BAB II DASAR TEORI.

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pendahuluan Sistem pendinginan secara umum dapat dibagi menjadi dua, yaitu sistem pendinginan secara langsung dan sistem pendinginan secara tidak langsung. Sistem pendinginan secara langsung hanya terdapat penggunaan satu jenis refrigeran yang digunakan untuk mendinginkan produk yang diinginkan. Sedangkan sistem pendinginan tidak langsung menggunakan fluida kerja perantara (air garam) untuk mendinginkan produk air yang nantinya berupa es balok dan fluida kerja perantara ini akan didinginkan oleh fluida kerja yang lain (refrigeran) dalam hal ini contohnya mesin pembuat es balok (brine cooling) Brine cooling adalah mesin pembuat es balok yang menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap dan brine (air garam) nya itu sebagai refrigerannya (secondary refrigerant). Oleh karena itu sistem brine cooling ini masih berkaitan dengan sistem refrigerasi kompresi uap maka saya bagi menjadi dua bagian besar yaitu tentang sistem refrigerasi kompresi uap dan brine cooling atau secondary refrigerant. 2.2 Mesin Pendingin Kompresi Uap Sistem refrigerasi ialah suatu sistem yang menghasilkan atau menjaga temperatur produk atau udara agar selalu berada di bawah temperatur lingkungannya. Sistem refrigerasi terdiri dari beberapa jenis diantaranya ialah sistem refrigerasi absorpsi, adsorpsi, thermoelectric, steam jet, kriogenik dan kompresi uap. Jenis sistem refrigerasi yang digunakan pada mesin pembuat es balok ialah sistem refrigerasi kompresi uap. Kemampuan cairan untuk menyerap panas dengan jumlah sebanyak banyaknya ketika cairan tersebut menguap adalah merupakan dasar dari 6

2 sistem refrigerasi mekanik yang modern. Mesin refrigerasi ini memiliki komponen utama yaitu kompresor dan penggeraknya, kondenser, evaporator, alat ekspansi, dan refrigeran. Air tidak cocok dipakai sebagai fluida kerja pada sistem kompresi uap, karena memiliki temperatur saturasi (penguapan) yang cukup tinggi. Untuk menguap pada temperatur rendah sehingga kebutuhan pendinginan dapat terpenuhi, air harus menguap pada tekanan rendah, dimana sangat sulit dicapai dan tidak efisien. Oleh karena itu fluida kerja yang banyak dijumpai dalam mesin pendingin ini adalah freon karena mempunyai temperatur saturasi yang lebih rendah dari air pada tekanan yang sama dengan kecenderungan pilihan jenis non CFC mengingat kelestarian lingkungan hidup harus tetap dijaga. Aplikasi untuk sistem refrigerasi ini tidak hanya terbatas sebagai mesin pendingin air yang nantinya berupa es balok, tetapi sistem ini sangat luas aplikasinya. Hal ini dikarenakan beberapa kelebihan yang dimiliki baik dari segi COP, efisiensi, sederhana, dan bisa digunakan untuk kapasitas yang besar. Gambar proses sistem refrigerasi kompresi uap sederhana dapat dilihat pada gambar berikut ini : ( Sumber: Proses termodinamika yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap dapat digambarkan atau diplotkan pada satu diagram tekanan entalpi yang dikenal dengan Diagram Mollier. 7

3 Gambar 2.2 Siklus Sistem Refrigerasi Kompresi Uap pada Diagram Mollier ( Sumber: Pada prinsipnya siklus refrigerasi kompresi uap terdiri atas empat proses utama yaitu : 1. Proses kompresi 1 2 : terjadi proses kompresi secara isentropik di kompresor, tekanan dan temperatur uap refrigeran naik. 2. Proses kondensasi 2-3 : terjadi proses kondensasi secara isobar di kondenser serta pelepasan kalor ke lingkungan, maka fasa refrigeran akan mengalami perubahan uap menjadi cair. 3. Proses ekspansi 3 4 : terjadi proses ekspansi secara isentalpi di pipa kapiler, tekanan dan temperatur refrigeran terjadi penurunan. 4. Proses evaporasi 4-1 : terjadi proses evaporasi secara isobar di evaporator, refrigeran menyerap panas sehingga berubah fasa menjadi uap Proses Kompresi Proses ini terjadi di kompresor dan fasa yang refrigeran yang masuk ke kompresor adalah uap jenuh, dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kerja diberikan pada refrigeran dengan cara dipompakan agar tekanannya naik sehingga temperaturnya pun ikut naik (titik didih naik). Karena terjadi proses pemompaaan ini, 8

