bab ii dasar teori 5

 BAB II DASAR TEORI
2012
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Pengertian Sistem Brine Cooling
Sistem Brine Cooling adalah salah satu sistem refrigerasi kompresi uap
sederhana
dengan proses pendinginan tidak langsung. Dalam proses ini koil tidak
langsung mengambil kalor dari ruangan atau beban tetapi terlebih dahulu koil
mendinginkan refrigeran sekunder lalu refrigeran sekunder tersebut mengambil
kalor dari ruangan atau beban yang akan didinginkan.
Gambar 2.1 Sistem Refrigerasi Brine Cooling
2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan sistem yang menggunakan
kompresor sebagai alat pengkompresi refrigeran. Uap refrigeran yang masuk pada
sisi tekanan rendah (suction) ditekan ke dalam kompresor sehingga menjadi uap
5
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang dikeluarkan pada sisi tekanan
tinggi (discharge).
Setelah uap bertekanan tinggi keluar dari kompresor, kemudian uap
refrigeran
tersebut akan dialirkan ke kondensor, dan selanjutnya di kondensor
refrigeran akan melapaskan kalor ke lingkungan. Uap refrigeran akan
berkondensasi di kondensor, sehingga keluar kondensor refrigeran akan berubah
fasa dari uap menjadi cair, namun tekanannya tetap tinggi. Agar tekanan
refrigeran turun, maka refrigeran cair yang keluar dari kondensor dilewatkan pada
sebuah
alat ekspansi. Alat ekspansi yang digunakan adalah pipa kapiler, maka
refrigeran yang melewati alat ekspansi diharapkan bisa menyebabkan tekanan
keluaran alat ekspansi menjadi turun, dan pada saat melewati evaporator,
refrigeran akan mudah menguap pada temperatur yang rendah. Siklus ini akan
terjadi selama kompresor terus bekerja.
Sistem refrigerasi kompresi uap terdiri dari 4 komponen utama, yaitu
kompresor, kondensor, alat ekspansi, dan evaporator. Keempat komponen ini
melakukan proses yang saling berhubungan dan membentuk siklus. Siklus
refrigerasi kompresi uap dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
6
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Apabila proses diatas digambarkan dalam diagram p-h dan proses gas
ideal maka dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 2.3 Penggambaran Siklus Refrigerasi pada diagram p-h
2.2.1 Komponen Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap
Komponen-komponen utama yang digunakan dalam sistem refrigerasi
kompresi uap adalah sebagai berikut :
Kompresor

Kompresor adalah komponen utama refrigerasi yang sangat
penting karena berguna sebagai jantung dari sistem yang berfungsi
mengkompresikan uap refrigeran, dari tekanan rendah menjadi tekanan
tinggi, mensirkulasikan refrigeran ke seluruh sistem.
Kondensor

Kondenser merupakan alat yang digunakan untuk membuang kalor
superheat ke lingkungan sehingga terjadi proses kondensasi. Refrigeran
mengalami perubahan fasa dari uap menjadi cair dengan tekanan dan
temperatur tinggi.
7
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Alat Ekspansi

Alat ekspansi yang digunakan pada sistem Brine Cooling adalah
jenis pipa kapiler karena jenis ini lebih sederhana. Alat ekspansi jenis ini
tidak dapat mengatur jumlah refrigeran yang masuk ke evaporator. Katup
ekspansi jenis ini hanya berfungsi sebagai penurun tekanan refrigeran yang
akan masuk ke evaporator.
Gambar 2.4 Pipa Kapiler
Sumber: http: www.ciptalestari.com/products/pipa kapiler
Evaporator

Evaporator merupakan suatu permukaan perpindahan panas yaitu
cairan yang mudah menguap diuapkan dengan tujuan untuk mengambil
panas dari ruang atau bahan yang akan didinginkan.
2.2.2 Komponen Pendukung Sistem Brine Cooling
Komponen-komponen pendukunng yang digunakan dalam sistem
Brine Cooling ini adalah sebagai berikut :

Filter Dryer
8
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Didalam filter dryer terdapat silica gel yang berfungsi sebagai
penyerap uap air dan screen yang terdiri dari kawat kassa yang sangat
halus yang berfungsi sebagai penyaring kotoran.

