## PENGARUH VARIASI DIAMETER TUBE PIPA EVAPORATOR DENGAN CIRCULAR FINS TERHADAP PRESSURE DROPS ALIRAN REFRIGERANT PADA SISTEM REFRIGERASI
Nanang Ruhyat, Rahmat Wahyudi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta 11650
Email: nanangruhyat@yahoo.com
Abstrak -- Kebutuhan akan mesin pendingin udara di Indonesia sangat tinggi karena iklim tropis yang menyebabkan  Indonesia  memiliki  dua  musim,  yaitu  musin  kemarau  dan  musin  penghujan.  Namun pada  beberapa  tahun  ini,  musim  kemarau  atau  secara  awam  dikatakan  musim  panas,  terasa  lebih panjang  dibanding  musim  hujan.  Sistem  refrigerasi  dipilih  untuk  kebutuhan  pendingin  udara  di Indonesia  khususnya  dan  asia  pada  umumnya.  Sistem  refrigrasi  terdiri  dari  evaporator,  condenser, kompresser  dan  katup  ekspansi.  Efek  pendinginan  terjadi  di  evaporator,  dimana  cairan  refrigerant berubah  menjadi  uap  atau  yang  disebut  dengan  proses  evaporasi.  Pada  penelitian  ini,  evaporator dirancang menggunakan beberapa diameter tube  pipa evaporator, yaitu :  0,005435 m, 0,007036 m, 0,008103  m,    0,008407  m,  0,009398  m,  0,010338  m,  0,011278  m,  0,00125  m,  0,012954  m  dan 0,014224 m. Perancangan evaporator untuk biaya perancangan yang optimum dipilih pada rancangan dengan D in 0,009398 m dan D out 0,0127 dengan panjang tube 5,08 m karena ukuran dan panjang tube yang tidak terlalu besar dan panjang.
Kata Kunci : Refrigerasi, evaporasi, circular fins dan optimasi diameter tube.
Abstract - Need for AC in Indonesia is very high due to the tropical climate that led to Indonesia has two seasons, the dry season and the rainy season. However, in recent years, drought or in layman say summer,  feels  longer  than  rainy  season.  Refrigeration  system  selected  for  air  conditioning  needs  in Indonesia  in  particular  and  Asia  in  general.  Refrigeration  system  consists  of  evaporator,  condenser, expansion valve compressor and. Cooling effect occurs in the evaporator, where the liquid refrigerant turns into steam or called by evaporation. In this study, the evaporator is designed using multiple tube diameter pipe evaporator, namely: 0.005435 m, m 0.007036, 0.008103 m, m 0.008407, 0.009398 m, m 0.010338, 0.011278 m, 0.00125 m, m and 0.014224 0.012954 m. The design of the evaporator to the cost of designing the optimum selected in the draft with D in 0.009398 m and D out 0.0127 to 5.08 m long tube because of the size and length of the tube which is not too big and long.
Keywords : Refrigeration, evaporation, circular fins and tube diameter optimization.
1. PENDAHULUAN
Sistem pendinginan udara menjadi kebutuhan  masyarakat  di  daerah  tropis  seperti Indonesia.  Hal  ini  karena  musim  panas  yang panjang. Sistem pendingin atau sistem refrigerasi membutuhkan media pendinginan yaitu refrigerant.  Dalam  penelitian  ini  menggunakan  R 134a.  R134a (HC 2 HCF 3 ) sebagai  salah  satu refrigerant  alternatif  yang  ramah  lingkungan  dan memiliki  beberapa  properti  yang  baik, tidak berbau,  tidak  berwarna,  tidak  korosif,  tidak beracun, relatif  stabil,  kerapatan  fasa  uap  yang rendah dan  tidak  mudah  terbakar  serta  dapat beroperasi  pada  temperature  rendah  (Paringga, 2005).
