4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian umum Refrigerasi adalah
advertisement
4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian umum Refrigerasi adalah aplikasi dari hukum ke dua Termodinamika yang dinyatakan oleh Clausius. ”adalah hal yang tidak mungkin untuk membangun suatu alat yang beroperasi dalam suatu siklus yang mengalirkan kalor dari ruangan yang bersuhu rendah ke ruangan yang bersuhu tinggi tanpa memasukan energi dari luar ”, Pernyataan tersebut menjelaskan sistem dapat menghasilkan perpindahan kalor dari sumber yang dingin ke sumber yang lebih panas asalkan terdapat masukan berupa kerja atau energi. Suatu penggunaan yang luas dari termodinamika adalah refrigerasi yaitu perpindahan panas dari temperatur yang rendah ke temperatur yang lebih tinggi. Sistem yang menghasilkan proses refrigerasi adalah refrigerator (atau pompa panas), dan siklusnya disebut siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi yang banyak digunakan adalah siklus kompresi uap sederhana, dimana refrigeran diuapkan, dan dikodensasikan dengan jalan mengkompresi uap tersebut. Prinsip utama mesin refrigerasi adalah untuk menurunkan temperatur agar materi atau ruangan dapat terjaga temperaturnya sesuai dengan kebutuhan dan kenyamanan yang dikehendaki. 5 2.2 Siklus refrigerasi kompresi uap Mesin refrigerasi dengan kompresi uap merupakan sistem yang terbanyak digunakan dalam daur refrigerasi. Prinsip dasar uap ini adalah uap ditekan kemudian diembunkan setelah itu tekanannya diturunkan agar cairan itu akan menguap kembali karena menyerap panas lingkungan. Dalam sistem kompresi diperlukan 4 komponen, yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Fungsi dari masing-masing alat tersebut adalah sebagai berikut: Qk Cairan P , T Uap P , T Saluran tekan kondensor Saluran cairan Sisi tekanan tinggi Katup ekspansi kompresor Saluran ekspansi Sisi tekanan rendah Saluran hisap evaporator campuran P , T Qa Uap P , T Gambar 2.1 Sistem Kompresi Uap Standar Sistem kompresi uap standar terdiri dari empat komponen utama yaitu : a) Kompresor Kompresor menghisap uap refrigeran untuk dinaikan tekanannya, dengan naiknya tekanan maka temperatur refigeran juga naik. Sehingga setelah keluar dari kompresor, refigeran tadi berbentuk uap panas lanjut. Energi 6 yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik yang menggerakan kompresor. Jadi dalam proses kompresi, energi diberikan kepada uap refrigeran. b) Kondensor Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dengan mudah dicairkan dengan menggunakan fluida pendingin seperti udara atau air. Dengan kata lain, uap refrigeran melepaskan kalor laten pengembunan kepada fluida pendingin sehingga refrigeran tadi mengembun dan menjadi cair. Pada siklus ideal tidak terjadi penurunan tekanan dan temperatur dikondensor. Sedangkan pada siklus aktual terjadi penurunan tekanan yang diikuti penurunan temperatur yang terjadi karena gesekan antara refrigeran dengan pipa kondensor. c) Katup Ekspansi (pipa kapiler) Setelah uap refrigeran dicairkan di dalam kondensor kemudian refrigeran cair yang bertekanan tinggi tersebut diekspansikan melalui pipa kapiler (katup ekspansi). Pada saat melewati pipa kapiler tekanan refrigeran mulai turun dan diikuti dengan turunnya temperatur refrigeran secara drastis. d) Evaporator Cairan refrigeran yang telah diekspansikan di dalam katup ekspansi (pipa kapiler) sehingga turun tekanan serta temperaturnya kemudian masuk ke dalam pipa evaporator. Di dalam pipa evaporator cairan refrigeran menguap secara berangsur-angsur karena menerima kalor laten sebanyak kalor laten pengembunan dari ruangan yang didinginkan. Selama proses 7 penguapan, didalam pipa akan terdapat campuran refrigeran-refrigeran dalam fasa cair dan fasa uap. Pada siklus ideal, temperatur dan tekanan di dalam pipa dianggap konstan. Tetapi pada kondisi aktualnya terjadi penurunan tekanan dan temperatur yang diakibatkan karena adanya rugirugi gesek antara refrigeran dan pipa-pipa evaporator. 