## Rancang Bangun dan Studi Eksperimen Alat Penukar Panas untuk Memanfaatkan Energi Refrigerant Keluar Kompresor AC sebagai Pemanas Air pada ST/D=4 dengan Variasi Volume Air
Binar Kusumah Bagja dan Djatmiko Ichsani Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : djatmiko@me.its.ac.id
Abstrak—Sistem  referigerasi  memiliki  energi  yang  besar dalam  melepaskan  kalor.  Kalor  akibat  kompresi  pada kompresor  bisa  dimanfaatkan  misalnya  untuk  pemanasan air.  Pemanfaatan  kalor  tersebut  dilakukan  dengan  cara menambahkan water heater sebelum aliran fluida referigeran  masuk  ke  kondensor.  Water  heater  tersebut dalam  keadaan  tercelup  di  dalam  sebuah  tangki  berisi  air untuk  melepas  kalor  terhadap  air.  Perancangan  water heater  dilakukan  dengan  mencari  panjang  tube  (L), diameter  tube  (D),  dan  jarak  antar  tube.  Water  Heater  ini diletakkan  setelah  komponen  kompressor  pada  sistem  AC. Proses  awal  untuk  mencari  rancangan  water  heater  adalah dengan  mencari  temperatur  keluaran  kompresor  dimana untuk  mencari  potensi  panas  yang  akan  dimanfaatkan untuk  memanaskan  air.  Setelah  mencari  potensi  panas yang  dihasilkan  dari  energi  keluaran  kompresor  adalah mencari  kapasitas  kalor  yang  akan  diberikan  water  heater terhadap air dan kemudian selanjutnya mencari perpindahan panas yang terjadi pada proses pemanasan air tersebut  yang  kemudian  dilakukan  perhitungan  untuk mencari  panjang  tube  (L)  dan  penentuan  jarak  ST/D  pada tube.  Setelah  diperoleh  geometri  water  heater,  langkah selanjutnya  adalah  melakukan  simulasi  numerik  dengan menggunakan  perangkat  lunak  FLUENT  6.3.2  untuk mengetahui karaketeristik perpindahan panas yang terjadi di  dalam  proses  pemanasan  air  dengan  jarak  ST/D  yang telah ditentukan sebelumnya. Langkah selanjutnya melakukan  eksperimen.  Eksperimen  dilakukan  dengan memvariasikan  volume  air  dalam  tangki  yaitu  sebesar  75 liter;  85  liter;  dan  100  liter.  Hasil  simulasi  numerik diperoleh  bahwa  pola  aliran  kecepatan  dengan  nilai tertinggi  berada  pada  daerah  sekitaran  tube  inlet dikarenakan  temperatur  yang  paling  tinggi  dibandingkan tube lainnya sehingga menimbulkan perbedaan temperatur dan  juga  densitas  pada  sekitaran  tube  inlet.  Hasil eksperimen  diperoleh  bahwa  volume  air  yang  besar  yaitu sebesar 100 liter memiliki Coefficient of Performance (COP) tertinggi  yaitu  sebesar  4,590.  Hasil  eksperimen  diperoleh bahwa  volume  air  yang  rendah  yaitu  sebesar  75  liter memiliki  waktu  pemanasan  air  paling  cepat  yaitu  selama 180 menit.
Kata Kunci—Water Heater; Jarak Tube; Konveksi Alami; Coefficient of Performance (COP).