Dengan
sistem
Refrigerasi
ada pengubahan temperatur udara pada suatu bahan atau  ruangan  ke  temperature  yang  lebih  rendah daripada temperatur lingkungan sekitarnya
dengan  cara  penarikan  atau  penyerapan  panas dari  bahan  atau  ruangan  tersebut (Supratman, 1989) . Refrigerant  inilah  yang  berubah-ubah sifat-sifat thermal-nya karena pengaruh temperature  dan  tekanan  dari  proses  siklus  alat- alat  refrigerasi  yang  berawal  dari  pemampatan refrigerant  oleh  kompressor  sehingga  menjadi uap  bersuhu  dan  bertekanan  tinggi,  kemudian melalui pengembunan (kondensasi) pada kondenser dimana uap kembali menjadi cairan di dalam  kondensor.  Pengaturan  pemuaian  bagi refrigeran  cair  untuk  memuai  agar  selanjutnya diatur  tekanan  dan  temperaturnya  pada  katup ekspansi agar dapat menguap di evaporator.
Pada katup ekspansi ini tekanan refrigerant diturunkan sehingga refrigerant berubah  kondisi  dari  fase  cair  ke  fase  uap  yang kemudian  dialirkan  ke  evaporator,  proses  ini
membutuhkan  energi  penguapan,  dalam  hal  ini energi  yang  dipergunakan  adalah  energi  yang berada  di  lingkungan  di  serap  sehingga temperatur lingkungan menjadi turun dan  proses ini  berlangsung  terus-menerus  sampai  udara  di lingkungan menjadi pendinginan (Chandra, 2014).  Diameter  pipa  yang  ada  di  evaporator dibuat  relatif  lebih  besar  jika  dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.
Desain evaporator dipengaruhi oleh kapasitas  dan  jenis  refrigeran  yang  digunakan dengan  temperatur  operasi  evaporasi  serta  laju aliran massa refrigeran ketika memasuki evaporator  yang  dipengaruhi  oleh  koefisien perpindahan  panas  pada  evaporasi  (Chandra, 2014).
Penelitian ini mencoba merancang dengan mengoptimasikan  diameter  dalam  dan  luar  tube agar  menghasilkan  daya  evaporator,  pressure drop aliran dalam tube yang beragam dan jumlah fins  pada  perancangan  yang  mengikuti  panjang pipa evaporator yang ditentukan.

## 2. METODE  DAN  SET  UP  PERANCANGAN EVAPORATOR
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian ini adalah menggunakan pendekatan
thermodinamika  dan  perpindahan  panas  yang disimulasikan untuk mendapatkan gambar rancangan  dengan  parameter  pengukuran  yang ditetapkan dalam set up perancangan.
Set  up  perancangan  ditentukan  sebagai berikut:
Temperatur refrigeran masuk (Tc 1 ) = - 4,31°C Temperatur refrigeran keluar (Tc 2 ) = 20°C Temperatur udara masuk (Th 1 ) = 30°C Temperatur udara keluar (Th 2 ) = 10°C Set  up  perancangan  tersebut  diituangkan dalam skema sebagaimana  tampak pada Gambar 1 dan dirinci pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Gambar 1.  Skema Gambar Evaporator Tabel 1. Rincian Set Up Perancangan No Parameter Perancangan Simbol Hasil Perhitungan 1 Efektivitas Temperatur P = 0,70 2 Rasio Kapasitas Panas R  = 0,82 3 Lmtd ΔTlm, cf =
[ ⁄ ] 12,03°C 4 Perbedaan  Rata-Rata Suhu  Antara Inlet Dan Outlet ΔT m = 7,845°C
Dari Fluid Properties Calculator   pada Temperatur  7,845°C  dan  kondisi  uap jenuh didapatkan:
Cp= 935 J/(kg.K) ρ = 18,8  kg/m^3 μ  = 0,11x10-4 Pas ṁref = 0,1 kg/s
Tin  = -4,31°C Tout = 20°C 5