2.2.1 Entalpi Entalpi adalah energi yang dikandung oleh suatu bahan sesuai dengan temperatur dan massa bahan tersebut. Dalam setiap proses refrigerasi yang kita amati adalah perubahan entalpinya. Perubahan entalpi adalah jumlah kalor yang yang diberikan atau diambil dalam tiap satuan massa melalui proses tekanan konstan. Harga entalpi biasanya sudah disajikan dalam bentuk tabel atau grafik dengan varibel tekanan dan temperatur. h = u + pv...............................................................................................(2-1) dengan, h = entalpi jenis, kJ/kg p = tekanan, kPa v = volume spesifik, m3/kg u = energi dalam, kJ/kg 2.2.2 Temperatur Temperatur suatu bahan menyatakan keadaan termalnya dan kemampuan untuk bertukar energi dengan bahan lain. Semakin tinggi perbedaan temperatur bahan terhadap benda lain maka kemampuan untuk bertukar energi lebih besar 8 2.2.3 Entropi Entropi adalah ukuran tingkat ketidakteraturan molekular suatu zat. Hubungan perubahan entropi dengan perubahan kalor yang terjadi dalam proses, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut : ds = Q ...........................................................................................(2-2) T dengan, ds = perubahan entropi, kJ/kg.K Q = perpindahan kalor, kJ/kg T = temperatur mutlak, K 2.2.4 Tekanan Tekanan adalah gaya normal yang diberikan oleh suatu fluida persatuan luas benda yang terkena gaya tersebut. Tekanan absolut adalah tekanan di atas nol atmosfir, sedangkan ukuran gauge diukur di atas tekanan atmosfer suatu tempat. Satuan tekanan yang biasa dipakai : N/m2, Psi. 2.3 Perpindahan panas Perpindahan panas adalah proses bertukarnya energi dari suatu benda ke benda lain yang mempunyai perbedaan temperatur. Perpindahan panas dapat dibedakan dalam perpindahan panas dengan cara konduksi, konveksi, radiasi. 2.3.1 Perpindahan panas konduksi Perpindahan panas konduksi perpindahan panas melalui perantara molekulmolekul yang diam pada suatu benda. Perpindahan panas yang terjadi dirumuskan oleh fourier dengan persamaan sebagai berikut : 9 Q=-k.A. dengan, k A T L T .................................................................................(2-3) L = konduktifitas termal bahan, W/m2.0C = luas panampang, m2 = Perbedaan temperatur yang terjadi, 0C = tebal bahan, m 2.3.2 Perpindahan panas konveksi Jika benda bersuhu tinggi berada pada lingkungan fluida yang bersuhu rendah maka akan terjadi proses perpindahan panas secara konveksi dari benda ke lingkungan. Hal ini terjadi karena gerakan partikel-partikel fluida. Pepindahan panas konveksi diklasifikasikan : 1.Konveksi bebas Terjadi karena perbedaan kerapatan yang disebabkan gradien suhu. 2. Konveksi paksa Gerakan pencampuran karena adanya gerakan mekanis. Ts > Tf Fluida bergerak, Tf q Ts Gambar 2.2 Prinsip Konveksi Persamaan perpindahan panas ini adalah : Q = h.A.(Ts-Tf).......................................................................................(2-4) dengan, h = koefisien perpindahan panas konveksi, W/m2 0C A = luas panampang, m2 Ts = suhu permukaan, 0C Tf = suhu lingkungan, 0C 10 2.3.3 Perpindahan panas radiasi Radiasi adalah proses mengalirnya panas dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah bila benda terpisah baik oleh udara/gas atau hampa (vakum). Dalam perpindahan panas radiasi dikenal penyinaran ideal/benda hitam yang dapat memancarkan energi dengan laju sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu, besarnya radiasi dirumuskan : Eb = . T4..............................................................................................(2-5) dengan, = konstanta Stefan Boltzman ( 5,669 x 10-8 W/m2.K) T4 = Temperatur absolut permukaan benda, K 2.3.4 Koefisien perpindaham panas menyeluruh Koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah penjumlahan semua tahanan termal bahan antara udara atau fluida lainnya pada dua sisi permukaan (Stoecker, 1996). Q = U.A.t.............................................................................................