## I. P ENDAHULUAN
emakaian  air  panas  pada  saat  ini  terbilang  cukup banyak.  Hal  tersebut  dapat  dilihat  dari  semakin
berkembangnya  teknologi  pemanas  air.  Misalnya  saja pemanas  air  dengan  memanfaatkan  energi  surya  atau matahari  selain  itu  pemanas  air  dengan  pemanfaatan energy  listrik  menjadi  energi  panas.  Namun,  jika  dilihat dari  segi  efisiensi,  kedua  contoh  teknologi  pemanas tersebut masih kurang efisien. Misalkan saja, pemanas air dengan  memanfaatkan  energi  listrik  yang  membutuhkan daya  sangat  besar  sedangkan  untuk  pemanas  air  dengan pemanfaatan  energi  surya  masih  tergolong  mahal  dari segi  biaya  konstruksi.  Maka  dari  itu,  dibutuhkan  suatu teknologi pemanas air yang lebih efisien dan lebih murah dari segi biaya juga konstruksi.
Pada  sistem  mesin  pendingin  terdapat  energi  panas yang  terbuang  cukup  besar.  Hal  tersebut  dapat dimanfaatkan menjadi pemanas air. Elemen pemanas air tersebut berupa heat exchanger . Heat Exchanger tersebut tidak  membutuhkan  suplai  daya  tambahan,  tetapi  hanya ditambahkan  saja  pada  sistem  mesin  pendingin  tersebut. Heat  Exchanger tersebut  secara  skematis  diletakkan diantara  kompresor  dan  kondensor. Heat  Exchanger tersebut dialiri oleh referigeran dalam kondisi superheated yang  berasal  dari  keluaran  kompresor sehingga  dapat  dimanfaatkan  sebagai  pemanas  melaui panas  yang  dipancarkan  dari  pipa-pipa  pada heat exchanger . Heat  Exchanger tersebut  dalam  mekanisme nya dicelupkan ke dalam bak yang berisikan air (sebagai fluida dingin). Air tersebut dibiarkan tidak mengalir atau disebut unsteady flow . Heat  Exchanger yang  digunakan  untuk  pemanas  air sebagai pemanfaatan energi panas yang tak terpakai dari mesin  pendingin  ini  adalah  dengan  susunan  secara vertikal.  Karakteristik heat  exchanger salah  satunya dipengaruhi  oleh  adanya gap  ratio yaitu  perbandingan antara jarak transverse tube dengan diameter tube .

## II. T INJAUAN P USTAKA
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tiga  tahap  yaitu  tahap perancangan water heater dimana dilakukan perhitungan panjang water heater dengan analisa perpindahan panas, tahap  simulasi  numerik  untuk  mengetahui  karakteristik perpindahan  panas  yang  terjadi  akibat  pengaruh  dari jarak  ST/D,  dan  terakhir  adalah  tahap  eksperimen  untuk mengetahui  performa  dari water  heater yang  telah dirancang dan pengaruh terhadap sistem AC.
P

## Tahap Perancangan
Tahap  perancangan water  heater ini  dimulai  dari dengan mencari potensi energi panas keluaran kompresor yang dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air. Berikut adalah data yang diperoleh:
 Temperatur keluar kompresor  = 90,2 0 C
 Tekanan Discharge = 233 psi
Langkah  selanjutnya  adalah  menentukan  kapasitas kalor  yang  akan  diberikan water  heater terhadap  air. Pada perencanaan ini bahwa temperatur keluar dari water heater yang  diharapkan  adalah  pada  temperatur  50 0 C agar  referigerant  tetap  dalam  kondisi superheated . Berikut adalah perencanaanya:
Q water heater = ṁ ref .(h out kompresor – h out water heater ) (1)
dimana:
Q water heater
= kapasitas kalor water heater (W) ṁ ref = laju alir massa refrigerant (kg/s)
h out kompresor = entalpi keluaran kompresor (kj/kg) h out water heater = entalpi keluaran water heater (kj/kg) Selanjutnya  adalah  menentukan  waktu  pemanasan  air untuk mencapai temperatur 45 0 C dengan kapastias water heater yang telah ditentukan. Berikut adalah perhitungannya:
t = m.Cp.(ΔT)
t (2)
dimana:
t = waktu pemanasan air (s)
m  = jumlah air yang dipanaskan (kg)
Cp  = kalor jenis air (J/kg K) Q  = kapasitas kalor water heater (J/s)
ΔT = selisih temperatur air yang ingin dicapai dan temperatur awal air (K)
Langkah berikutnya adalah menentukan panjang water heater . Analisa perpindahan panas yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1) Perpindahan  Panas  Konveksi  pada  Aliran  Internal Pipa
Tahapan  untuk  mencari  koefisien  konveksi  aliran internal pipa adalah sebagai berikut:
 Mencari Properties Referigerant
Properties referigerant diperoleh dengan dari temperatur  film  yaitu  temperatur  masuk  dan  temperatur keluar,  dimana  temperatur  masuk  adalah  90 0 C  dan temperatur  keluar  adalah  50 0 C  sehingga  temperatur  film tube adalah 70 0 C.
T ABEL 1. P ROPERTIES R EFERIGERANT
 Menghitung Bilangan Reynolds
Re = 4ṁ πDµ (3)
dimana: Re = bilangan Reynolds ṁ ref = laju alir massa refrigerant (kg/s) D = diameter pipa (meter) µ      = viskositas dinamik (Pa.s)
 Menghitung Bilangan Nusselt
Setelah  diperoleh  bilangan  Reynolds>2300  maka aliran  pada  internal  pipa  adalah  turbulen.  Maka persamaan  yang  digunakan  untuk  mencari  bilangan Nusselt adalah
Nu = 0,0265.Re 4/5 .Pr 0,3
(4)

