JuIml T.kDik En.r8i, \b1.2, No.l, April2Jll ISSN 2089 - 2527

OPTIMALISASI KINERJ A AIRCONDIT"IONER WATER HEATER (AWH)

DENGAN MENGATUR DIMENSI KOIL PEMANAS AIR

Ika YuliyaniJurusan Teknik Konversi Energi - Politeknik Negeri Bandung

E-mail: i.yuliyani@gmail.corn

AhstrukAirconditioner Water Heqter (AWH) adalah upaya pemanfaatan panas pada kondensor mesin AC dengan lidak

engwangi fungsi AC sebagai pendingin ruangan. Prinsip kerja dqri sistern ini mengunakan siUus refrigerasi

kompresi uap, yaitu pada sisi eyaporalor digunakan untuk mendinginkan ruangan sedangkan pada sisi antara

kompresor dan kondensor dimanfaatkan untuk proses pemanasan. Salah satu parameter dar i kinerj a A irconditioner

Water Healer (AWI{) adalah ntenghasilkan waklu pemanasan air yang relatif singkat, yaitu kurang dari 3 jam

dengan penurunan tekanan (LP) beradapada daerahyangaman atau dibawah 34 kPq. Oplimalisasi kineriq sistem

AWH dilakukan dengan mengatur dimensi pipa pemanalt air yaitu panjang (L) dan diameler (D) pipa. Sebelun

dilakukan optinalisasi sistem AllH dengan panjang pipa pemanas oir l5 meter menghasilkanwaktu pemanasan 2ja 10 menit dengan A,P sebesar 36 kPa. Hasil optimalisasi dengqn metode perhilungqn petpindqhan punas

diperoleh L = 13,57 menghasilkanwaktu pemanasan air sebesar 2jam 45 nenit dan perutnrnan tekanan sebesar 24kPa.

Kata kunci: Airconclitioner lllater Heater kondensor, panjang pipa, penanas air

PENDAHULUAN air atau dikenal dengan istilah AirconditionerIYater Heater (A'NH).Airconditioner Woler Heoter (AWH) adalahupaya memanfaatkan panas pada kondensor darimesin AC dengan tidak mengurangi fungsi ACsebagai pendingin ruangan. Prinsip kerja darisistem ini mengunakan siklus refrigerasi kompresiuap, yaitu pada sisi evaporator digunakan untukmendinginkan ruangan dan pada sisi antarakompresor dan kondensor dimanfaatkan untukmemanaskan. Pada sistem ini alat yangditambahkan adalah pemanas air yang tsrpasangdiantara kompresor dan kondensor.

LatarBelakangIndonesiaadalah salahsatunegarayang beriklimtropis dengan temperatur udara yang cukuppanas dan tingkat kelembaban tinggi. Menurutdata dari badan meteorologi dan geofisika,Indonesia memiliki kondisi temperatur udaraantara 2316"C dengan kelembaban ataurelative humidity (RH) antara 5l-98%. Untukmendapatkan kenyamanan, kesehatan dankesegaran udara dalam rumah ataubangunan-b angun an bertingl,:at, makadiperlukan suatu carayang salah satunya denganmenggunakan mesin pengkondisian udara atauAir Conditioner (AC).

Selain dibutuhkan kondisi uddra yang segar,terutama di beberapa tempat seperti hotel,apartem€n dan perumahan di kota-kota besarjuga dibutuhkan adanya fasilitas air panas untukkeperluan mandi. Oleh karena itu, hal ini dapatmendorong tempat-tempat tersebut untukmenyediakan mesin pengkondisian udara danalat pemanas air. Tentu saja ini akanmemperbesar dana atau biaya yang harusdikeluarkan. Usaha akan pemenufian terhadapkebutuhan tersebut dan upaya untukpenghematan membuat beterapa penelitimencari cara bagaimana rnenyediakan suatualaUmesin alternatif yang mempunyai fungsiganda sebagai pendingin ruangan dau pemanas

Tujuan dan ManfaatMelalui penelitian ini dapat dipelajari tentangbagaimana menentukan dimensi (panjang dandiameter) efektifdari koil pemanas air sebagai alatpenukar panas yang terpasang pada sistemAirconditioner Water Heater. Dengan dinrensikoil yang efektif ini diharapkan dapat lebihmengoptimumkan kerja dari alat pemanas dankinerja dari mesin AC sesuai dengan tipe dankapasitas darimesinAC yang akan digunakan.

