## PENGARUH STUDI EKSPERIMEN PEMANFAATAN PANAS BUANG KONDENSOR UNTUK PEMANAS AIR

## Arif Kurniawan
Institut Teknologi Nasional (ITN) Malang; Jl.Raya Karanglo KM. 2 Malang
1 Jurusan Teknik Mesin, FTI-Teknik Mesin ITN, Malang e-mail: itsarif9@gmail.com

## ABSTRAKSI
Pada  bagian  mesin  pendingin  (refrigerasi)  terdapat  peralatan  yang  dapat mengeluarkan panas yaitu kondensor, yang dihasilkan pada saat mesin pendingin bekerja.  Panas  yang  dikeluarkan  oleh  kondensor    dapat  dimanfaatkan  untuk memanaskan  air.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  mengetahui pengaruh  penggunaan  3  variasi  ukuran  diameter  pipa  kondensor  terhadap performa  atau  koefisien  prestasi  (COP)  pada  suatu  mesin  pendingin.  Metode penelitian  menggunakan  studi  eksperimen  dengan  parameter  yang  diuji  adalah temperatur  (T)  dan  tekanan  (P)    pada  mesin  pendingin    yang  diukur  pada  saat pipa  kondensor  dikenai  pembebanan  air.  Variabel  eksperimen  adalah  air  pada pembebanan pipa kondensor dan diameter pipa kondensor (D). Hasil analisa data penelitian  menunjukkan  COP  mesin  pendingin  semakin  naik  dengan bertambahnya ukuran diameter dan pembebanan air pada pipa kondensor, yang nilainya masing-masing: (1) D=0.00318 m, beban air 0 L, COP=1.96; beban air 0.6 L, COP=2.26; beban air 1.8 L, COP=2.28; beban air 3 L, COP=2.33; (2) D=0.00476 m,  beban  air  0  L,  COP=2.18;  beban  air  0.6  L,  COP=2.29;  beban  air  1.8  L, COP=2.38; beban air 3 L, COP= 2.46; (3) D=0.00635 m, beban air 0 L, COP=2.48; beban air 0.6 L, COP=2.56; beban air 1.8 L, COP=2.67; beban air 3 L, COP=2.74. Dari  hasil  penelitian  ini  dapat  membuktikan  dan  menunjukkan  hasil  yang signifikan  bahwa  adanya  pengaruh  penggunaan  diameter  pipa  kondensor  dan pembebanan air terhadap performa mesin pendingin, yaitu adanya kenaikan nilai COP mesin pendingin.
Kata  kunci: Beban  air  (liter),  COP  (Coefficient  of  performance),  diameter  pipa  kondensor (D), temperatur (T), tekanan (P)

## PENDAHULUAN
Pengaruh panas yang dikeluarkan kondensor dengan adanya mekanisme  perpindahan  panas  secara konduksi  dan  konveksi  ( Incropera, F. P. dan  D. P. DeWitt, 1996 ) maka dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air sebagai beban
kondensor pada bak penampungan air yang  telah  dirancang  pada  model eksperimen. Penelitian  ini  dilakukan  untuk mengetahui pengaruh pembebanan kondensor terhadap COP mesin
pendingin  dan  COP  kondensor,  dimana diameter  pipa  kondensor  menggunakan  3 variasi ukuran yang berbeda.
.

