PENINGKATAN PERPINDAHAN PANAS PADA FAN COIL UNIT (FCU) DENGAN NANOPARTI Al 2 O 3
Daud S.Anakottapary 1) , I N Sutarna 2) , Putu Wijaya Sunu 3, *) , I Made Rasta 4) 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali, Bukit Jimbaran, Badung-Bali, 80364 Indonesia *E-mail : wijayasunu@pnb.ac.id

## Abstract
Experimental studies on Fan Coil Unit (FCU) were conducted to investigate heat transfer characteristics due to the addition of Al 2 O 3 nanoparticles. The aims of this study was to reveal the phenomenon of nanofluid particle influences  on  heat  transfer  performance  indicators.  This  investigation  used  tube  and  fin  FCU  type  with  cold fluid is water-Al 2 O 3 nanofluid and hot fluid is ambient air. The cold fluid volume flow rate is 15 lpm and the hot fluid  mass  flow  rate  is  0.48  kg/s.  The  concentration  of  nanoparticles  was  0.1%.  The  ambient  air  temperature inlet of FCU is 28 ± 0,5 0 C while the cold fluid temperature entering  the  FCU is 19 ± 0,5 0 C. In this study the performance  parameters  on  cold  fluid  with  nanoparticles  were  compared  with  no  nanoparticles.  The  results showed that the small addition of nanoparticles in cold fluid increased heat transfer in FCU by 9.2%.
Keywords: fan coil unit (FCU), nanoparticle , Al 2 O 3 , heat transfer, nanofluid.

## Abstrak
Eksperimental  studi  pada  Fan  Coil  Unit  (FCU)  dilakukan  untuk  menginvestigasi  karakteristik  perpindahan panas  akibat  penambahan  nanopartikel  Al 2 O 3 .  Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  mengungkap  fenomena pengaruh nanofluid partikel pada indikator kinerja perpindahan panas. Pada penelitian ini digunakan FCU jenis tube  and  fin dengan  fluida  dingin  adalah  nanofluid  Al 2 O 3 dan  fluida  panas  adalah  udara.  Laju  aliran  volume fluida  dingin  15  lpm  dan  laju  aliran  massa  fluida  panas  sebesar  0,48  kg/s.  Konsentrasi  nanopartikel  yang digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  0,1%.  Temperatur  udara  lingkungan  masuk  FCU  adalah  28±0,5 0 C sedangkan temperatur fluida dingin yang memasuki FCU adalah 19±0,5 0 C. Pada penelitian ini parameter kinerja pada fluida dingin dengan  nanopartikel dibandingkan dengan tanpa nanopartikel.  Hasil  penelitian  menunjukan pemakaian nanopartikel pada fluida dingin mampu meningkatkan perpindahan panas pada FCU sebesar 9,2%.
Kata Kunci: fan coil unit (FCU), nanopartikel , Al 2 O 3 , perpindahan panas, nanofluid.

## PENDAHULUAN
Sistem  penyejuk  udara  (AC)  yang  merupakan serangkaian  proses  pengaturan  dan  pembersihan udara untuk memberikan kenyamanan termal kepada penghuni  di  dalam  ruangan.  Disisi  lain  sistem pengkondisian  udara  juga  menimbulkan  dampak negatif  pada  lingkungan  berupa  potensi  pemanasan global  (Purwanto dkk ,  2006)  dan  rusaknya  lapisan ozon.  Emisi  gas  rumah  kaca  nasional  mencapai  500 juta  ton  CO 2 equivalen  pada  tahun  2005  dan diprediksi  akan  mencapai  dua  kali  lipat  pada  tahun 2025. Atmosfer bumi juga mengalami dampak akibat konsumsi  energi  listrik  untuk  industri,  rumah  tangga maupun dampak langsung akibat kebocoran refrigeran  dan  pemakaian  bahan  bakar  fosil.  Oleh karena  itu  usaha  sekecil  apapun  dalam  upaya peningkatan  efisiensi  dan  konservasi  energi  sistem pengkondisian  udara  akan  memberikan  efek  yang
signifikan  terhadap  penurunan  konsumsi  energi  dan dampak lingkungan.
