bab ii landasan teori 2.1...

13
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.

Upload: buique

Post on 09-Mar-2019

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 8: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 9: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 10: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 12: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pendahuluandigilib.polban.ac.id/files/disk1/71/jbptppolban-gdl-indradarso... · air-cooled chiller. 2.2. Siklus Refrigerasi Kompresi Uap . Siklus mesin refrigerasi

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)