4 maka fasa refrigeran akan mengalami perubahan, yaitu akan berubah menjadi fasa uap lanjut (superheat) yang keluar dari kompresor dengan bertekanan serta bertemperatur tinggi. Kerja kompresi (qw) dapat dinyatakan dalam : qw = h2 h1 (2.1) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 124) Dimana : qw = besarnya kerja kompresi (kj/kg) h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kj/kg) h2 = entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kj/kg) Proses Kondensasi Temperatur refrigeran yang tinggi hasil dari pemampatan kompresor mengalir menuju kondenser. Di kondenser ini karena temperatur refrigeran lebih tinggi daripada temperatur lingkungan, maka panas dari refrigeran akan dilepas melalui dinding pipa kondenser ke lingkungan sekitar. Pada saat uap refrigeran yang berasal dari discharge kompresor masuk kondenser maka uap (superheat) tersebut akan diembunkan pada keadaan saturasi. Selama dalam kondenser, tekanan dan temperatur akan tetap tinggi, namun refrigerannya akan berubah fasa menjadi fasa cair. Besarnya panas yang dilepas refrigeran di kondenser adalah : qc = h2 h3 (2.2) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 125) Dimana : qc = besarnya panas yang dilepas di kondenser (kj/kg) h1 = entalpi refrigeran saat masuk kondenser (kj/kg) h2 = entalpi refrigeran saat keluar kondenser (kj/kg) 9

5 2.2.3 Proses Ekspansi Dari keadaan 3 (Gbr. 2.2) refrigeran masuk ke katup ekspansi untuk diturunkan tekanannya, dimana prosesnya secara isentalpi dan temperatur akan turun. Dan akibat proses ekspansi ini akan mengakibatkan refrigeran sebagian berubah dari air menjadi uap sehingga pada keadaan 4 (Gbr 2.2) terjadi campuran fasa cair dan fasa uap. h3 = h4 (2.3) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 123) Proses Evaporasi Proses ini terjadi di evaporator, temperatur refrigeran di evaporator dibuat lebih rendah dari temperatur ruang refrigerasi. Karena temperatur refrigeran lebih rendah dari temperatur lingkungan, maka refrigeran itu akan menguap dengan menyerap panas dari lingkungan. Karena mengalami penguapan, maka fasa refrigeran akan berubah dari fasa campuran (cair dan uap) menjadi fasa uap jenuh. Dimana laju energi yang dipindahkan ke refrigeran adalah : qe = h1 h4 (2.4) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 123) Dimana : qe = besarnya panas yang diserap di evaporator (kj/kg) h1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kj/kg) h4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kj/kg) 2.3 Performansi Sistem COP (Coefficient of Performance) actual ialah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi. 10

6 COP = Efek Refrigerasi = qe (2.5) Kerja Kompresi qw (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 126) COP carnot adalah perbandingan temperatur evaporasi absolut dibandingkan dengan selisih temperatur kondenser dan evaporasi absolut. COP = Tevap Tkond Tevap (2.6) (Sumber, Roy J. Dossat, Principles of Refrigeration, Second Edition, SI Version, Bab 7, Halaman 126) Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COP actual dan COP carnot. Efisiensi (η) = COP actual x 100% COP carnot 2.4 Komponen Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Refrigeran Salah satu komponen penting dalam sistem refrigerasi adalah refrigeran yang berfungsi sebagai media pendingin dengan cara menyerap panas dari zat lain yang mempunyai temperatur lebih tinggi sebagai akibatnya adanya persentuhan dengan material yang didinginkan, dalam hal ini evaporator. Ditinjau dari segi pemakaian pada sistem refrigerasi, refrigeran dikelompokkan ke dalam 2 kelompok, yaitu refrigeran primer dan refrigeran sekunder sebagai berikut : Refrigeran Primer Refrigeran primer biasa digunakan pada sistem refrigerasi ekspansi langsung, dimana pada sistem ini refrigeran berekspansi dan menguap di dalam pipa yang 11

