Upload
buique
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
II-1
BAB II
LANDASAN TEORI
Pendahuluan 2.1
Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor atau panas dari suatu benda atau
ruang tertutup untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari
energi, sehingga mengambil kalor pada suatu benda sama dengan mengambil
sebagian energi dari molekul-molekulnya.
Suatu mesin refrigerasi akan mempunyai tiga sistem terpisah, yaitu:
Sistem refrigerasi.
Sumberdaya untuk menggerakkan kompressor, yang biasanya berupa
motor listrik.
Sistem kontrol untuk menjaga suhu benda atau ruangan seperti yang
diinginkan.
Mesin refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku
(freezer), pendingin buah dan sayuran pada supermarket, mesin pembuat es krim,
mesin pembuat es balok, mesin pembeku daging dan ikan., dan sebagainya.
Peralatan ini bisa dijumpai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala
besar pada aplikasi komersial dan industri. Di samping itu, sistem refrigerasi kompresi
uap juga digunakan pada aplikasi tata udara. Pada aplikasi tata udara untuk hunian
manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC
window dan AC split, sampai dengan skala menengah dan besar seperti packaged
rooftop air conditioner, water-coolled chiler, dan air-cooled chiller.
Siklus Refrigerasi Kompresi Uap 2.2
Siklus mesin refrigerasi kompresi uap adalah sistem refrigerasi yang paling
banyak digunakan pada mesin pendingin, karena sistem refrigerasi ini mempunyai
komponen-komponen yang lebih sederhana jika dibandingkan dengan sistem
refrigerasi yang lain. Komponen – komponen utama yang terdapat pada sistem
refrigerasi kompresi uap adalah: kompresor, kondensor, katup ekspansi atau pipa
kapiler, dan evaporator, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1.
II-2
Kompresor mengisap refrigeran yang diuapkan di dalam evaporator. Uap
refrigeran tersebut kemudian ditekan sampai mencapai tingkat keadaan mudah
diembunkan di dalam kondensor, sehingga refrigerant menjadi cair yang akan menuju
alat katup ekspansi dan kemudian masuk kembali di dalam evaporator.
Proses- proses termodinamika siklus refrigerasi kompresi uap ideal dapat
digambarkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Diagram instalasi mesin pendingin kompresi uap
Gambar 2.2 Diagram proses sistem pendingin kompresi uap
Proses 1-2: Proses kerja kompresi isentropik di dalam kompresor.
Proses 2-3: Proses kondensasi (pengembunan) di dalam kondensor pada tekanan
tetap.
Proses 3-4: Proses penurunan tekanan di dalam pipa kapilar atau katup ekspansi
berlangsung pada entalpi tetap.
Proses 4-1: Proses evaporasi (penguapan) di dalam evaporator pada tekanan tetap
dan dihasilkan efek pendinginan.
II-3
Komponen Utama Mesin Pendingin 2.3
Seperti sudah disebutkan di atas bahwa ada 4 komponen utama dari suatu mesin
pendingin/refrigerasi, yaitu:
1. Evaporator
2. Kompressor
3. Kondenser
4. Alat Ekspansi (Metering Device)
Semua komponen tersebut dihubungkan oleh suatu sistem pemipaan seperti
ditunjukkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Sistem pemipaan pada siklus refrigerasi
Dari gambar di atas terlihat rangkaian pemipaan dari suatu sistem refrigerasi.
Evaporator dihubungkan dengan kompresor melalui saluran isap atau suction line. Dari
kompreor dihubungkan ke kondenser melalui saluran buang atau discharge line.
Kemudian dari kondenser dihubungkan ke katup ekspansi atau expansion valve. Pada
saluran yang menghubungkan antara kondenser dan katup ekspansi biasa di pasang
filter dryer untuk menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan
masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Terakhir katup ekspansi dihubungkan dengan
evaporator.
II-4
2.3.1 Evaporator
Evaporator adalah komponen yang digunakan untuk mengambil kalor dari
ruangan atau suatu benda yang bersentuhan dengannya. Pada evaorator terjadi
pendidihan (boiling) atau penguapan (evaporation), atau perubahan fasa refrigeran
dari cair menjadi uap. Refrigeran umumnya mempunyai titik didih yang rendah.
