BAB II Landasan Teori

 BAB II Landasan Teori
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Sistem Refrigerasi
Refrigerasi merupakan suatu kebutuhan dalam kehidupan saat ini terutama
bagi masyarakat perkotaan. Refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah
tangga,
mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah-buahan pada super
market
dan sebagainya. Peralatan ini dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada
rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi di industri. Sistem refrigerasi
kompressi uap juga digunakan pada aplikasi tata udara (air conditioning).
Aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui
mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split hingga skala besar seperti
chiller.
Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor dari suatu benda atau ruang
untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi,
sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian
energi dari molekul-molekulnya. Pada aplikasi tata udara (air conditioning),
kalor yang diambil berasal dari udara. Untuk mengambil kalor dari udara, maka
udara harus bersentuhan dengan suatu bahan atau material yang memiliki
temperatur yang lebih rendah.
2.2
Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana
Sistem refrigerasi yang umum dan mudah dijumpai pada aplikasi sehari-
hari, baik untuk keperluan rumah tangga, komersial, dan industri adalah sistem
refrigerasi kompresi uap. Pada sistem ini terdapat refrigeran, yakni suatu
senyawa yang dapat berubah fasa secara cepat dari uap ke cair dan sebaliknya.
Pada saat terjadi perubahan fasa dari cair ke uap, refrigeran akan mengambil
kalor (panas) dari lingkungan. Sebaliknya, saat berubah fasa dari uap ke cair,
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
4
BAB II Landasan Teori
refrigeran akan membuang kalor (panas) ke lingkungan sekelilingnya. Berikut
merupakan gambar siklus refrigerasi kompresi uap sederhana.
Qc
Kondensor
2
3
Alat
1
Ekspansi
4
Evaporator
Kompresor
Qe
Gambar 2.1 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana
Pada sistem refrigerasi kompresi uap, refrigeran yang berasal dari
evaporator berupa uap bertekanan rendah kemudian masuk ke kompresor untuk
dikompresi hingga refrigeran tersebut menjadi uap bertekanan tinggi disertai
dengan kenaikan temperatur. Dari kompresor, refrigeran mengalir ke kondensor
dan melakukan pelepasan kalor hingga refrigeran tersebut berubah fasa dari uap
bertekanan tinggi menjadi cair bertekanan tinggi, kemudian refrigeran tersebut
mengalir ke alat ekspansi. Di alat ekspansi tekanan refrigerant diturunkan
sehingga temperaturnya menjadi turun.
Setelah dari alat ekspansi, refrigeran kemudian mengalir ke evaporator
untuk menyerap kalor dari produk yang akan didinginkan sehingga refrigeran
tersebut berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kemudian refrigeran
tersebut masuk ke kompresor untuk dikompresi dan bersirkulasi kembali.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
5
BAB II Landasan Teori
Berikut merupakan gambar proses sistem refrigerasi kompresi uap sederhana
pada diagram P-h.
P
3
Ekspansi
4
Kondensasi
2
Kompresi
Evaporasi 1
h
Gambar 2.2 Diagram P-h Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana
Diagram P-h merupakan diagram yang menunjukan proses yang terjadi
pada sistem refrigerasi kompresi uap. Dari diagram tersebut penulis dapat
mengetahui sifat-sifat refrigeran. Untuk dapat mengetahui sifat fluida tersebut
dibutuhkan dua sifat atau parameter. Adapun proses yang terjadi pada sistem
refrigerasi adalah sebagai berikut :
1. Proses Kompresi (1-2)
Proses kompresi terjadi di kompresor, dimana refrigeran keluaran
evaporator yang berfasa uap dengan temperatur dan tekanan rendah dihisap
oleh kompresor, kemudian refrigeran tersebut dikompresi sehingga
menyebabkan refrigeran yang keluar dari kompresor akan bertekanan dan
bertemperatur tinggi. Besarnya daya kompresi pada proses ini dapat
diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
QW = ṁ (h2 – h1) .................................................... (2.1)
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
6
BAB II Landasan Teori
Keterangan :
Qw
: Daya kompresi (kJ/s atau kW)
ṁ
: Laju aliran massa refrigerant (kg/s)
h1
: Enthalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)
h2
: Enthalpi refrigeran keluar kompresor (kJ/kg)
2. Proses Kondensasi ( 2-3 )
Proses kondensasi terjadi di kondensor, yang mana refrigeran berfasa
uap dengan temperatur dan tekanan tinggi yang berasal dari kompresor
masuk ke kondensor, dan panas (kalor) dari refrigeran tersebut akan dibuang
melalui media pendingin udara atau media pendingin air. Pada tahap ini
refrigeran mengalami perubahan fasa dari uap menjadi cair jenuh, akan
tetapi refrigeran masih dalam keadaan bertekanan dan bertemperatur tinggi.