(2-6) dengan, U = koefisien perpindahan panas menyeluruh, W/m2 0C A = luas permukaan perpindahan kalor, m2 t = Perbedaan temperatur, 0C 2.4 Proses operasi Komponen utama dari sistem pengkondisian udara kompresor, kondensor, katup ekspansi, evaporator dan receive-driver. Minimal dengan empat komponen alat ini suatu sistem pengkondisian udara dapat beroperasi. Sistem pendinginan menggunakan aliran zat yang berupa cairan atau uap yang berubah-ubah keadaannya saat menjalani siklus. Hal ini disebabkan oleh 11 tekanan, suhu, entalpi dan entropi adalah sifat penentu selama perubahan. Maka hubungan antara sifat-sifat ini dapat digambarkan dengan diagram (P-h), seperti terlihat pada gambar di bawah ini. p T 2 tk pk 3 pengembunan 3 2 ekspansi kompresi to 4 1 4 1 penguapan S (a) h3 = h4 h1 h2 h (b) Gambar 2.3 Siklus Kompresi Uap Standar (a) diagram T-S (b) diagram p-h 1-2 : Kompresi secara adibatik dan reversible dari uap jenuh menuju tekanan kondensor. 2-3 : Pelepasan kalor secara reversible pada tekanan konstan menyebabkan penurunan panas (desuperheating) dan pengembunan refrigeran. 3-4 : Ekspansi ireversible pada entalpi konstan dari cairan jenuh menuju tekanan evaporator. 4-1 :Penambahan kalor pada tekanan tetap yang menyebabkan penguapan menuju uap jenuh. 12 2.4.1 Dampak Refrigerasi Jumlah kalor yang diserap oleh evaporator per satuan massa pada saat terjadi penguapan disebut dampak refrigrasi, pada perancangan ini menggunakan R-22. Besarnya dapat dihitung menggunakan persamaan : qe = h1 h4 ..............................................................................................(2-7) dengan : h1 = entalpi pada awal proses kompresi, kJ/kg h4 = entalpi pada awal proses penguapan, kJ/kg 2.4.3 Daya spesifik dan daya total kompresor Kerja spesifik adalah kerja yang setara dengan perubahan entalphi selama proses kompresi dan dirumuskan sebagai berikut : w = h1 h2 ..........................................................................................(2-8) dengan : w = kerja spesifik kompresor kJ/kg h1 = entalpi pada awal proses kompresi, kJ/kg h2 = entalpi pada akhir proses kompresi, kJ/kg Kebutuhan daya total kompresor adalah laju aliran massa kerja spesifik kompresor selama proses kompresi isentropik. W = m.( h1 h2 )................................................................................(2-9) dengan, W = daya total, W 2.4.2 Laju Aliran Masa Refrigeran Laju aliran masa ini menggambarkan besarnya massa tiap satuan waktu. m= Qe ................................................................................................(2-10) qe 13 dengan, Qe = adalah beban pendinginan,W qe = efek refrigerasi, kJ/kg m = laju aliran massa kg/s 2.4.4 Panas buang kondensor Panas refrigeran yang dibuang kondensor disebut panas buang kondensor, beasrnya adalah : qk = h2 h3 ........................................................................................(2-12) dengan, qk = panas buang kondensor, kJ/kg h2 = entalpi pada awal desuperheating, kJ/kg h3 = entalpi pada akhir kondensasi, kJ/kg 2.4.5 Kalor buang total kondensor Kalor buang total kondensor adalah kalor yang dibuang kondensor dikalikan dengan laju aliran massa refrigeran. Besarnya adalah : Qk = m . qk........................................................................................(2-13) dengan, Qk = kalor buang total kondensor, W 2.4.6 COP (Coefficient Of Performance) COP dipergunakan untuk menyatakan perfoma ( unjuk kerja ) dari siklus refrigerasi. Semakin tinggi COP yang dimiliki oleh suatu mesin refrigerasi maka akan semakin baik mesin refrigerasi tersebut. COP tidak mempunyai satuan karena merupakan perbandingan antara dampak refrigerasi dengan kerja spesifik kompresor : 14 COP = dengan, h1 h4 ...............................................................................(2-14) h2 h1 COP = prestasi kerja mesin refrigerasi h1 = entalpi masuk kompresor, kJ/kg h2 = entalpi keluar kompresor, kJ/kg h4 = entalpi masuk evaporator, kJ/kg 2.4.7 EER (Energy Efficiency Ratio) EER adalah perbandingan antara beban pendinginan dengan daya yang diperlukan oleh kompresor . Semakin tinggi EER suatu mesin refrigerasi maka semakin baik performa mesin refrigerasi tersebut. EER = m.(h1 h4 ) Q Btu / hr = 0 ................................................(2-15) m.