Refrigeration Cooling Load

Oleh : Windy Hermawan Mitrakusuma

Teknik Refrigerasi dan Tata UdaraPoliteknik Negeri Bandung

WHM-2017

Definisi : Refrigerasi

Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan panas/kalor dari suatu benda/ruangan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya.

Refrigerasi akan selalu berhubungan proses-proses aliran dan perpindahan panas.

Dibutuhkan dasar pengetahuan Perpindahan Panas dan termodinamika.

WHM-2017

Sistem Refrigerasi Cold Storage

Qe

QkW

WHM-2017

Design : Basic Parameter

1. Temperatur / RH lingkungan

2. Produk yang akan disimpan Jenis

Jumlah / kuantitas MAKSIMUM

3. Kondisi penyimpanan Temperatur dan RH disain ruangan (atas dasar produk yang disimpan)

4. Ukuran ruangan (Cold Storage)

5. Identifikasi peralatan yang ada dalam ruangan

6. Jumlah orang dalam ruangan

WHM-2017

Remark

1. Load Temperature, asumsi : - 15 ⁰C untuk Freezer dan 10 ⁰C untuk Chiller

2. Daily Load : Produk masuk harian.

3. Cooling Time = pull down time = waktu penurunan temperatur.

4. Jarak Outdoor ke Cold Storage, akan menentukan drop tekanan dan beban (kenaikan daya) kompresor

WHM-2017

Parameter yang ditentukan (1)

1. Maximum Quantity of Product atau Size Cold Storage Maximum Capacity : 1/3 volume p y / Maximum Capacity : ¼ volume (jika ada forklift) Khusus Blast Freezer : 1/12 volume

2. Ketebalan Insulasi 60 mm = positive temperature (> 0°C) 80 mm = positive and negative temperature (> - 20°C) 100 mm = positive and negative temperature (> - 25°C) 140 mm = negative temperature (> - 35°C)

3. Load Temperature asumsi : -15 ⁰C untuk Freezer -10 ⁰C untuk Chiller

WHM-2017

Parameter yang ditentukan (2)

4. Daily Load, asumsi : 10 % dari Maximum Capacity

5. Cooling Time = pulldown time, asumsi : 6 jam

6. Tentukan ΔT, asumsi : 6 – 7 ⁰K (sesuaikan dengan RH

ruangan)

7. Evaporating Temperature : Room Temperature – ΔT

8. Condensing Temperature : 45 ⁰C

9. Jumlah Orang, asumsi : 2-orang tergantung besar

ruangan

10.Jarak Outdoor ke Cold Storage, asumsi : 20 meter

WHM-2017

Sumber Kalor Pada Cold Storage

15

417

mm

.

Tlingkungan

Tkabin

WHM-2017

Cooling Load ParameterA. Transmition Loss

B. Beban Sensible atau Laten dari produk dan beban respirasi bila produk adalah sayuran/buah-buahan.

C. Infiltration, rekomendasi ACF (air Change Factor) : 9

D. Beban dari pekerja di ruangan

E. Beban dari peralatan (atau lain-lain)

WHM-2017

A. Beban Transmisi

Disebut juga sebagai bocoran kalor melaui dinding cold storage.

Terjadi karena beda temperatur antara ruang yang didinginkan dengan lingkungannya

Bergantung pada :

jenis isolasi yang digunakan

luas / dimensi cold storage

Beda temperatur ruang – lingkungan

WHM-2017

Contoh Panel Cold Storage

WHM-2017

Minimum Ketebalan insulasi

Walk in Cooler

Walk in Freezer

WHM-2017

Minimum Ketebalan Panel Insulasi

Cold Room Cold Room Storage

Temperature

Panel Thickness

(mm)

Walk in Cooler ≥ 5 ℃ 50

Walk in Cooler ≥ -5 ℃ 75

Walk in Freezer ≥ -25 ℃ 100

Walk in Freezer ≥ -45 ℃ 150

WHM-2017

Transmisi kalor melalui dinding

22

2

1

1

1

1.....

11

hk

L

k

L

k

L

hU n

n

TUAq D

21

111

hk

L

hU

Hot air Cold air

T1

T2 T3T4

L

q1 q2 q3

h1

kh2

AhkA

L

Ah

TTq

21

41

11

Untuk isolasi MultiLayer

WHM-2017

Nilai Konduktivitas termal berbagai bahan isolasi

WHM-2017

Koefisien Konveksi

Koefisien konveksi permukaan di udara (h)

UdaraKoefisien konveksi

(W/m2.K)

Diam 9.37

Bergerak kecepatan rendah 22.70

Bergerak kecepatan tinggi 34.10

WHM-2017

Contoh 1

22

2

1

1

1

1.....