Besarnya kalor yang di lepas di kondensor adalah :
QW = ṁ (h2 – h3)................................................. (2.2)
Keterangan :
Qk
: Besarnya kalor yang dilepas di kondensor (kJ/s)
ṁ
: Laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h2
: Enthalpi refrigeran keluar kompresor (kJ/kg)
h3
: Enthalpi refrigeran keluar kondensor (kJ/kg)
3. Proses Ekspansi ( 3-4 )
Proses ekspansi terjadi pada alat exspansi, dimana tekanan dan
temperatur dari refrigeran yang tinggi berasal dari kondensor masuk ke alat
ekspansi, yang kemudian diekspansikan sehingga tekanan dan temperatur
refrigeran yang akan masuk ke evaporator menjadi rendah.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
7
BAB II Landasan Teori
4. Proses Evaporasi ( 4-1 )
Proses evaporasi terjadi pada evaporator, yang mana dalam proses ini
refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur rendah, kemudian akan
menyerap kalor dari ruangan yang akan didinginkan dan refrigeran
mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap. Sehingga dapat tercapai
temperatur ruang yang diinginkan. Besarnya kalor yang di serap oleh
refrigeran adalah :
QW = ṁ (h1 – h4) ...................................................... (2.3)
Keterangan :
Qw
: Besarnya kalor yang di serap di evaporator (kJ/s)
ṁ
: Laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h1
: Enthalpi refrigeran keluar evaporator (kJ/kg)
h4
: Enthalpi refrigeran masuk evaporator (kJ/kg)
Sedangkan untuk prestasi daur kompresi uap standar atau yang biasa
disebut dengan Coefficient Of Performance (COP) didapatkan dari perbandingan
antara efek refrigerasi yang dihasilkan sistem dengan kerja yang dilakukan
kompresor. Dan dengan bantuan diagram P-h (tekanan dan enthalpi) besaran
yang penting dalam siklus refrigerasi dapat diketahui. Besaran-besaran tersebut
adalah kerja kompresi, laju pembuangan kalor, dan efek refrigerasi sehingga
nilai COP dapat diketahui.
Perhitungan COP suatu sistem refrigerasi atau pompa kalor dapat
menggunakan persamaan sebagai berikut :
............................. (2.4)
Untuk proses pendinginan COP dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
8
BAB II Landasan Teori
–
–
.................................................. (2.5)
Untuk proses pemanasan COP dapat dihitung dengan persamaan berikut :
–
................................................... (2.6)
–
Persamaan COP di atas merupakan persamaan untuk mencari koefisien
prestasi aktual dari siklus refrigerasi. Sedangkan secara ideal COP suatu siklus
refrigerasi dapat dicari dengan persamaan COP carnot sebagai berikut :
1. COP carnot untuk peoses pendingnan yaitu,
.................................................(2.7)
2. COP carnot untuk proses pemanasan yaitu,
.......................................................(2.8)
Keterangan :
Te = Temperatur Evaporasi
Tk = Temperatur Kondensasi
Selanjutnya jika prestasi siklus refrigerasi aktual di bandingkan dengan
prestasi siklus refrigerasi carnot maka akan di peroleh suatu efisiensi refrigerasi.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
9
BAB II Landasan Teori
Berikut merupakan persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung efisiensi
refrigerasi :
η
................................................ (2.9)
2.3
Pompa Kalor (Heat Pump)
Pompa kalor adalah mesin yang dapat memindahkan panas dari satu
lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian
besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang
bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling
umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya. Pompa
kalor bisa disamakan dengan mesin kalor yang beroperasi dengan cara terbalik.