(h2 h1 ) qe Watt Btu / hr Dengan, EER = Energy Eficiency Rasio Watt Qo = Beban pendinginan total, Btu/hr W = Daya kompresor total, W 2.5 Refrigeran Refrigeran adalah fluida kerja yang dipakai pada mesin refrigerasi yang dapat menyerap panas melalui penguapan. Sebagai media perpindahan panas dalam sistem pendinginan, refrigeran sangat penting untuk diperhatikan sifatsifatnya, selain itu refrigeran juga perlu dipertimbangkan segi ekonomisnya untuk pendinginan yang berkapisitas besar. Dalam pemakaiannya refrigeran dibedakan menjadi refrigeran primer dan refrigeran sekunder. 15 Refrigeran primer adalah refrigeran yang dipakai dalam sistem kompresi uap. Refrigeran sekunder adalah cairan yang digunakan untuk mengangkut energi kalor suhu rendah dari suatu tempat ke tempat lain. Pemilihan refrigeran hendaknya dapat dipilih jenis refrigeran yang sesuai dengan jenis kompresor dan pemilihan refrigeran harus memperhatikan syarat-syarat termodinamika, kimiawi, fisik (Arismunandar, 1995). Pada perancangan ini penulis memilih menggunakan R-22 hal ini disesuaikan dengan kondisi eksiting yang menggunakan R-22 sebagai refrigeran. Persyaratan refrigeran untuk unit refrigerasi adalah sebagai berikut: 2.5.1 Syarat-syarat refigeran A) Syarat Termodinamika 1) Titik didih Titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran yang dipakai dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. 2) Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi Dengan tekanan pengembunan yang rendah maka perbandingan kompresinya lebih rendah sehingga penurunan prestasi mesin dapat dihindarkan. Selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya ledakan, kebocoran rendah. 16 3) Tekanan penguapan harus cukup tinggi Sebaiknya refrigeran memiliki temperatur penguapan pada tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfir kerusakan dan sebagainya, akan menjadi lebih kecil. 4) Kalor laten penguapan Panas laten (panas penguapan) refrigeran yang tinggi sangat dikehendaki, sebab akan menghasilkan ”refrigerating effect” yang besar. Aliran refrigeran yang disirkulasikan akan lebih rendah bila refrigerating effect tinggi dan akan lebih ekonomis. 5) Titik beku Refrigeran yang dipakai sedemikian rupa sehingga titik beku fluida ini jauh berada di bawah temperatur kerja evaporator, jika titik beku refrigeran ini ternyata lebih dekat dengan temperatur kerja evaporator, maka waktu pendinginan akan berlangsung lebih lama dari semestinya. B) Syarat kimia refrigeran 1) Tidak mudah terbakar dan mudah meledak 2) Tidak boleh beracun dan berbau merangsang. 3) Tidak menyebabkan terjadinya korosi. 4) Stabil dan bereaksi dengan material yang dipakai. 5) tidak mengganggu lingkungan. 17 C) Syarat fisik refrigeran 1) Konduktivitas termal yang tinggi akan menyebabkan terjadinya efek perpindahan panas baik. 2) Viskositas yang rendah akan memberikan kerugian tekanan. 3) Mempunyai sifat insulator yang baik. 6) Koefisien Joule-Thompson Hendaknya dipilih refrigeran yang mempunyai penurunan tekanan yang kecil tetapi mempunyai penurunan temperatur yang besar. Hal tersebut dapat dilihat dari koefisien Joule-Thompson pada masing-masing refrigeran. P Gambar 2.4 Koefisien Joule-Thompson 2.6 Pipa refrigeran Pipa refrigeran menghubungkan komponen yang satu dengan komponen yang lain dalam mesin refrigerasi. Ada tiga bagian utama dalam sistem perpipaan 18 refrigerasi dasar. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini, ada perpipaan untuk jalur tekan, jalur cairan dan jalur isap. kondensor katup ekspansi jalur tekan Jalur hisap Evaporator kompresor jalur cair Gambar 2.5 Perpipaan pada sistem refrigerasi Jalur cair Jalur ini terletak antara kondensor dan evaporator. Pipa ini mengalirkan cairan yang lebih tinggi rapat massanya dibandingkan uap pada bagian lain, maka diameternya akan lebih kecil. Pada jalur ini tejadi penurunan tekanan karena adanya katup ekspansi Pipa refrigeran juga dipakai pada evaporator dan kondensor. Untuk refrigeran flourokarbon menggunakan pipa tembaga pipa tanpa sambungan (seamless). Ukuran biasa memakai OD (outside diameter). Untuk amonia memakai pipa besi. Ukuran memakai OPS (iron pipe size). Jalur hisap Jalur ini terletak antara evaporator dan kompresor. Jalur hisap ini cukup kritis dalam desain dan kontruksi karena berpengaruh pada penurunan tekanan saat masuk kompresor. 