7 ditempatkan pada ruangan yang didinginkan dan menyerap panas laten penguapan dari material yang akan didinginkan. Refrigeran seperti : R-11, R-12, R-22, R-502, R-134, R-410 dan masih banyak lagi dan semuanya merupakan refrigeran primer dan diantaranya banyak digunakan dan memenuhi syarat untuk merancang sistem refrigerasi dan tata udara. Namun demikian ternyata unsur chlor yang terkandung di dalam refrigeran dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon di stratosfir dan meningkatkan temperatur permukaan bumi. Refrigeran mempunyai syarat syarat antara lain : 1. Tidak beracun, tidak berwarna, dan tidak berbau. 2. Tidak korosif (tidak mudah berkarat). 3. Mempunyai titik didih (NBP = Normal boiling Point) yang rendah. 4. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah. 5. Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari 1 atm. 6. Mempunyai panas laten uap yang besar agar kerja kompresor ringan. 7. Jika terjadi kebocoran mudah diketahui. 8. Harganya murah dan mudah di dapat. 9. Mempunyai volume spesifik cair yang besar dan uap yang rendah. 10. Mempunyai struktur kimia yang stabil tidak boleh terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan, dan diuapkan Refrigeran Sekunder (secondary refrigerant) Refrigeran sekunder digunakan pada sistem pendinginan tidak langsung, refrigeran sekunder didinginkan oleh refrigeran primer pada sistem refrigerasi ekspansi langsung kemudian dipompa dan dialirkan melalui pipa pada material yang akan didinginkan. Untuk lebih jelas tentang refrigeran sekunder akan dibahas di sistem brine cooling. 12

8 2.4.2 Kompresor Unit Kompresor unit terdiri dari motor penggerak dan kompresor. Kompresor unit dirancang dan diproduk 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 uap refrigeran yang berasal dari evaporator dan menekannya ke kondenser sehingga tekanan dan temperaturnya akan meningkat ke suatu titik dimana uap akan mengembun pada temperatur media pengembun, sedangkan motor penggerak berfungsi untuk memutarkan kompresor tersebut. Kompresor dapat dibagi menjadi tiga jenis ditinjau dari penggerakannya yaitu: 1. Jenis unit terbuka (open type) Disini kompresor dan motor penggeraknya masing masing berdiri sendiri, untuk memutarkan kompresor dipergunakan belt atau sabuk. Motor penggeraknya biasanya motor listrik atau motor diesel. 2. Semi hermetic unit Disini kompresor dan motor listrik juga berdiri sendiri sendiri, tetapi dihubungkan seolah olah menjadi satu unit. Untuk memutarkan kompresor, poros motor listrik dihubungkan dengan poros kompresornya langsung. 3. Hermetic unit Disini kompresor dan motor listrik benar benar menjadi satu unit yang tertutup rapat. Kelemahannya jika terjadi kerusakan pada kompresor dan motor listrik sulit untuk diperbaiki. Keuntungannya ialah bentuknya dapat menjadi lebih kecil tidak banyak memakan tempat, harga relatif murah, cocok sekali untuk unit kompresor kompesor domestik refrigerator yang mempunyai tekanan rendah. Disini pemindahan daya dari motor listrik ke kompresor dapat menjadi lebih sempurna. 13

9 Ada 3 jenis kompresor yang umum digunakan dalam sistem refrigerasi, yaitu kompresor torak (reciprocating compressor), kompresor sekrup (screw) atau helical rotary, dan kompresor sentrifugal yaitu : 1. Kompresor torak (reciprocating compressor) Kompresor torak adalah jenis kompresor yang paling banyak digunakan karena bentuk dan konstruksinya lebih menguntungkan sehingga dapat dirancang untuk berbagai kapasitas, dari kapasitas yang kecil sampai besar. Namun karena proses kompresi dihasilkan dari gerakan piston dengan lengan piston yang sedemikian rupa, maka akibatnya timbul sedikit bising. Hal ini menjadi kurang menguntungkan jika objek yang dirancang menuntut tingkat kenyamanan dengan standar kebisingan yang rendah. Oleh karena itu kompresor jenis torak yang berkapasitas kecil lebih sering digunakan untuk mesin pendingin rumah tangga seperti kulkas, freezer, dan lain lain. Sedangkan kompresor torak yang berkapasitas besar banyak digunakan untuk gudang pendingin, AC central dan lain lain. Kompresor torak terdiri dari sebuah piston yang bergerak ke depan dan ke belakang di dalam sebuah silinder yang mempunyai katup hisap dan katup buang sehingga berlangsung proses pemompaan kompresor torak bekerja pada daerah kerja puluhan watt hingga ratusan kilowatt kapasitas refrigerasi. Kompresor kompresor modern bersifat single acting bersilinder tunggal maupun multisilinder, dimana pada kompresor multisilinder, silinder silindernya dapat disusun berbentuk V, W, dan radial ataupun lurus. Prinsip kerja kompresor torak adalah pada saat berlangsung langkah hisap, gas refrigeran yang bertekanan rendah ditarik masuk melalui katup hisap yang terletak pada piston atau kepala kompresor. Pada saat langkah buang, piston menekan refrigeran dan mendorongnya keluar melalui katup buang yang biasanya terletak pada kepala silinder. 14

