BAB II DASAR TEORI 2.1 Cooling Tunnel

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Cooling Tunnel Cooling Tunnel atau terowongan pendingin merupakan penerapan sistem refrigerasi yang banyak digunakan di industri, baik industri pengolahan makanan, minuman dan farmasi. Cooling tunnel menggunakan sistem conveyor untuk membawa produk yang akan didinginkan untuk masuk kedalam terowongannya. Bahan conveyor yang digunakan bisa terbuat dari baja, karet atau pun plastik sesuai dengan kebutuhan. Biasanya pada cooling tunnel yang digunakan untuk pendinginan makanan ataupun minuman conveyor yang digunakan terbuat dari bahan baja. Ada dua tipe sistem terowongan pendingin atau cooling tunnel, yaitu sistem terowongan pendingin kontinyu dan sistem terowongan pendingin diskontinyu. Kedua tipe ini digunakan sesuai dengan kebutuhan. Terowongan pendingin kontinyu dirancang untuk aplikasi dimana semua produk yang didinginkan memerlukan penurunan temperatur yang sama. Sebaliknya, terowongan pendingin terputus dirancang untuk aplikasi dimana produk setelah temperatur yang diinginkan tercapai produk tersebut harus keluar dari terowongan tersebut. Harga terowongan pendingin terputus lebih mahal dibandingkan dengan terowongan pendingin kontinyu. Terowongan pendingin terputus memiliki efisiensi lebih besar karena membutuhkan energi lebih sedikit dari pada terowongan pendingin kontinyu. Sistem refrigerasi yang digunakan pada cooling tunnel ini biasanya menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap. Sistem ini memanfaatkan udara yang dimasukan kedalam terowongan lalu didinginkan dan dihembuskan oleh sebuah blower. Semakin cepat hembusan udara dingin, maka semakin cepat pula proses pendinginan yang berlangsung. Kecepatan udara yang dihembuskan oleh blower tersebut bisa mencapai 2.5 m/s dengan temperatur yang akan dihasilkan didalam terowongan 2 o C sampai 7 o C (ASHRAE Refrigeration : 2002). DASAR TEORI 5

2 2.2 Sistem Conveyor Dalam dunia industri, sistem conveyor banyak sekali digunakan. Sistem conveyor ini digunakan dalam aplikasi industri bertujuan untuk menghemat tenaga dan waktu dalam memindahkan barang atau produk dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara yang aman dan efisien. Sistem conveyor ini digunakan dalam berbagai industri, seperti industri komputer dan perakitan elektronik, industri farmasi, pengolahan makanan dan minuman dan lain-lain. Jenis sistem conveyor ada bermacam-macam, ada yang menggunakan sistem hidrolik, sistem mekanik atau sistem conveyor yang sepenuhnya otomatis. Bahan yang biasanya digunakan dalam sistem conveyor adalah yang terbuat dari baja, karet dan plastik. Conveyor biasanya terdiri dari satu atau lebih lapisan bahan. Bahan conveyor yang digunakan tergantung untuk membawa apa conveyor tersebut digunakan. Sebagai contoh, pada industri makanan atau minuman conveyor yang digunakan akan lebih higienis dan mudah dibersihkan, sehingga bahan yang digunakan adalah terbuat dari baja. 2.3 Sistem Refrigerasi Dan Aplikasinya Refrigerasi merupakan proses penurunan temperatur dari temperature awal ke temperature yang diinginkan, serta menjaga temperatur suatu ruangan agar tetap konstan atau tidak berubah-ubah dibawah temperatur lingkungannya. Penurunan dan kenaikan temperatur ini disebabkan oleh tekanannya mengalami penurunan dan kenaikan juga. Proses refrigerasi ini banyak sekali digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Proses refrigerasi yang paling sederhana banyak dijumpai saat ini seperti penggunaan refrigerator atau lemari es dan air conditioning (AC). DASAR TEORI 6

