sistem tata udara dan refrigerasi pada ruang fitness kapal tanker 17500 dwt
Post on 21-Jul-2015
195 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Sistem Tata Udara dan Refrigerasi pada Ruang Fitness
Kapal Tanker
Disusun Oleh:
Ekaprana Daniswara :1106054523
Usman Munandar :1106054536
TEKNIK PERKAPALAN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
2014
Sistem Udara dan Refrigerasi pada Ruang Fitness Kapal Tanker
Untuk mendesain sistem udara dan refrigerasi pada suatu ruangan, diperlukan:
1. Perhitungan Cooling Load pada ruangan tersebut
2. Penentuan siklus udara pada Psychrometric Chart
3. Penentuan siklus refrigerasi menggunakan p-h diagram
4. Penentuan desain ducting ruangan dan friction loss nya
1. Cooling Load
Untuk menentukan cooling load diperlukan data-data mengenai ruangan yang akan
didesain, seperti:
Ukuran Ruangan:
o Panjang = 68.8 feet
o Lebar = 32.8 feet
o Tinggi = 14.76 feet
Temperatur Outdoor:
o Dry bulb = 102 F
o Wet bulb = 82 F
o Humidity = 58%
o Moisture = 145 gr/lb
Temperatur Desain:
o Dry bulb = 77 F
o Wet bulb = 65 F
o Humidity = 50%
o Moisture = 72 gr/lb
Luas Daerah Pembatas:
o Dinding 1 = 213.08 ft2
o Dinding 2 = 451.84 ft2
o Dinding 3 = 309.96 ft2
o Dinding 4 = 484.13 ft2
o Kaca 1 = 96.88 ft2
o Kaca 2 = 32.29 ft2
Berikut adalah layout desain ruangan fitness kami:
Gambar 1: Desain Layout Ruang Fitness.
A. Sensible Heat
Setelah mendapatkan data awal ruangan, kita dapat menghitung internal heat dari solar
gain terhadap daerah pembatas pada ruangan sesuai dengan table references di halaman awal
buku pedoman STU. Untuk menghitung solar gain tersebut dapat menggunakan rumus:
π = π΄ Γ βπ Γ π
Dimana: Q = Solar gain (Btu/h)
A = Luas dinding/kaca
βπ = Selisih dry bulb antara outside dengan design
U = Transmission Coefficient
Untuk menentukan U dapat dilihat berdasarkan literature, disini kami memakai material
mild steel Β½β dan rockwool untuk dinding 1, plywood Β½β dan mildsteel Β½β untuk dinding 2,
mildsteel Β½β dan rockwool untuk dinding 3, dan mildsteel Β½β dan hardwood untuk dinding 4
serta memakai ordinary glass untuk kedua kaca. Maka masing-masing U yang didapat adalah:
Mild steel Β½β = 0.06, Rockwool = 0.25, plywood Β½β = 0.05, Hardwood = 0.08 dan ordinary
glass = 1. Maka Solar Gain melalui dinding dan kaca yang didapat adalah:
Dinding 1
Luas wall 1 = 213.08 ft2
Sun gain or temperature difference (F) = 102 β 77 = 25 F
Factor dari material (mild steel + rockwool) = 0,12 + 0,25 = 0,37
Total solar gain dari wall 1 = 213.08 ft2 x 25 F x 0,37 = 1965.81 Btu/hr
Dinding 2
Luas wall 2 = 451.84 ft2
Sun gain or temperature difference (F) = 102 β 77 = 25 F
Factor dari material (plywood Β½β + mild steel Β½β) = 0,05 + 0,06 = 0,11
Total solar gain dari wall 2 = 451.84 ft2 x 25 x 0,11 = 1251.46 Btu/hr
Dinding 3 dan Dinding 4
Jumlah solar transmission gainnya adalah 0, dikarenakan perbedaan suhu dari luar
ruangan yang menghadap wall 3 dan wall 4 adalah 0.