Sebagai contoh, refrigeran 22 (R22) memiliki titik didih -41 oC. Dengan demikian,
refrigeran mampu menyerap kalor pada temperatur yang sangat rendah.
Gambar 2.4 Evaporator
Evaporator dapat berupa koil telanjang tanpa sirip (bare pope coil), koil bersirip
(finned coil), pelat (plate evaporator), shell and coil, atau shell and tube evaporator.
2.3.2 Kompressor
Kompresor dikenal sebagai “jantung” dari suatu sistem refrigerasi dan
digunakan untuk menghisap dan menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari
evaporator. Bagian pemipaan yang menghubungkan antara evaporator dengan
kompressor dikenal dengan saluran hisap (suction line). Penambahan tekanan uap
denga kompresor ini dimaksudkan agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur
yang relatif tinggi. Refrigeran yang keluar dari kompresor masih berfasa uap dengan
tekanan tinggi. Perbandingan antara absolut tekanan buang (discharge pressure) dan
tekanan isap (suction pressure) disebut dengan rasio kompressi (compression ratio).
II-5
Gambar 2.5 Kompressor
Kompresor pada sistem refrigerasi dapat berupa kompresor torak
(reciprocating compressor), rotary, screw, dan centrifugal. Kompresor yang paling
umum dijumpai dan terdapat dalam berbagai tingkat kapasitas adalah kompresor
torak.
Refrigeran yang masuk ke kompresor harus benar-benar berfasa uap. Adanya
cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring, dan
batang torak.
2.3.3 Kondenser
Gambar 2.6 Kondenser
Kondenser berfungsi untuk mengembunkan atau mengkodensasikan refrigeran
bertekana dan bertemperatur tinggi dari kompresor. Pemipaan yang menghubungkan
II-6
antara kompresor dengan kondenser dikenal dengan saluran buang (discharge line).
Dengan demikian, pada kondenser terjadi perubahan fasa refrigeran dari uap menjadi
cair. Perubahan fasa dari uap ke cair ini selalu disertai dengan pembuangan kalor ke
lingkungan. Pada kondenser berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan
kalor dilakukan ke udara. Pada kondenser berpendingin air (water cooled condenser),
pembuangan kalor dilakukan ke air.
2.3.4 Alat Ekspansi (Metering Device)
Gambar 2.7 Alat ekspansi (Metering Device)
Komponen ini berfungsi memberi catu cairan refrigeran dalam tekanan rendah
evaporator sesuai dengan kebutuhan. Pada alat ekspansi terjadi penurunan tekanan
refrigeran akibat adanya penyempitan aliran. Alat ekspansi dapat berupa pipa kapiler,
katup ekspansi termostatik (TXV, Thermostatic Expansion Valve).
Komponen Pendukung Mesin Pendingin 2.4
2.4.1 Solenoid Valve
Gambar 2.8 Solenoid valve
II-7
Pada sistem refrigerasi, solenoid valve atau katup ekspansi dapat digunakan
untuk menyekat aliran refrigeran pada saat sistem tidak sedang bekerja.
2.4.2 Filter Dryer
Gambar 2.9 Filter dryer
Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang
kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Filter dryer dipasang pada
liquid line, yakni saluran yang menghubungkan antara keluaran kondenser dengan alat
eskpansi.
2.4.3 Sight Glass
Gambar 2.10 Sight glass
Alat ini digunakan untuk mengamati secara visual kondisi refrigeran pada liquid
line. Apabila pada sight glass terlihat ada gelembung, berarti kondensasi pada
kondenser tidak berlangsung secara sempurna. Selain itu, dari warna yang tampak
pada alat ini dapat dilihat apakah refrigeran pada sistem refrigeran masih mengandung
uap air atau tidak.
II-8
2.4.4 Access Port/Service Port
Gambar 2.11 Access port
Alat ini digunakan untuk keperluan pemvakuman dan pengisian refrigeran. Alat
ini juga bisa digunakan untuk keperluan pumpdown.
2.4.5 Liquid Receiver
Gambar 2. 12 Liquid receiver
Alat ini digunakan untuk menampung refrigeran cair yang berasal dari
kondenser. Liquid receiver dipasang pada liquid line, sebelum filter dryer dan sight
glass.