3 2.3.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan sistem refrigerasi yang proses penyerapan dan pembuangan kalornya dilakukan oleh suatu bahan yang disebut refrigeran. Apabila suatu sistem refrigerasi kompresi uap tidak ada bahan penyerap dan pembuang kalornya, maka sistem tersebut tidak akan berjalan seperti semestinya. Proses refrigerasi kompresi uap yang utama adalah sebagai berikut Proses kompresi Proses kondensasi (pengembunan) Proses ekspansi Proses evaporasi (penguapan) Keempat proses tersebut apabila berlangsung secara berurutan dan terus menerus akan menghasilkan siklus sepertigambar berikut KONDENSASI 3 2 EKSPANSI KOMPRESI 4 1 EVAPORASI Gambar 2.1 Siklus Kompresi Uap Sederhana Dalam siklus kompresi uap sederhana tersebut, terdapat empat proses yang berhubungan dengan perubahan fasa, yaitu : Proses 1-2 Proses ini merupakan proses kompresi yang terjadi di kompresor. Suction kompresor akan menghisap uap refrigeran yang berasal dari evaporator yang telah menyerap kalor dari ruangan yang dikondisikan. Uap refrigeran yang dihisap dalam keadaan jenuh. Didalam kompresor, uap refrigeran tersebut akan dikompresi DASAR TEORI 7

4 sehingga tekanannya menjadi naik dan temperaturnya pun akan menjadi naik pula. Uap refrigeran yang telah dikompresi dan keluar dari kompresor menjadi uap superheat. Temperatur uap refrigeran ini lebih tinggi dari temperatur lingkungan yang berada disekitar kompresor. Proses ini terjadi secara isentropik. Proses 2-3 Uap refrigeran superheat yang berasal dari saluran discharge kompresor mengalami penurunan temperatur yang tidak begitu besar dengan melepaskan kalor ke lingkungan sekitar, sehingga uap akan berubah fasa menjadi uap jenuh. Uap refrigeran jenuh ini akan siap diembunkan. Proses pengembunan uap refrigeran jenuh ini terjadi di kondensor. Uap tersebut akan melepaskan kalor sensibel ke lingkungan sekitar sehingga akan berubah fasa dari uap menjadi cair. Proses kondensasi ini terjadi secara isobar atau pada tekanan yang konstan. Qc P T Uap superheated kondensor P T Refrigerant cair jenuh Gambar 2.3 Proses Pada Kondensor DASAR TEORI 8

5 Proses 3-4 Proses ini merupakan proses ekspansi. Proses ini terjadi di alat ekspansi secara isoentalpi dan adiabatis (tidak ada penambahan atau pengurangan kalor). Tekanan refrigeran cair diturunkan sehingga temperaturnya pun akan turun. Proses 4-1 Proses ini dinamakan proses evaporasi atau penguapan. Proses evaporasi terjadi di evaporator. Refrigeran yang telah diturunkan tekanannya di alat ekspansi sehingga temperaturnya pun turun akan menyerap kalor yang berada didalam kabin atau ruangan yang akan dikondisikan. Refrigeran cair yang telah menyerap kalor akan berubah fasa menjadi uap jenuh dan akan dihisap oleh suction kompresor. Proses evaporasi ini terjadi secara isobar. DASAR TEORI 9

6 Diagram P-h berikut dapat memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai proses-proses yang terjadi dalam siklus kompresi uap. Gambar 2.6 Diagram P-h Siklus tersebut adalah siklus ideal, artinya faktor faktor yang menyebabkan adanya gangguan terhadap sistem diabaikan. Dari diagram diatas dapat ditentukan beberapa besaran yang harganya dapat dilihat dari diagram tekanan entalpi atau dalam tabel saturasi untuk masing-masing refrigeran. Besaran besaran itu adalah sebagai berikut: Dari diagram (P-h) diatas, kita dapat menentukan beberapa besaran, yaitu : 1. Kerja kompresi per unit massa (W) W = h 2 h 1 (kj/kg) (2.1) 2. Kalor yang dilepas dikondensor persatuan massa refrigeran (q c ) q c = h 2 h 3 (kj/kg) (2.2) 3. Efek refrigerasi (q e ) q e = h 1 h 4 (kj/kg) (2.3) DASAR TEORI 10

7 Sistem refrigerasi kompresi uap memiliki kinerja sistem yang disebut dengan COP (coefficient of performance). COP untuk sistem refrigerasi kompresi uap dapat dirumuskan sebagai berikut : COPaktual = Kalor yang diserap dievaporator energi yang digunakan sebagai kerja COP aktual = COP aktual = (2.4) COP diatas merupakan COP aktual sistem refrigerasi kompresi uap. Untuk mencapai COP ideal suatu sistem refrigerasi digunakan persamaan COP Carnot. COP Carnot dapat dirumuskan sebagai berikut : COP carnot = = Te Tk Te (2.5) Dimana : T e = temperatur evaporasi (K) T k = temperatur kondensasi (K) Setelah mendapatkan COP aktual dan COP carnot, efisiensi sistem refrigerasi kompresi uap dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut : ή = x 100% (2.6) Siklus refrigerasi aktual memiliki beberapa penyimpangan yang disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut : 1. Adanya penurunan tekanan evaporator dan kondensor akibat belokan pipa atau sambungan pipa dan adanya penambahan laju aliran massa pada bagian tersebut. DASAR TEORI 11