19 Jalur tekan Jalur ini terletak antara kompresor dan kondensor. Pada jalur ini harus dicegah aliran balik dari kondensor ke kompresor. 2.7 Sirip pendingin Sirip pendingin yang dipakai pada evaporator dan kondesor terbuat dari aluminium berbentuk plat persegi panjang yang disusun sejajar dengan jarak tiap sirip sama. Fungsi sirip pendingin adalah sebagai media transfer panas secara konveksi (Althouse, 1997). 2.8 Evaporator Evaporator adalah komponen pada sistem pendingin yang berfungsi sebagai penukar kalor, serta bertugas menguapkan refrigeran dalam sistem, sebelum dihisap oleh kompresor. Panas udara sekeliling diserap evaporator yang menyebabkan suhu udara disekeliling evaporator turun. Suhu udara yang rendah ini dipindahkan ketempat lain dengan jalan dihembus oleh kipas, yang menyebabkan terjadinya aliran udara (Stoecker, 1996). Ada beberapa macam evaporator, sesuai dengan tujuan penggunaannya dan bentuknya dapat berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi menjadi beberapa golongan, sesuai dengan refrigeran yang ada di dalamnya, yaitu : jenis ekspansi kering, jenis setengah basah, jenis basah, dan sistem pompa cairan. 20 1) Jenis ekspansi kering Dalam jenis ekspansi kering, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui katup ekspansi pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap air. 2) Evaporator jenis setengah basah Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran diantara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya. 3) Evaporator jenis basah Dalam evaporator jenis basah, sebagian besar dari evaporator terisi oleh cairan refrigeran. 2.8.1 Tipe Evaporator Evaporator umumnya diklasifikasikan menjadi 2 tipe yaitu floaded type dan dry type. floaded type Cairan refrigeran melingkupi permukaan perpindahan panas. Refrigeran berada di luar susunan pipa dan fluida yang didinginkan berada di dalam susunan pipa. Biasanya dipakai katup apung untuk mengekspansikan refrigeran. Dry type Refrigeran mengalir di dalam pipa dan fluida yang didinginkan mengalir di luar pipa. Untuk mengatur laju aliran refrigeran dipakai pipa kapiler atau 21 thermostatik ekspansion (DX) coil yang banyak dipakai untuk AC sisi udara. Untuk memperbesar perpindahan panas ditambahkan sirip. Gambar 2.6 Evaporator berpendingin udara. 2.8.2 Perpidahan Kalor di dalam Evaporator 1) Koefisien perpindahan kalor Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah konveksi paksa yang terjadi di dalam dan di luar tube serta konduksi pada tubenya. Perpindahan panas total yang terjadi merupakan kombinsi dari ketiganya. Harga koefisien perpindahan panas menyeluruh ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut: U = 1 ……...………………..(2-16) ln(ro / ri ) 1 1 Rfi Rfo hi ηo ho 2..k.l 22 Dengan: U hi ho ro ri l k Rfo Rfi = koefisien pepindahan panas menyeluruh, W/m2 oC = koefisien perpindahan panas sisi refrigeran, W/m2 oC =koefisien perpindahan panas sisi udara, W/m2 oC = jari-jari luar pipa, m = jari-jari dalam pipa, m = tebal pipa, m = konduktifitas termal pipa, W/m oC = factor pengotoran sisi luar, m2 oC/W = factor pengotoran sisi dalam, m2 oC/W 2) Faktor pengotoran Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kolar penukar kalor mungkin dilapisi oleh endapan yang biasa terdapat dalam aliran, atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam kontruksi penukar kalor. Dari kedua hal tersebut, lapisan itu memberikan tahanan termal tambahan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh daripada hal tersebut diatas dinyatakan dengan faktor pengotoran, tahanan pengotoran (Rf). 3) Kapasitas pendinginan dari evaporator Jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran dari benda atau fluida yang hendak didinginkan, dapat dituliskan sebagai berikut : Q = U.A.tm ........................................................................................