Pada aplikasi sistem pemanasan, ventilasi, dan pendingin ruangan, pompa kalor
merujuk pada alat pendinginan kompresi-uap yang mencakup saluran pembalik
dan penukar panas sehingga arah aliran panas bisa dibalik.
Berdasarkan pada hukum kedua termodinamika, panas tidak bisa secara
spontan mengalir dari sumber bersuhu rendah ke lokasi bersuhu tinggi, untuk
melakukan hal tersebut maka dibutuhkan suatu kerja. Pada mesin refrigerasi
kalor diserap dari suatu kabin atau ruangan ke lingkungan sehingga
menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa
kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan kalor dari lingkungan ke ruangan
yang akan dikondisikan.
Pompa kalor merupakan suatu sistem pengkondisi udara yang dilengkapi
dengan komponen-komponen tertentu yang dapat membalikan arah siklus
sistemnya. Dengan adanya mekanisme pembalikan arah siklus sistem ini, maka
pompa kalor ini dapat menghasilkan pendinginan dan pemanasan secara
bergantian untuk mengkondisikan ruangan pada temperatur yang kita inginkan.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
10
BAB II Landasan Teori
Untuk memahami bagaimana suatu pompa kalor dapat memindahkan
panas dalam dua arah, yaitu dari dalam ke luar ruangan (saat pendinginan) dan
dari luar ke dalam ruangan (saat pemanasan), maka kita harus memahami siklus
refrigerasinya
terlebih dahulu. Ketika sistem pompa kalor dioperasikan untuk
pendinginan,
maka kalor dalam ruangan di serap oleh refrigeran cair yang ada
dalam koil dalam ruangan (indoor coil) sehingga refrigeran tersebut kemudian
menguap. Refrigeran yang berfasa uap kemudian dikompresi oleh kompresor
menuju koil luar ruangan (outdoor coil), sehingga refrigeran cair tersebut
berkondensasi
dan fasanya berubah menjadi cair.
Pada saat sistem dioperasikan untuk proses pemanasan, katup pembalik
(solenoid valve) mengubah posisi katup-katup nya untuk membalikan aliran
refrigeran. Dalam proses ini kalor di serap ke dalam sistem oleh koil luar
ruangan, akibatnya refrigeran berubah fasa dari cair bertemperatur rendah
menjadi uap bertekanan dan bertemperatur rendah yang kemudian mengalir
menuju kompresor. Di kompresor refrigeran di kompresi menjadi uap
bertekanan dan bertemperatur tinggi menuju koil dalam ruangan. Udara yang
melalui koil dalam ruangan ini menyerap kalor tersebut sehingga temperaturnya
meningkat. Udara kemudian dihembuskan oleh fan dan di distribusikan ke dalam
ruangan.
2.4 AC Window
AC Window mempunyai kondensor dan evaporator yang di buat menyatu
dalam satu tempat (casing). Fan sentrifugal diletakan di dalam ruangan (di
bagian evapoartor ). Sedangkan kipas axial di pasang di luar ruangan (di bagian
kondensor) dan motor listrik menggerakan kedua kipas tersebut. Koil pada
evaporator dan kondensor terdiri dari pipa dengan banyak sirip yang terbuat dari
alumunium.
Pengaturan
temperatur
ruangan
dapat
dilakukan
dengan
menjalankan dan menghentikan kerja kompresor, berdasarkan temperatur yang
masuk ke evaporator. Berikut merupakan gambar AC Window
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
11
BAB II Landasan Teori
Gambar 2.3 AC window
(
AC
Window
Ruanagan/Kabin
Gambar 2.4 Pemasangan AC Window pada Umumnya
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
12
BAB II Landasan Teori
2.5
Komponen-Komponen Sistem Refrigerasi
Secara garis besar komponen-komponen pada sistem refrigerasi terdiri dari
komponen utama, komponen pendukung serta komponen kelistrikan atau kontrol
dari sistem refrigerasi itu sendiri. Setiap komponen mempunyai fungsi tersendiri
dan hal tersebut harus benar-benar dipahami dalam merancang, menginstalasi
dan memperbaiki suatu sistem refrigerasi.