8 2. Pemasangan heat exchanger pada keluaran evaporator dan keluaran kondensor akan menyebabkan adanya subcooled dan superheat. Subcooled terjadi di keluaran kondensor dan superheat terjadi di saluran suction kompresor. 3. Pada siklus aktual, kerja kompresi tidak benar-benar terjadi dalam entropi yang konstan. Siklus refrigerasi aktual ini diperoleh dengan percobaan yang hasilnya sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan sekitar. Gambar 2.7 Diagram P-h Dengan Proses Subcooled Gambar 2.8 Diagram P-h Dengan Proses Superheat DASAR TEORI 12

9 2.4 Komponen Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Kompresor Komproser merupakan komponen yang sangat penting dalam sistem refrigerasi kompresi uap. Karena kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi. kompresor bekerja untuk mengkompresi refrigeran agar tekanan naik sehingga temperaturnya juga mengalami kenaikan dan refrigeran dapat mengalir dari suatu bagian ke bagian yang lain dari sistem. Refrigeran dihisap melalui katup suction kompresor dengan tekanan yang rendah. Setelah itu refrigeran ditekan/dikompresi, sehingga dihasilkan refrigeran uap bertekanan tinggi, dan siap disirkulasikan ke sistem melalui katup discharge Kondensor Kondensor merupakan alat penukar kalor. Kondensor dalam suatu sistem refigerasi digunakan untuk melepaskan kalor dari refrigeran, sehingga refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair. Kalor yang dilepas dikondensor merupakan kalor yang diserap di evaporator dan kalor dari akibat kerja kompresi. Refrigeran bertekanan tingggi yang masuk ke kondensor melalui discharge line dikondensasikan di dalam kondensor sehingga refrigeran yang keluar dari kondensor diharapkan berubah fasa dari fasa uap ke fasa cair. Faktor-faktor yang menentukan kapasitas kondensor adalah luas permukaan kondensor, debit media pendingin, dan perbedaan temperatur media pendingin dengan temperatur lingkungan Alat Ekspansi Alat ekspansi pada sistem refrigerasi sangatlah penting sebagai alat yang berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran cair yang berasal dari kondensor di mana tekanan pada saluran keluaran kondensor ini sangatlah tinggi sehingga harus diturunkan. Penurunan tekanan ini diharapkan untuk menurunkan temperatur refrigeran di evaporator karena titik didih refrigerant akan turun seiring dengan DASAR TEORI 13

10 turunnya tekanan pada refrigeran tersebut. Alat ekspansi yang digunakan untuk prototype cooling tunnel ini adalah jenis alat ekspansi Thermostatic expansion valve (TXV). Alat ekspansi adalah alat kontrol yang mempunyai fungsi sebagai berikut : Mengatur aliran refrigeran dari liquid line ke evaporator sesuai dengan laju aliran atau penguapan refrigeran cair di evaporator. Menjaga sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. (Sumber :Dossat, R.J Principle Of Refrigeration : 1981) Evaporator Evaporator merupakan komponen yang digunakan untuk perpindahan kalor antara refrigeran dengan ruang atau benda yang akan didinginkan. Di evaporator refrigeran akan mengalami proses penguapan atau perubahan fasa dari cair menjadi uap. Evaporator yang digunakan untuk prototype cooling tunnel adalah jenis finned and tube. 2.5 Komponen Pendukung Pada Sistem Refrigerasi Liquid Receiver Liquid receiver berfungsi sebagai penyimpan cairan refrigeran yang berasal dari kondenser sehingga refrigeran yang mengalir ke liquid line telah dipastikan menjadi cair semuanya. Liquid receiver ini ditempatkan sesudah kondenser. Fungsi lain dari liquid receiver adalah untuk menampung refrigeran cair pada saat pump down Filter Drier filter drier berfungsi untuk menyaring refrigeran dari kotoran dan mengeringkan refrigeran dengan cara menyerap uap air yang terkandung dalam refrigeran. DASAR TEORI 14