(2-17) Sehingga, A= Q ..........................................................................................(2-18) U .t m dengan : U = koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2 0C Q = Jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran dalm evaporator, W tm = perbedaan temperatur rata-rata, 0C 23 4) Perbedaan temperatur rata-rata log (LMTD) Didalam evaporator, banyaknya perpindahan kalor dihitung berdasarkan perbedaan temperatur logaritmik. Hal tersebut dilukiskan pada gambar di bawah ini. Makin besar perbedaan temperatur rata-rata, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan kalor) yang bersangkutan. Namun, dalam hal tersebut diatas, temperatur penguapannya menjadi lebih rendah, sehingga kemampuan kompresor akan berkurang dan kerugian biaya opersinya makin besar. Gambar 2.7 Selisih temperatur rata-rata evaporator Beda susu rata-rata dapat dicari dengan persamaan LMTD = ΔT2 ΔT1 .........................................................................(2-19) ΔT2 In ΔT1 Atau dengan kata-kata, ialah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satunya lagi dibagi logaaritma alamiah dari pada perbandingan kedua suhu tersebut (Holman, 1996). 2.9 Kompresor 24 Kompresor dapat dibagi dua jenis utama, kompresor positif dimana gas dihisap masuk kedalam silinder dan dikompresikan dan jenis kompresor non positif dimana gas yang dihisap masuk dipercepat alirannya oleh impeller sehingga mengubah energi refrigeran menjadi energi tekanan. 2.9.1 Penggolongan kompresor 1) Penggolongan berdasarkan metode kompresi Kerja tunggal (single acting) Torak Kerja ganda (double acting) Torak bertingkat Kompresor positif Sekrup Putar Sentrifugal satu tingkat Kompresor non positif Sentrifugal banyak tingkat Gambar 2.8 Penggolongan Kompresor Berdasarkan Metode Kompresi 2) Menurut bentuk 25 - Kompresor horisontal - Kompresor vertical - Silinder banyak (jenis V, jenis W, jenis V-V) 3) Menurut kecepatan - Kecepatan tinggi - Kecepatan rendah 4) Menurut refrigeran - Kompresor ammonia - Kompresor freon - Kompresor CO2 5) Menurut konstruksi 2.9.2 - Jenis terbuka - Jenis semi hermatik (semi kedap) - Jenis hermatik Kompresor yang sering digunakan Kompresor Torak Kecepatan Tinggi Bersilinder Banyak Kecepatan yang tinggi dipergunakan apabila dipersilakan kapasitas lebih besar. Tetapi kecepatan yang tinggi dapat menyebabkan terjadinya gerakan besar yang diakibatkan oleh gerakan bolak-balik dari torak. Kecepatan putar kompresor berkisar 900-1800 rpm. Dan daya penggerak kompresor berkisar 3,7 sampai 200 Kw (Arismunandar, 2002) 26 Gambar 2.9 Konstruksi kompresor torak (silinder ganda) kecepatan tinggi Kompresor putar Dibandingkan dengan kompresor torak, kontruksi kompresor berputar lebih sederhana dan komponen-komponennya lebih sedikit. Di samping ini, untuk kapasitas kompresor yang lebih besar, pembuatannya lebih mudah dan getarannya lebih kecil. Hal ini disebabkan karena pada kompresor putar tidak terdapat bagian yang bergerak bolak-balik. Kompresor sekrup Kompresor sekrup mempunyai dua rotor yang berpasangan. Kompresor sekrup mempunyai beberapa keuntungan yaitu bagian yang bergesekan lebih sedikit, perbandingan kompresi tinggi dalam satu tingkat, relatif stabil terhadap pengaruh cairan (kotoran) yang terserap dalam refrigeran. Mekanisme kompresi dari kompresor sekrup melakukan tiga langkah yaitu 27 langkah isap, langkah kompresi, langkah buang. Seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Gambar 2.10 Mekanisme Kompresor Sekrup Kompresor semi hermatik Pada kompresor semi hermatik listrik dibuat menjadi satu dengan kompresor. Jadi, rotor motor listrik terletak di perpanjangan ruang engkol dari kompresor tersebut, dengan jalan demikian tidak diperlukan lagi penyekat sehingga dapat dicegah bocornya refrigeran. Di samping itu kontruksinya lebih kompak dan bunyi mesin lebih halus. Kompresor ini memerlukan insulator listrik yang baik, yaitu yang tahan terhadap gas refrigeran. Jadi gas refrigeran sangat cocok untuk itu, sebab selain tidak merusak insulator listrik, gas refrigeran juga mempunyai sifat mengisolasi. Pada waktu ini kompresor