## Perbandingan Performansi 4 Variasi Siklus Kompresi Uap 2 Tingkat
Siwan Ediamanta Perangin-angin 1,* , Himsar Ambarita 1 , Waldemar Naibaho 2 , Parulian Siagian 2 , Marhiras Sitanggang 3 , Libianko Sianturi 3
1 Sustainable Energy Research Centre, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater Kampus USU, Medan 20155 Indonesia
2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik,  Universitas HKBP Nommensen, Medan 20234
3 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas HKBP Nommensen, Medan 20234 *edi_siwan@yahoo.com

## ABSTRACT
The existence of Air Conditioning (AC) is inseparable from aspects of everyday life. Air Conditioning makes use of the thermodynamic principle of the vapor compression cycle. COP is a parameter to see the performance of the cooling engine. In this study, one way to increase the COP of a Cooling engine was to modify a 1-stage cycle to a 2-stage cycle. This paper examines the comparison of a two-stage vapor compression cycle model with several variations. This comparison uses the ASPEN PLUS V10 software to see the performance of each variant. For the working fluid (Refrigerant) used is R-32. From the simulation results, variant no III shows a higher COP value than the other variants.
Keywords : Performance, Steam Compression, 2 Levels

## 1.  PENDAHULUAN
Pengkondisian  udara  adalah  suatu  hal yang tidak  dapat  terlepas  dari  kehidupan modern saat ini. Penerapan ini dapat kita lihat di berbagai aspek kehidupan [1]. Mulai dari rumah tangga, perkantoran, tempat umum, pabrik atau pun tempat-tempat lainnya. Hal ini  berkaitan  dengan  tingkat  kenyaman  dari orang-orang yang didalamnya. Faktor ini tidak terlepas dari perubahan iklim yang makin ekstrim pada saat ini. Hampir semua negara berdampak oleh perubahan  iklim  tersebut. Salah satu  factor  perubahan  iklim tersebut  adalah  meningkatnya  emisi  karbon CO2 yang merusak  lapisan  ozon yang dipengaruhi oleh banyak faktor-faktor yaitu Pembakaran hutan [2], gas buang industri, pemanfaat  bahan  bakar yang tidak  ramah  lingkungan  dan tidak  efisiensinya  suatu peralatan yang menyebabkan  energi yang dihasilkan  terbuang  percuma.  Terkhusus penggunaan  Pengkondisian Udara (AC) yang sangat  tinggi di negara-negara maju maupun yang sedang berkembang [1]. Hal ini yang memacu pengembangan penelitian tentang  pengkondisian  udara yang semakin  maju, agar mendapatkan  produk yang mempunyai kinerja tinggi dan hemat daya yang berefek kepada dampak lingkungan.
Perkembangan dunia penelitian  tentang  system  pengkondisian  udara  semakin  maju. Banyak penelitian  eksperimen  maupun  secara  simulasi  menunjukkan  dengan memodifikasi, pengaturan  suhu dan tekanan  siklus  kompresi  uap  dapat  meningkatkan COP ( Coefficient of Performance )    suatu  siklus  [1,3].  Contoh  modifkasi  Siklus Kompresi Uap bias dilakukan dengan menambahkan Alat Penukar Kalor Internal yang menyingungkan aliran fluida kerja (Refrigeran) dari keluar katup ekspansi dengan aliran keluar  kondensor  [4].    Hal ini  bertujuan  untuk  menurunkan  temperature  masuk  ke kompresor. Hal ini terbukti meningkatkan nilai dari COP dari Mesin pendingin sebesar 9.02% dengan  jenis  Refrigran R410a  [5]. Penlitian yang lain juga menunjukkan penggunaan Alat Penukar  Kalor Internal pada siklus  Pendingin  karbon  dioksida trankristis  dengan expander meningkatkan  kapasitas  pendingin  spesifik dan COP
sebesar 17%. Cara yang lain dapat  menggunakan  menigkatkan  siklus  dari 1 tingkat menjadi 2 tingkat. Secara  teoritis  mengubah  siklus  kompresi  uap 1 tingkat  menjadi 2 tingkat, terbukti  meningkatkan  performansi  dari  suatu  siklus  kompresi  uap  atau COP meningkat  sebesar 10-15%[6]. Yang  membedakan  siklus 1 tingkat  dengan 2 tingkat adalah, siklus 2 tingkat  mempunyai  2 titik  tekanan yang dihasilkan  dari 2 kompresor. Sedangkan untuk yang 1 tingkat hanya 1 tingkat tekanan atau 1 kompresor saja. Untuk system Siklus Kompresi Uap 2 tingkat mempunyai banyak variasi model [1-2], artinya penambahan  komponen-komponen  pendukung  selain  dari  penambahan  jumlah kompresor. Hal ini bertujuan untuk merekayasa siklus agar mendapatkan Siklus dengan Kinerja yang lebih  tinggi  atau COP yang lebih  tinggi, dilihat  dari  penurunan  Daya Kompresor dan Efek Pendinginan pada siklus tersebut [3].
Hal ini yang akan  diteliti pada tulisan ini  untuk  melihat  perbedaan  kinerja  dari beberapa  varian  siklus  kompresi  uap 2 tingkat  dengan parameter-parameter masukan yang disesuaikan  dengan  pengujian  siklus  kompresi  uap 1 tingkat. Metode yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  metode  simulasi. Software yang dipakai  adalah ASPEN PLUS V10 yang berfungsi untuk menggambarkan siklus termodinamika sesuai dengan  varian yang akan  disimulasikan. Hasil yang akan  didapat  adalah  Daya Kompresor  Panas yang diserap Evaporator dan Panas yang dilepaskkan oleh Kondensor. Parameter inilah yang akan menentukan nilai dari COP dari Siklus tersebut.

