= 0.000176 m2K/W

koefisien pindah panas dari air. Laju aliran air yang dibutuhkan untuk menyerap panas dari kondensor dengan kenaikan suhu dari 300C menjadi 350C adalah


dan laju aliran volumenya adalah


kecepatan air melalui pipa V adalah


persamaan (2) dapat digunakan untuk menghitung koefisien pindah panas air dengan menggunkan sifat 320C.
ρ = 995 kg/m3 μ = 0.000773 Pa.det cp = 4190 J/kgK k = 0.617 W/mK


hw= 1.014(27030)0.8(5.25)0.4=6910 W/m2K

koefisien pindah panas keseluruhan


977 W/m2K

Beda temperatur logaritmik adalah

12.33 0C

Ao = 8.43 m2

Panjang pipa

Panjang = 4.0 m

2. Apabila sebuah pendingin mempunyai daya refrigerasi 1 kW, dengan pembuangan panas di kondensor 1,3 kW,

  • Buatlah skema dari keseimbangan energinya
  • Berapakah COP dari sistem pendingin tersebut
Test Formatip

1. Kondensor mesin pendingin dengan refrigeran R-22 yang beroperasi pada suhu kondensasi 34 oC, suhu evaporasi -20 oC menggunakan sistem penukar panas tubular aliran berlawanan dengan air sebagai zat pendingin.

  • Jika suhu air yang masuk adalah 25 oC dan laju aliran air 2 kg/det, tentukan suhu air yang keluar dari penukar panas tersebut.
  • Jika kondenser tersebut menggunakan pipa berdiameter luar (OD=14 mm), dan koefisien pindah panas total (U=800 W/m.K), tentukan panjang pipa kondensor yang diperlukan.
  • Tentukan pada jarak berapa dari titik masuk kondensor tersebut keadaan refrigeran menjadi uap jenuh (x=1).

2. Tentukan total penurunan tekanan yang terjadi pada pipa kondensor jika viskositas R-22 (m=0.0001823 Pa.s) tetap disepanjang pipa, volume jenis (n) dihitung pada keadaan rata-rata, dan factor friksi (f) dapat dihitung dengan persamaan di bawah, tentukan panjang pipa kapiler yang diperlukan.

3. Penukar panas tipe tubular bekerja dengan aliran berlawanan mempunyai nilai koefisien pindah panas keseluruhan (Uo = 2 kW/m2.K). Fluida 1 masuk pada suhu 60oC, dan fluida 2 masuk pada suhu 20oC. Laju aliran fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 0.3 kg/s dan 0.4 kg/s. Panas jenis (Cp) fluida 1 dan 2 masing-masing adalah 3.2 kJ/kg.K dan 4.19 kJ/kg.K. Tentukan suhu fluida 2 yang keluar dari penukar panas tersebut jika panjangnya adalah 2 m.

4. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran R134a diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 35.51oC dan suhu evaporasi -20 oC. Untuk mendapatkan kapasitas pendinginan sebesar 1 ton refrigerasi (3517 W), dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara isentropis. Kondensor mesin pendingin tersebut didinginkan dengan menggunakan penukar panas pipa ganda (double pipe heat exchanger) aliran berlawanan. Jika fluida pendingin yang dipakai adalah air (Cp=4.2 kJ/kg-K) dengan laju aliran sebesar 1 kg/detik,

  • tentukan suhu air yang keluar apabila suhu inlet air 25oC
  • gunakan definisi keefektifan (effectiveness) untuk mencari nilai keefektifan penukar panas

5. Satu mesin pendingin dapat digunakan pada tiga ruangan (dengan tiga evaporator) secara paralel seperti pada gambar berikut.

  • Gambarkan proses pendinginan tersebut pada diagram molier (p-h)
  • Jika ketiga evaporator tersebut digunakan secara seri, gambarkan proses pendinginannya pada diagam molier.
  • Jelaskan dengan contoh perhitungan apakah COP mesin pendingin dengan rangkaian evaporator paralel lebih baik dari pada seri.

Tidak ada komentar:

Posting Komentar