11

hk

L

k

L

k

L

hU n

n

DindingL

(mm)K

(W/m.K)C

(W/m.K)

Cement Plester 10 0.72 75.5

Clay Tile 100 5.11

Polyuretane 125 0.023

Asphalt 12.7 3.92

Plat 2 45.3

249.7

koefisien perpindahan panas = 0.1652

7.22

1

3.45

002.0

92.3

1

11.5

1

023.0

125.0

5.75

1

37.9

1

1

U

Suatu dinding terdiri dari berbagai jenis bahan seperti ditunjukkan pada tabel di samping. Tentukan besarnya nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh, U, pada kasus tersebut

U = 0.1652 W/m2K

WHM-2017

Contoh 2 Estimasi besarnya nilai U (overall heat transfer coefficient)

untuk panel yang terbuat dari polyurethane dengan tebal 10 cm.

Jawab :

L

k

hk

L

h

U

21

11

1

Dari tabel didapat k = 0,024,Tahanan thermal pelat pelapis luar panel diabaikan (karena k-nya besar)Koefisien konveksi (anggap udara diam) h = 9.37.Sehingga dari persamaan sebelumnya diperoleh:

Diperoleh U = 0,024 / 0.1 = 0,24 W/m2K

23.0

37.9

1

024.0

1.0

37.9

1

1

11

1

21

hk

L

h

U W/m2K

Bila h diabaikan

WHM-2017

Contoh Nilai Overall Heat Transfer Coefficient

WHM-2017

Contoh 3

Perkirakan beban kalor dari suatu dinding panel poliurethan berukuran 8 m x 4 m, bila harus mempertahankan temperatur kabin sebesar -15 oC, sedangkan kondisi di luar ruangan / lingkungan adalah 33 oC.

WHM-2017

B. Beban Produk

Produk masuk/dimasukan akan membawa kalor/panas, yang akan menjadi beban pendinginan mesin, terutama bila temperatur produk masuk lebih besar dari temperatur ruangan.

Beban produk terbagi atas: beban sensibel dan beban laten.

WHM-2017

Kalor yang harus diambil dari Produk

Beban sensibel : beban kalor produk yang diakibatkan dari perubahan temperatur produk.

TCpmQs D

Beban Laten : beban kalor produk akibat proses pembekuan produk.

LmQL

m : jumlah produkCp : kalor spesifik produkDT : Penurunan Temperatur Produk

m : jumlah produkL : kalor laten produk

WHM-2017

Kalor Produk dengan perubahan Fasa

Cpbf : Kalor Spesifik sebelum bekuCpaf : Kalor spesifik setelah bekuTf : Titik beku produkT1 : Temperatur awal produkT2 : Temperatur akhir produk

fbfbf TTCpmQ 1

2TTCpmQ fafaf

LmQL

afLbfp QQQQ

Beban kalor di atas titik beku

Beban kalor pembekuan

Beban kalor di dibawah titik beku

Beban kalor TOTAL produk

WHM-2017

Beban Kalor Produk

Temperatur produk, harus diturunkan dalam waktu CT (chilling Time) atau sering disebut dengan Pulldown Time.

Beban kalor Produk qp adalah Kalor yang harus dibuang dari produk dibagi dengan waktu pendinginan

3600Time Chilling3600Time Chilling

Qp

afLbf

p

QQQq

Chilling time = Pulldown time = waktu pendinginan produk, bila tidak ditentukan, asumsikan 6 jam

WHM-2017

Data Produk

WHM-2017

Data Produk

WHM-2017

Data Produk

WHM-2017

Beban Kalor Respirasi

Metabolisma makhluk hidup akan menghasilkan energi/kalor/panas.

Produk sayur dan buah, walaupun telah dipanen, masih menghasilkan kalor respirasi.

Beban kalor respirasi adalah :

RespirasiKalor mQrp

WHM-2017

Kalor Respirasi

WHM-2017

Contoh 4 Apel pada 30 oC sebanyak 5400 kg masuk didinginkan dalam ruangan

pendingin (suhu 2 oC). Hitunglah beban tambahan dalam ruang pendingin yang diakibatkan oleh apel tersebut, bila apel harus dingin dalam waktu 12 jam.