2.4.6 Refrigeran
Gambar 2.13 Refrigeran R-134a
II-9
Refrigeran adalah senyawa yang dapat berubah fasa secara cepat dari uap
menjadi cair, atau pun sebaliknya. Jenis bahan pendingin sangat beragam. Setiap jenis
bahan pendingin memiliki karakteristik yang berbeda.
CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) alias R22 memegang peranan penting dalam
sistem refrigerasi, sejak ditemukan pada tahun 1930. Hal ini dikarenakan CFC memiliki
properti fisika dan termal yang baik sebagai refrigeran, stabil, tidak mudah terbakar,
tidak beracun dan kompatibel terhadap sebagian besar bahan komponen dalam sistem
refrigerasi.
R-134a sebagai salah satu alternatif memiliki beberapa properti yang baik, tidak
beracun, tidak mudah terbakar dan relatif stabil. R-134a juga memiliki kelemahan di
antaranya, tidak bisa dijadikan pengganti R-12 secara langsung tanpa melakukan
modifikasi sistem refrigerasi (drop in subtitute), relatif mahal, dan masih memiliki
potensi sebagai zat yang dapat menyebabkan efek pemanasan global karena memiliki
Global Warming Potential (GWP) yang signifikan. Selain itu R-134a sangat bergantung
kepada pelumas sintetik yang sering menyebabkan masalah dengan sifatnya yang
higroskopis.
Tabel 2.1 Perbandingan sifat-sifat dasar refrigeran R-12 dengan R-134a
II-10
Persyaratan bahan pendingin (Refrigerant):
1. Tidak beracun, berwarna dan berbau
2. Bukan termasuk bahan yang mudah terbakar.
3. Bukan penyebab korosif
4. Dapat bercampur dengan minyak pelumas kompresor
5. Memiliki struktur kimia yang stabil
6. Memiliki titik didih yang rendah
7. Memiliki tekanan kondensasi yang rendah
8. Memiliki tingkat penguapan yang rendah
9. Memiliki kalor laten yang rendah
10. Memiliki harga yang relatif murah.
Komponen/Peralatan Kontrol 2.5
Peralatan kontrol pada sistem refrigerasi umumnya digunakan untuk pengaman
dan menjaga temperatur/kelembaban yang konstan pada harga yang diinginkan.
Thermostat 2.5.1
Gambar 2.14 Termostat
Termostat merupakan alat kontrol yang digunakan untuk menjaga temperatur
ruangan atau produk pada kisaran harga yang diinginkan.
HLPSTAT 2.5.2
HLPSTAT (High-Low Pressurestat) adalah alat kontrol yang memiliki fungsi
menjaga sistem agar bekerja pada kisaran tekanan yang diinginkan. Alat ini pada
dasarnya memiliki dua bagian utama, yaitu HPSTAT dan LPSTAT. HPSTAT (High
II-11
Pressurestat) berfungsi menhentikan kerja sistem refrigerasi apabila tekanan buang
kompresor (discharge pressure) terlalu tinggi. LPSTAT (Low Pressurestat) berfungsi
menghentikan kerja sistem refrigerasi apabila tekanan isap kompresor (suction
pressure) terlalu rendah. Tekanan buang yang terlalu tinggi maupun tekanan isap
yang terlalu rendah, keduanya akan merugikan.
Motor Overload Protection 2.5.3
Semua kompresor yang berjenis hermetik harus dilengkapi dengan pengaman
yang dapat melindungi motor dari pemanasan yang berlebihan apapun penyebabnya.
Pengaman jenis ini pada umumnya dirancang untuk dapat dipasang langsung pada
motor dan memiliki hantaran termal yang baik. Dengan demikian, peralatan ini tidak
saja sensitif terhadap pemanasan akibat arus yang berlebih, namun juga pemanasan
yang diakibatkan oleh tekanan buang yang terlalu tinggi dan sebab-sebab lainnya.
Pengaman ini berbeda dengan starting relay, yang hanya dapat memberikan pengaman
terhadap arus berlebih, namun tak dapat melindungi motor dari pemanasan yang
berlebihan.
