Kajian Eksperimen Heat Exchahger Pada Heat Pump Menggunakan Refrijeran Hidrokarbon
Kusnandar, Gusniawan, Fajar Sentosa Program Studi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Politeknik Negeri Indramayu. Alamat: Jl. Raya Lohbener Lama No. 08 Indramayu 45252 Tlp/Fax. (0234) 5746464 e-mail:battkus@yahoo.com, gusniawan@yahoo.com, fajarsentosa808@gmail.com

## Abstract
Heat pump or usually known as  pump energy  is a device that can cooling and heating to be used, which functions  as  a  cooling  evaporator  can  be  direct  replace  to    heating  as  a  function  of  the  condenser  using  a reversing valve.. Using heat exchangers in the heat pump system is installed on the suction line and discharge line, so it will give the suction line temperature changes will be higher and discharge line temperatures will be lower, resulting in a greater cooling effect and lighter work of compression. The heat pump uses refrigerant type of  hydrocarbon  that  is  friendly  to  the  environment,  such  as  refrigerant  R-290.  From  the  results  obtained research that the highest of Coefficient of Performance (COP) in the heat pump using heat exchangers is 4.8 and without using heat exchanger is 4.1. So value of COP of haet pump between using heat exchanger and withaout heat  exchanger  is  0.7.  The  highest  efficiency  obtained  on  the  heat  pump  using  heat  exchangers  is  90.3%,  and efficiency of heat pump without using heat exchanger is 78.95%.
Keywords :heat Exchanger, Heat Pump, COP, Hydrocarbon, R-290

## Abstrak
Heat  pump  atau  pompa  kalor  merupakan  suatu  alat  yang  bisa  mendinginkan  dan  memanaskan,  dimana fungsi  evaporator  sebagai  pendinginan  bisa  diubah  menjadi  pemanasan  sebagai  fungsi  kondensor  dengan menggunakan  reversing  valve.  Dengan  menambahkan  heat  exchanger  pada  heat  pumpyang  dipasang  pada suction  line  dan  discharge  line  akan  menghasilkan  perubahan  temperatur  pada  suction  line  lebih  tinggi  dan temperatur  discharge  line  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  sistem  heat  pump  yang  tidak  menggunakan  heat exchanger.  Heat  pump  ini  menggunakan  refrijeran  jenis  hidrokarbon  yang  ramah  terhadap  lingkungan    yaitu jenis refrijeran R-290. Dari hasil penelitian yang didapat bahwa nilai Coefficient Of Performance(COP) pada heat  pump  yang  menggunakan  heat  exchanger  adalah  4,8  sedangkan  COP  pada  heat  pumpyang  tidak menggunakan  heat  exchanger  sebesar  4,1.Sehingga  selisih  COP  pada  heat  pump  antara  yang  menggunakan heat exchanger dengan tanpa menggunakan heat exchangersebesar 0,7. Sedangkan efisiensi yang didapat pada heat  pumpdengan  menggunakan  heat  exchanger  tertinggi  sebesar  90,3%  sedangkan  tanpa  menggunakan  heat exchanger tertinggi sebesar 78,95%.
Kata kunci : Penukar Kalor, Pompa Kalor, COP, Hidrokarbon, R-290

## PENDAHULUAN
Heat  pump atau  pompa  kalor  adalah  suatu sistem  yang  memanfaatkan  kalor  yang  dilepaskan  di kondensor  untuk  pemanasan  sehingga  tidak  dibuang ke  lingkungan.  memiliki  komponen  utama  sama dengan sistem refrigerasi yaitu kompresor, kondensor,katup ekspansi (pipa kapiler) dan evaporatorsehingga  sistem  kerjanya  pun  tidak  jauh beda  dengan  siklus  refrigerasi  kompresi  uap  pada umumnya.  Untuk  merubah  fungsi  pemanasan  dan pendinginan  diperlukan katup pembalik empat jalan (four way reversing valve) sehingga fungsi evaporator untuk  menyerap  kalor  dari  lingkungan  akan  berubah menjadi  fungsi  kondensor  sebagai  membuang  kalor ke lingkungan [1]. Heat pump ini akan lebih  efisien
dan menghemat penggunaan energi maka diperlukan heat  exchanger karena  berfungsi  untuk membuat  sistem    pemanasan  atau  pendinginan  pada heat pump  menjadi lebih cepat [2]. Sehingga dengan penambahan heat exchanger ini diharapkan mampu mengurangi  input  daya  yang  besar  dalam  sebuah system heat pump . Pada dasarnya sistem mesin pendingin ( refrigerator )  adalah  juga  merupakan  suatu  sistem heat  pump ,  dimana  kalor/energi  termal  dipindahkan dari  suatu  daerah  ke  daerah  lain.  Perbedaan  mesin pendingin  dengan  pompa  kalor  hanya  pada  nilai gunanya.  Dimana  suatu  sistem  refrigerasi  adalah untuk mendapatkan efek pendinginan yang maksimal yang  didapatkan  dari  evaporator  yang  menyerap temperatur  disekitarnya  pada  suatu  daerah/ruangan, sedangkan  nilai  performansi  dari  suatu  heat  pump
adalah disamping untuk mendapatkan efek pendinginan  juga  efek  pemanasan  oleh  unit kondensor.  Penggunaan heat  pump masih  di Indonesia  masih  belum  banyak  dimanfaatkan  akan tetapi dimungkinkan untuk pengembangannya kedepan.