## Dimana Pr adalah bilangan Prandtl

Mencari Koefisien Konveksi Aliran Internal Pipa
h i = Nu k D (5)
Dimana k adalah konduktivitas thermal dari refrigerant R-22
2) Perpindahan Panas Konveksi Alami
Tahapan  untuk  mencari  koefisien  konveksi  alami adalah sebagai berikut:
 Mencari Properties Air
Properties  air  diperoleh  dengan  dari  temperatur  rata- rata antara temperatur film tube dengan temperatur awal air  sebelum  dipanaskan,  dimana  temperatur  film  tube adalah  70 0 C  dan  temperatur  awal  air  adalah  30 0 C sehingga temperatur rata rata adalah 50 0 C T ABEL 2. P ROPERTIES A IR
 Menghitung Bilangan Rayleigh
Ra = gβ(T ∞ −Tair)D 3 vα (6)
dimana:  g    = gaya gravitasi bumi (9,8 m 2 /s) β = expansion coefficiency (1/K) T ∞ = Temperatur masuk pada pipa (K) v    = viskositas kinematic (m 2 /s) α    = thermal difussity (m 2 /s)
 Menghitung Bilangan Nusselt Nu = C.Ra n
 Mencari Konveksi Alami
h o = Nu k D (7)

## 3)
Menghitung Overall Perpindahan Panas
Overall Perpindahan  Panas  adalah  perhitungan  secara keseluruhan  proses  perpindahan  panas  yang  terjadi  pada suatu kondisi tertentu. Berikut adalah Overall Perpindahan Panas yang terjadi pada pemanas air ini:
U = 1 1 hi + 1 ho (8)