Kaca pada dinding 1
Luas area = 96,88 ft2
Sun gain = 167 (peak solar heat gain thru ordinary glass)
Factor = 1
Total solar & transmission gain dari glass pada wall 1 = 96.88 ft2 x 167 x 1 = 16178.16
Btu/hr
Kaca pada dinding 2
Luas area = 32.29 ft2
Sun gain = 167 (peak solar heat gain thru ordinary glass)
Factor = 1
Total solar & transmission gain dari glass pada wall 1 = 32.29 ft2 x 167 x 1 = 5329.72
Btu/hr
Total solar gain dari kaca dan dinding adalah:
1965.81 Btu/hr + 1251.46 Btu/hr + 0 + 0 + 16178.16 Btu/hr + 5329.72 Btu/hr =
24788.15 Btu/hr
Setelah mendapat internal heat dari solar gain dari dinding dan kaca, kita dapat menghitung
internal heat yang dihasilkan oleh orang-orang yang beraktivitas dalam ruangan tersebut
menggunakan rumus:
πΌππ‘πππππ βπππ‘ ππππ ππππππ = π½π’πππβ πππππ πππππ ππ’πππππ Γ βπππ‘ ππππ (π‘ππππ 48)
Dengan jumlah orang maksimal dalam ruangan tersebut adalah 20 orang, dan aktivitas yang
dilakukan adalah athletics, yang berdasarkan tabel 48 buku pedoman menghasilkan sensible heat
sebesar 210 Btu/Hr, maka internal heat yang dihasilkan dari orang dalam ruangan tersebut adalah :
20 X 210 Btu/Hr = 4200 Btu/Hr
Selanjutnya kita dapat menentukan sensible heat yang dihasilkan dari motor listrik dengan
rumus:
ππππ‘πππ =
(ππ.ππ πππ‘πππ ) Γ οΏ½ΜοΏ½πππ‘ππ Γ πππππ Γ ππ’π πππ
Motor Efficiency
Dengan demikian, perhitungan peralatan yang menghasilkan panas dari motor listrik:
Treadmill
Jumlah = 9 buah
Daya motor = 2 HP
Load Factor = 0.6
Usage Factor = 1
Efficiency = 0.75
Sensible heat = π Γ(π Γπππ) Γπ.π Γ π
π.ππ = 10742.4 Btu/Hr
Training Bycycle
Jumlah = 5 buah
Daya motor = 1.5 HP
Load factor = 0.5
Usage factor = 1
Efficiency = 0.80
Sensible Heat = π Γ(π.π Γπππ) Γπ.π Γ π
π.π = 3496.88 Btu/Hr
Elliptical Trainer
Jumlah = 5 buah
Daya motor = 2 HP
Load factor = 0.6
Usage factor = 1
Efficiency = 0.7
Sensible heat = π Γ(π Γπππ) Γπ.π Γ π
π.π = 6394.29 Btu/Hr
Total Heat gain from Electric Motors:
10742.4 Btu/Hr + 3496.88 Btu/Hr + 6394.29 Btu/Hr = 20633.56 Btu/Hr
Setelah itu kita dapat mencari sensible heat yang dikeluarkan lampu menggunakan tabel
49 buku pedoman STU. Karena kami menggunakan lampu fluorescent, maka rumus yang
digunakan dalam perhitungan ini:
π»πππ‘ ππππ ππππ πππβπ‘π = πππ‘ππ πππβπ‘ πππ‘π‘π Γ 1.25 Γ 3.4
Sensible heat gain dari lampu:
Jumlah lampu = 4
Daya lampu = 20 Watts
Factor = 1.25 X 3.4
Sensible Heat = π Γ ππ πΎππππ Γ π. ππ Γ π.π = ππππ π©ππ/π―π
Setelah mendapat sensible heat dari lampu, kita dapat melanjutkan perhitungan cooling
load kita dengan menghitung sensible heat yang dikeluarkan oleh peralatan dalam ruangan.