11 2.5.3 Sight Glass Alat ini dipasang setelah filter drier dan berguna untuk melihat apakah refrigeran sudah cukup atau belum, jika belum cukup maka refrigeran perlu ditambah lagi agar sistem dapat berjalan dengan baik. Disamping itu, alat ini berfungsi untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati sight glass benar-benar cair atau tidak. Tabel 2.1 Indikator Warna Pada Sight Glass Warna Biru / hijau Merahmuda / kuning Keterangan Dry Wet Solenoid Valve Fungsi dari solenoid valve adalah untuk menghentikan atau meneruskan cairan refrigeran dalam sistem refrigerasi. Pengaturannya dilakukan oleh kumparan yang dialiri arus listrik. Solenoid valve biasanya dipasang pada liquid line yang berfungsi untuk menjaga refrigeran terperangkap disisi tekanan tinggi dan menurunkan kerja kompresor pada saat awal dijalankan High Low Pressure Stat (HLP) Saklar pemutus tekanan berfungsi melindungi sistem refrigerasi 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. Saklar pemutus tekanan tinggi dan rendah merupakan gabungan dari kedua pemutus tekanan tinggi dan tekanan rendah yang disatukan dalam satu rumah. Saklar pemutus tekanan tinggi akan melindungi sistem dari tekanan yang terlalu tinggi sedangkan saklar pemutus DASAR TEORI 15

12 tekanan rendah akan memutuskan aliran listrik apabila tekanan pada sisi tekanan rendah turun melebihi batas tekanan yang telah ditentukan. Saklar pemutus tekanan tinggi dan rendah mempunyai kontak DPST (double pole single throw), yaitu dua kontak SPST (single pole single throw) yang disatukan. Saklar pemutus tekanan rendah kontaknya menutup pada waktu tekanan evaporator bertambah tinggi. Saklar pemutus tekanan tinggi kontaknya membuka pada waktu tekanan kompresor sangat tinggi. Kompresor akan terus bekerja apabila tekanan buang dan tekanan isap kompresor berada dalam batas yang normal. Apabila tekanan buang kompresor naik sampai melebih batas tekanan yang telah ditentukan saklar pemutus tekanan akan membuka dan menghentikan kompresor Thermostat Thermostat merupakan komponen yang berfungsi untuk pengatur temperatur atau berfungsi sebagai pengaman. Apabila suhu ruangan atau kabin turun atau telah tercapai temperatur yang diinginkan, maka kontaknya akan membuka dan mematikan kompresor dan setelah suhu ruangan atau kabin naik, maka kontaknya akan menutup kembali dan kompresor akan hidup kembali Pressure Gauge Pressure gauge adalah alat bantu mekanik yang berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja sistem. Namun yang diukur bukanlah tekanan kerja absolute melainkan tekanan kerja alat ukur atau gauge. 2.6 Komponen Pendukung Kelistrikan MCB (Mini Circuit Breaker) MCB adalah suatu alat yang digunakan untuk pengaman terhadap beban berlebih atau arus hubungan singkat. Jika terjadi arus berlebih atau hubungan singkat, MCB ini akan bekerja memutuskan rangkaian DASAR TEORI 16

13 tegangan, sehingga sistem menjadi aman dari kerusakan yang akan timbul dari sistem kelistrikan Selector Switch Selector switch merupakan komponen pendukung kelistrikan yang berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan sistem secara manual Relay Relay merupakan komponen listrik yang fungsinya seperti saklar namun komponen ini dikendalikan dari rangkaian lainnya. Dalam sebuah relay terdapat lilitan koil dan kontak NC (normally closed) dan NO (normally opened) TDR (Time Delay Relay) TDR (Time Delay Relay) sering disebut juga relay timer atau relay penunda batas waktu. Fungsi dari peralatan kontrol ini adalah sebagai pengatur waktu bagi peralatan yang dikendalikannya. Kumparan pada timer akan bekerja selama mendapat sumber arus. Apabila telah mencapai batas waktu yang diinginkan maka secara otomatis timer akan mengunci Voltmeter Voltmeter berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai pada sistem Ampere Meter Ampere meter berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik yang mengalir pada sistem. DASAR TEORI 17