Sight Glass
Sight Glass dipasang setelah filter dryer dimana alat ini berfungsi
untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati sight glass benar-benar
cair atau tidak, juga berguna untuk melihat apakah refrigeran yang ada
dalam sistem sudah cukup atau belum.

Liquid receiver
Liquid receiver berfungsi sebagai penyimpan cairan refrigeran
yang berasal dari kondensor sehingga refrigeran yang mengalir ke liquid
line telah dipastikan menjadi cair semuanya. Liquid receiver ini
ditempatkan sesudah kondensor dan sebelum filter dryer.

HLP (High-Low Pressure switch)
Saklar pemutus tekanan (High-Low Pressure Switch) berfungsi
melindungi sistem refrigerasi dan air conditioning dari tekanan yang
terlalu tinggi atau terlalu rendah, yaitu dengan membuka kontak / terminal
listrik sehingga rangkaian listriknya terputus. Setelah sistem tekanannya
tidak berbahaya lagi, titik kontak saklar pemutus tekanan akan menutup,
sehingga kompresor dapat bekerja kembali.

Thermostat
Thermostat adalah alat untuk mengatur suhu dalam suatu ruangan
agar dapat dipertahankan pada suhu yang konstan pada batas suhu yang
telah ditentukan. Alat tersebut dapat secara automatik memutuskan dan
menghubungkan kembali arus listrik dari saklar magnetik ke motor listrik,
katup solenoid, pemanas listrik dan lain-lain. Saklar kontrol temperatur
untuk mesin pendingin, apabila suhu ruangan turun, titik kontaknya akan
membuka. Setelah suhu ruangan naik lagi, kontaknya akan menutup
kembali.

Solenoid Valve
Solenoid valve berfungsi untuk menghentikan atau meneruskan
9
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
cairan refrigeran dalam suatu sistem refrigerasi. Pengaturannya dilakukan
oleh kumparan yang dialiri arus listrik. Solenoid valve terdiri dari sebuah
kumparan yang pada bagian tengahnya terdapat sebuah inti besi bersifat
megnet yang disebut dengan plunger motor. Untuk jenis Normally Close,
prinsip kerjanya adalah jika kumparan dialiri arus listrik, maka kumparan
tersebut akan berubah menjadi elektromagnet yang akan mengangkat
plunger ke tengah kumparan, dan akibatnya akan membuka kontak dan
aliran dapat berjalan. Dan apabila arus tersebut diputuskan, maka medan
megnet di kumparan akan hilang, sehingga menyebabkan plunger tersebut
turun karena beratnya sendiri. Dan menyebabkan katup akan menutup,
sehingga aliran tidak akan berjalan.

Pressure Gauge
Pressure gauge atau disebut juga manifold gauge merupakan alat
bantu mekanik yang berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja pada sistem
namun tekanan yang diukur bukanlah tekanan absolut melainkan adalah
tekanan gauge. Manifold gauge ini terdiri dari dua jenis, yaitu High
pressure gauge dan Low pressure gauge.

MCB (Mini Circuit Breaker)
MCB (Mini Circuit Breaker) digunakan untuk pengaman terhadap
beban lebih atau arus hubung singkat. Maka jika terjadi arus beban yang
berlebih / hubung singkat, maka MCB ini akan bekerja sesuai fungsinya
yaitu memutuskan rangkaian dari sumber tegangan.

Ampere-meter
Ampere-meter berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik
yang mengalir pada sistem. Semakin tinggi perbedaan tekanan pada sisi
tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah pada system, maka arus yang terjadi
akan semakin besar. Ampere-meter juga bisa digunakan untuk mengamati
banyaknya refrigeran yang dimasukan ke kompresor.

Volt-meter
Volt-meter berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik
10
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
yang dipakai pada sistem. Dalam hal ini besar tegangan listrik yang
digunakan dalam sistem biasanya  220 volt.

Watt-meter
Watt-meter adalah alat untuk mengukur besarnya jumlah kerja /
daya input yang digunakan untuk menjalankan sistem khususnya pada
kerja motor kompressor dan kumparan solenoid valve.

Time Delay Relay (TDR)
Time Delay Relay adalah alat yang berfungsi untuk menunda arus
awal yang besar yang masuk kedalam alat-alat ukur yang mempunyai
tahanan dalam rendah, sehingga dapat menghindari kerusakan yang
mungkin terjadi dalam alat tersebut.