Rumus yang dipakai adalah:
π»πππ‘ πΊπππ ππππ π΄πππππππππ = ππ’πππ‘ππ‘π¦ Γ π»πππ‘ ππππ (πππππ 52)
Karena beberapa Appliances tidak tercantum pada buku pedoman STU, kami
mendapatkan heat gain peralatan tersebut dari tabel 8 ASHRAE Fundamentals Handbook
1997, sehingga didapat:
Refigerator
Jumlah = 1
Sensible heat (tabel8 ASHRAE Fundamentals Handbook 1997) = 1057.76
Btu/Hr
Heat gain = 1 X 1057.76 Btu/Hr = 1057.76 Btu/Hr
Dispenser
Jumlah = 2
Sensible heat (tabel9 ASHRAE Fundamentals Handbook 1997) = 3582.75
Btu/Hr
Heat gain = 2 X 3582.75 Btu/Hr = 7165.50 Btu/Hr
Total Heat Gain:
1057.76 Btu/Hr + 7165.50 Btu/Hr = 8223.26 Btu/Hr
Setelah itu kita dapat menghitung Outdoor Air untuk menghitung effective Sensible
Heat dari ruangan dengan rumus:
ππ’π‘ππππ π΄ππ = π πππ πΌπππππ‘πππ‘πππ + ππππππ πΌπππππ‘πππ‘πππ + π·πππ πΌπππππ‘πππ‘πππ
Room Infiltration:
Volume Ruangan = 945 ft2
Air change = 0.3
Waktu = 60 detik
Room infiltration = πππ πππ Γπ.π
ππ π ππππ = 4.73 cfm
People Infiltration:
Jumlah People = 20
Factor = 12
People Infiltration = ππ Γ ππ = πππ πππ
Door Infiltration:
Luas Pintu = 20.91 ft
Average Use = 10
Door Infiltration = ππ.ππ ππ Γ ππ = πππ.π πππ
Total Infiltration:
4.73 cfm + 240 cfm + 20.91 cfm = 513.83 cfm
Internal heat total yang di dapat adalah:
24788.15 Btu/Hr + 34212.82 Btu/Hr = 59000.97 Btu/Hr
Dikalikan dengan safety factor sebesar 0.2 sehingga didapat 1180.02 Btu/Hr
Maka Room Sensible Heat yang didapat adalah 60180.99 Btu/Hr
Effective Room Sensible Heat:
Rumus didapat pada tabel referensi awal buku pedoman STU:
(π ππ» Γ ππ’ππππ¦ ππ’ππ‘ βπππ‘ πππ π ) + (ππ’π‘ππππ πππ Γ ππππ π‘π’ππ ππππ‘πππ‘
Γ 1.08 Γ π΅πΉ
ERSH yang didapat = (60180.99 Btu/Hr X 0.2) + (513.83 cfm X 25 Gr/Ls X
1.08 X 0.05 = 6711.76 Btu/Hr
B. Latent Heat
Latent Heat adalah Energi yang dilepaskan atau diserap oleh suatu struktur atau sistem
termodinamika saat proses mengalami temperatur yang konstan, contohnya adalah
mencairnya es pada titik 0o C dan juga proses mendidihnya air pada 100o C. Kita dapat
mengawali proses penghitungan dari latent heat pada ruangan ini dengan menghitung Latent
heat yang dihasilkan oleh orang-orang yang berada di ruangan dengan rumus:
πΏππ‘πππ‘ π»πππ‘ ππππ ππππππ = ππ. ππ ππππππ Γ π»πππ‘ ππππ (π‘ππππ 48)
*Nilai Heat gain dari people dapat dilihat dari table 48 buku pedoman STU
Latent Heat from People:
Jumlah = 20
Heat gain (table 48) = 315 Btu/hr
Latent heat from people = ππ Γ πππ = ππππ π©ππ/π―π
Setelah itu kita dapat menghitung latent heat yang didapat dari peralatan yang ada
didalam ruangan tersebut dengan menggunakan rumus:
πΏππ‘πππ‘ π»πππ‘ ππππ π΄πππππππππ = ππ. ππ π΄πππππππππ Γ π»πππ‘ πΊπππ (π‘ππππ 52)
*Nilai Heat gain dari people dapat dilihat dari table 52 buku pedoman STU
Karena beberapa Appliances tidak tercantum pada buku pedoman STU, kami
mendapatkan heat gain peralatan tersebut dari tabel 8 ASHRAE Fundamentals Handbook
1997, sehingga didapat:
Refrigerator:
Jumlah = 1
Sensible heat (tabel8 ASHRAE Fundamentals Handbook 1997) = 0 Btu/Hr
Heat gain = 1 X 0 Btu/Hr = 0 Btu/Hr
Dispenser:
Jumlah = 2
Sensible heat (tabel8 ASHRAE Fundamentals Handbook 1997) = 1535.46
Btu/Hr
Heat gain = 2 X 1535.46 Btu/Hr = 3070.93 Btu/Hr
Heat Gain from Appliances:
0 Btu/Hr + 3070.93 Btu/Hr = 3070.93 Btu/Hr
Setelah mendapatkan Latent Heat from Appliances, maka kita dapat mencari dan
menghitung Latent heat dari infiltrasi, yang dapat dihitung dengan rumus:
πΏππ‘πππ‘ π»πππ‘ ππππ ππππππ‘πππ‘πππ = ππ’π‘ππππ πππ Γ ππππ π‘π’ππ ππππ‘πππ‘ Γ 0.68
Latent Heat from Infiltration:
πππ.ππ πππ Γ πππ Γ π. ππ = ππππ.ππ π©ππ/π―π
Subtotal Latent Heat:
6300 Btu/Hr + 3070.93 Btu/Hr + 8735.03 Btu/Hr = 14365.49 Btu/Hr
Safety Factor:
External piping factor = 0.2
Safety factor = 14365.39 Btu/Hr X 0.2 = 287.31 Btu/Hr
Room Latent Heat:
Subtotal + Safety Factor
= 14365.49 Btu/Hr + 287.31 Btu/Hr = 14652.80 Btu/Hr
Effective Room Latent Heat
Rumus didapat pada tabel referensi awal buku pedoman STU:
(π πΏπ» Γ ππ’ππππ¦ ππ’ππ‘ βπππ‘ πππ π ) + (ππ’π‘ππππ πππ Γ ππππ π‘π’ππ ππππ‘πππ‘
Γ 0.68 Γ π΅πΉ
ERLH yang didapat = (14652.80 Btu/Hr X 0.2) + (513.83 cfm X 25 Gr/Ls X
0.68 X 0.05) = 8591.33 Btu/Hr
C. Outdoor Air Heat
Sensible:
ππ’π‘ππππ πππ Γ βπ Γ (1 β π΅πΉ) Γ 1.08
Rumus 1 β BF didapat pada halaman 121 Buku pedoman STU:
1 β π΅πΉ = π‘πππ β π‘πππ
π‘πππ β π‘πππ
1 β BF = 0.44
Maka Sensible Outdoor Air Heat yang didapat:
513.83 cfm X (102 F β 75 F) X 1.08 X 0.44 = 6165.90 Btu/Hr
Latent:
ππ’π‘ππππ πππ Γ βππππ π‘π’ππ πΆπππ‘πππ‘ Γ (1 β π΅πΉ) Γ 0.68
Maka Latent Outdoor Air Heat yang didapat:
513.83 cfm X (145 Gr/Ls β 72 Gr/Ls) X 0.44 X 0.68 = 11336.12 Btu/Hr
Total Outdoor Air Heat:
6165.90 Btu/Hr + 11336.12 Btu/Hr = 17502.02 Btu/Hr
D. Grand Total Heat
Grand Total Heat adalah jumlah dari Room Sensible Heat + Room Latent Heat +
Outdoor Air Heat, yang didapatkan dari perhitungan sebelumnya. Maka Grand Total Heat
yang diperoleh pada perhitungan ruang fitness ini adalah:
Room Sensible Heat = 60180.99 Btu/Hr
Room Latent Heat = 14652.80 Btu/Hr
Outdoor Air Heat = 17502.02 Btu/Hr
Grand Total Heat = 92335.81 Btu/Hr
2. PSYCHROMETRIC CHART
RSHF = π ππ»
π ππ» +π πΏπ» =
60180,99
60180,99+14652,80 = 0,80