10 2. Kompresor sekrup (helical rotary / screw compressor) Kompresor sekrup adalah jenis kompresor positive displacement dimana saluran tekan dihasilkan dari adanya alur baut rotor yang dipasang dalam rumah kompresor yang sedemikian rupa sehingga uap refrigeran yang terperangkap akan terdorong dan menghasilkan suatu tekanan. Jika pada bagian yang menerima tekanan tersebut disebut saluran tekan (discharge port). Sedangkan pada sisi lain yang berlawanan akan terjadi penarikan sejumlah refrigeran, oleh karena itu di bagian ini disebut sisi saluran isap (suction port). 3. Kompresor sentrifugal Kompresor sentrifugal pada dasarnya terdiri dari sejumlah roda impeler yang dipasang secara seri pada batang baja dan ditutup dengan rumah rumah dari besi cor. Jumlah impelernya tergantung dari keinginan berapa besar head yang hendak dicapai selama proses kompresi, pada sistem refrigerasi dan AC, jenis kompresor ini biasanya digunakan untuk unit unit dengan kapasitas besar. Prinsip aliran fluida pada kompresor sentrifugal mirip dengan pompa dan kipas sentrifugal. Gas pada kecepatan dan tekanan rendah masuk dari saluran isap pada sisi masukan yaitu pada mata roda impeler sepanjang sumbu poros rotor. Ketika masuk ke impeler, gas dipaksa keluar melalui sudu sudu impeler oleh gaya sentrifugal yang terjadi karena putaran roda impeler dan akan dikeluarkan melewati ujung sudu ke dalam rumah kompresor dengan kecepatan tinggi dan disertai dengan kenaikan tekanan dan temperatur. Kompresor yang digunakan pada mesin pendingin es balok ialah kompresor unit dengan dua silinder. Keuntungan kompresor jenis ini ialah : 1. Jika motor penggeraknya rusak, kita dapat memperbaiki motornya saja tanpa harus mengganggu kompresor dan bahan pendingin sistem. 2. Dengan mengubah diameter puli pada motor atau kompresor, kita sudah dapat mengubah dan mengatur jumlah putaran kompresor. 15

11 3. Pada daerah yang tidak ada listrik, kompresor open unit dapat dipakai dengan tenaga penggerak dari diesel atau motor bensin. 4. Minyak pelumas di dalam kompresor mudah diperiksa melalui gelas pemeriksa Kondenser Kondenser berfungsi sebagai alat perpindahan panas sehingga panas dari uap refrigeran dilepas ke media pengembun sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari uap ke cair. Sebelum masuk ke kondenser, refrigeran berupa uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondenser, refrigeran berupa cairan jenuh yang bertemperatur dan bertekanan sama (tinggi) seperti sebelum masuk ke kondenser. Media jenis media pendinginnya, ada tiga media yang dapat digunakan di kondenser sebagai media pendinginnya yaitu air, udara, dan kombinasi keduanya. Kondenser yang menggunakan media air sebagai media pendinginnya disebut water cooled condenser, kondenser yang menggunakan udara sebagai media pendinginnya disebut air cooled condenser, dan jika kedua duanya digunakan secara bersama sama atau kombinasi maka disebut sebagai evaporative condenser. Tiga media pendingin yang digunakan kondenser yaitu : 1. Kondenser berpendingin air (water cooled condenser) Kondenser berpendingin air dapat dibedakan menjadi dua kategori, yaitu : 1. Kondenser yang air pendinginnya langsung dibuang. 2. Kondenser yang air pendinginnya disirkulasikan kembali. Sesuai dengan namanya, kondenser yang air pendinginnya dibuang, maka air yang berasal dari suplai air dilewatkan ke kondenser dan dibuang atau ditampung di suatu tempat dan tidak digunakan kembali, maka air yang keluar dari kondenser dilewatkan melalui menara pendingin (cooling tower) agar temperaturnya turun. Selanjutnya air dialirkan kembali ke dalam kondenser, demikian seterusnya secara berulang ulang. 16