## 4) Menghitung Luas Pipa
A = ln Thi+5 − Tair akhir
Thi+5 − Tair awal − U.t 2m.Cp air (9)
Dimana:     T hi = Temperatur Masukan Water Heater ( 0 C) U   = Overall Perpindahan Panas ( W m 2 .K ) t     = Waktu pemanasan air (s)
m   = Massa air dalam bak (kg) 5) Menghitung Panjang Pipa L = A πD (10)
Berikut  adalah  hasil  perhitungan  untuk  mencari panjang tube secara lengkap yang disajikan dalam bentuk tabel:
T ABEL 3. H ASIL P ERHITUNGAN
No. Perhitungan
Keterangan 1. Kapasitas Kalor Water Heater 435, 5 Watt
2. Waktu Pemanasan
4 Jam 3. Bilangan Reynolds 117475,4171 4. Bilangan Nusselt (untuk internal) 293,61 5. Koefisien Konveksi Aliran Internal 443,88 W m 2 .K 6. Bilangan Rayleigh 1,79 x 10 6
7. Bilangan Nusselt (konveksi alami) 17,56 8. Koefisien Konveksi Alami 1187,6 W m 2 .K 9. Overall Heat Transfer 323,11 W m 2 .K 10. Luas Pipa 0,0417 m 2 11. Panjang Pipa 1,58 meter
Setelah  diperoleh  panjang  pipa,  maka  langkah selanjutnya adalah menentukan geometri water heater .
Gambar 1. Geometri Water Heater
Pada  geometri  tersebut  telah  ditentukan  jarak  ST/D, yaitu  perbandingan  antara  jarak tranverse pipa  dengan diameter pipa yaitu 4 cm. Kemudian langkah selanjutnya adalah  menentukan  panjang  per  laluan  yaitu  24,17  cm dimana  jumlahnya  ada  5  agar  panjang  keseluruhan  pipa sesuai dengan perhitungan sebelumnya.

## Tahap Simulasi
Simulasi  dilakukan  secara  2  dimensi,  dimana penggambaran ditinjau dari tampak samping tube.
1) Pre-Processing
Gambar 2. Dimensi Tangki Air dan Boundary Condition
Gambar 3. Meshing Tube Water Heater dalam Tangki Air
Pada pre-processing ini  diawali  dengan  membuat geometri  dan  langkah  selajutnya  adalah  membuat meshing . Meshing dilakukan dalam bentuk Quad-Map . Langkah  selanjutnya  adalah  menentukan boundary condition dimana  untuk tube dikondisikan  sebagai wall dengan  input  temperatur  yang  telah  ditentukan  sesuai
dengan  perhitungan.  Sedangkan  untuk  dinding  tangki dinding dikondisikan sebagai wall dinding adiabatis.
T ABEL 4. B OUNDARY C ONDITION No. Boundary Condition Keterangan 1. Tube 1 Tipe : Stationary Wall Temperatur : 363 K 2. Tube 2 Tipe : Stationary Wall Temperatur : 345,24 K 3. Tube 3 Tipe : Stationary Wall Temperatur : 338 K 4. Tube 4 Tipe : Stationary Wall Temperatur : 352,85 K 5. Tube 5 Tipe : Stationary Wall Temperatur : 323 K 6. Left Wall, Right Wall, Bottom Wall, Top Wall Dinding Adiabatis
2) Processing
Tahapan  pemodelan  yang  dilakukan  dalam  proses  ini antara lain adalah mengatur solver model, viscous model, materials, boundary conditions, serta initialize conditions.  Setelah  seluruh  pemodelan  ditentukan, dilakukan  proses  iterasi  untuk  menyelesaikan  proses simulasi.
T ABEL 4. P ROPERTIES M ATERIAL A IR No. Boundary Condition
Keterangan 1. Density (kg/m 3 ) 998,2 2. Specific Heat (J/kg.K) 4182 3. Thermal Conductivity (W/m.K) 0,6 T ABEL 5. P ROPERTIES T EMBAGA No. Boundary Condition Keterangan 1. Density (kg/m 3 ) 8978 2. Specific Heat (J/kg.K) 381 3. Thermal Conductivity (W/m.K) 387,6
T ABEL 6. P ROPERTIES F IBER G LASS
No. Boundary Condition Keterangan 1. Density (kg/m 3 ) 32 2. Specific Heat (J/kg.K) 835 3. Thermal Conductivity (W/m.K) 0,038