GSHF = πππ»
ππΏπ» +πππ» =
66892,75
22951,07+66892,75 = 0,62
ESHF = πΈπ ππ»
πΈπ ππ»+πΈπ πΏπ» =
66892,75
66892,75+22951,07 = 0,74
Summer design : dry bulb = 102 F ; wet bulb = 77 F
Room design : dry bulb = 70 F ; web bulb = 58,5
Dari tabel 65 chapter 6, diketahui untuk room condition db 70 F dan wb 58,5, relative
humidity 50%, ESHF 0,74, maka apparatus dewpoint-nya adalah 41. Sehingga diperoleh
grafik psychrometric sebagai berikut,
Gambar 2: Psychrometric Chart Desain Ruangan
3. P-H Diagram
Gambar 3: P-h Diagram Desain
Q evaporator dari beban refrigerasi = 107345,85 Btu/hr = 31,46 kW
Nilai properties yang diperoleh dari coolpack:
h1 = 405,64
h2 = 417,30
h3 = h4 = 253,18
Perhitungan οΏ½ΜοΏ½ dari persamaan evaporator
Qevap = οΏ½ΜοΏ½ . (β1 β β4)
οΏ½ΜοΏ½ = πππ£ππ
(β1ββ4) =
31,46ππ
(405,64 β 253,18) = 0,206 kg/s
Wkom = οΏ½ΜοΏ½ . (β2 β β1)
= 0,206 . (417,30 β 405,64) = 2,406 kW = 2406 W
Menghitung daya condenser dapat dihitung dengan menjumlahkan daya compressor
yang dibutuhkan dengan Qevap atau dapat dihitung dengan mengalikan laju aliran refrigerant
dengan perbedaan enthalpy yang terjadi di condenser yakni titik 2-3.
Qcon = οΏ½ΜοΏ½ . (β2 β β3)
= οΏ½ΜοΏ½ . (β1 β β4) + οΏ½ΜοΏ½. (β2 β β1)
= Q evap + Wkom
= 31,46 kW + 2,406 kW = 33,866 kW
Menghitung COP (Coefficient of Performance) yakni
COP = output tujuan / kerja yang dibutuhkan
= Qevap/Wkom
= 31,46/2,406 = 13,07
4. Air Duct Design
Dalam menentukan Duct Design, kita memerlukan total air quantity yang berasal dari
perhitungan cooling load. Total air quantity yang didapat dari perhitungan cooling load
adalah 513.83 cfm. Setelah itu, kita dapat mencari duct velocity dari table 7 chapter 2 buku
pedoman STU. Didapat Duct velocity dari ruang fitness adalah sebesar 2000 FPM.
Setelah duct velocity didapat, maka kita dapat menentukan duct area yang diinginkan
dengan menggunakan rumus:
Duct area = πππ‘ππ πππ ππ’πππ‘ππ‘π¦
π·π’ππ‘ π£ππππππ‘π¦
= 513.83 πππ
2000 πππ = 0.26 sq ft.
Karena disini duct area terlalu kecil, maka kami menggunakan duct dengan bentuk
round, yang dapat ditentukan diameternya dengan rumus:
Duct area = π π2
0.26 = 3.14 Γ π2
π2 = 0.26
3.14
r = 0.29 ft
maka diameter yang didapat adalah 2 Γ π = 0.57 ft, yang harus di konversi menjadi
satuan inch agar sesuai dengan satuan yang ada di table, sehingga didapat diameter duct 6.86
inch.
Setelah didapat diameter duct, kita dapat mencari initial friction dari sistem duct ruang
fitness dengan cara melihat Chart 7 β Friction Loss for Round Duct pada buku pedoman STU,
sehingga didapat friction loss sebesar 0.94 in wg per 100 feet.