TINJAUANPUSTAKAPrinsif Kerja lr'rcond it i on er Wd I et He at erAirconditioner Water Healer adalah pemanas airyang memanfaatkan temperatur refrigeran yangsangat tinggi pada saat keluar dari kompresor.Pada sistem pengkondisi udara khususnya tipesplit,

(

tt7

temperatur tersebut biasanya akan diturunkan(dibuang) pada kondensor melalui mekanismeperpindahan panas antara fluida refrigerandengan udara yang dilewatkan oleh kipas. Tetapipada airconditioner water heater sebelummasuk kondensor. aliran refriqeran panastersebut dibelokkan ke dalam tangki yang berisiair dingin. Di dalam tangki terdapat koil yangdisebut dengan penukar panas, sehingga terjadikontak antara refrigeran panas dan air dinginpada tangki tersebut. Air yang semula dinginperlahan akan memanas sesuai dengantemperatur yang diinginkan. Sebaliknyarefrigeran yang semula sangat panastemperaturnya akan menurun.

Pada Gambar I ditunjukkan bahwa refrigeranyang masuk melalui evaporator (4) berbentukcair (ditunjukkan oleh warna biru) dantemperaturnya sangat dingin, kemudian alirkanke dalam ruangan sehingga ruangan menjadidingin, sementara panas yang ada di ruangantadi diserap oleh refrigeran sehingga refrigeranyang keluar dari waporator (l) berangsur-angsur menjadi hangat (ditunjukkan oleh warnakuning), yang selanjutnya masuk ke kompresor.Setelah melalui kompresor re frigerandikompresikan (2) sehingga temperaturrefrigeran menjadi lebih panas (ditunjukkan olehwamah merah) dan berbentuk gas dengantemperahr antara 80o C sampai [00" C.Refrigeran panas (2) tersebut lalu disalurkan kedalam tangki water healer di mana sebelumnyatangki sudah terisi oleh air dingin (air baku).Dengan demikian pertukaran energi panasterjadi antara refrigeran dengan air dinginnrelalui alat penukar panas berupa koil yangtersedia pada tangki. Air yang semula dinginperlahan akan memanas menuju temperaturrefrigerannya, sebaliknya temperatur refrigeranakan mengalami penurunan temperatur. Padatitik 3a refrigeran yang temperaturnyamengalami penurunan (dituniukkan oleh warnakuning) setelah keluar dari tangki, selanjutnyaditurunkan kernbali oleh kondensor denganudara yang ditiup oleh fan dan refrigerantersebut dialirkan kembali ke evaporator.

Perpindahan PanasPerpindahan panas adalah proses perpindahanenergi termal yang diakibatkan oleh perbedaantemperatur. Perpindahan panas yang terj adi padaalat pemanas air yang dirancang adilahperpindahan panas konveksi bebas. konduksi,dan konveksi paksa internal (lnternal ForceiConvection). Pada perpindahan panas dikenal

rssN 2089 - 25:7

bilangan Nusselt yaitu pe rb and inganperpindahan panas konveksi dan dan konduksi.

Gambar l. Kerja Airconditioner Waler Heater

uu=Tr (l)

Bilangan y'y'rsselt digunakan untuk mendapatkankoefisien konveksi yang kemudian digunakanuntuk mendapatkan besar perpindahan panas

Q = h, 'r'D{T, - 7.,)b........(z)

Perpindahan PaIras I(onveI(si BebasKonveksi bebas terj adi apabila tidak ada gerakan

fluida yang disebabkan oleh pompa, fan, ataukompresor. Pada keadaan ini gerakan fluidaterjadi karena terdapat gradien temperatur.Gradien temperatur menyebabkan perbedaanmassa jenis fluida sehingga dengan adanyagravitasi bumi menyebabkan pergerakan fluida.Pada konveksi bebas dikenal beberapa besaran

tak berdimensi berikut:

Grt -elc,-ts (3)nRa, = GrrPt = e9 (\-ia)Dr

..(4)

n

I

?t

Korelasi empirik untuk bilangan Nussel untuksilinder horisontal panjang telah diusulkan olehChurchill danChu,yaitu:

illl!= o.lEt&a, S 108

IA

TANGId WATER HEATER

xolr0€r8on3b

IPR€8O R

11ulr Doo0R

3

6I0ll,o,P{ 1

ANrcLUAR

....(5)