semi hermatik untuk gas refrigeran dibuat kira-kira sampai 40 kW. 28 Gambar 2.11 Penampang Kompresor Semi Hermatik Kompresor hermatik Hampir sama dengan kompresor semi hermatik. Perbedaannya hanya terletak pada penyambungan rumah (baja) kompresor dengan stator motor penggeraknya. Pada kompresor hermatik dipergunakan sambungan las sehingga udara tertutup rapat seperti terlihat pada gambar di bawah ini. Sedangkan pada kompresor semi harmatik rumah terbuat dari besi tuang, 29 bagian-bagian penutup dan penyambungannya masih bisa dibuka. Kompresor hermatik dibuat untuk unit kapasitas rendah, sampai 7,5 kW (Aris Munandar, 1992) Gambar 2.12 Kompresor Putar Hermatik 2.10 Kondensor Kondensor merupakan bagian dari mesin pendingin yang berfungsi untuk membuang panas dari uap regrigeran. Proses pembuangan panas dari kondensor terjadi karena adanya penurunan refrigeran dari kondisi uap lewat jenuh menuju ke uap jenuh, kemudian terjadi proses perubahan fasa refrigeran yaitu dari fasa uap menjadi fasa cair. Untuk mencairkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi, diperlukan usaha melepaskan panas sebanyak panas laten pengembunan dengan cara mendinginkan uap refrigeran kepada media pendingin. Jumlah panas yang dilepas di dalam kondensor sama dengan jumlah panas yang diserap refrigeran di dalam evaporator dan panas ekivalen dengan energi yang diperlukan untuk melakukan kerja kompresi. 30 2.10.1 Jenis-Jenis Kondensor 1. Kondensor Tabung dan Pipa Horisontal Kondensor tabung dan pipa banyak digunakan pada unit kondensor berukuran kecil sampai besar, unit pendingin air dan penyegar udara paket baik untuk amonia maupun untuk freon. Seperti pada gambar 2.12 di dalam kondensor tabung dan pipa terdapat banyak pipa pendingin, dimana air pendingin mengalir dalm pipa tersebut. Ujung dan pangkal pipa tersebut terkait dengan plat pipa, sedangkan diantara plat pipa dan tutup tabung dipsang sekat-sekat, untuk membagi aliran yang melewati pipapipa tersebut tetapi juga untuk mengatur agar kecepatannya cukup tinggi 1 sampai 2 m/detik (Aris munandar, 1981). Gambar 2.13 Kondensor Tabung dan Pipa Bersirip Horisontal Air pendingin masuk kondensor dari bagian bawah, kemudian masuk ke dalam pipa pendingin dan keluar pada bagian atas. Jumlah saluran air yang terbentuk oleh sekat-sekat itu dinamai jumlah saluran. Jumlah saluran maksimum 31 yang dipakai adalah 12. Tahanan aliaran air pendingin dalam pipa bertambah besar dengan banyaknya jumlah saluran. Ciri-ciri kondensor tabung dan pipa adalah sebagai berikut: 1. Dapat dibuat dengan pipa pendingin bersirip, sehingga relatif berukuran lebih kecil dan ringan. 2. Pipa air dapat dibuat dengan lebih mudah. 3. Bentuknya sederhana (horisontal) dan mudah pemasangannya. 4. Pipa pendingin mudah dibersihkan. 2. Kondensor Tabung dan Koil Kondensor tabung dan koil banyak digunakan pada unit dengan freon sebagai refrigeran berkapasitas relatif kecil, misalnya pada penyegar udara jenis paket, pendinigin air dan sebagainya, pada gambar 2.13 digambarkan kondensor tabung dan koil dengan koil pipa pendingin didalam tabung yang dipasang pada posisi vertikal koil pipa pendingin tersebut biasanya terbuat dari tembaga, tanpa sirip atau dengan sirip, pipa tersebut mudah dibuat dan murah harganya. Pada kondensor tabung dan koil, air mengalir di dalam pipa pendingin. Endapan dan kerak yang terbentuk di dalam pipa harus dibersihkan dengan menggunakan zat kimia (deterjen). Ciri-ciri kondensor tabung dan koil adalah sebagai berikut : 1.Harganya murah karena mudah pembuatannya. 2.Kompak karena posisi yang vertikal dan pemasangannnya yang mudah. 32 3.Boleh dikatakan tidak mungkin diganti pipa pendingin, sedangkan pembersihannya harus dihilangkan dengan deterjen. Gambar 2.14 Kondensor tabung dan koil 3. Kondensor dengan pendingin udara Kondensor pendingin udara terdiri dari koil pipa pendingin bersirip pelat (pipa tembaga dan sirip aluminium atau pipa tembaga dengan sirip tembaga). Udara mengalir dengan arah yang tegak lurus dengan pada bidang pendingin. Gas refrigeran yang bertemperatur tinggi masuk ke bagian atas dari koil dan secara berangsur-angsur mencair dalam aliran ke bagian bawah koil. Gambar 2.15 Kondensor dengan Pendingin Udara 33 Ciri-ciri kondensor pendingin udara adalah sebagai berikut: 1. Tidak memerlukan pipa air pendingin, pompa air dan penampung air, karena tidak menggunakan air. 2. Dapat dipasang dimana saja asal terdapat udara bebas. 3. Tidak mudah terjadi korosi karena permukaan koil kering. 4. Memerlukan pipa refrigeran tekanan tinggi yang panjang karena kondensor biasanya diletakan diluar rumah. 5. Pada musim dingin, tekanan pengembunan perlu dikontrol untuk mengatasi gangguan yang dapat terjadi karena turunnya tekanan pengembunan yang terlalu besar, yang disebabkan oleh temperatur udara atmosfir yang rendah. 2.8.1 Perpindahan panas Perpidahan panas dalam kondensor sama dengan perpindahan kalor yang terjadi dalam evaporator. 2.8.2 Perbedaan temperatur rata-rata log (LMTD) Di dalam kondensor, banyaknya perpindahan kalor dihitung berdasarkan perbedaan temperatur logaritmik. Hal tersebut dilukiskan pada gambar di bawah ini. Makin besar perbedaan temperatur rata-rata, makin kecil ukuran penukar kalor (luas bidang perpindahan kalor) yang bersangkutan. 34 suhu refrigeran masuk suhu refrigeran keluar LMTD ba peru han su dar hu u a suhu udara keluar suhu udara masuk Gambar 2.16 Selisih temperatur rata-rata log kondensor 2.9 Jenis-jenis alat ekspansi 1. Katup ekspansi Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi. Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigeran cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan teperaturnya rendah. Selain itu, katup ini juga sebagai alat konrol refrigerasi yang berfungsi : Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya. 35 2. Pipa kapiler Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyai dua kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dan untuk mengatur aliran refrigeran ke evaporator. Cairan refrigeran memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang akibat dari gesekan dan percepatan refrigeran. Pipa kapiler hampir melayani semua sistem refrigerasi yang berukuran kecil, dan penggunaannya meluas hingga pada kapasitas regrigerasi 10kW. Pipa kapiler mempunyai ukuran panjang 1 hingga 6 meter, dengan diameter dalam 0,5 sampai 2 mm (Stoecker, 1996). Diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigeran dari mesin refrigerasi yang bersangkutan. Konstruksi pipa kapilar sangat sederhana, sehingga jarang terjadi gangguan. Pada waktu kompresor berhenti bekerja, pipa kapiler menghubungkan bagian tekanan tinggi dengan bagian tekanan rendah, sehingga menyamakan tekanannya dan memudahkan start berikutnya. Evapolator Pipa Kapilar Strainer Cairan Refri geran dari kondensator Gambar 2.17 Pipa kapiler 36 Keuntungan sistem refrigerasi menggunakan pipa kapiler : 1) Harga pipa kapiler murah. 2) Saat refrigeran masuk ke dalam sistem pipa kapiler, maka tekanan refrigeran akan menjadi kritis, sehingga tidak memerlukan receiver. 3) Jarang terjadi gangguan. Pada waktu kompresor berhenti bekerja, pipa kapiler menghubungkan bagian tekanan tinggi dengan bagian tekanan rendah, sehingga menyamakan tekanannya. 2.11 Beban pendinginan Perhitungan beban pendinginan merupakan hal yang utama dalam perancangan sistem pengkondisian udara. Hasil perhitungan tersebut nantinya dapat menentukan berapa besar kapasitas mesin refrigerasi yang dibutuhkan agar mampu mengkondisikan udara di dalam suatu ruangan sehingga terasa nyaman. Perhitungan beban pendinginan yang akurat akan berpengaruh terhadap optimasi dimensi mesin refrigerasi yang direncanakan. Beban pendinginan dibagi menjadi dua yaitu beban pendinginan sensibel dan beban pendinginan laten Dalam perhitungan ini dipakai perhitungan-perhitungan panas baik secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Beban pendinginan sensibel akan berpengaruh terhadap naiknya temperatur, beban sensibel dapat disebabkan oleh sinar matahari, transmisi, lampu penghuni, infiltrasi. Sedangkan beban laten akan berpengaruh terhadap kelembaban udara. Beban ini dapat disebabkan infiltrasi, ventilasi, penghuni dan lain sebagainya.