Kontaktor
Kontaktor adalah komponen listrik yang berfungsi untuk
melewatkan arus menuju komponen yang dituju dengan menggunakan
saklar on/off sebagai prinsip kerjanya. Kerja kontaktor ini berdasarkan
pada suatu kumparan yang dialiri arus, yang mana saklar N/O atau N/C
akan membuka atau menutup sesuai dengan ada atau tidaknya arus yang
masuk di dalamnya.

Pilot Lamp
Pilot lamp digunakan sebagai lampu indikator bahwa sistem atau
komponen yang dihubungkan paralel dengannya sudah bekerja.
2.3 Prinsip Kerja
Sistem Brine Cooling ini menggunakan siklus refrigerasi kompresi uap
ideal untuk mengkondisikan ruangan sesuai kebutuhan. Adapun siklus refrigerasi
kompresi uap ideal terbagi menjadi 4 macam, yaitu:
1. Proses Kompresi
2. Proses Kondensasi
3. Proses Ekspansi
4. Proses Evaporasi
11
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Pressure (bar absolute)
3
Pc
Pe
2
1
4
h3 = h4
h1
h2
Enthalpy (kJ/kg)
Gambar 2.5 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap dan diagran P-h
Prinsip–prinsip utama dari gambar tersebut, yaitu :

Proses 1–2 : Proses Kompresi
Proses ini terjadi di kompresor,refrigeran berfasa uap dikompresi dengan
tekanan dan temperatur yang rendah secara isentropic dari evaporator ke
kondenser sehingga tekanan dan temperatur menjadi tinggi.
Kerja yang dilakukan kompresor adalah :

Qw = m (h2–h1)…………………..……………………………(2.1)
[ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 124 ]
Keterangan:
Qw = Kerja kompresi (kW)

m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h1 = entalphi refrigeran masuk kompresor ( kJ/kg)
h2 = entalphi refrigeran keluar kompresor ( kJ/kg)
Atau
Dalam bentuk kerja spesifik: qw = h2–h1
Sedangkan rasio kompresi dapat dihitung dengan persamaan:
Rasio kompresi : Rc =
12
Pd
Ps
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Keterangan:
Pd = Tekanan discharge (bar)

Ps = Tekanan suction (bar)
Proses 2 –3: Proses Kondensasi
Proses ini terjadi di kondenser, uap panas yang berasal dari refrigeran di lepas oleh
kondenser ke lingkungan sehingga uap tersebut mengalami pengembunan. Hal
tersebut menyebabkan perubahan fasa refrigeran dari fasa uap menjadi cair
dengan temperatur dan tekanan yang masih tinggi. Proses tersebut terjadi dalam
keadaan tekanan konstan.
Kalor yang dilepas di kondenser, yaitu:

Qk = m (h2 –h3)……………….................................................(2.2)
[ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 125 ]
Keterangan:
Qk = Besarnya kalor yang dilepaskan di kondenser (kW)

m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s)
h2 = Entalphi refrigeran masuk kondenser ( kJ/kg)
h3 = Entalphi refrigeran keluar kondenser ( kJ/kg)
Atau
Kalor dilepas spesifik adalah: qk = h2-h3

Proses 3–4 : Proses Ekspansi
Proses ini terjadi di katup ekspansi, refrigeran masuk ke Capillary Tube
untuk diturunkan tekanan dan temperaturnya. Diharapkan temperatur
refrigeran menjadi lebih rendah dari temperatur lingkungan, sehingga
dapat menyerap kalor saat berada di evaporator. Dalam proses ekspansi ini
tidak terjadi proses penerimaan ataupun pelepasan energi dengan kata lain
enthalpi konstan dan tidak terjadi perubahan fasa refrigeran.
Keterangan:
h3= Entalphi refrigeran masuk ekspansi ( kJ/kg)
h4= Entalphi refrigeran keluar ekspansi ( kJ/kg)
[ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 122]
13
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012

Proses 4–1 : Proses Evaporasi
Pada tahap ini terjadi pertukaran kalor di evaporator yaitu refrigeran
berfasa cair dengan tekanan dan temperatur rendah menyerap kalor dari
kabin sehingga temperatur kabin turun dan refrigeran mengalami perubahan fasa
menjadi uap.
Kalor yang diserap evaporator dapat dihitung dengan persamaan :

Qe = m (h1–h4)………………………………………………...(2.3)
[ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 123]
Keterangan:
Qe = Beban Pendinginan (kW)

m = Laju aliran massa refrigeran(kg/s)
h1 = Entalphi refrigeran masuk evaporator ( kJ/kg)
h4 = Entalphi refrigeran keluar evaporator ( kJ/kg)
Sedangkan penarikan kalor spesifik disebut efek refrigerasi, dinyatakan
sebagai berikut :
qe = h1 – h4
Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai
berikut:
a. COPactual adalah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi.
COP =
qe
Efek Refrigerasi
=
qw
Kerja Kompresi
[ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 126]
b. COPcarnot adalah perbandingan temperatur evaporasi dengan selisih
temperatur kondensasi dan evaporasi.
COP =
Tevap
Tkond - Tevap
[Sumber, Roy J. Dossat]
c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COPactual dan
COPcarnot.
14
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
efisiensi 
COPactual
COPcarnot
[Sumber, Roy J. Dossat]
2.4 Pipa Kapiler
Pipa kapiler ( capillary tube ) adalah salah satu jenis alat ekspansi. Alat
ekspansi berfungsi untuk,

Mengatur laju aliran refrigeran yang masuk ke evaporator dari liquid line.

Menurunkan dan menjaga beda tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi
tekanan rendah, sehingga terjadi tekanan yang diinginkan.
Pipa kapiler memliki keuntungan dan kerugian. Berikut adalah keuntungan
dan kerugian dari pipa kapiler.

Keuntungan
-

Bentuknya sederhana
Kerugian
-
Tidak sensitif pada perubahan beban
-
Jumlah refrigeran yang di isikan ke dalam sistem harus tepat
-
Mudah tersumbat oleh kotoran
-
Harus memperhitungkan ukuran panjang dan diameter pipa kapiler
Gambar 2.6 Pipa Kapiler
15
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling
BAB II DASAR TEORI
2012
Pipa kapiler menangani hampir semua sistem refrigerasi yang berukuran
kecil dan penggunaannya melus hingga pada kapasitas refrigerasi 10 kW. Pipa
kapiler umumnya mempunyai ukuran panjang 1 sampai 6 m. Cairan refrigeran
mengalir
memasuki pipa kapiler sehingga tekanannya berkurang yang disebabkan
oleh gesekan dan percepatan refrigeran.
Untuk memenuhi batasan-batasan yang diperlukan, banyak kombinasi
antara
lubang dan panjang pipa yang dapat dipakai. Kompresor dan alat ekspansi
harus mampu mencapai kondisi-kondisi hisap dan buang, yang memungkinkan
kompresor memompa refrigeran dari evaporator yang sama besarnya dengan yang
dilewatkan oleh alat ekspansi. Kondisi aliran yang tidak seimbang antara dua
komponen ini diperlukan secara temporer.
Bukan hanya kompresor dan pipa kapiler yang mempengaruhi tekanan
hisap karena perpindahan kalor pada evaporator juga harus dipenuhi. Bila
perpindahan kalor pada evaporator tidak dipenui pada titik keseimbangan
kompresor-pipa kapiler, akan menghasilkan keadaan yang tidak seimbang yang
dapat membuat evaporator kekurangan refrigeran ataupun refrigeran berlebihan (
overfeed ) di evaporator.
Pada evaporator tidak boleh kosong, karena dapat mengakibatkan turunnya
perpindahan kalor di evaporator yang kekurangan refrigeran tersebut. Kondisi
yang baik untuk unit-unit yang tidak mempunyai liqiud receiver adalah dengan
mengembalikan cairan ke kondensor, hal ini mengakibatkan daerah pengembunan
jadi berkurang dan tekanan kondensor naik. Dengan tingginya tekanan di
kondensor, kapasitas kompresor akan menurun dan laju aliran refrigeran oleh pipa
kapiler akan ikut naik pula hingga keseimbangan dikembalikan.
16
Analisis Pengaruh Suhu Lingkungan Pada Pipa Kapiler Terhadap Sistem Brine
Cooling