2.5.1 Komponen-Komponenn Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Sederhana
Sistem refrigerasi kompresi uap sederhana mempunyai komponenkomponen utama sebagai berikut :
1. Kompresor
Kompresor adalah alat untuk memompa media pendingin (refrigeran)
agar tetap bersirkulasi di dalam sistem. Fungsi dari kompresor adalah untuk
menaikan tekanan dari uap refrigeran sehingga tekanan pada kondensor
lebih tinggi dari evaporator yang menyebabkan kenaikan temperatur dari
refrigeran. Kompresor dirancang dan diproduksi untuk dapat dipakai dalam
jangka waktu yang lama, karena kompresor merupakan jantung utama dari
sistem refrigerasi kompresi uap dan juga kapasitas refrigerasi. Suatu mesin
refrigerasi tergantung pada kemampuan kompresor untuk memenuhi jumlah
gas refrigeran yang perlu disirkulasikan. Kompresor berfungsi untuk
menghisap refrigeran fasa uap yang berasal dari evaporator dan menekannya
ke kondensor sehingga tekanan dan temperaturnya akan meningkat.
2. Kondensor
Seperti telah diketahui, bahwa fungsi kondensor di dalam sistem
refrigerasi kompresi uap adalah untuk merubah wujud refrigeran dari gas
yang bertekanan dan bersuhu tinggi dari discharge kompresor menjadi
cairan refrigeran yang masih bersuhu dan bertekanan tinggi.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
13
BAB II Landasan Teori
Di kondensor diusahakan adanya media pendingin yang baik , karena
dengan adanya media pendinginan yang baik di kondensor ini akan
membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi yaitu uap panas dari
refrigeran berubah menjadi cair. Proses kondensasi pada komponen ini
terjadi karena uap refrigeran yang bertemperatur tinggi melepaskan kalor ke
lingkungan melalui suatu media pendingin.
3. Alat Ekspansi
Komponen lain dari sistem refrigerasi adalah alat ekspansi. Alat ini
berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran yang masuk ke evaporator
dari liquid line sehingga sesuai dengan laju penguapan refrigeran di
evaporator. Fungsi yang lain dari alat ekspansi ini yaitu untuk menurunkan
dan menjaga beda tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah,
sehingga terjaga tekanan yang diinginkan. Alat ekspansi ini mempunyai
beberapa jenis antara lain pipa kapiler ,TXV (Thermostatic Expantion
Valve), Aotomatic Expantion Valve (AXV), Float valves, Hand Expantion
Valve (HXV),Thermal Electronic Elecronic Expantion Valve (TEXV).
Electronic Expantion Valve ( EXV). Pada sistem pompa kalor ini alat
ekspansi yang digunakan adalah pipa kapiler.
4. Evaporator
Evaporator merupakan komponen yang berfungsi untuk menyerap
kalor dari ruang atau produk yang akan di dinginkan. Refrigeran cair
bertekanan rendah keluaran alat ekspansi masuk ke dalam evaporator. Di
evaporator terjadi proses evaporasi yang mana terjadi penguapan karena
evaporator menerima kalor dari ruangan atau benda sehingga terjadi
perubahan fasa dari cair menjadi uap. Proses ini terjadi secara isobar dan
isothermal namun tidak menutup kemungkinan ketika seluruh refrigeran
berubah fasa menjadi uap terjadi kenaikan temperatur yang menyebabkan
keluaran evaporator menjadi super heated.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
14
BAB II Landasan Teori
2.5.2 Komponen-Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Sederhana pada AC Window
1. Filter dryer
Filter dryer berfungsi untuk menyaring kotoran refrigerant dan
mengeringkan refrigeran dari uap air.