14 2.6.7 Pilot Lamp Pilot lamp digunakan sebagai indikator bahwa sistem atau komponen yang dihubungkan paralel dengannya sudah bekerja. 2.7 Perhitungan Beban Pendinginan Pada sistem refrigerasi, beban pendinginan bisa dikelompokan menjadi 4 sumber beban, yaitu : 1. Beban konduksi melalui dinding (wall gain load) 2. Beban kalor pertukaran udara (infiltration load) 3. Beban produk (product load) 4. Beban lain-lain (miscellaneous load) Beban Konduksi Melalui Dinding (Wall Gain Load) Besarnya kalor yang masuk ruangan melalui dinding dapat dihitung dengan persamaan : Q = U x A x T (2.7) dimana, Q = Kalor yang masuk ke ruangan melalui dinding, Watt U = Koefisien perpindahan panas meyeluruh,w/m² K T = Beda temperatur melalui dinding, o C A = Luas penampang, m² Nilai U bisa dicari dengan cara : 1 U 1 x1 x2 x3 xn 1... (2.8) f k k k k f i n 0 dimana: U = Koefisien perpindahan kalor meyeluruh (W/m² K) k = Konduktivitas bahan (W/m K) x = Tebal lapisan bahan (m) f i = Koefisien konveksi dinding dalam. Kita asumsikan 9,37 W/m² K DASAR TEORI 18

15 f o = Koefisien konveksi dinding luar. Kita asumsikan 22,7 W/m² K Beban Pertukaran Udara (Infiltration Load) Udara yang masuk kedalam ruangan atau kabin yang direfrigerasikan bisa menjadi beban untuk pendinginan ruangan atau kabin tersebut. Beban pertukaran udara (infiltrasi) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : qt = q. DT. Df. (1 e) (2.9) dimana : qt = beban pendinginan dalam sehari, kw q = beban sensibel dan laten, kw DT = faktor bukaan pintu Df = faktor aliran udara pintu e = efektifitas pintu q = A. (h i h r ). ρ r. (1 - ρ ) 0.5 (g. H) 0.5. Fm (2.10). Fm = / (2.11) Dimana : q = beban sensibel dan laten, kw A = luas pintu, m 2 h i h r = entalpi udara infiltrasi, kj/kg = entalpi udara refrigerasi, kj/kg ρ i = densitas udara infiltrasi, kg/m 3 ρ r = densitas udara refrigerasi, kg/m 3 g = gaya gravitasi, 9.81 m/s 2 H = ketinggian pintu, m Fm = faktor densitas DASAR TEORI 19

16 2.7.3 Beban Produk (Product Load) Merupakan besarnya kalor yang ditimbulkan produk yang akan didinginkan. Beban ini dapat dihitung dengan persamaan : =.... (2.12) m : massa produk (kg) Cp : Kalor spesifik produk (kj/kg.k) ΔT : perbadaan temperatur awal dan akhir produk (K) n : chilling time produk (lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur dari temperatur awal ke temperatur yang diinginkan) R f : chilling rate factor (nilainya berupa pecahan pada tabel 10-8 s/d 10-11, Dossat) Beban Wadah Wadah bisa menjadi sumber beban pendinginan, besarnya beban pendinginan wadah dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Q =..Δ. (2.13) Cp : Kalor spesifik wadah, (kj/kg.k) m : Massa wadah, (kg) ΔT : perbedaan temperatur awal dan akhir wadah (K) n : chilling time wadah (lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur dari temperatur awal ke temperatur yang diinginkan) DASAR TEORI 20

17 2.7.5 Beban Lain-Lain Beban lain-lain yang dapat dihitung adalah beban dari conveyor. Beban dari conveyor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Q =..Δ. (2.14) Cp : Kalor spesifik conveyor, (kj/kg.k) m : Massa wadah conveyor, (kg) ΔT : perbedaan temperatur awal dan akhir conveyor (K) n : chilling time conveyor (lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan temperatur dari temperatur awal ke temperatur yang diinginkan) Beban Total Beban total merupakan beban secara keseluruhan dari beban, yaitu beban konduksi melalui dinding, beban infiltrasi, beban produk, dan beban lain-lain. Sehingga persamaannya dapat ditulis : Q total = Q dinding + Q infiltasi + Q produk + Q lain-lain (2.15) Untuk keamanan, beban total ditambahkan dengan safety factor, sehingga beban totalnya menjadi : Q total s = Q total + (10% x Q total ) (2.16) Dari beban total rancangan dapat diperoleh kapasitas peralatan yang dibutuhkan dengan menggunakan persamaan : = (2.17) Dimana : RT : Running Time atau operating time dari sistem (jam) DASAR TEORI 21