Chart 1 : Friction Loss for Round Duct
Setelah itu kita menentukan desain dari terminalnya, karena ruang fitness ini tidak
terlalu besar, kami mendesain sistem duct dengan menggunakan 8 terminal. Berikut adalah
skema sederhana sebelum perhitungan desain duct ruangan kami:
Gambar 1: skema sederhana sistem ducting ruangan
Duct section Air quantity cfm capacity duct area area Duct size feet Duct Size (inch)
to A 513.83 100% 100% 0.26 0.57 6.86
a-5 256.91 50% 58% 0.15 0.44 5.23
5-6 192.69 38% 46% 0.12 0.39 4.66
6-7 128.46 25% 33% 0.08 0.33 3.91
7-8 64.23 13% 20% 0.05 0.25 3.03
Duct area dapat dihitung menggunakan Table 13 dan duct size dapat ditentukan dengan
melihat table 6 pada buku pedoman STU. Berikut hasil perhitungan pada sistem duct kami:
*percent of cfm = πππ ππ’πππ‘ππ‘π¦ ππ ππ’ππ‘ π πππ‘πππ
π‘ππ‘ππ πππ ππ’πππ‘ππ‘π¦
*duct area = percent of area times initial duct area (fan to duct A)
*duct size didapat dengan menggunakan rumus luas lingkaran yang akan menghasilkan
diameter dari duct.
Setelah menentukan luas dari duct tersebut, kita dapat menentukan panjang dari
masing-masing duct dan panjang dari elbow dengan melihat tab le 9 dan 11, karena kami
memakai round duct. Berikut adalah hasil perhitungan kami:
duct section item length (feet) add equivalent length
to A duct 6.86
elbow 6.86
A-5 duct 6.86
elbow 5.23
5-6 duct 6.86
6-7 duct 6.86
7-8 duct 6.86
total 34.30 12.09 46.39
Setelah mendapat panjang total dari ducting, maka total friction loss dapat dihitung
dengan rumus berikut:
πππ π = π‘ππ‘ππ πππ’ππ£πππππ‘ πππππ‘β Γ πππππ‘πππ πππ‘π
= 46.39 ππ‘ Γ145 ππ.π€π
100 ππ‘= 0.44 ππ. π€π
Sehingga dapat ditentukan desain dari duct kami sebagai berikut:
Gambar 2: Desain Layout Ducting
Setelah itu kita dapat menentukan total static pressure dengan mencari besar regain
yang dihasilkan, dengan rumus:
π πππππ = ππππππ πππππππππππ‘ Γ [(π£ππππππ‘π¦ ππ ππππ‘πππ π πππ‘πππ
4000)
2
β (π£ππππππ‘π¦ ππ πππ π‘ π πππ‘πππ
4000)
2
]
dengan menggunakan regain coefficient 75%, maka didapat =
π πππππ = 0.75 Γ [(2000
4000)
2
β (1282.09
4000)
2
] = 0.11 ππ π€π
Sehingga dapat dihitung total static pressure dengan rumus:
πππ‘ππ ππ‘ππ‘ππ ππππ π π’ππ = ππ’ππ‘ πππππ‘πππ + π‘πππππππ ππππ π π’ππ β ππππππ
= 0.44 + 0.15 β 0.11
= 0.48 in. wg
= 119.56 pa
KESIMPULAN
Ruang fitness memerlukan suhu udara yang sejuk untuk kenyamanan orang yang ada di
dalamnya ketika berolahraga. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan beban pendinginan
untuk mendinginkan ruangan. Sistem refrigerasi menggunakan R-134a sebagai refrigeran.
Menurut perhitungan yang telah kami lakukan, beban pendinginan yang diperoleh adalah
sebesar 31,46 kW. Daya kompressor yang dibutuhkan untuk sistem ini adalah 2,406 kW dan
COP sebesar 13,07
DAFTAR PUSTAKA
2006 ASHRAE HANDBOOK REFRIGERATION (SI)
1997 ASHRAE FUNDAMENTALS HANDBOOK (SI)
Moran, Michael J and Howard N. Shapiro. 2006. Fundamentals of Engineering
Thermodynamics Fifth Edition. England: John Wiley & Sons Ltd
top related