## TINJAUAN PUSTAKA
Sistem refrigerasi kompresi uap pada umumnya menggunakan  empat  komponen  utama  yang  bekerja bersama-sama  yaitu  kompresor,  kondensor,  katup ekspansi,  dan  evaporator  dengan  fluida  kerja  berupa refrigeran  [3].  Pada  penelitian  ini  sistem  heat  pump yang  dipakai  menggunakan  sistem  refrigerasi kompresi uap. Dimana kompresor akan mengkompresi refrigeran agar tekanan dan temperatur  naik sehingga dapat membuang kalor ke lingkungan  saat  di  kondensor,  lalu  katup  ekspansi akan  mengekspansi  refrigerant  agar  tekanan  dan temperatur turun sehingga dapat menyerap kalor dari lingkungan  sekitar  yang  akan  dikondisikan,  lalu kembali    kompresor  dan  begitu  siklus  yang berlangsung seterusnya.
Siklus  refrigerasi  kompresi  uap  merupakan suatu  sistem  yang  memanfaatkan  aliran  perpindahan kalor  melalui  refrigerant.  Proses  dari  kompresi  uap seperti Gambar 1 dibawah adalah:
1. Proses kompresi (1-2)
2. Proses kondensasi (2-3)
3. Proses ekspansi (3-4)
4. Proses evaporasi (4-1)
Seluruh  proses  siklus  refrigerasi  di  atas  diatas dapat  ditelusuri  dengan  menggunakan  diagram tekanan-entalpi ( pressure-entalphy, p-h ) yang dikenal dengan diagram Mollier [3].
Gambar 1.Siklus pada Mollier diagram

## Perhitungan COP
COP  adalah  perbandingan  kalor  yang  diserap  oleh evaporator  (proses  evaporasi)  dari  lingkungan terhadap  kerja  yang  dilakukan  oleh  kompresor (proses kompresi).
Gambar 2.Proses Kompresi
Pada  gambar  2  diatas  menunjukkan  proses kerja  yang  dilakukan  oleh  kompresor  atau  proses kompresi dimana dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
W= h 2 -h 1 (1) Dimana: W = Kerja yang dilakukan kompresor (kj/s) h 1 = Entalpi masukan kompresor (kj/kg) h 2 = Entalpi keluaran kompresor (kj/kg)
Untuk perhitungan pada proses evaporasi , refrigerant akan  berubah  fasa  dari  fasacampuran  (cair-uap) menjadi  fasa  uap  jenuh.  Kalor  yang  diserap  di evaporator seperti terlihat pada Gambar. 3 di bawah.
Gambar 3. Proses Evaporasi
Qe= h1- h4                        (2) Dimana: Qe = Kalor yang diserap evaporator (kj/s)
h 1 = Entalpi keluaran Evaporator (kj/kg) h 2 = Entalpi masukan Evaporator (kj/kg)
Berdasarkan  perhitungan  diatas  maka  akan didapat  prestasi  COP  didapat  dari  perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi.
Untuk  menghitung  besarnya  COP  dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
COP actual = 𝑄𝑒 ( 𝑘𝐽 𝑠 ) 𝑊 ( 𝑘𝐽 𝑠 ) (3)
Perhitungan COP Carnot
COP carnot adalah  perbandingan  temperatur evaporasi  dibandingkan  dengan  selisih  temperatur
kondensasi  dan  evaporasi.  Satuan  temperatur  yang digunakan dalam rumus COP carnot adalah Kelvin.
COP carnot = 𝑇 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑇 𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 −𝑇𝑒𝑣𝑎𝑝 (4)
Dimana: Tevap   = temperatur Evaporasi (K) T konden= Temperatur Kondensasi (K)