0.6 +lt *tosse7e.ltl'.p

2

ll8

Jurnrl Teknik Energi, lbl.2, No.l, April2012"t

,l

6VAPORATOR I

I

HEAI E(CHANGER

(6)

Perpindahan Panas Konveksi Paksa diDalam Plpa padaAliran Tirrbulen

Korelasi perpindahan panas konveksi paksa didalam pipa pada aliran turbulen biasanyadidapatkan dari hubungan ernpirik. Salah satupersamaan yang dapat digunakan adalahpersamaan yang diusulkan olehDrttuS - Boelter,yaitu: .

lilup = 0,g23pr riPr". . ...(7 )

Pcrbedaan Tekanan dan Faktor Gesekan didalam Pipa

Pada saat fluida mengalir di dalam pipa selaluada gesekan yang terjadi sehingga menimbulkanperubahan tekanan. Dalam menentukanperubahan tekanan pada pipa yang terjadi, dapatdigunakan diagr am Mo o dy.

--r2LAp= f-- (g)tz4r

Rea _ ant,tDl.

Jurnll Tlknik Erergi, \'o1.2, No.l, April2012

Perpindahan Panas Konveksi Paksa InternalKonveksi paksa di dalam pipa sangatdipengaruhi oleh keadaan aliran di dalam pipa,selanjutnya perlu diketahui terlebih dahuluapakah aliran berada di daerah dalam entryregion atat fully developed, keadaan aliranlaminar atau turbulen, atau dalam keadaanberubah fasa (penguapan dan pengembunan).Untuk menentukan aliran Iaminar atau turbulendapat diperkirakan dari besar bilangan Reynolds,melalui persamaan sebagai berikut :

tssN 20t9 - 2527

c. Menghitung dimensi yaitu panjang pipp(L) dan perkiraan pressure dmp yangterjadipada pipa pemanas air.

:

3. Desain dan pembuatan pipa pemanas air.

Gambar2.Disain pipa konus

4. InstalasiAlatyang berada didalam tangki air denganpipa kondensor dari mesinAC.

Gambar3. disain sistemAWH

Pengujian AWHAnalisis Data

IIASILDAN PEMBAHASANData dari LiteraturPada penelitian yang dilakukan oleh penelitisebelumnya yaitu pada tahun 2010,menggunakan pipa pemanas air tipe konusdengan dirnensi yang ditentukan yaitu panjang(L) 15 meter dan diameter (D) sebesar 7,75 mnrdapat menghasilkan air panas bertemperatur60'C dicapai dalam lvaktu 130 nrenit.Sementara penurunan tekanan yang terjadisampaimencapai 36 kPa.Penurunan tekanan yang terjadi melebihi batasyang diijinkan untuk alat penukar panas yaitulebih besar dari 34 kPa. Hal tersebut dapatmenyebabkan terjadinya penurunan kinerja dari

5

6METODOLOGIMetode yang digunakan parla penelitian iniadalah sebagai berikut:

l. Studi literatur2. Menentukan dimensi pipa dengan

melaliukan perhitungan secara teoritis.Effektivitas dari pipa pemanas air dipelolehdari metode perhitungan perpindahanpanas dengan menggunakan asumsi bahwapipa pemanas berbentuk konus heliks.Adapun tahapan perhitungannya adalahsebagaiberikut:a. Me ng e tahu i atau menentukan

spesifikasi dari mesin AC yangdigunakan.

b. Menghitung potensi energi panas padamesinAC dari data spesifikasialat. rycc3!cc!-3l3llmesin AC karena dapat

119

J

Jurnrl Teknik Etrergi, !b1,2 , No.l, April2012

mempengaruhi kerja dari kompresornya.

Data Dimensi Pipa Pemanes HasilPerhitungan

Hasil perhitungan untuk memperoleh dimensidari pipa pemanas air yang effektifmenggunakan asumsi bahwa air yang akandipanaskan mencapai temperatur 60'C diperolehdata sebagai berikut:. Diameterpipa(D)= 7,75 mm. Panjang pipi 1L; = 13,57r",".