Jawab:

n

TCpmQ

apel

Apel3600

D

RespirasiKalor mQrp

Beban kalor untuk mendinginkan :

81015.05400 rpQ W

13.335

360012

23081,35400 QApel

kW

Jadi Beban kalor tambahan akibat apel tersebut : 13.416 kW

WHM-2017

C. Beban Kalor Infiltrasi

Beban kalor yang diakibatkan adanya udara masuk/menyusup (infiltrate) melalui celah atau pintu yang terbuka.

Beban Kalor infiltrasi sangat dipengaruhi oleh beda temperatur serta kelembaban udara antara di dalam dan di luar ruangan

WHM-2017

Infiltrasi udara karena perbedaan temperatur

WHM-2017

Kalor Infiltrasi - 1

EDqDq ftt 1

Besar Kalor infiltrasi ditentukan oleh:

qt = average heat gain for the 24 h or other period, kW

q = sensible and latent refrigeration load for fully established flow, kW

Dt = doorway open-time factor

Df = doorway flow factor

E = effectiveness of doorway protective device

WHM-2017

Kalor infiltrasi (sensibel + laten)

m

r

irri FgHhhAq

5.0

5.0

1211.0

q = sensible and latent refrigeration load, kW

A = doorway area, m2

hi = enthalpy of infiltration air, kJ/kg

hr = enthalpy of refrigerated air, kJ/kg

ρi = density of infiltration air, kg/m3

ρr = density of refrigerated air, kg/m3

g = gravitational constant = 9.81 m/s2H = doorway height, mFm = density factor

Cara 1 :

5.1

3/1/1

2

ir

mF

WHM-2017

Kalor infiltrasi (sensibel + laten)

q = sensible and latent refrigeration load, kW

Qs /A = sensible heat load of infiltration air per square metre of doorway

opening as read from Figure 5, kW/m2

W = doorway width, m

Rs = sensible heat ratio of the infiltration air heat gain, from Table 8 or 9 (or

from a psychrometric chart)

Cara 2 :

s

s

RA

QWHq

1577.0 5.1

WHM-2017

Penentuan Qs/A

WHM-2017

WHM-2017

Faktor Bukaan Pintu (Doorway open time factor)

d

op

t

PD

3600

60

Dt = decimal portion of time doorway is open

P = number of doorway passages

θp = door open-close time, seconds per passage

θo = time door simply stands open, min

θd = daily (or other) time period, h

θp for conventional pull-cord-operated doors = 15 to 25 s per passage.

θp for high-speed doors = 3 to 10 s, although it can be as low as 3 s.

WHM-2017

Faktor Aliran Pintu (Doorway flow factor) dan Efektivitas bukaan pintu

Faktor Aliran Pintu Df

Df = 1,0 untuk pintu terbuka tanpa hambatan/penghalang.

Df = 1,1 untuk beda temperatur lebih kecil dari 11 oC.

Df = 0,8 untuk beda temperatur lebih besar dari 11 oC.

Faktor Efektifitas bukaan Pintu

E = 0,85 - 0,95 untuk freezer

E = 0,90 - 0,95 untuk Cooler

E = 0,70 untuk pintu dengan tirai udara (air curtain)

E = 0,00 untuk pintu yang terbuka penuh

WHM-2017

Contoh 5

Suatu pintu (2 meter x 2 meter) dengan tirai udara pada cold storage terbuka saat pemasukan produk. Temperatur dan RH untuk kabin adalah 5 oC / 90 %RH dan lingkungan 30 oC / 60 %RH. Tentukan besar beban kalor infiltrasi bila pintu terbuka selama 2 jam. (abaikan faktor waktu buka tutup pintu)

17,0

243600

60260

3600

60

d

op

t

PD

Df = 0,8

Dari gambar Qs/A = 10 kW/m2 EDqDq ftt 1

s

s

RA

QWHq

1577.0 5.1

E = 0,70 Rs = 0,48

q = 0.577 x 2 x 21.5 x 10 x (1/0.48) = 68 kW

qt = 68 x 0,17 x 0,8 x (1-0,7) = 2,77 kW

WHM-2017

D. Orang di dalam Ruangan

Manusia akan memberikan beban pendinginan sesuai dengan aktifitas yang dilakukannya.

Besar beban kalor dihitung berdasarkan persamaan berikut, dimana t adalah temperatur ruang dingin.