## Efisiensi Heat Pump
Efisiensi heat pump adalah perbandingan antara COP dengan COP carnot.
Efisiensi  = 𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 (5)

## METODE
Metode  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini menitikberatkan pada pengambilan data-data pengukuran  yang  valid  dan  baik,  hal  yang  perlu diperhatikan  sebelum  melakukan  pengambilan  data adalah  memastikan  alat  ukur  yang  akan  dignakan sudah  terkalibrasi  dengan  baik.  Tujuannya  adalah agar  kesalahan–kesalahan  pada  pengukuran  dan pembacaan  pada  saat  pengambilan  data  dapat dikurangi.
Adapun  data-data  yang  akan  diambil  antara lain:
1. Tekanan Discharge Line
2. Tekanan Suction Line
3. Temperatur Masuk Kompresor
4. Temperatur Keluar Kompresor
5. Temperatur Masuk Evaporator
6. Temperatur Keluar Evaporator
7. Temperatur Masuk Kondensor
8. Temperatur Keluar Kondensor
9. Temperatur Masuk Heat Exchanger (gas)
10. Temperatur Keluar Heat Exchanger (gas )
11. Temperatur Keluar Heat Exchanger (liquid)
12. Temperatur Keluar Heat Exchanger (liquid) 13. Temperatur Lingkungan 14. Arus dan Tegangan Listrik Adapun alat dan bahan dalam pembuatan heat pump ini antara lain: a. Kompresor 1 PK b. Kondensor
c. Kompresor
d. Four way reversing valveSTF 0101G Danfos
e. Heat Exchanger
f. Kondenser plus
g. Liquid receiver
h. Filter dryer
i. Sight glass j. TXV k. Pipa Kapiler
l. Pipa tembaga ¼ in, dan ½ in
Gambar 4. Diagram Pemipaan Heat Pump
Pada  Gambar  4  diatas  pemasangan  heat exchanger  ditempatkan  pada  keluaran  evaporator (suction  line)  dan  masukan  kompresor  (discharge line).  Sedangkan  alat  ukur  yang  digunakan  untuk pengukuran  variable  pada  penelitian  iniadalah sebagai berikut :
a. Untuk pengukuran temperatur menggunakan data  akuisisi  (Arduino  UNO,  Sensor LM35,LABview)
b. Untuk  pengukuran  tekanan:  menggunakan High and low pressure gauge
c. Untuk pengukuran arus listrik ampere meter
d. Untuk pengukuran tegangan listrik menggunakan volt meter
Langkah–langkah yang harus dilakukan sebelum pengambilan data adalah sebagai berikut :
a. Pastikan semua alat ukur terpasang baik
b. Kalibrasi alat ukur yang akan digunakan
c. Sebelum  sistem  dihidupkan,  data  diukur terlebih dahulu
d. Menghidupkan sistem heat pump
e. Ambil semua data setiap 3 menit

## Gambar 5. Alur Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk  dapat  mengetahui  karakteristik  heat pump  maka  setelah  dilakukan  pengukuran  atau pengambilan  data  setiap  3  menit  sekali  selama  45 menit  ketika  menggunakan  heat  exchangerdantidak menggunakan heat exchanger.

## Perhitungan Coefficient Of Performance (COP) Tanpa Heat Exchanger
Dari data yang didapatkan temperatur evaporator=  -7 o C  dan  temperatur  kondensor  14 o C maka  perhitungan  nilai  COP  seperti  terlihat  pada diagram  Moller  dibawah  pada  gambar  6.  sebagai berikut : qe =257 kJ/kg W = 62   kJ/kg COP = qe / W =  257kJ/kg / 62 kJ/kg = 4.1
Sehingga  nilai  COP  sistem heat  pump tanpa menggunakan heat exchanger adalah sebesar 4,1 Sedangkan nilai COPcarnot adalah Tevap = -7 + 273 =266 K Tkonden = 41 + 273 = 314 K K = 273
COPcarnot= − 7 + 273 (41+273 ) − (−7+273) =
= 266
(48) = 5,5
Sehingga  nilai  COP  sistem  heat  pump  tanpa menggunakan heat exchanger adalah sebesar  5,5 Sehingga efisiensi system heat pump bisa dihitung Efisiensi  = 𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 COPactual= 4.1 COPcarnot = 5,5 Efisiensi= 4.1 5,5 x 100  = 0.74= 74 Gambar 6. Diagram Mollier (ph Diagram) tanpamenggunakan heat exchanger

## Perhitungan Coefficient Of Performance (COP) Dengan Heat Exchanger
Dari data yang didapatkan temperatur evaporator=  -2 o C  dan  temperatur  kondensor  46 o C kita  dapat  melakukan  perhitungan  COP  melalui diagram Mollier seperti gambar 7. Dibawah, sebagai berikut : qe =330 kJ/kg W = 68  kJ/kg COP = qe / W =  330 kJ/kg / 68 kJ/kg = 4.8
Sehingga  nilai  COP  sistem heat  pump dengan menggunakan heat exchanger adalah sebesar 4,8 Sedangkan nilai COPcarnot adalah: Tevap = -2 + 273 =271 K Tkonden = 46 + 273 = 319 K
COPcarnot= − 2 + 273 (46+273 ) − (−2+273) =
= 271
(48) = 5,6
Sehingga  nilai  COP  sistem  heat  pump  dengan menggunakan heat exchanger adalah sebesar  5,6 Sehingga efisiensi system heat pump bisa dihitung
Efisiensi  = 𝐶𝑂𝑃
𝐶𝑂𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡
COPactual= 4.8
COPcarnot = 5,6
Efisiensi= 4.8 5,6 x 100  = 0.85= 85  %
Gambar 7. Diagram Mollier (ph Diagram) menggunakan heat exchanger

## Perbandingan COP
Melalui  pengolahan  data  dan  perhitungan  dilakukan maka didapatkan nilai COP tertinggi pada heat pump yang menggunakan COP sebesar 5,6 sedangkan COP heat  pump    tanpa  menggunakan heat  exchanger tertinggi sebesar 4,6.
4 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 C O P Menit Grafik Perbandingan COP cop dengan hx cop tanpa HX

## Gambar 8. Grafik perbandingan COP
Dari  gambar  8.  diatas  terlihat  dalam  grafik untuk heat pump yang menggunakan heat exchanger nilai COP tertinggi sebesar 5,6 pada menit ke-24 dan menit ke-27sedangkan nilai COP terendah sebesar4,4 pada menit ke-12 dan menit ke-15.  Untuk nilai COP tertinggi  ini  dikarenakan  tekanan  suction  sebesar  29 Psi  dan  tekanan discharge sebesar  220  psi, sedangkan  temperatur  evaporator  sebesar  4,8 o C  dan temperatur kondensor sebesar 73,1 o C.
Untuk nilai COP terendah dikarenakan tekanan suction sebesar 48 Psi dan tekanan discharge sebesar 220 psi, sedangkan temperatur evaporator sebesar 3,9 o C  dan  temperatur  kondensor  sebesar  71,2 o C. Sedangkan  heat  pump  tanpa  menggunakan heat exchanger nilai COP tertinggi sebesar 4,6 pada menit ke-33,  menit  ke-36,  menit  ke-39,  menit  ke-42,  dan menit ke-45, sedangkan nilai COP terendah 4,1 pada menit ke-3.
Untuk  nilai  COP  tertinggi  pada  heat  pump tanpa  mengunakan heat  exchanger ini  dikarenakan tekanan suction sebesar 35 Psi dan tekanan discharge sebesar  160  psi,  sedangkan  temperatur  evaporator sebesar  17,3 o C  dan  temperatur  kondensor  sebesar
65,3 o C.  Untuk  nilai  COP  terendah  pada heat  pump tanpa  mengunakan heat  exchanger ini  dikarenakan tekanan suction sebesar 40 Psi dan tekanan discharge sebesar  190  psi,  sedangkan  temperatur  evaporator sebesar  9,8 o C  dan  temperatur  kondensor  sebesar 64,3 o C.
Perbandingan Efisiensi Efisiensi sistem heat pump dihitung berdasarkan nilai COP dan COPcarnot dari data yang sudah diambil.Pada gambar 9, dibawah terlihat grafik perbandingan efisiensi heat pump dengan menggunakan heat exchanger dan tanpa menggunakan heat exchanger .
Terlihat  pada  grafik  diatas  bahwa  efisiensi tertinggi untuk heat pump adalah sebesar 90,3 % dan efisiensi  terendah  sebesar  74,5%.  Untuk  efisiensi heat  pump yang  menggunakan heat  exchanger tertinggi sebesar 90,5% terjadi pada menit ke-24 dan menit  ke-27  dan  terendah  sebesar  Sedangkan efisiensi terendah sebesar 80% terjadi pada menit ke- 12 dan menit ke-15.
73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 Efisie n si Menit Grafik Perbandingan efisiensi efisiensi dengan hx efisiensi tanpa HX
Gambar 9. Grafik perbandingan Efisiensi
Untuk  nilai  efisiensi  tertinggi  pada heat  pump yang  menggunakan heat  exchanger ini  dikarenakan COP heat pump sebesar 5,6 dan COP carnot sebesar 6,2.  Untuk  nilai  efisiensi  terendah  pada  heat  pump yang  menggunakan heat  exchanger ini  dikarenakan COP heat pump sebesar 4,8 dan COP carnot sebesar 5,6.  Untuk  efisiensi  heat  pump  tanpa  menggunakan heat exchanger tertinggi sebesar 78,95% terjadi pada menit  ke-18  dan  menit  ke-21  dan  terendah  sebesar Sedangkan  efisiensi  terendah  sebesar  74,55%  terjadi pada menit ke-3.
Untuk  nilai  efisiensi  tertinggi  pada  heat  pump tanpa  menggunakan heat  exchanger ini  dikarenakan COP heat pump sebesar 4,5 dan COP carnot sebesar 5,7.  Untuk  nilai  efisiensi  terendah  pada  heat  pump yang  menggunakan  heat  exchanger  ini  dikarenakan COP heat pump sebesar 4,1 dan COP carnot 5,5.