## 2.  METODE PENELITIAN
Dalam  penelitian  ini  menggunakan  Sofware ASPEN PLUS V10.  Proses simulasi di Aspen membutuhkan parameter-parameter input sebagai data masukan  untuk menjalankan  simulasi. Penelitian  ini  mempunyai  parameter input yaitu, Tekanan Kondesor (Pk): 320 Psi,Tekanan Evaporator (Pe): 110 Psi, Tekanan Median (Pm): 170 Psi dan Laju  aliran Masa  (m ): 0.005  kg/s.  Untuk  proses  simulasi  diperlukan proses penggambaran  siklus  dengan  memasukkan  komponen-komponen yang diperlukan. Untuk  fluida  kerjanya  dipilih  Refrigeran R-32.  Proses simulasi  dapat  dilihat pada gambar 1. Setiap  varian  siklus  kompresi  uap 2 tingkat  mempunyai  komponen- komponen yang berbeda. Diagram prosesnya dapat di lihat pada gambar 1.
Gambar 1. Proses Simulasi
Penelitian  ini  memvariasikan 4 model siklus  kompresi  uap 2 tingkat. Pada gambar 2 adalah p-h dari setiap varian siklus kompresi uap 2 tingkat.
(varian I) (varian II) Gambar 2. Varian I dan Varian II siklus Kompresi Uap 2 tingkat
Proses Simulasi Aspen Plus V10 Parameter Input (Tekanan, Laju Aliran Masa, Fraksi UapTemperatur dan
R-32 ) Daya Kompresor (W) Q Evaporator Q Kondensor
Pada gambar 2 SKU 2 tingkat varian I dan Varian 2 mempunyai diagram p-h yang cukup  mirip. Yang membedakannya  adalah  adanya  tambahan  Katup  Ekspansi pada aliran  keluar  Kondensor (titik 5) yang satu  menuju Evaporator (titik 6) yang satu  lagi menuju titik D, dimana aliran refrigerant keluar kompresor 1 (Titik 2). Berbeda dengan varian I yang hanya mempunyai 1 katup ekspansi.
Gambar 3. Varian III dan Varian IV siklus Kompresi Uap 2 tingkat
Pada gambar 3 adalah skema dan diagram p-h untukvarian III dan Varian IV. Pada SKU 2 tingkat varian berbeda  dengan  varian I dan II. Pada varian III dan varian IV, siklus mempunyai komponen tambahan yang dinamakan Subcooler. Tetapi untuk untuk varian III dan IV mempunyai  perbedaan, di mana untuk  varian 3 aliran  bercabang setelah  keluar  dari  Codensor (titik 5), untuk  varian IV aliran  bercabang  keluar  titik 5 setelah  melewati  Subcooler. Hal ini  menyebabkan  karakteristik diagram p-h untuk masing-masing varian.
Secara  umum  persamaan yang digunakan  untuk  menganalisa  kinerja  dari  Siklus Kompresi Uap adalah :
Untuk Daya Kompresor adalah : Ẇ c = ṁ 1 (h 2 – h 1 + h 3 – h 4 ) (1)
Untuk panas yang dibuang oleh Kondensor adalah :
𝑄𝑄 𝑐𝑐 = 𝑚𝑚̇ ( ℎ 4 − ℎ 5 ) (2)
Untuk  analisis 𝑄𝑄 𝑐𝑐 atau  Panas yang dibuang  Kondesor  setiap  varian  berbeda-beda, tergantung dari grafik p-h masing-masing varian. Untuk Panas yang diserap oleh Evaporator adalah : 𝑄𝑄 𝑒𝑒 = 𝑚𝑚̇ ( ℎ 6 − ℎ 1 ) (3)
Sama halnya  dengan 𝑄𝑄 𝑐𝑐 , 𝑄𝑄 𝑒𝑒 Panas yang diserap evaporator juga berbeda  sesuai dengan dari grafik p-h masing-masing varian.
Untuk Coefficient of Performance (COP) siklus adalah
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑄𝑄 𝑒𝑒 𝑊𝑊 𝑐𝑐 (4)
Program Aspen Plus memungkinkan  untuk  menyelesaikan  persamaan  termodinamika untuk siklus kompresi uap 1 tingkat maupun modifikasi lainnya.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 4 menampilkan  pemodelan  Siklus  Kompresi  Uap 2 tingkat  dengan 4 variasi yang ada di Aspen Plus. Parameter ini menunjukkan nilai dari tekanan, temperatur dan fraksi uap di setiap titik. Terlihat Tekanan Evaporator (Pe), Tekanan Median (Pm) dan Tekanan Kondensor (Pk) laju aliran masa juga sama.
Gambar 4. Pemodelan SKU 2 tingkat Varian I dan Varian II
Gambar 5. Pemodelan SKU 2 tingkat Varian III dan Varian IV