## Tahap Eksperimen
Gambar 4. Skema dan Titik Pengukuran Sistem AC dengan Penambahan Water Heater
Posisi Water  Heater pada  sistem  AC  diletakkan setelah  kompresor. Water  Heater dicelupkan  ke  dalam sebuah  tangki  penampung  air.  Volume  air  di  dalam tangki pada eksperimen ini divariaskan sebanyak 75 liter; 85  liter;  dan  100  liter.  Sebelum  eksperimen,  dilakukan terlebih  dahulu  pengecekan  kebocoran  pada  sistem  AC dengan  melihat  apakah  terjadi  perubahan  tekanan  pada
pressure  gauge setelah  sebelumnya  dilakukan  proses vakum.  Jika tidak  terjadi  kebocoran  langkah  selanjutnya adalah memasukkan refrigerant pada suction . Tekanan  pada suction diatur  sebesar  66  psia  dengan cara mengurangi atau menambahkan refrigerant ke dalam sistem  AC.  Laju  alir  massa  diukur  menggunakan flowmeter sedangkan untuk temperatur diukur menggunakan thermocouple yang terhubung dengan data akuisisi.  Pengukuran  tekanan  dilakukan  pada  suction, discharge, dan  setelah  keluaran  kondensor.  Sedangkan untuk  pengukuran  temperatur  dilakukan  pada  masukkan evaporator,  masukkan  kompresor,  masukkan water heater, masukkan kondensor, masukkan pipa kapiler dan pada tangki penampung air. Pengujian dilakukan selama 15 menit sekali.

## III. H ASIL DAN A NALISA
Gambar 5. Kontur Distribusi Temperatur (dalam Kelvin)
Hasil simulasi untuk distribusi temperatur menunjukkan  bahwa  temperatur  tertinggi  berada  pada sekitaran  daerah tube  inlet dimana  temperatur  air memiliki  nilai  yang  paling  besar  dibandingkan  dengan temperatur  air  pada  daerah  sekitaran tube lainnya. Temperatur  air  juga  dapat  terlihat  pada  sekitar  daerah tube  2 sampai  4  terpengaruh  dari  temperatur  air  dari sekitaran tube  inlet sehingga  pada  daerah  tersebut temperatur air memiliki temperatur yang lebih tinggi dari tube 2 sampai 4.
Gambar 6. Kontur Distribusi Kecepatan (dalam m/s)
Gambar 7. Vektor Kecepatan (dalam m/s)
Hasil  simulasi  untuk  distribusi  kecepatan  adalah bahwa  terlihat  pola  aliran  tercepat  terletak  pada  daerah sekitaran tube inlet . Hal tersebut dikarenakan temperatur tertinggi  adalah  pada tube  inlet sehingga  menimbulkan
perbedaan temperatur yang tinggi dan perbedaan densitas yang tinggi juga
Untuk  bentuk  aliran,  pola  aliran  pada  proses pemanasan  air  ini  hanya  berputar-putar  mengelilingi pada daerah sekitaran tube saja.
Gambar 8. Grafik Kerja Kompresor terhadap Waktu
Grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline  kerja kompresor cenderung meningkat. Hal tersebut dikarenakan  temperatur  air  mulai  meningkat  seiring bertambahnya  waktu.  Pada  grafik  diatas  menunjukkan bahwa  eksperimen  pada  volume  100  liter  menunjukkan kerja kompresor paling rendah. Hal tersebut dikarenakan air pada volume tersebut belum sepenuhnya terpanaskan, sehingga  air  tersebut  bersifat  sebagai  pendinginan  pada waktu awal.
Gambar 9. Grafik Kalor yang Diserap oleh Air terhadap Waktu
Pada  grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline  laju kalor  yang  diserap  oleh  air  terhadap  waktu  cenderung menurun.  Hal  tersebut  dikarenakan  temperatur  air  yang meningkat  sehingga  menimbulkan  perbedaan  dengan temperatur water heater yang semakin rendah juga. Pada grafik  diatas  menunujukkan  bahwa  secara  keseluruhan laju kalor yang diserap oleh air yang terbesar adalah pada eksperimen  volume  air  100  liter.  Hal  tersebut  dapat dilihat  dari  dasar  teori  bahwa  semakin  besar  volume  air maka laju kalor yang diserap oleh air juga akan semakin besar.
Gambar 10. Grafik Kapasitas Refrigrasi terhadap Waktu
Pada  grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline  laju kalor  yang  diserap  oleh  air  terhadap  waktu  cenderung menurun.  Hal  tersebut  dikarenakan  temperatur  keluaran kondensor yang semakin meningkat sehingga saat terjadi penurunan  tekanan  pada  katup  ekspansi,  refrigeran berada pada posisi semakin menjauhi dari titik jenuh cair sehingga  kapasitas  evaporator  akan  semakin  rendah dimana  perbedaan  entalpi  yang  semakin  kecil  antara
entalpi  masukan  evaporator  dan  entalpi  keluaran evaporator.
Gambar 11. Grafik Laju Kalor yang Dilepas oleh Kondensor terhadap Waktu
Pada  grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline  laju kalor  yang  diserap  oleh  air  terhadap  waktu  cenderung meningkat. Hal tersebut dikarenakan temperatur keluaran dari water  heater yang  meningkat  seiring  meningkatnya juga  temperatur  air  terhadap  waktu  sehingga  perbedaan entalpi  antara  keluaran  kondensor  dan  masukan kondensor semakin tinggi dan hal tersebut menyebabkan laju  kalor  yang  dilepas  oleh  kondensor  semakin  besar terhadap waktu.