Laju Perpindahan Kalor Q  = ṁ ref x Cp ref x (T out -T in ) ref
27798,485 ≈ 27798,485 W 6 Perkiraan  Keseluruhan Koefiesien Perpindahan Panas Untuk Analisis Awal (Kakaç, 2002: 302) 650 7 Luas Penampang A  = 0.15 m 2 8 Panjang Tube L   = 5,90 m 9 Diameter Dalam Tube Dalam perencanaan desain rancangan 0,008103 m 10 Enthalpi Temperatur refrigeran masuk  (T 1 ) diperoleh enthalpi (h 1 ), dan  Temperatur refrigeran keluar (h 1 ) = 248000
(h 2 )= 262000
(T 2 ) diperoleh enthalpi (h 2 ) 262000 11 Kerja Evaporator W = h 2 -h 1 14000
maka  dapat  diperoleh  laju  aliran
refrigeran ( ṁ= 0,1 ). 12 Daya Evaporator Ƥ = ṁ x W 1400 ≈  1400 W 13 Reynold Number (Kakaç, 2002: 139) Re = 2 7697,52 b bilangan Reynold >4000, maka aliran tersebut bersifat turbulen 14 Gesekan  Dalam  Tube Digunakan Rumus (Kakaç, 2002: 132) ƒ = 0,079 Re -0,25 untuk Re 4x10 3 < Re < 10 5 0,0061 15 Pressure Drop Δ p = 4ƒ ρ 0,92
Tabel 2. Gesekan Pada Fittings, Valves, Bends, Dan Contraction
Jenis Fittings, Valves, Bends dan Contraction 90° standard elbows 30 Angel valves 145 Small radius 180° elbow 75 Large radius 180° elbow 50 Gate Valves 13 Close pattern return bends 50 Sumber: (Kakaç, 2002: 146)

## 2.1.  Perancangan Fins Evaporator
Diketahui  dari  hasil  pengukuran  diperoleh data  yaitu  temperatur  masuk  udara  (T in =  30°C), dan  temperatur  keluar  udara  diinginkan  (T out = 10°C),  serta  dengan  tekanan  420  kPa  untuk udara kering.
ΔT m = = 20°C
Dari Fluid Properties Calculator didapat:
C p = 1010
Pr = 0,719 ρ  = 5 K = 0,0257 μ  = 0,183x10 -4 kg/m.s
Laju  aliran  massa  per  area  dapat  diperoleh dengan (Kakaç, 2002: 302)
G = = 32,05
dimana: ρ = 5
U ∞ = Kecepatan aliran udara, 5 σ = Area aliran bebas 0,78
2.2. Perancangan Evaporator dengan

## Circular Fins
Ditentukan  tebal  fins  0,4826  mm,  jarak antar fins 24,765 mm, jarak dari fins a ke b 21,87 mm,  diameter  hidrolik  (d h )  =  4,43  mm,  luas area/total  area  fins  0,839  ,  σ=  0,494  dan  area perpindahan  panas/total  volume=  446  m 2 /m 3 (Kays and London, 1984).
Gambar 2. Circular Fins Sumber : (Kakaç, 2002: 358)
Gambar 3. Jarak antar fins
Gambar 4. D in dan D out Tube evaporator
Gambar 5. Panjang Matrix Evaporator
Tabel 3. Optimasi Perancangan Evaporator Rancanga n ke- Variabel Perancangan D in (m) D out (m) L (m) Re ref Δ pt ref (Pa) L matrix (m) A t /A min Δ pt udara (Pa) 1 0,005436 0,00635 8,79 18581,23 2332,5 9 0,879 8181 17518, 4 2 0,007036 0,009525 6,79 24050,3 1564,9 7 0,679 6274 13534, 7 3 0,008103 0,009525 5,9 29697,5 1291,9 8 0,59 5448 11752, 5 4 0,008407 0,009525 5,68 28736,65 1232,9 7 0,568 5251 11327, 5 5 0,009398 0,0127 5,08 32124,07 1079,2 2 0,508 4697 10133 6 0,010338 0,015875 4,62 35337,16 972,42 0,462 4270 9211,7 7 0,011278 0,0127 4,24 38550,25 890,93 0,424 3914 8443,9 8 0,0125 0,015875 3,82 427,27 810,57 0,382 3531 7618,4 9 0,012954 0,01905 3,69 44279 786,12 0,369 3408 7351,4 10 0,014224 0,01905 3,36 48620 729,08 0,336 3103 3103 2.3.  Perancangan Evaporator Terdapat beberapa perancangan evaporator
yang
dilakukan. Beberapa perancangan  tersebut  adalah  diperlihatkan  pada Tabel  4.  Hasil  perancangan  masing-masing evaporator  diperlihatkan  pada  Gambar  6  hingga Gambar 15.