## 3.1.  Hasil Perbandingan Performansi SKU
Table 1 menunjukkan hasil perbandingan performansi dari setiap varian SKU  2 tingkat. Daya  kompresor  setiap Varian dijumlahkan  karena  setiap  siklus  menggunakan 2 kompresor.  Untuk Qc (panas yang diserap oleh kondensor  bertanda minus (-) artinya panas  dilepaskan atau  dibuang  kelingkungan. Tanda positive (+) artinya  panas  diserap oleh system. COP didapatkan  dari  perbandingan  Panas yang diserap oleh Evaporator (Qe) berbanding Daya Kompresor (Wc).
0 1 2 3 4 5 SKU Multi Stage ISKU Multi Stage IISKU Multi Stage IIISKU Multi Stage IV Q E vap or at or (W at t) Varian SKU 2 tingkat Perbandingan Q evaporator Tabel 1. Perbandingan Performansi SKU 2 tingkat Varian I sampai Varian IV
No Varian Daya  (KW) Q (KW) Q (KW) COP Comp I Comp II Total Evaporator Kondensor 1 SKU Multi Stage I 0.25781 0.09902  0.3568309 0.410533 -0.767365  1.150497 2 SKU Multi Stage II 0.11992 0.19533 0.31525 1.27853 -1.59378  4.055607 3 SKU Multi Stage III  0.10313 0.19824 0.301369 1.31663 -1.612 4.36883 4 SKU Multi Stage IV  0.10073 0.16906 0.269792 1.09928 -1.37053  4.074546

## 3.1.1. DayaKompresor
Dari hasil  simulasi, menunjukkan  Daya  Kompresor SKU 2 tingkat Varian I menunjukkan komsumsi daya yang tinggi dibandingkan varian lain yaitu sebesar 0.3568 KW. Hal ini menyebabkan pemakain energi yang besar dibandingkan yang lain dengan kondisi yang sama. Sebaliknya SKU 2 tingkat  varian IV menunjukan  komsumsi  daya yang lebih rendah dari pada varian yang lainnya.