## Gambar 12. Grafik COP terhadap Waktu
Pada  grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline  laju kalor  yang  diserap  oleh  air  terhadap  waktu  cenderung menurun. Hal tersebut dikarenakan kerja kompresor yang terus meningkat dimana bahwa Coefficient of Performance  diperoleh  dari  rasio  antara  kapasitas refrigerasi dengan kerja kompresor, sedangkan kapasitas refrigrasi  juga  terjadi  penurunan  seiring  bertambahnya waktu.
Gambar 13. Temperatur Air terhadap Waktu
Pada  grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  trendline temperatur  air  terhadap  waktu  cenderung  meningkat. Pada  sekitar  temperatur  30 0 C  –  40 0 C  kenaikan temperatur  air  cukup  signifikan,  sedangkan  saat temperatur  diatas  40 0 C  kenaikan  temperatur  mulai melambat.  Hal  tersebut  dikarenkan  laju  kalor  yang dilepaskan  oleh water  heater terhadap  air  semakin  kecil seiring bertambahnya waktu.

## IV. K ESIMPULAN
Dari  studi  yang  dilakukan  serta  pembahasan  terhadap data yang didapatkan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Dari  hasil  studi  numerik,  pola  kecepatan  aliran tertinggi  berada  pada  daerah  yang  memiliki perbedaan temperatur tinggi yaitu pada daerah sekitar tube inlet
2. Penambahan  volume  air  mengakibatkan  semakin lama proses peningkatan temperatur air dalam tangki. Proses pemanasan air mencapai 45 0 C pada eksperimen dengan volume air sebesar 75 liter selama 180  menit,  pada  eksperimen  dengan  volume  air sebesar  85  liter  selama  210  menit,  dan  pada eksperimen dengan volume air sebesar air selama 285 menit
3. Penambahan  volume  air  mengakibatkan Coefficient of  Performance (COP)  rata-rata  pada  sistem  AC semakin  besar.  COP  rata-rata  pada  eksperimen dengan  volume  air  75  liter  sebesar  4,524;  COP  rata- rata  pada  eksperimen  dengan  volume  air  85  liter sebesar  4,575;  dan  COP  rata-rata  pada  eksperimen dengan volume air 100 liter sebesar 4,590;

## D AFTAR P USTAKA
[1] Moran,  M.J  and  Howard  N.  Shapiro.  2000.  Fundamental  of Engineering Thermodynamics . John Wiley & Sons Inc. Chicester.
[2] Theodore.,S.Lavine,  Adrienne.  2007.  Fundamental  of  Heat  and Mass Transfer Seventh Edition. Asia : John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd.