BAB II DASAR TEORI 2012

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Sistem Brine Sistem Brine 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 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

2 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

3 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 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

4 Alat Ekspansi Alat ekspansi yang digunakan pada sistem Brine 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: 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 Komponen Pendukung Sistem Brine Komponen-komponen pendukunng yang digunakan dalam sistem Brine ini adalah sebagai berikut : Filter Dryer 8

5 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

6 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

7 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 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

8 Pressure (bar absolute) Pc 3 2 Pe 4 1 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 : Keterangan: Q w = m (h 2 h 1 ).. (2.1) [ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 124 ] Q w = Kerja kompresi (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = entalphi refrigeran masuk kompresor ( kj/kg) h 2 = entalphi refrigeran keluar kompresor ( kj/kg) Atau Dalam bentuk kerja spesifik: q w = h 2 h 1 Sedangkan rasio kompresi dapat dihitung dengan persamaan: Pd Rasio kompresi : Rc = Ps 12

9 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: Keterangan: Q k = m (h 2 h 3 )...(2.2) [ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 125 ] Q k = Besarnya kalor yang dilepaskan di kondenser (kw) m = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Entalphi refrigeran masuk kondenser ( kj/kg) h 3 = Entalphi refrigeran keluar kondenser ( kj/kg) Atau Kalor dilepas spesifik adalah: q k = h 2 -h 3 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: h 3 = Entalphi refrigeran masuk ekspansi ( kj/kg) h 4 = Entalphi refrigeran keluar ekspansi ( kj/kg) [ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 122] 13

10 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 : Keterangan: Q e = m (h 1 h 4 )...(2.3) [ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 123] Q e = Beban Pendinginan (kw) m = Laju aliran massa refrigeran(kg/s) h 1 h 4 = Entalphi refrigeran masuk evaporator ( kj/kg) = Entalphi refrigeran keluar evaporator ( kj/kg) Sedangkan penarikan kalor spesifik disebut efek refrigerasi, dinyatakan sebagai berikut : q e = h 1 h 4 Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai berikut: a. COP actual adalah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi. COP Efek Refrigerasi qe = = Kerja Kompresi qw [ Sumber, Roy J. Dossat, Bab 7, Hal 126] b. COP carnot adalah perbandingan temperatur evaporasi dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi. COP = Tevap Tkond - Tevap [Sumber, Roy J. Dossat] c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COP actual dan COP carnot. 14

11 2.4 Pipa Kapiler COPactual efisiensi COPcarnot [Sumber, Roy J. Dossat] 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

12 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