Selain itu berdasarkan perhitungan, didapatperkiraan waktu untuk memanaskan airsebanyak 100 liter dengan asumsi temperaturawal 23"C dan temperatur akhir 60"C adalah 2

' jam 50 menit. Sedangkan besarnya penurunantekanan yang terjadi dari hasil perhitunganadalah 28,41 kPa, sehingga dianggap tidak akanmengganggu kinerja dari mesin AC. Karenapressure dmp (LP) < 34 kPa.

Data Hasil PengujianHasil pengujian Aircondilioner WalerHeater(AWH) menggunakan dimensi pipapemanas air sesuai perhitungan yaitu panjangpipa (L) 13,57 meter dan diameter pipa (D)sesuai dengan diameter kondensor yaitu 7,75mm, diperoleh hasil sebagai berikut:a Untuk memanaskan air dari temperatur

28'C sampai temperatur 60'Cmembutuhkan waktu 165 menit atau 2 jam45 menit.

o Penurunan tekanan (AP)yang terjadi selamapengujian sebesar 24 kPa.

Dari data hasil pengujian diatas, jikadibandingkan dengan data hasil perhitunganmaka terlihat ada sedikit perbedaan hasil,dimana lamanya waktu pemanasan air hasilpengujian relatiflebih cepatyaitu sekitar 5 menitdari data hasil perhitungan. Hal ini terjadi karenapada data perhitungan menggunakan asumsibahwa temperatur awal air sebesar 23'C,sedangkan pada saat pengujian temperatur awalair dimulai dari angka sekitar 28'C.

Jika dibandingkan dengan data dari literatur ataupengujian sebelumnya ditahun 2010, denganpanjang pipa l5 meter, maka waktu pemanasanair berdasarkan pengujian ditahun 20ll ini,memperoleh waktu yang relatif lebih lam4 yaitumempunyai selisih waktu sebanyak 35 menit.Lamanya waktu pemanasan air disebabkankarena panjang pipa (L) pemanas air lebih

ISSN 2089 - 2527

pendek dengan selisih 1,43 meter. Ha[ ini sesuaidengan teori perpindahan panas yangditunjukkan pada persamaan (2). Yaitu besarnyaenergi perpindahan panas dipengaruhi olehpanjang pipa (L). Dan semakin besar L makawaktu pemanasan air yang dibutuhkan semakinlebih cepat.

Akan tetapi panjang pipa juga mempengaruhiterjadinya penurunan tekanan (AP). Hal inisesuai teori yang ditunjukkan oleh persamaan(8). Dimana semakin'besar L, maka penurunantekanan (AP) yang terjadi akan semakin besar.Pada data pengujian dengan panjang pipa yanglebih pendek yaitu L sebesar 13,57 meter, jikadibandingkan dari pengujian sebelumnyadiperoleh AP yang [ebih rendah yaitu sebesar 24kPa. Hasil AP ini cukup baik karena berada padadaerah aman atau daerah yang diijinkan untuksuatu alat perpindahan panas yaitu AP < 34 kPa.Sementara dari hasil literatur sebelumnyadiperoleh AP yang kurang baik karena beradapada daerah yang tidak aman > 34 kPa yaitusebesar 36 kPa.

Analisis DataSalah satu parameter dari kinerja-4irconditionerWater Heatq (AWH) yaitu menghasilkan airpanas dalam waktu yang rekitif cepat, danmenghasilkan penurunan tekanan (AP) padadaerah yang aman atau < 34 kPa. Optimalisasikinerja AWH dilakukan dengan mengaturdimensi pipa pemanas airyaitu panjang pipa (L).Pengaturan panjang pipa (L) menggunakanmetode perhitungan berdasarkan prinsif-prinsifperpindahan panas dan dilakukan secaru trialand error karena data awal perhitunganmemakai data spesifikasi alat dan.beberapaasumsi-asumsi. Untuk dapat mengetahui apakahpengaturan panjang pipa (L) dengan metodeperhitungan tersebut menghasilkan kinerja yangbaik atau tidak maka dilakukan penguiian alat.Hasil dari pengujian kemudian dibandingkandengan data dari literaturdan data perhitungan.

Grallk Temper.!urvs waktu Pemanas.n

zt!

Gambar.4 Grafik T air vs Waktu Pemanasan

\t20

l,o

l.0 1!0 r,o r70

Jurnal reknik Encrgi, \b1.2 , No.l, April2012

Pada Gambar 4 yaitu grafik yang menunjukkantemperatur pemanasan air terhadap waktu, makapengujian yang dilakukan sebelum dilakukanoptimalisasi dan setelah dilakukan optimalisasiterlihat bahwa untuk mencapai temperaturpemanasan air sampai sebesar 50'Cmemerlukan waktu yang hampir sama. Tetapiuntuk mencapai temperatur pemanasan airsampai 60"C, maka ada selisih waktu sebesar 35

menit.

Gambar 5. Grafik AP vs waktu

Sedangkan pada Gambar 5, yaitugrafik yang menggambarkan antara penurunantekanan (AP) terhadap waktu pemanasan airmaka terlihat bahwa penurunan tekanan sistemAWH pada pengujian setelah dilakukanoptimalisasi relatif lebih stabil dan aman karenaberada pada 22-24 kPa. Tetapi untuk pengujianyang dilakukan sebelumnya penurunan tekananpada sistem terlihat berada pada daerah 30-36kPa. Hal ini rnenunjukkan bahwa pengujiansebelum dilakukan optimalisasi menghasilkanpressure drop pada daerah yang kurang aman.

KESIMPULAN

l. Hasil dari metode perhitungan diketahuipanjang pipa (L) efektif untuk pemanas airsebesar 13,57 meter dengan menghasilkanpressure drop (AP) sebesar 28,41 kPa.Panjang pipa ini lebih pendek 1,43 meterdibandingkan dengan panjang pipa padapenelitian sebelumnya yaitu l5 meterdengan pre s s ure drop 3 6 kJ a.

2. Dari metode perhitungan untuk dapatmemanaskan air dari temperatur lingkungansampai tercapai tenrperatur 60'Cmenerlukanwaktu 2 jam 50 menit.

tssN 2089 - 2527

DAFTARPUSATAKA

Hewitt, G. F., Shires, G. L. Shires, dan Bott, T.

R., Process Heat Transfer. BegellHouse, NewYork, 2000,

Incropera, F. P., Dewitt, D. P., Bergman, T L.,dan Lavine A.5,, Introduction to HeatTransfer,Edisi 5E John Willey & Sons,

NewYork,2007.Jie Ji, Domestic Air Condilioner and Integraled

Water Heater for Subtropical Climate,Journal Applied Thermal Engineering,23 (2003) 58 t - 592. 2003.

Koestoer. R.A, Air Conditioning Waler Heater(ACWII), Raldi Artono Koesloerhtm,2008

Moran, M. J dan H. N. Shapiro, Fzndanentals ofEngineerin g Thermodynamics, Edisi 3,John Willey & Sons, NewYork, 1996.

Ong, K. S., A Technical Nole on Heating andCool ing Using lhe Vapour-C ompressionRefrigerating machine, BuletinInstitution of Engineering Malaysia(rEM), l9es.

P. Techarungpaisan, Modeling ofA Split Type AirConditioner with Integrated ryaterHeater, Mechanical Eng ineeringDepartment, Faculty of Engineering,Khon Kaen University, 123 MittrapabRd., Muang, Khon Kaen 40002,Thailand 2006.

Sinaga, J. 8., Buku Kerja Audit Energi unlukHotel dan Molel dan PemanfaotanEnergi vang Dikeluarkan dariKondensor unluk Pemonason Air, TesisPascasarjana, Teknik Mesin ITB,Bandung,2000.

Tanuwijaya, A.O. Pemanfaatan Ganda MesinPendingin sebogai Pompa Kalor untukPemanasan Air Skala Rumah Tangga,

Tugas Sarjana, Teknik Mesin ITB,Bandung, 2009.

t2t

3. Dari hasil pengujian sistem AWH untukmemanaskan air dari temperatur lingkungansampai tercapai temPeratur 60 'Cmemerlukan waktu 2 jam 45 menit, dan

menghasilkan pressure drop sebesar 24

kPa.4. KinerjaAWH akan optimal jika waktu untuk

memanaskan air kurang dari 3 jam dengan

menghasilkan pressure drop dibawah 34

kPa.

:

:

!

tI

tItt

Ltti

Y

L

t