## KESIMPULAN
Kesimpulan  dari  data  pengukuran  yang  sudah dianalisa pada heat pump yaitu:
1. Nilai  COP  dari  data  dan  hasil  perhitungan didapatkan bahwa nilai COP tertinggi pada heat pump  yang  menggunakan heat  exchanger adalah  4,8  sedangkan heat  pump yang  tidak menggunakan heat exchanger adalah 4,1. 2. Nilai efisiensi heat pump yang tidak menggunakan heat  exchanger sebesar  74,5% sedangkan  yang  menggunakan heat  exchanger sebesar  90,3%,  sehingga  effisiensi  pada heat pump dengan  menggunakan heat  exchanger mempengaruhi  nilai  efisiensi.  Dimana  sistem yang  menggunakan heat  exchanger nilai effisiensi menjadi lebih tinggi.
3. Pada  data  hasil  pengukuran  sistem heat  pump yang  menggunakan heat  exchanger temperatur refrigeran  masuk  kedalam  kompresor  lebih tinggi dibandingkan dengan yang menggunakan heat  exchanger karena  didalam heatexchanger terdapat  perpindahan  kalor  panas  sehingga temperatur  yang  masuk  kedalam  kompresor mencapai  33°C  sedangkan  pada  sistem  yang tidak  menggunakan heat  exchanger ,  refrijeran masuk kompresor mencapai 28,5 °C.
4. Temperatur evaporator terendah dari heat pump yang  menggunakan heat  exchanger sebesar  3,1 o C sedangkan heat pump yang tidak menggunakan heat exchanger sebesar 4,4 o C
5. Temperatur  kondensor tertinggi dari  heat pump yang menggunakan heat exchanger sebesar 73,1
o C sedangkan heat pump yang tidak menggunakan heat exchanger sebesar 66,9 o C.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Wilbert F. Stracker, Jerold W. Jones,
Supratman Hara, 1989. Rerigerasi dan
Pengkondisian Udara, Bandung.
2. Yunxiang  Li,  Jianlin  Yu.  Theoretical  analysis on  optimal  configurations  of  heat  exchanger and compressor in a  two-stage compression air source  heat  pump  system.  Appl  Therm  Eng. 2015 Nov 27;4311(15)01395-2
3. Dossat, Roy J. 1981. Principles of Refrigeration Second Edition SI Version.Canada: John Wiley and Sons, Inc.
4. Hakkaki-Fard  A,  Aidoun  Z,  Ouzzane  M. Applying  refrigerant  mixtures  with  thermal glide  in  cold  climate  air-source  heat  pumps. Appl Therm Eng. 2014 Jan 25;62(2):714–22.
5. Waheed  MA,  Oni  AO,  Adejuyigbe  SB, Adewumi  BA,  Fadare  DA.  Performance enhancement  of  vapor  recompression  heat pump. Appl Energy. 2014 Feb;114:69–79.
6. Xu X, Hwang Y, Radermacher R. Transient and steady-state  experimental  investigation  of  flash tank  vapor  injection  heat  pump  cycle  control strategy. Int J Refrig. 2011 Dec;34(8):1922–33.