12 2. Kondenser berpendingin udara (air cooled condenser) Ada dua metode mengalirkan udara pada jenis ini, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa dengan bantuan kipas. Konveksi secara alamiah mempunyai laju aliran udara yang melewati kondenser sangat rendah, oleh karena hanya mengandalkan kecepatan angin yang terjadi pada saat itu. Oleh karena itu kondenser jenis ini hanya cocok untuk unit unit yang kecil seperti kulkas dan freezer untuk keperluan rumah tangga. Kondenser berpendingin udara yang menggunakan bantuan kipas dalam mensirkulasikan media pendinginannya dikenal sebagai kondenser berpendingin udara konveksi paksa. Secara garis besar, jenis kondenser menjadi dua kelompok, yaitu : 1. Kondenser yang kipasnya dioperasikan dengan pengatur jarak jauh (remote control). 2. Kondenser yang kipasnya dirakit bersama sama dengan unit kompresor atau dikenal dengan condensing unit. Kapasitasnya kondenser jenis ini biasanya cocok untuk beban mulai < 1kW s/d 500 kw, bahkan kadang kadang dapat lebih dari 500 kw. 3. Kondenser evaporative (evaporative condenser) Kondenser evaporative pada dasarnya adalah kombinasi antara kondenser dengan menara pendingin yang dirakit menjadi satu unit atau kondenser yang menggunakan udara dan air sebagai media pendinginnya. Pada mesin pendingin es balok ini digunakan air cooled condenser sebanyak satu unit yang berfungsi untuk sebagai media penukar kalor dan tempat terjadi proses kondensasi Alat Ekspansi (katup Ekspansi) Selain sebagai penurun tekanan dan temperatur katup ekspansi juga berfungsi sebagai pengatur refrigeran yang akan masuk ke evaporator sesuai dengan beban 17

13 pendinginan yang harus dilakukan oleh evaporator. Jadi katup ekspansi mengatur supaya evaporator dapat selalu bekerja sehingga diperoleh efisiensi siklus refrigerasi yang optimum dan untuk menjaga perbedaaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah dari suatu sistem refrigerasi, agar terjadi penguapan refrigeran di dalam evaporator pada tekanan rendah yang dikehendaki. Sementara itu pada saat yang bersamaan akan terjadi pengembunan di kondenser pada sisi tekanan tinggi. Pada dasarnya ada enam jenis alat ekspansi yang biasa digunakan pada sistem refrigerasi kompresi uap yaitu : 1. Katup ekspansi manual. 2. Katup ekspansi automatic (automatic expansion valve). 3. Katup ekspansi elektronik (electronic expansion valve). 4. Katup ekspansi termostatik (thermostatic expansion valve). 5. Katup ekspansi termoelektrik (Thermoelectric expansion valve). 6. Pipa kapiler. 7. Katup apung tekanan tinggi. 8. Katup apung tekanan rendah. Katup ekspansi yang digunakan adalah katup thermostatic expansion valve dengan external equalizer. Keuntungan dari TXV jenis ini ialah ; 1. Mudah diatur. 2. Menutup laju aliran refrigeran pada saat off circle. 3. Dapat mencegah kelebihan refrigeran di evaporator. 4. Sesuai dengan beban besar yang berubah ubah. 5. Sesuai untuk sistem dengan drop tekanan yang besar di evaporator. 6. Secara otomatis mengatur laju aliran berdasarkan superheat pada keluaran evaporator. 18

14 2.4.5 Evaporator Evaporator berfungsi sebagai alat perpindahan panas sehingga panas dari ruang atau bahan yang akan didinginkan diserap oleh cairan dan uap refrigeran sehingga cairan refrigeran akan menguap dan berubah fasa dari air ke uap. Sebelum masuk ke evaporator, refrigeran masih berupa campuran uap dan cairan yang bertekanan dan bertemperatur rendah, sedangkan setelah keluar dari evaporator, refrigeran berupa uap jenuh yang bertekanan dan bertemperatur rendah, sama seperti sebelum masuk ke evaporator. Ada beberapa macam evaporator, bentuknya pun dapat berbeda beda sesuai tujuan penggunaannya. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkannya pun berbeda beda, ada yang berupa gas, cairan, ataupun padat. Maka oleh karena itu berdasarkan cara kerjanya, evaporator dapat dibagi menjadi beberapa jenis yaitu : 1. Tipe ekspansi kering (dry/direct expansion evaporator) Dalam tipe ekspansi kering, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui katup ekspansi, pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga refrigeran yang keluar dari evaporator sudah dalam keadaan uap kering. Oleh karena sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigeran, maka perpindahan panas tidak begitu besar jika dibandingkan dengan keadaan dimana evaporator terisi oleh refrigeran cair. Akan tetapi, evaporator jenis ekspansi kering tidak memerlukan refrigeran dalam jumlah besar. Jumlah refrigeran yang masuk ke evaporator diatur oleh katup ekspansi sehingga semua refrigeran meninggalkan evaporator dalam bentuk uap jenuh, dan bahkan dalam keadaan superheat. 2. Tipe banjir (flooded evaporator) Dalam evaporator tipe banjir, sebagian besar evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Dalam evaporator jenis ini gelembung refrigeran yang terjadi akibat pemanasan, naik dan masuk ke akumulator dimana disana terjadi pemisahan 19