Kinerja Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 2.6
2.6.1 Proses Kompresi
Proses ini berlangsung pada kompresor, dimana uap refrigeran dari evaporator dengan tekanan dan temperatur yang rendah akan dihisap oleh kompresor melalui saluran isap (suction) dan selanjutnya refrigeran akan dimampatkan sehingga tekanannya menjadi tinggi, dan refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi ini akan melalui saluran keluar (discharge) dan keluar dari kompresor.
Proses ini terjadi secara isentropik, yaitu proses dilakukan pada entropi yang
konstan dan berdasarkan proses siklus pada gambar diagram P-h diatas, besarnya
kalor yang diperlukan adalah :
wk = ( h2 - h1 )......................................................................(1)
dimana : wk = Besarnya kerja kompresi ( kJ/kg )
h1 = Entalpi refrigeran saat masuk kompresor ( kJ/kg )
h2 = Entalpi refrigeran saat keluar kompresor ( kJ/kg )
II-12
2.6.2 Proses Kondensasi
Uap refrigeran yang bersuhu dan bertekanan tinggi yang keluar dari kompresor akan mengembun di kondensor sehingga dengan demikian terjadi perubahan fasa refrigeran dari refrigeran uap menjadi refrigeran cair. Untuk dapat melakukan proses pengembunan tersebut refrigeran akan melepaskan kalor ke lingkungan (udara). Proses kondensasi ini berlangsung dalam keadaan tekanan konstan (isobarik ).
Besarnya kalor yang dilepaskan refrigeran di kondensor dinyatakan sebagai
berikut:
qc = ( h2 - h3 )..................................................................(2)
Dimana : qc = Besarnya kalor yang dilepaskan ke kondensor ( kJ/kg )
h2 = Entalpi refrigeran saat masuk kondensor( kJ/kg )
h3 = Entalpi refrigeran saat keluar kondensor ( kJ/kg )
2.6.3 Proses Ekspansi
Refrigeran yang telah mengalami kondensasi pada kondensor akan berfasa cair dan akan masuk katup ekspansi atau pipa kapiler yang berfungsi sebagai pengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.
Dalam katup ekspansi ini akan berlangsung proses secara entalpi tetap (iso-
entalpi) yang berarti pada proses ini tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi
perubahan tekanan dan suhu, sehingga :
h3 = h4 ............................................................................(3)
2.6.4 Proses Evaporasi
Proses evaporasi ini berlangsung pada evaporator. Tekanan dan suhu cairan
refrigeran yang diturunkan pada katup ekspansi, didistribusikan secara merata ke
dalam pipa evaporator, oleh distributor refrigeran. Dalam hal tersebut refrigeran akan
menguap dan menyerap kalor dari udara ruangan yang dialirkan melalui permukaan
luar pipa evaporator. Jadi, cairan refrigeran menguap secara berangsur – angsur
karena menerima kalor sebanyak kalor laten penguapan, selama mengalir di dalam
setiap pipa koil evaporator. Selama proses penguapan itu, di dalam pipa akan terdapat
campuran refrigeran dalam fasa campuran cair dan gas. Dalam keadaan tersebut,
tekanan dan suhu penguapannya tetap. Oleh karena itu suhu dapat dicari dengan
mengukur tekanan refrigeran di dalam evaporator.
Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah :
qe = ( h1 - h4 )...................................................................(4)
Dimana : qe = Besarnya kalor yang diserap di evaporator ( kJ/kg )
h1 = Entalpi refrigeran saat keluar dari evaporator ( kJ/kg )
II -
1
II-13
h4 = Entalpi refrigeran saat masuk ke evaporator ( kJ/kg )
2.6.5 Koefisien Kinerja, COP
Koefisien kinerja, COP dapat diartikan sebagai perbandingan yang
sesungguhnya terjadi antara besarnya kalor yang diserap di evaporator dengan kerja
yang dilakukan oleh kompresor. Besarnya COP dapat dihitung dengan persamaan :
COP =
– ..............................................................(5)
2.6.6 Laju Massa Refrigeran
Laju massa refrigeran, mRef (kg/s) adalah perbandingan antara besarnya kapasitas/beban pendinginan (kW) dengan efek pendinginan (kJ/kg) yang dihasilkan,
mRef (kg/s) =
......................................(6)
2.6.7 Daya Kompresor
Daya kompresor, wk (kW) dapat dihitung dengan persamaan,
wk [kW] = mRef [kg/s]. wk [kJ/kg] .............................................(7)