## Gambar 6. Perbandingan Daya Kompresor SKU 2 tingkat

## 3.1.2. Panas yang diserap Evaporator
Dari hasil simulasi, menunjukkan Panas yang diserap Evaporator (Qe)  SKU 2 tingkat, Varian I menunjukkan Qe yang lebih rendah dari pada varian lain yaitu sebesar 0.4105 KW.  Varian 3 munjukkan  Qe yang lebih  tinggi  dari pada varian yang lain sebesar 1.31663 KW.
Gambar 7. Perbandingan Daya Kompresor SKU 2 tingkat
0 0,1 0,2 0,3 0,4 SKU Multi Stage I SKU Multi Stage II SKU Multi Stage III SKU Multi Stage IV Day a K omp re so r ( Kw ) Varian SKU 2 tingkat Perbandingan Daya Kompresor
0 1 2 3 4 5 SKU Multi Stage I SKU Multi Stage II SKU Multi Stage III SKU Multi Stage IV Q K onde ns or (K W Varian SKU 2 tingkat Perbandingan Q Kondensor 0 1 2 3 4 5 SKU Multi Stage I SKU Multi Stage II SKU Multi Stage III SKU Multi Stage IV Q K onde ns or (W at t) Varian SKU 2 tingkat Perbandingan Q Kondensor

## 3.1.3. Panas yang dibuang Kondensor
Dari hasil simulasi, menunjukkan Panas yang dibuang Kondensor SKU 2 tingkat Varian I menunjukkan  Panas yang dibuang  Kondesor (Qc) lebih  rendah  dibandingkan  varian lain yaitu sebesar 0.767365 KW. Varian III Qc lebih tinggi dari pada varian yang lain sebesar1.612 KW .
Gambar 8. Perbandingan Daya Kompresor SKU 2 tingkat

## 3.1.4. COP
Dari hasil  simulasi, menunjukkan  COP  SKU 2 tingkat Varian I lebih  rendah dibandingkan  varian lain yaitu  sebesar  1.150497.  Varian III menunjukkan  nilai COP yang lebih tinggi dari pada Varian yang lain sebesar 4.36883.
Gambar 9. Perbandingan Daya Kompresor SKU 2 tingkat

## 4.  Kesimpulan
Dari hasil perbandingan simulasi ASPEN PLUS Siklus Kompresi Uap 2 tingkat Varian I sampai varian IV maka didapat kesimpulan :
• SKU 2 tingkat Varian III mempunyai  nilai  COP yang lebih  tinggi  dari pada 3 varian yang lainnya. Sedangkan Varian I mempunyai  nilai COP yang paling rendah diantara 3 varian lainnya

## DAFTAR PUSTAKA
1. Chasik Park, Hoseong, Yunho Hwang. 2015 Recent Advances In Vapor Compression Cycly Technologies. Science Direct 118-134
2. Mahdi Deymi-Dastebayaz, Saeed Maddah, Elmira Fallahi. 2019. Internasional Journal Of Refrigeration. 106 (2019) 7-17
3. D.L Karelin, A.V. Boldyrev, A.M BelouSov. 2017. International Conference On Industrial Engineering. Procedia Engineering 206 (2017) 1488-1496
4. Djuanda. 2018. International Conference on Thermal Science and Technology, 020008-1-020008-7.
5. Zhang Z, Tian L, Chen Y, and Tong L. 2014. Entropy 16 5919-5934.
6. Ambarita H, Nasution D M, Gunawan S and Nasution A H 2017 IOP Conf. Series: Material Science and Engineering180 012027