15 refrigeran yang benar benar uap dengan refrigeran yang masih cair. Selanjutnya refrigeran yang masuk ke kompresor sudah benar benar berupa uap sedangkan refrigeran yang masih cair akan dikembalikan ke evaporator yang berasal dari kondenser. Jadi, tabung evaporator terisi oleh refrigeran cair dan cairan refrigeran tersebut menyerap panas dari fluida yang hendak didinginkan (air larutan garam dan sebagainya) yang mengalir di dalam pipa. Uap refrigeran yang terjadi dikumpulkan di bagian atas dari evaporator sebelum masuk ke kompresor. Berdasarkan bentuk dan konstruksinya evaporator dapat dibedakan menjadi : 1. Evaporator pipa polos (bare tube) Pada evaporator jenis ini biasanya terbuat dari bahan pipa baja atau pipa tembaga. Pipa baja biasanya dipakai untuk evaporator yang berkapasitas besar dan umumnya digunakan untuk sistem refrigerasi yang menggunakan amoniak sebagai refrigerannya. Sedangkan evaporator yang terbuat dari pipa tembaga biasanya dipakai untuk berbagai kapasitas dari kecil sampai besar dan menggunakan refrigeran selain amoniak. 2. Evaporator jenis pelat (plate surface) Ada beberapa jenis konstruksi evaporator jenis pelat. Salah satu diantaranya adalah terbuat dari dua buah pelat dimana salah satu pelatnya bergelombang yang kemudian di las titik sehingga celah di antara kedua pelat tersebut menjadi saluran untuk mengalirkan fluida pemindah kalor. 3. Evaporator bersirip (finned tube) Evaporator bersirip sebenarnya adalah jenis evaporator pipa polos yang dipasang pelat tipis atau sirip yang disusun sedemikian rupa, sehingga sirip sirip tersebut dapat berfungsi sebagai penyerap panas atau dengan kata lain sirip sirip pada evaporator akan menghasilkan luas bidang permukaan pemindah panas yang 20

16 lebih besar. Tingkat efektivitas sirip sangat tergantung pada kerapatan kontak antara sirip dengan pipanya. Semakin rapat, maka efektivitas sirip semakin baik. Pembekuan pada permukaan pipa dan sirip tidak dapat dihindari. Oleh karena itu, jika laju aliran udara di permukaan evaporator terhalang atau terganggu maka jarak antara sirip dengan sirip umumnya dirancang berkisar sekitar 80 sampai 200 sirip setiap meternya. Tujuannya adalah untuk mengurangi hambatan laju aliran udara terutama pada evaporator yang laju aliran udaranya dilakukan secara alami tanpa bantuan kipas maka dianjurkan untuk menggunakan evaporator bersirip dilengkapi dengan kipas dan jika temperatur kerjanya jauh di bawah 0 C perlu dilengkapi dengan alat yang dapat mencairkan bunga es. Evaporator yang banyak digunakan untuk pendinginan cairan ialah 1. Pendingin shell and tube 2. Pendingin shell and coil 3. Pendingin tipe tangki (tank type cooler/ice bank) 4. Pendingin baudelot (baudelot cooler) 5. Pendingin pipa ganda (double pipe cooler) Evaporator yang digunakan pada mesin pendingin es balok ini adalah tipe tangki (tank type cooler) atau lebih dikenal dengan istilah ice bank. Ice bank ialah tangki yang berisi evaporator bare tube yang direndam dan dikelilingi oleh garam dan air. Dalam sistem yang kecil, tipe evaporator bare tube direndam di dalam cairan dapat menghasilkan perpindahan kalor yang baik. Cara ini membuat evaporator lebih efisien karena perpindahan panas dari cairan ke logam atau metal lebih cepat daripada udara. Rasio efisiensi 50/100 : 1 pada umumnya efisiensi itu menunjukkan bahwa evaporator yang direndam dapat berpindah dari 50 ke 100 Btu/hr Cft 2 pada permukaan evaporator. Pendinginan evaporator dengan menggunakan udara hanya dapat memindahkan 1 Btu di bawah kondisi yang konstan. Pendinginan evaporator jenis tangki ini dapat menggunakan katup apung sisi tekanan rendah dan TXV sebagai pengontrol refrigeran dan keduanya digunakan pada sistem yang besar. Pada sistem yang kecil biasanya menggunakan pipa kapiler sebagai pengontrol refrigeran. 21