Pasif  teknik  pada  sistem  engineering  menjadi semakin  populer  mengingat  kemudahaan  dalam aplikasi  yaitu  tanpa  energi  input.  Berbagai  jenis teknik pasif dalam meningkatkan optimasi aliran dan perpindahan  kalor  diantaranya groove (Sunu dkk , 2014, 2015a, 2015b, 2016a, 2016b) dan aplikasi nano partikel  (Anakottapary dkk ,  2017).  Salah  satu  usaha untuk  meningkatkan  efisiensi  penggunaan  energi pada  sistem  AC  water  chiller  adalah  meningkatkan konduktifitas termal fluida kerja, dalam hal ini adalah chilled  water .  Konduktifitas  termal  dari  fluida penghantar  kalor  merupakan  salah  satu  unsur terpenting  dalam  pengembangan  efisiensi  energi dalam sistem AC. Salah satu cara untuk meningkatkan  konduktifitas  termal  fluida  kerja  pada sistem  AC  water  chiller  dan  menurunkan  konsumsi energi  serta  dampak  lingkungan  pada  industri perhotelan  adalah  dengan  menggunakan  nano-fluid
e -ISSN: 2548-9828
partikel  sebagai  media  pemindah  panas.  Nano-fluid partikel  dintegrasikan  sebagai  sistem  refrigeran sekunder  yaitu  air  dingin  ( chilled  water )  untuk meningkatkan  perpindahan  panas  pada  evaporator dan AHU ( air handling unit )/ FCU ( fan coil unit ). Pada  industri  perhotelan,  fasilitas  yang  boros energi  adalah  pengkondisian  udara  utamanya  AC jenis water chiller dan sistem air panas. Kedua sistem ini  mengkonsumsi  energi  hampir  70%  dari  total energi  hotel  sehingga  diperlukan  usaha  unuk meningkatkan  efisiensi  energi.  Selain  itu,  akan mengurangi  biaya  operasional  dan  meningkatkan nilai  kompetitif  tidak  saja  industri  perhotelan melainkan aplikasi gedung secara keseluruhan.
Pendinginan  ruangan  melalui  AHU  akan dioptimalkan  oleh  nano- fluid partikel  (Liu dkk , 2011).  Untuk  memperkuat  fenomena  aplikasi  pada sistem  AC water  chiller guna  mendapatkan  prioritas isu  strategis,  telah  dilakukan  studi  pendahuluan berbagai  riset  mengenai  upaya  peningkatan  kinerja chilled  water diantaranya  (Sunu dkk ,  2017a;  Sunu dkk ,  2017b;  Sunu dkk 2017c;  Rasta&  Sunu,  2017; Eastman dkk , 2001; Kumbhara dkk, 2017; Jeyakumar dkk ,  2011;  Masuda dkk ,  1993;  Pak dkk ,  1998;  Sidi dkk ,  2005).  Anandkumar  (2015),  pada  penelitian  ini dilakukan  test  pada chiller dengan water  cooled condenser menggunakan  nano- fluid TiO 2 .  Air  dan TiO 2 berfungsi  sebagai  fluida  kerja  dengan konsentrasi volume 2 g/l. Kondensor berjenis double pipe dengan  bahan  PVC  pada  pipa  bagian  luar  dan tembaga  pada  pipa  bagian  dalam.  Hasilnya, peningkatan  performance chiller sebanding  dengan peningkatan flowrate .
Hamid dkk (2015),  penelitian  ini  berfokus  pada Ethylene Glycol (EG) based nano- fluid dengan teknik dilusi  dari  Titanium  Oksida  (TiO 2 )  dengan  volume ratio  terhadap  Ethylene  Glycol  60:40  sampai konsentrasi  1,5%.Disamping  itu  adanya  fakta  bahwa perubahan  temperatur  lingkungan  yang  sangat  kecil pada  negara  beriklim  tropis  seperti  Indonesia,  maka kebutuhan  pendinginan  dari  AC  akan  konstan sepanjang  tahun.  Ini  merupakan  kondisi  yang  sangat menguntungkan    untuk  aplikasi  nano- fluid pada sistem water chiller .
Sampai  saat  ini  belum  banyak  investigasi  yang berhubungan  dengan  performance  sistem  AC  pada FCU  dan  kemampu-aplikasian  nano- fluid partikel. Penelitian  ini  akan  mengkaji  secara  eksperimental sebuah  teknologi  efisiensi  energi  pada  sistem  AC water  chiller dengan  aplikasi  nano- fluid partikel (Al 2 O 3 ).  Oleh  karena  itu  investigasi  ini  mengungkap fenomena  aplikasi  nano- fluid partikel  (Al 2 O 3 ) terhadap performance secara komprehensip mengenai optimasi aliran chilled water dengan untuk sistem Fan  Coil  Unit (FCU)  pada  AC  jenis Water Chiller .

## METODE PENELITIAN
Investigasi  ini  dilakukan  dengan  mengalirkan chilled  water  dan  nano  partikel  (Al 2 O 3 )  yang  telah didinginkan  oleh  sistem  refrigerasi  pada  evaporator ke Fan  Coil  Unit (FCU)  menggunakan  pompa centrifugal  125  W.  Nano  partikel  yang  digunakan adalah  (Al 2 O 3 )  dengan  ukuran  <  50  nm  dengan konsentrasi 0,1 %.
Gambar 1. Simple skema experiment apparatus
Laju  aliran chilled  water ditahan  konstan  pada 15 lpm, yang diukur menggunakan rotameter jenis in line dengan  kapasitas  maksimum  18  lpm. Chilled water dipompa  dari  evaporator  menuju  FCU  untuk menyerap  kalor  udara  yang  dialirkan  melalui  FCU oleh  blower  dengan  laju  alir  massa  0,48  kg/s. Komponen  sistem  refrigerasi  terdiri  atas  kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Secara lebih spesifik,  spesifikasi  komponen  sistem  tersaji  pada tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi teknis komponen utama sistem
Refrigerasi dan FCU Unit No Equipment Description 1 Compressor Hermetically sealed, Rotary 2 pk, R22 refrigerant
2 Condenser Air cooled, finned coil.
3 Expansion device TEV 4 Evaporator (HX) Shell  and  tube  heat exchanger 5 Fan coil unit (FCU) Finned and tube 6 Chilled water pump Centrifugal, 125 W
Temperatur  air  dingin  masuk/  keluar  evaporator dan  temperatur  udara  masuk/keluar  fan  coil  unit
(FCU) diukur  menggunakan  4 buah  termokopel type K.  Signal  termokopel  didigitalisasi  menggunakan data  logger  dan  direkam  menggunakan  memori komputer  selama  900  detik.  Eksperiment  ini membandingkan  kinerja  FCU  pada  AC  water  chiller yang  menggunakan  nanopartikel  (Al 2 O 3 )  dan  tanpa menggunakan  nanopartikel  (Al 2 O 3 )  berdasarkan parameter kinerja peralatan pemindah kalor.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengambilan data awal dilakukan untuk keadaan chilled  water tanpa  nano  partikel  (0%  nanopartikel), data  ini  merupakan  data  pembanding  untuk  melihat efektifitas penggunaan nanopartikel dalam sistem tata udara. Gambar 2 mendeskripsikan jumlah kalor yang mampu diserap chilled water pada FCU.
Gambar 2. Perbandingan jumlah kalor diserap chilled water
Terlihat bahwa jumlah kalor yang diserap chilled water dengan  nanopartikel  sebesar  4,29  kJ,  lebih besar  dibandingkan  dengan chilled  water tanpa nanopartikel  yang  sebesar  3,93kJ.  Konduktifitas panas  (k)  nano- fluid (Al 2 O 3 )  pada  konsentrasi  1% dapat  mencapai  0.7  W/m  K  (Liu dkk ,  2011).
Sedangkan  konduktivitas  panas chilled  water hanya 0.6  W/m  K.  Peningkatan  jumlah  kalor  yang  diserap di FCU sebesar 9,2% diakibatkan karena peningkatan konduktifitas termal chilled water . Fenomena ini juga akan dibuktikan pada gambar 3.
Gambar 3. a.Perbandingan NTU pada FCU; b. Perbandingan effectivenes s pada FCU
Gambar  3  memperlihatkan  perbandingan  nilai Number of Transfer Unit (NTU) dan effectiveness (ɛ) dari fan  coil  unit .  Berdasarkan  gambar  3,  terlihat bahwa  penambahan  nanopartikel  meningkatkan  nilai NTU dan effectiveness dari fan coil unit . Peningkatan effectivenes mengindikasikan peningkatan laju perpindahan  panas  aktual  sedangkan  peningkatan NTU  mendeskripsikan  peningkatan  nilai  koefisien perpindahan panas dan UA value.

## SIMPULAN
Studi  experimental  pada fan  coil  unit (FCU) untuk sistem pengkondisian udara jenis water chiller untuk  menjelaskan  fenomena  perpindahan  panas akibat  penambahan  nanopartikel  (Al 2 O 3 )  digunakan analisis NTU dan effectiveness. Dari hasil penelitian ini diperoleh:
b. a.
a. Terjadi peningkatan perpindahan panas pada fan  coil  unit (FCU)  sebesar  9,2%  akibat penambahan nanopartikel (Al 2 O 3 ) 0,1 %.
b. Nilai  NTU  dan effectiveness meningkat akibat penambahan nanopartikel (Al 2 O 3 ).

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Anakottapary,  D.S.,  Wibolo,  A.,  Sunu,  P.W., Rajendra  I  M.  (2017).  Approach  temperature  of heating  process  in  double  tube  heat  exchanger with  Al 2 O 3 -water  nanofluid. Advanced  Science Letters,  23 , 12094–12097.
[2]  Anandakumar,  J.  (2015).  To  conduct  the performance  test  on  chiller  unit  by  using nanofluid cooled condenser. International Journal of Mechanical and Robotics Research , 4 (1).
[3] Eastman, J., Choi, S., Li, S., Yu, W., Thompson, L.  (2001).  Anomalously  increased  effective thermal  conductivities  of  ethylene  glycol-based nanofluids  containing  copper  nanoparticles. Applied Physics Letters , 78, 718-720.
[4]  Hamid,  K.A.,  Azmi,  W.H.,  Mamat,  R.,  Usri, N.A., Najafi, G. (2015). Effect of titanium axide nanofluid concentration on pressure drop. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences , 10 (17), 7815-7820.
[5[ Jeyakumar, M., Osama, A., Sumanth, S., Hamed, M. (2011). Heat transfer coefficient and viscosity of  alumina-water  Nanofluids. 8th  International Conference  on  Heat  Transfer,  Fluid  Mechanics and Thermodynamics .
[6]  Kumbhara  A.,  Gulhaneb  N.,  Pandure  S.  (2017). Effect  of  various  parameters  on  working condition of chiller. Energy procedia , 109, 479 – 486
[7]  Liu,  M.  S.,  Lin,  M.C.C.,  Wang,  C.  C.  (2011). Enhancement of thermal conductivities with Cu, CuO  and  carbon  nanotube  nanofluid  and aplication  of  MWNT/water  nanofluid  on  water chiller  system. Nanoscale  Research  Letters ,  6, 297.
[8]  Masuda,  H.,  Ebata,  A.,  Teramae,  K.  and Hishinuma,  N.  (1993).  Alteration  of  Thermal Conductivity  and  Viscosity  of  Liquid  by Dispersing  Ultra-Fine  Particles  (Dispersion  of Al2O3,  SiO2  and  TiO2  Ultra-Fine  Particles). Netsu Bus-sei (Japan) , Vol.7, No. 4, 227-233.
[9]  Pak,  B.C.  and  Cho,  I.Y.  (1998).  Hydrodynamic and  heat  transfer  study  of  dispersed  fluids  with sub-micron metallic oxide particles.
Experimental Heat Transfer , Vol.11, 151-170.
[10]  Purwanto,  W.W.,  Nugroho,  Y.S.,  Dalimi,  R., Soepardjo,  A.H.,  Wahid,  A.,  Supramono,  D, Herminna, D., Adilina , T.A. (2006). Indonesia Energy  Outlook  and  Statistics.  Pengkajian Energi Universitas Indonesia, Jakarta.
[11]  Rasta,  I  M.&Sunu,  P.  W.  (2017).  Pengaruh superheat  terhadap  performansi  sistem  air conditioning  jenis  water  chiller. Proceeding SNITT- Politeknik Negeri Balikpapan, 288-291.
[12]  Sidi,  E. B., Palm,  S.J., Nguyen,  C.  T.,  Roy,  G., Galanis,  N.  (2005).  Heat  transfer  enhancement by using nanofluids in forced convection flows. International  Journal  of  Heat  and  Fluid  Flow 26, 530–546.
[13]  Sunu  P.W.  (2015a)  The  characteristics  of increased  pressure  drop  in  pipes  with  grooves. Adv. Studies Theor. Phys., Vol. 9, no. 2, 57–61.
[14]  Sunu  P.W.,  Anakottapary  D.S.,  Santika  W.G. (2016a). Temperature approach optimization in the  double  pipe  heat  exchanger  with  groove. Matec web of conference , 58, 04006. doi:10.1051/matecconf/20165804006
[15]  Sunu,  P.  W.,  Rasta,  I  M.,  Anakottapary,  D.  S., Suarta,  I  M.,  Santosa,  I  D.  M.  C.  (2017b). Capillary tube and thermostatic expansion valve comparative  analysis  in  water  chiller  air conditioning. IOP  Conf.  Series:  Journal  of Physics: Conf. Series , 953, 012063.
[16]  Sunu,  P.  W.,  Rasta,  I  M.,  Anakottapary,  D.S. (2017c). Pengaruh  panjang  pipa  kapiler terhadap performance AC  jenis water  chiller .
Proceeding SNITT- Politeknik Negeri Balikpapan, 248-250 .
[17] Sunu, P. W., Wardana, I N. G., Sonief A.A, Hamidi, N. (2014). Flow behavior and friction factor in internally grooved pipe wall. Adv. Studies Theor. Phys ., Vol. 8, no. 14, 643-647.
[18]  Sunu,  P.  W.,  Wardana,  I  N.  G.,  Sonief  A.A, Hamidi,  N.  (2015b).  The  effect  of  wall  groove numbers  on  pressure  drop  in  pipe  flows.  Int.  J. Fluid Mech. Resch., 42(2), 119 – 130.
[19]  Sunu,  P.  W.,  Wardana,  I  N.  G.,  Sonief  A.A, Hamidi,  N.  (2016b).  Optimal  grooves  number for  reducing  pressure  drop. Contemporary Engineering  Sciences ,  Vol.  9,  2016,  no.  22, 1067- 1074.
[20]  Sunu,  P.W.,  Anakottapary,  D.S.,  Mulawarman, A. A. N. B., Santosa I D. M. C., Negara, I P. S. (2017a).  Heat  transfer  characteristics  of  Fan Coil  Unit  (FCU)  under  the  effect  of  chilled water  volume  flowrate. IOP  Conf.  Series:
Journal of Physics: Conf. Series, 953 012058.