## KONSEP, PERSAMAAN DASAR TERMODINAMIKA DAN MODEL EKSPERIMEN
Mesin  pendingin  (refrigerasi) menggunakan  siklus  kompresi  uap (Moran,  M.  J.  dan  H.  N.  Shapiro, 1996).  Pada  siklus  ini  uap  ditekan, hingga mencapai tekanan, temperatur, entalpi  yang  tinggi  dan  diembunkan menjadi  cairan  di  dalam  kondensor dengan  melepas  kalor,  setelah  itu dialirkan melalui katup ekspansi yang berfungsi untuk menurunkan tekanan, agar  cairan  tersebut  dapat  menguap kembali  di  dalam  evaporator  untuk menyerap kalor dan kemudian ditekan kembali  oleh  kompresor.  Model eksperimen  yang  digunakan  dalam penelitian  ditunjukkan  seperti  pada gambar  1,  yaitu  terdiri  dari:  1) kompresor,  2)  kondensor,  3)  katup ekspansi, 4) evaporator dan 5) bak air.
Proses-proses yang membentuk  siklus  kompresi  uap standar dan persamaan
Termodinamika  yang  terjadi  pada masing-masing  proses  adalah  sbb (Moran,  M.  J.  and  H.  N.  Shapiro, 1996;  Stoecker,  W.  F.  dan  J.  W. Jones, 1996):
a). Proses 1-2 Kompresi Kompresi  isentropik  dan  adiabatik pada refrigeran dari uap jenuh kondisi 1  menuju  ke  tekanan  kondensor  pada kondisi 2.
W c = h 2 –h 1 (1)
dimana: W c :    kerja  kompresor  ( kJ / kg ), h 2 –  h 1 :  perubahan  entalpi  di kompresor ( kJ / kg )
(2)
dimana: P : daya kompresor (kW), laju aliran massa ( kg /s)
(3)
dimana: efisiensi  kompresor,
:  kerja  isentropik  kompresor
( kJ / kg )
Gambar 1. Sistem pendingin dengan kondensor dalam bak air b). Proses 2-3 Kondensasi (pengembunan) Sistem  kondensasi  adalah  pelepasan kalor  dari  refrigeran  ketika  mengalir pada tekanan konstan melalui kondensor  secara  reversibel  yang menyebabkan desuperheating (penurunan  uap  panas  lanjut)  dan pengembunan.  Refrigeran  menjadi cair jenuh pada kondisi 3.
Heat rejektif = q rej = h 2 – h 3 (4)
dimana: q rej: pelepasan  kalor  pada kondensor  ( kJ / kg ),  h 2 –  h 3 :  perubahan entalpi di kondensor ( kJ / kg )
(5)
dimana:
laju kemampuan kondensor melepas panas ( kJ /s)
(6)
dimana: HRR:  Heat  Rejection  Rate Ratio (Nisbah Pembuangan Panas), :  kapasitas  refrigerasi (kW) c). Proses 3-4 Ekspansi
Ekspansi  adiabatik irreversibel pada entalpi  konstan,  pada  kondisi  3 menjadi 2 fase yaitu cair-uap
tercampur  pada  kondisi  4  menuju tekanan evaporator. Pada saat refrigeran  mengalir  melalui  pipa kapiler,  tekanan  dan  suhu  jenuhnya turun  secara  bertahap,  dan  fraksi  uap (χ)  naik  secara  kontinyu  pada  tiap titik.
h = h f (1- χ) + h g χ (7)
s = s f (1- χ) + s g χ (8)
dimana: h : entalpi ( kJ / kg ), h f: entalpi cairan  jenuh  ( kJ / kg ),  h g :  entalpi  uap jenuh  ( kJ / kg ),  s:  entropi  ( kJ / kg.K ),  s f : entropi  cairan  jenuh  ( kJ / kg.K ),  s g : entropi  uap  jenuh  ( kJ / kg.K ),  χ:  fraksi uap dalam campuran cairan uap
d). Proses 4-1 Evaporasi Sistem evaporasi merupakan pengambilan  kalor  oleh  refrigeran yang  mengalir  di  dalam  evaporator (penambahan    kalor reversibel )  pada tekanan  konstan,  yang  menyebabkan proses penguapan menuju uap jenuh.
q = h 1 – h 4 (9)
dimana: q:  laju perpindahan panas di evaporator  ( kJ / kg ),  h 1 –h 4 :  perubahan entalpi di evaporator ( kJ / kg )
(10)
dimana: kapasitas  refrigerasi (kW) (11) dimana: COP: Coefisien of Performance  (koefisien  prestasi  pada mesin pendingin)
(12)
dimana: koefisien prestasi pada kondensor

## METODE PENELITIAN
Metode penelitian menggunakan studi  eksperimen  dengan  parameter  yang diuji  adalah  temperatur  (T)  dan  tekanan (P)    pada  mesin  pendingin    yang  diukur pada  saat pipa  kondensor  dikenai pembebanan  air.  Variabel  eksperimen adalah  air  pada  pembebanan  pipa
kondensor  dan  diameter  pipa  kondensor (D).
Prosedur eksperimen
yang dilakukan ada 2 tahapan, yaitu: 1). Kondensor tanpa dibebani air Mesin  pendingin  dihidupkan  dan bekerja  sampai  pada  keadaan steady state (berkisar  antara  1  s.d.  2    jam), tanpa beban kondensor. Setelah
sistem mencapai keadaan steady state , data  diambil  dari  mesin  pendingin saat kondensor tanpa beban.
2).Kondensor dibebani air Dilakukan secara bertahap dengan
volume air yang bertambah, dimana pada setiap  kali  penambahan  volume  air,  air yang  telah  dipakai  sebelumnya  dibuang terlebih  dahulu  dan  diganti  dengan  air yang  baru.  Proses  pengambilan  data dilakukan  dengan  3  perlakuan  sesuai dengan  diameter  pipa  kondensor  yang berbeda.  (D 1 = 0.00318  m,  D 2 = 0.00476 m,  D 3 =  0.00635  m).  Waktu  masing- masing  pengambilan  data  dilakukan dengan  durasi  10  s.d.  20  menit.  Bak  air pada pembebanan kondensor ditempatkan pada  keadaan  tertutup.  Data-data  yang diambil  berupa  tekanan  (P),  temperatur (T)  pada  masing-masing  alat  mesin pendingin,  dan  temperatur  ruang    (T R ) pada bak air serta W input kompresor (W ic ).  Model  eksperimen  (benda  uji)  dan beberapa peralatan penelitian yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2.
Peralatan eksperimen: (a) kompresor, (b) kondensor, (c) manometer

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan eksperimen maka diperoleh data-data hasil eksperimen seperti yang ditunjukkan pada tabel  1.  Data-data  ini  kemudian  dihitung, dianalisis  dan  dibuatkan  grafik  untuk memberikan  rincian dan  penjelasan terkait  dengan  maksud  dan  tujuan eksperimen.
Tabel 1. Data hasil eksperimen
Dalam  tabel  dapat  dilihat  bahwa ada  3  variasi  ukuran  diameter  yang digunakan  dalam  eksperimen,  yaitu  D 1 = 0.00318  m,  D 2 =  0.00476  m,  D 3 = 0.00635  m  (standar  pabrik).  Beban  air yang besarnya 0 liter berarti menunjukkan  eksperimen  menggunakan kondensor  tanpa  dibebani  air.  Sedangkan
beban  air  yang  besarnya  0.6,  1.8,  3 menunjukkan  bahwa  eksperimen  yang dilakukan  dalam  kondisi  kondensor dibebani  air.  Beban  air  mengindikasikan bahwa  panas  buang  dari  kondensor dimanfaatkan  untuk  memanaskan  air yang  berada  dalam  bak  air  untuk  dilihat pengaruhnya  terhadap  performa  mesin pendingin  (COP),  apakah  dengan  adanya beban  air  dapat  menurunkan  performa mesin  pendingin  atau  dapat  menaikkan performa mesin pendingin.
Analisis Data dan Grafik Hasil Perhitungan Data-data  hasil  eksperimen kemudian  dihitung  dan  dianalisis berdasarkan persamaan dasar
Termodinamika  (1)    s.d  (12).  Dari hasil  perhitungan  yang  diperoleh kemudian  dibuatkan  grafik  COP  dan COP k .  Data  hasil  perhitungan  dan grafik  COP,  COP k dapat  dilihat seperti yang ditunjukkan pada tabel 2, tabel 3, gambar 3 dan gambar 4.
Tabel 2. Data hasil perhitungan 1
Tabel 3. Data hasil perhitungan 2
Gambar 3.
Grafik COP kondensor (COP k ) Gambar 4. Grafik COP mesin
pendingin (COP)
Dari  data  hasil  perhitungan diketahui  bahwa  COP  dan  COP k nilainya mengalami peningkatan pada saat kondensor dibebani air dibandingkan  dengan  kondisi  saat kondensor tanpa dibebani air.
Begitu juga COP mesin pendingin (COP) dan COP kondensor (COP k )  untuk  ukuran  diameter  yang lebih  besar  nilainya  juga  mengalami peningkatan.  Hal  ini  menunjukkan bahwa  pemanfaatan  panas  buang kondensor  untuk  pemanas  air  dapat diaplikasikan  karena  menunjukkan peningkatan  nilai  COP  dan  COP k yang signifikan.
Nilai COP dan COP k mengalami  peningkatan  karena  pada saat kondensor dibebani air, mekanisme  terjadinya  perpindahan panas  baik  secara  konduksi  dan konveksi  menjadi  semakin  intens. Sehingga  hal  ini  mengakibatkan turunnya  temperatur  pada  kondensor. Pada tabel 1 bisa dilihat kondisi pada T 2 ,  dimana  nilainya  semakin  turun saat  beban  air  dinaikkan.  Dengan turunnya  temperatur  T 2 ,  maka  nilai entalpi pada kondensor (h 2 ) juga akan turun. Dengan turunnya nilai h 2 maka kerja  bersih  mesin  pendingin  juga turun.  Berdasarkan  persamaan  (11) dan  persamaan  (12),  turunnya  nilai kerja  bersih  (kerja  bersih  =  h 2 -h 1 ) dapat  menaikkan  nilai  COP  dan COP k .

## KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan  dan  saran  dari  hasil  studi eksperimen ini adalah sbb:
1).  Panas  buang  kondensor  dari mesim  pendingin  dapat  diaplikasikan dan  dimanfaatkan  untuk  pemanas  air. Hal  dapat  dibuktikan  dari  hasil eksperimen  bahwa  performa  mesin pendingin dengan perlakuan
kondensor  yg  dibebani  air  (dalam  hal ini  kondensor  yang  dimanfaatkan sebgai pemanas air), nilai COP mesin pendingin  maupun  COP  kondensor mengalami peningkatan dibandingkan jika  kondensor  tanpa  dibebani  air. Karena  tidak  menurunkan  performa dari  mesin  pendingin  maka  aplikasi panas buang kondensor sebagai pemanas air bisa digunakan.
2).  Eksperimen  ini  dilakukan  pada mesin  kulkas  rumah  tangga  (skala kecil).  Dari  hasil  eksperimen  ini pemanfaatannya bisa diterapkan untuk skala yang lebih besar, misalkan  sistem  pendingin  di  dunia industri.  Pemanfaatan  panas  buang kondensor  untuk  skala  besar  tidak terbatas hanya untuk memanaskan air, tapi  bisa  juga  untuk  dimanfaatkan sebagai alat pengering meterial padat. Misalnya  digunakan  sebagai  alat pengering pakaian, bahan-bahan makanan dsb.
3).  Eksperimen  ini  menggunakan ukuran  diameter  kondensor  standar pabrik (yang ada di pasaran) yaitu  ukurannya  0.00635  m  dan ukuran  diameter  dibawahnya  yaitu 0.00318  m  dan  0.00476  m.  Perlu dilakukan  eksperimen  lanjutan  yang menggunakan ukuran diameter di atas standar pabrik, misalkan menggunakan kondensor dengan
ukuran diameter 0.007 m s.d. 0.01 m.

## DAFTAR PUSTAKA
Incropera,  F.  P.  and  D.  P.  DeWitt,  1996. “ Fundamental  of      Heat  and  Mass
Transfer ”,   4nd  ed.,  John  Wiley  &
Sons, Inc..
Moran,  M.  J.  and  H.  N.  Shapiro,  1996, “ Fundamental of Engineering
Thermodynamics ”,    3th  ed.,  John Wiley & Sons, Inc.
Stoecker,  W.  F.  dan  J.  W.  Jones,  1996, “ Refrigerasi  dan  Pengkondisian Udara ”,    Hara,  Supratman,  (ter.),
Edisi Kedua, Penerbit Erlangga