2. Sight glass
Sight glass berfungsi untuk melihat fasa refrigeran yang mengalir
di dalam sistem. Fasa refrigeran yang melewati sight glass harus benarbenar cair. Selain itu sight glass juga berfungsi untuk melihat cukup
tidaknya jumlah refrigeran di dalam sistem serta menunjukan apakah
dalam refrigeran terdapat uap air atau tidak terlihat pada indikator warna
pada sight glass. Komponen ini dipasang sesudah filter dryer pada liquid
line.
3. Fan Kondensor
Motor fan Kondensor berfungsi untuk membantu kondensor
membuang panas atau kalor agar refrigeran berubah fasa dari gas
menjadi cair.
4. Blower evaporator
Blower evaporator berfungsi sebagai pendistribusi udara dingin dari
evaporator ke ruangan.
5. Akumulator
Alat yang digunakan untuk menampung refrigeran berfasa uap
biasanya
dipasang
sebelum
kompresor. Refrigeran
berfasa uap
ditampung di akumulator agar fasa refrigeran yang masuk ke kompresor
berfasa uap sepenuhnya sehingga tidak terjadi liquid suction.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
15
BAB II Landasan Teori
6. Thermostat
temperatur ruangan atau kabin agar dapat dipertahankan pada temperatur
konstan, sesuai dengan settingan yang kita inginkan. Alat ini dapat
digunakan untuk mengatur temperatur rendah (cooling) maupun
temperatur tinggi (heating).
Thermostat merupakan alat yang berfungsi untuk mengontrol
7. Solenoid Valve
Solenoid valve adalah katup yang digerakan oleh energi listrik.
Solenoid valve mempunyai kumparan sebagai penggeraknya yang
berfungsi untuk menggerakan katup yang dapat digerakan oleh arus AC
maupun DC.
2.5.3 Komponen Kontrol dan Kelistrikan
Komponen-komponen kontrol dan kelistrikan pada pompa kalor ada
beberapa macam. Fungsi komponen-komponen kelistrikan tersebut diantaranya
adalah sebagai tenaga penggerak, sebagai alat pengatur, sebagai alat pengaman,
dan sebagai indikator. Komponen kontrol dan kelistrikan sistem pompa kalor
pada tugas akhir ini yaitu sebagai berikut :
1. Sakelar
Sakelar berfungsi untuk memutuskan dan mengalirkan aliran listrik
ke sistem yang dioperasikan secara manual.
2. Kontaktor
Kontaktor terdiri dari kontak utama dan kontak bantu. Kontaktor
berfungsi untuk memutuskan dan mengalirkan arus listrik ke sistem secara
automatik.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
16
BAB II Landasan Teori
3. Junction terminal
Komponen listrik ini digunakan untuk menyambungkan kabel dari
komponen yang lebih dari satu. Dengan komponen ini akan mengurangi
sambungan-sambungan yang terlalu menumpuk pada beban, sehingga
akan mengurangi resiko hubungan singkat.
4. Lampu
Pada sistem pompa kalor ini digunakan delapan buah lampu yang
berfungsi sebagai indikator power supply, pemanasan pendinginan dan
kompresor. Masing-masing akan menyala apabila sedang berfungsi atau
beroperasi. Jadi pada prinsipnya hanya sebagai indikator on atau off-nya
komponen sistem.
5. MCB (Miniatur Circuit Breaker)
Digunakan untuk memutus dan menghubungkan sistem kelistrikan
secara manual dan digunakan pula sebagai pengaman apabila terjadi
hubungan arus pendek yang mana akan memutuskan sistem kelistrikan
secara otomatis.
6. Volt meter
Volt meter digunakan untuk mengukur tegangan pada sistem pompa
kalor.
7. Ampere meter
Ampere meter digunakan untuk mengukur arus pada sistem pompa
kalor.
8. Kwh meter
Kwh meter digunakan untuk mengukur daya pada saat sistem pompa
kalor beroperasi.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
17
BAB II Landasan Teori
9. TDR (Time Delay Relay)
TDR adalah alat yang digunakan sebagai relay penunda waktu yang
fungsinya
untuk
memindahkan
kerja
dari
rangkaian
pengontrol
kerangkaian tertentu yang bekerja secara otomatis. Prinsipnya sama saja
dengan kontaktor, hanya saja memiliki waktu tunda operasi.
Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
18