Bila orang keluar masuk cukup sering, maka besar kalor qp harus dikalikan dengan 1,25

tqp 6272

WHM-2017

Kalor ekivalen orang di ruangan

t = tempratur ruang penyimpananqp dikalikan 1,25 bila orang sering keuar masuk

WHM-2017

Contoh 6

Terdapat 5 orang pekerja (selama 2 jam sehari) dalam ruangan, perkirakan beban kalor yang timbul akibat 5 orang tersebut sering keluar masuk ruangan pendingin yang bertemperatur -20 oC.

jawab

Dari Tabel diperoleh data 390 W/orang. Karena sering keluar masuk, maka digunakan faktor pengali sebesar 1.25.Jadi :

qp = 5 x 390 x 1,25 x 2 / 24 = 0,203 kW

WHM-2017

E. Beban kalor peralatan1. Peralatan didalam ruangan yang dapat menghasilkan

kalor antara lain: motor, lampu, pemanas.2. Beban kalor dihitung berdasarkan daya dari peralatan

tersebut dikalikan dengan faktor pengali.3. Beban dari heater pintu, asumsi : 30 W per m keliling

pintu4. Beban dari heater drain dan defrost

Chiller : 2 % dari cooling capacity Freezer : 3 % dari cooling capacity Blast : diabaikan

5. Beban dari blower fan, asumsi : Chiller : 3 % dari cooling capacity Freezer : 5 % dari cooling capacity Blast : 8 % dari cooling capacity

WHM-2017

Heat Equivalent of Electric Motors

Motor Rating (kW Output)

Motor Eficiency

(%)

Multiplying Factor

Connected Load in Ref.

Space

Motor Losses

Outside Ref. Space

Connected Load

Outside Ref. Space

0,1 - 0,5 33.3 1.7 1.0 0.7

0,5 - 2,0 55.0 1.5 1.0 0.5

2,0 - 15,0 85.0 1.2 1.0 0.2

WHM-2017

WHM-2017

Beban Kalor Peralatan lainnya

jam 24

penggunaan Jam alat Daya mq

Contoh misalkan 12 lampu, dengan daya masing-masing 100 Watt, hidup selama 2 jam selama pemasukan produk. Maka beban kalor akibat lampu adalah :

qm = 12 x 100 x 2 / 24 = 100 Watt.

WHM-2017

BEBAN KALOR TOTAL

Beban kalor total adalah JUMLAH dari:

Beban kalor Transmisi, Qt

Beban kalor Produk, Qpr

Beban kalor Infiltrasi, Qi

Beban kalor Orang/manusia, Qp

Beban kalor lain-lain, Qm

Faktor Safety, biasanya digunakan sebesar 10 %

mpiprt QQQQQQ

%101factorSafety QQQQtotal

WHM-2017

Operating Time = Running Time

Running time (RT) adalah waktu yang mana sistem pendingin ON dan menghasilkan efek pendinginan dalam 24 jam.

Sistem tidak selamanya ON, karena berbagai hal : Waktu defrost harus dilakukan

Waktu pendinginan tercapai

Pressurestat bekerja dll.

Besar running time (RT), biasanya disadarkan kepada metoda defrost yang digunakan: RT = 16 jam, bila off cycle defrost

RT = 18 – 22 jam, bila sistem defrost menggunakan electric defrost atau hotgas defrost.

WHM-2017

Kapasitas mesin yang dibutuhkan

Qcc adalah Cooling Capacity (Kapasitas Pendinginan) dari mesin yang dibutuhkan.

Kapasitas mesin ini merupakan ukuran untuk memilih peralatan.

Semakin besar RT, semakin kecil kapasitas pendinginan mesin. Konsekuensinya, mesin makin lama hidup (ON) dalam 24 jam.

RT

QQ total

cc

24

WHM-2017

Cara Pintas(Short cuts):

Room Volume (m3)

ServiceLong Term

StorageAverage Heavy

0.6 3.63 3.97

0.85 2.56 3.57

1.5 1.77 2.76

2 1.44 2.24

3 1.25 1.96

6 1.07 1.72

8.5 1.01 1.61

11 0.96 1.52

14 0.94 1.45

17 0.91 1.44

23 0.86 1.37

28 0.85 1.30

34 0.77 1.23

43 0.71 1.16

57 0.65 0.60

85 0.58 0.45

140 0.31

200 0.24

280 0.19

560 0.16

1400 0.14

2100 0.14

2800 0.13

TDUFQ intint V

Untuk menghitung beban di dalam ruangan, dapat pula digunakan cara pintas, yaitu dengan mengalikan Volume dalam efektif (interior) dengan faktor penggunaan (UF, Usage Factor) dan Beda Temperatur Rungan dengan lingkungan.