Tabel 4. Perancangan Evaporator
Perancangan ke- D in (m) D out (m) 1 0,005436 0,006350 2 0,007306 0,009525 3 0,005436 0,006350 4 0,008407   0,009525 5 0,009398   0,012700 6 0,010338   0,015875 7 0,011278   0,012700 8 0,012500 0,015875 9 0,012954   0,019050
10 0,014224   0,019050
Gambar 6.  Rancangan ke-1 (D in 0,005436m D out 0,00635 m)
Gambar 7.  Rancangan ke-2 (D in 0,007306 m D out 0,009525 m)
Gambar 8. Rancangan ke-3 (D in 0,008103mm D out 0,009525 mm)
Gambar 9. Rancangan ke-4 (D in 0,008407m D out 0,009525 m)
Gambar 10.  Rancangan ke-5 (D in 0,009398m D out 0,0127 m)
Gambar 11. Rancangan ke- 6 (D in 0,010338m D out 0,015875 m)
Gambar 12. Rancangan ke-7 (D in 0,011278 m D out 0,0127 m)
Gambar 13. Rancangan ke-8
(D in 0,0125m D out 0,015875 m)
Gambar 14. Rancangan ke-9
(D in 0,012954 m D out 0,01905 m)
Gambar 15. Rancangan ke-10 (D in 0,014224 m D out 0,01905 m)

## 3. HASIL DAN DISKUSI
Berdasarkan  perancangan  yang  telah dilakukan  dan  serta  hasil  pengukuran,  maka didapat grafik hubungan antara Reynold Number dengan Total Pressure Drop. Hubungan tersebut diperlihatkan  pada  Gambar  16  dan  gambar  17. Berdasarkan  Gambar  16  dan  gambar  17,  dapat dikatakan  bahwa  apabila  bilangan  Reynold semakin besar  yang disebabkan oleh  perubahan variabel  diameter  dalam  dan  panjang  tube  maka dapat disimpulkan bahwa total pressure drop nya semakin kecil. Perancangan dengan Circular fins jelas bahwa panjang matrix tube semakin pendek tentunya pressure drop udara semakin kecil.
Gambar 16. Hubungan antara Reynold Number dengan Total Pressure Drop pada aliran Refrigeran dalam Tube
Gambar 17.  Hubungan antara Panjang Matrix terhadap A t /A min fins dan Total Pressure Drop udara

## 3. KESIMPULAN
Berdasarkan  pengujian  dan  analisa  dari hasil  perancangan,  dapat  disimpukan  beberapa hal, yaitu: a.  Perancangan  dengan  mengoptimasikan  D in tube,  apabila  D in tube  dirancang  dengan diameter  semakin  besar  akan  diperoleh panjang yang semakin kecil.
b.  Optimasi dengan mengubah D in tube semakin besar  mengakibatkan  Reynold  Number  pada aliran  dalam  tube  dengan  menggunakan fluida R134a akan semakin besar nilainya.
c.  Dari  hasil  perancangan,  apabila  bilangan Reynold semakin besar yang disebabkan oleh perubahan  variabel  diameter  dalam  dan panjang tube, maka dapat disimpulkan bahwa total pressure drop nya semakin kecil.
d.  Pada  perancangan  fins  apabila  panjang matrix yang dirancang semakin pendek, maka pressure drop udara semakin kecil.

## DAFTAR PUSTAKA
Chandra,  M. Evaporator .  Makalah  Teknik  Kimia, Politeknik Negeri Jakarta. 2014
Holman,  J.P., Perpindahan  Kalor ,  Erlangga,
Jakarta. 1991.
Paringga,  E.  dan  Karyanto. Teknik  Mesin Pendingin : CV. Restu Agung. Jakarta. 2005 Kakaç,  S. Heat exchanger:  selection,  rating, and thermal design . Florida. 2002
Supratman,  H.  (Penerjemah). Refrigerasi  dan Pengkondisian  Udara .  PT.  Erlangga.  Jakarta. 1989.
Kays,  W.M.  and  London,  A.L.[1984], Compact
Heat  Exchanger ,  3rd  ed.,  McGraw-Hill,  New York. With permission
0 500 1000 1500 2000 2500 T o ta l P ress ur e Dro p ( P a ) Reynold Number
Hubungan antara Rey nold Number dengan Total Pressure Drop pada aliran Refrigeran
dalam Tube 0 5000 10000 15000 20000 Panjang Matrix Hubungan antara Panjang Matrix tube terhadap At/Amin fins dan Total Pressure Drop udara
At/Amin
Total Pressure Drop
(Pa)