17 Cairan yang didinginkan dapat disirkulasikan dan dapat digunakan dalam berbagai tujuan. Pada sistem mesin pendingin es balok ini evaporator digunakan untuk mendinginkan air garam, dimana air garam tersebut akan digunakan untuk membuat es balok. Selain itu juga menggunakan air garam (brine) sebagai refrigeran sekunder, karena temperatur air garam di tank type cooler disetting sampai -10 C. Keuntungan daripada tank type cooler ini antara lain : a. Kerja kompresor ringan karena pada saat beban puncak menggunakan energi yang tersimpan hasil pendinginan ketika tidak ada beban. b. Kapasitas kompresor menjadi lebih kecil daripada menggunakan direct expansion evaporator. c. Bentuk sederhana hanya berupa tangki air yang terbuat dari stainless steel yang diinsulasi, dan di dalamnya terdapat koil evaporator yang direndam oleh air garam seluruhnya. Selain itu dilengkapi dengan pompa agar air garam terus bergerak dan bersirkulasi sehingga temperatur air garam akan merata. Pada tank type cooler untuk membuat es balok ini menggunakan satu buah pompa yang diletakkan pada sudut tangki. d. Perawatan mudah karena tidak ada perawatan khusus untuk tank type cooler. 2.5 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Komponen pendukung atau komponen control ialah komponen yang berfungsi meningkatkan efektivitas dan efisiensi dari sistem. Komponen pendukung ini terbagi 2 yaitu : Komponen Pendukung Mekanik, antara lain : a. Liquid Receiver Fungsi dari liquid receiver yaitu untuk menampung sementara cairan refrigeran yang keluar dari kondenser, agar refrigeran yang mengalir ke katup ekspansi semuanya berbentuk cairan. Cairan refrigeran di tampung pada bagian 22

18 bawah dari alat ini, sedangkan uap refrigeran berada di bagian atas dari alat ini. Liquid receiver biasanya di pasang setelah kondenser. b. Filter Dryer Filter dryer terdiri atas silica gel dan screen yaitu berupa kawat kasa yang sangat halus yang berfungsi untuk mencegah uap air yang mungkin ada pada sistem yang selanjutnya akan membeku dan menyumbat aliran refrigeran pada sistem serta untuk menyaring kotoran atau uap air yang bercampur dengan refrigeran yang akan melindungi sistem dari sumbatan dan rusaknya komponen akibat gesekan kotoran tersebut. c. Akumulator Akumulator berfungsi menampung sementara refrigeran cair yang bersuhu rendah dan campuran minyak pelumas dari evaporator. Hanya refrigeran berfasa uap yang dapat mengalir dari bagian atas akumulator tersebut melalui saluran hisap (suction line) ke kompresor. Akumulator dipasang setelah evaporator. d. Solenoid Valve Fungsi dari solenoid valve adalah untuk menghentikan atau meneruskan cairan refrigeran dalam sistem refrigerasi dan mencegah cairan masuk ke dalam kompresor pada saat kompresor mati, dimana pengaturannya dilakukan oleh kumparan yang dialiri arus listrik. Pemasangan solenoid valve dapat dilakukan pada bagian sebagai berikut : 1. Pada liquid line, hal ini mencegah refrigeran cair mengalir pada saat evaporator tidak digunakan. 2. Pada suction line, untuk mencegah refrigeran cair masuk ke kompresor saat pump down. 23

19 e. Pompa Pompa berfungsi untuk mengalirkan cairan dari suatu tempat ke tempat lain melalui sistem pemipaan. Pompa yang digunakan pada mesin pendingin es balok adalah pompa sentrifugal. Keuntungan dari pompa ini adalah ; Konstruksi relatif sederhana. Kapasitas yang relatif besar. Harga murah. Perawatan mudah. Untuk proses pembuatan es balok menggunakan satu buah pompa yang digunakan untuk sirkulasi air garam Komponen Pendukung Kelistrikan dan Kontrol Komponen pendukung kelistrikan adalah alat yang prinsip kerjanya menggunakan daya listrik sebagai power penggerak, antara lain : 1. Thermostat Thermostat berfungsi untuk mengatur temperatur agar dapat dipertahankan pada kondisi yang konstan sesuai dengan limit yang disesuaikan dengan kebutuhan. Alat ini termasuk jenis on/off otomatis karena bekerja secara otomatis berdasarkan sensor temperatur yang diterima. Thermostat yang digunakan electrical thermostat/digital yang disetting -10 C. 2. High Low Pressure (HLP) HLP berfungsi untuk melindungi sistem dari tekanan yang terlalu tinggi atau terlalu rendah. Dengan cara membuka kontak atau terminal listrik sehingga rangkaian listrik terputus dan kompresor mati. Setelah tekanan tidak berbahaya lagi maka titik kontak atau terminal listrik akan menutup sehingga kompresor berfungsi kembali. 24

20 Bagian low pressure dihubungkan dengan tekanan isap pada kompresor dan high pressure dihubungkan pada tekanan buang kompresor. 3. MCB (Magnetic Circuit Breaker) MCB berfungsi sebagai komponen pengalir arus sekaligus pengaman jika terjadi hubungan singkat atau beban lebih. MCB yang digunakan adalah MCB 3 phasa. 4. Magnetic Kontaktor Kontaktor berfungsi sebagai alat untuk memutuskan dan mengalirkan arus listrik ke komponen yang dituju dengan menggunakan saklar on/off dan bekerja dengan elektromagnetik. 2.6 Sistem Brine Cooling Seperti yang sudah dijelaskan sistem brine cooling adalah mesin pendingin yang menggunakan brine nya (air garam) itu sendiri sebagai refrigeran sekunder yang berfungsi untuk mendinginkan air yang akan diproduksi sebagai es balok, oleh karena itu akan saya bahas sistem brine cooling ke dalam dua bagian yaitu brine (air garam) dan sistem brine cooling itu sendiri Air Garam Sebagai Refrigeran Sekunder Di dalam instalasi refrigerasi tidak langsung terutama pada penataan udara gedung gedung bertingkat, air merupakan media pemindah kalor yang umum digunakan untuk menarik beban evaporator di atas 0 C atau di atas titik beku air. Bila sistem bekerja di bawah temperatur 0 C atau di bawah titik beku air maka digunakan media pemindah kalor atau refrigeran sekunder yang dikenal dengan air garam, air garam adalah : 1. Larutan yang terdiri dari air dan garam organik sebagai contoh : sodium chloride, CaCl 2, NaCl, dan lain lain. 25

21 2. Larutan yang terdiri dari air dan organik compound, misalnya : alcohol atau ethanol air. 3. Larutan yang terdiri dari glikol, misalnya : ethylene glikol dan propylene glikol. Ada dua macam air garam yang biasa digunakan pada sistem refrigerasi, yaitu calcium chloride (CaCl 2 ) dan natrium chloride (NaCl). NaCl atau biasa disebut garam dapur digunakan untuk pendinginan atau pembekuan daging, membuat es balok dan lain lain, dimana temperatur dapat mencapai -21,1 C. CaCl 2 biasanya banyak digunakan untuk membekukan atau menyimpan produk dan pendingin proses industri lainnya dimana temperaturnya dapat mencapai di bawah -29,4 C. Sistem refrigerasi tidak langsung menggunakan refrigeran sekunder mempunyai beberapa keuntungan dibanding sistem refrigerasi langsung diantaranya : 1. Jika kebutuhan temperatur di beberapa ruangan pada suatu gedung yang bervariasi, dengan menggunakan refrigeran sekunder dapat diatasi dengan mengontrol jumlah air garam yang mengalir pada ruangan tersebut. 2. Lintasan pipa yang digunakan untuk menarik panas oleh refrigeran sekunder dari sumber panas akan lebih pendek dibandingkan lintasan pipa oleh sistem refrigerasi ekspansi langsung. Hal ini dikarenakan volume spesifik refrigeran sekunder lebih rendah dari uap refrigeran. 3. Dengan menggunakan refrigeran sekunder dapat dihindari kontak langsung dengan sumber beban panas dengan sistem refrigerasi ekspansi langsung, apabila dikhawatirkan refrigeran primer dapat mengotori produk. 26

22 2.6.2 Sistem Brine Cooling Gbr. 2.3 Skema mesin es balok Keterangan : 1. Kompresor 2. Kondenser 3. Katup ekspansi 4. Evaporator 5. Tangki es dan cetakan es 6. Pompa Air yang akan diproduksi menjadi es balok ini akan ditempatkan dalam wadah yang sudah dibuat dan disesuaikan dengan kapasitas produksi yang sudah direncanakan seterusnya dimasukkan ke dalam tangki yang telah terisi dengan larutan air garam yang telah didinginkan oleh evaporator atau dengan kata lain fluida yang digunakan untuk membawa energi panas bersuhu rendah dari evaporator ke tangki yang digunakan untuk mencetak es dan seterusnya larutan air garam ini mengalami perubahan temperatur bila menyerap panas dan kemudian membebaskannya pada 2 27

23 evaporator tetapi tidak mengalami perubahan fasa, yaitu tetap cair (liquid) saat pertukaran panas di evaporator antara air garam dengan R-22 maupun saat menyerap panas dari cetakan es balok. Jenis evaporator yang digunakan ialah type tank cooler dimana refrigeran (R- 22) terdapat pada pipa evaporator dan direndam langsung oleh air garam yaitu NaCl. Larutan air garam yang ada di dalam tangki pencetak es ini akan disirkulasikan oleh pompa dan supaya tetap dingin serta sirkulasi perpindahan panas tetap konstan. 28