Qint = Beban di dalam ruangan

Vint = Volume interior ColdStorage

UF = Usage Factor, lihat tabel

TD = Beda temperatur luar dan dalam

ColdStorage

Untuk mendapatkan beban total, beban ini harus ditambahkan dengan beban transmisi

WHM-2017

Contoh 7

Ruangan dgn ukuran 6 m x 4 m x 3.4 m, mempunyai tebal isolasi 200 mm. Temperatur luar adalah 30 oC dan temperatur ruangan 5 oC. Mesin didisain dengan running time 16 jam. Tentukan kapasitas mesin yang harus digunakan, bila beban transmisi melalui dinding adalah 0,899 kW.

Jawab

Ruangan mempunyai volume dalam sebesar = 5,6 x 3,6 x 3 m3 = 60,5 m3

Dari tabel di atas diperoleh dengan interpolasi UF = 0,642 W/m3K

Beban interior Qint =60,5 m3 x 0,642 W/m3K x (30-5)K = 971 W = 0,971 kW

Beban Total, Qtotal = 0,899 kW + 0,971 kW = 1,87 kW

kWkW

RT

QQ total

cc 81,216

2487,124

Kapasitas Mesin :

WHM-2017

Program Refrigeration Cooling Load

Program sederhana, tapi cukup baik.Dapat didownload di :

http://k-rp.com/support/design-tools-software/

WHM-2017

Instalasi KeepRite

Buka FOLDER CalcRite

Jalankan program SETUP.EXE, dengan cara men-double click icon setup.exe.

Ikuti perintah berikutnya.

WHM-2017

Pilih Menu “USER INFO”

Isi dengan data yang diperlukan

WHM-2017

Pilih bahasa dan skema warna yang

ingin digunakan

Pilih satuan :Metrik : kg, watt, dll.

Imperial : lb, btu/h, dll

Pilih Menu “PROGRAM

SET-UP”

WHM-2017

Pilih Menu “GENERAL

INFO”

Isi dengan data yang diperlukan

Isi ukuran cold storage

WHM-2017

Bila ingin memulai dari awal, tekan tombol ini

Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing dinding/atap/lantai

Pilih Menu “WALL LOAD

WHM-2017

Pilih Bentuk/layout cold storage Pilih :

Lokasi cold storageTemp. lingkungan

WHM-2017

Isikan data yang diperlukan untuk masing-masing dinding/atap/lantai

WHM-2017

Pilih Menu “INFILTRATION

LOAD”

Pilih Menu “Jenis infiltrasi

yang paling mendekati”

Masukan data yang dibutuhkan

WHM-2017

Pilih Menu “PRODUCT

LOAD”

Isikan data produk yang akan

disimpan dalam Cold Storage

WHM-2017

Pilih Menu “MISC. LOAD”(Beban Lain2)

Isikan penggunaan penerangan

Isikan penggunaan motor

Isikan jumlah orang yang bekerja didalam cold

storage

Isikan jumlah forklifts yang ada

Isikan sumber-sumber panas

lainnya

Perhatikan waktu

penggunaan

WHM-2017

Pilih Menu “SELECT

EQUIPMENT”

Isikan Safety Factor (0-100%)

Besarnya beban pendinginan /

kapsitas mesin yang dibutuhkan

WHM-2017

Contoh - 1

Desain penyimpanan untuk daging sapi sebanyak 5 ton

Lokasi berada di daerah bertemperatur 35oC

Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W

Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam

Ruang penyimpanan -18 oC

Produk masuk ruang pendingin sebesar -10oC

HITUNGLAH, besar beban pendinginan

WHM-2017

Contoh - 2

Desain penyimpanan untuk Tuna sebanyak 5 ton

Lokasi berada di daerah bertemperatur 35oC

Di dalam ruang ada mesin pemotong sebesar 500 W

Ada 2 orang bekerja di dalam ruang selama 2 jam

Ruang penyimpanan -18 oC

Produk masuk ruang pendingin sebesar -10oC

HITUNGLAH, besar beban pendinginan