Pengaruh Variasi Putaran Poros Kompresor Terhadap Performansi Sistem Refrigrasi

Transkripsi

1 Pengaruh Variasi Putaran Poros Kompresor Terhadap Performansi Sistem Refrigrasi Sudirman 1, I Nyoman Suprapta Winaya 2 1 Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali, Mahasiswa Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Badung - Bali dirmansdr@yahoo.com 2 Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Badung - Bali Abstraksi Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi putaran poros kompresor terhadap performansi sistem refrigerasi. Alat uji yang dipergunakan adalah sebuah mesin refrigerasi AC sederhana yang terdiri dari kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator dengan menggunakan refrigeran R-134a. Putaran poros kompresor dilakukan dengan menggunakan sebuah inverter yang dapat menvariasikan putaran berdasarkan perubahan frekuensi. Frekuensi yang dipergunakan dalam percobaan ini adalah : 50 Hz, 45 Hz, 40 Hz, 35 Hz, 30 Hz, 25 Hz dan 20 Hz. Sistem refrigerasi diujikan pada ruangan yang memiliki beban lampu 500 Watt dengan beban panas Q = 1706,5 Btu/hr, selanjutnya data diolah dengan menggunakan program CoolPack. Hasilnya adalah semakin kecil frekuensi yang digunakan maka COP sistem semakin besar. Kata-kata kunci: refrigerasi, inverter, kompresor, performance, CoolPack. Abstract The aims of this study is to determine the effect of compressor shaft speed variations to the refrigeration system performance. This research used a simple of refrigeration unit consisted of compressor, condenser, expansion valve and evaporator using R-134a refrigerant. To create a variation of the compressor shaft speed using an inverter in which the variated rotation based on changes in frequency. The frequency in this experiment were: 50 Hz, 45 Hz, 40 Hz, 35 Hz, 30 Hz, 25 Hz and 20 Hz. The system tested in the room that has a 500 watt lamp with the heat load Q =1706,5 Btu / hr and by using CoolPack program data is processed and the result is the smaller the frequency, the COP of the system will be even greater. Keywords :refrigeration, inverter, compressor, performance, CoolPack 1. Pendahuluan Salah satu fungsi dari Sistem Refrigerasi adalah untuk menciptakan kondisi udara yang nyaman bagi orang yang berada di dalam suatu ruangan. Pada wilayah yang beriklim panas, tentu saja sistem pendinginan dapat menciptakan susana kerja yang lebih efektif dibandingkan dengan tidak menggunakannnya. Dengan banyaknya perkantoran, industri, perumahan maupun kendaraan yang dilengkapi dengan Air Conditioner (AC) dapat dinyatakan bahwa perkembangan dan penerapan sistem refrigerasi pada perumahan, perkantoran maupun pada kendaraan bermotor terutama mobil dewasa ini mengalami peningkatan yang pesat. Komponen-komponen sistem refrigerasi yang utama terdiri dari kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Untuk mendapatkan suhu udara yang diinginkan banyak alternatif yang dapat diterapkan, diantaranya adalah dengan menaikkan koefisien perpindahan kalor kondensasi [1] dan dengan menambahkan kecepatan udara pendingin pada kondensor sehingga akan diperoleh harga koefisien prestasi yang lebih besar [2]. Lebih lanjut Kusnanto mengatakan bahwa dengan menambahkan kecepatan udara pendingin pada kondensor maka laju aliran massa akan menurun sehingga menyebabkan daya kompresor juga mengalami penurunan. Salah satu cara untuk mengurangi laju aliran massa adalah dengan mengurangi kecepatan putaran poros kompresor. Tetapi dengan menurunkan kecepatan putaran poros kompresor tersebut akan mempengaruhi unjuk kerja dari sistem refrigerasi. Unjuk kerja disini didefinisikan sebagai koefisien prestasi (COP = coefficient of performance). 2. Tinjauan Pustaka Berkaitan dengan topik yang akan dikaji, yakni Pengaruh Variasi Putaran Poros Kompresor Terhadap Performance Sistem (COP) sebenarnya sudah bukan hal yang baru, karena Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

2 sudah pernah dikaji oleh beberapa ilmuwan, antara lain adalah Wertenbach [3] dan Marwah Effendy [4]. Marwah melakukan variasi putaran poros kompresor dengan mengubah diameter puli motor listrik, sedangkan pada penelitian ini dengan cara mengubah frekuensi arus listrik dengan menggunakan inverter. Data-data yang didapatkan kemudian diolah dengan menggunakan program Coolpack, sehingga hasil yang didapatkan lebih akurat [5]. Gambar 1. Sistem AC Mobil [Sumber:http// 2.1 Prinsip Kerja Sistem Refrigerasi A. Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Mesin refrigerasi Siklus Kompresi Uap merupakan jenis mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, alat ekspansi dan evaporator. Susunan keempat komponen tersebut secara skematik ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah. Gambar 2. Diagram Proses Siklus Kompresi Uap Cara Kerja Siklus Kompresi Uap; 1. Proses 1-2 ; refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian oleh kompresor uap tersebut dinaikkan tekanannya menjadi uap super panas dengan temperatur yang tinggi, lebih tinggi dari temperatur lingkungan sehingga pembuangan panas bisa berlangsung. 2. Proses 2-3 ; setelah mengalami proses kompresi, refrigeran berada dalam fase panas lanjut dengan tekanan dan temperatur tinggi. Untuk merubah wujudnya menjadi cair (kondensat), kalor harus dilepaskan ke lingkungan melalui alat yang disebut dengan kondensor. Refrigeran mengalir melalui kondensor pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara atau air) dengan temperatur lebih rendah dari pada temperatur refrigeran. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigeran ke fluida pendingin dan refrigeran akan mengalami penurunan temperatur dari kondisi uap panas lanjut menuju kondisi uap jenuh, selanjutnya mengalami proses pengembunan menjadi refrigeran cair. Refrigeran keluar kondensor sudah berupa refrigeran cair. Proses kondensasi berlangsung pada temperatur dan tekanan yang konstan. 3. Proses 3-4 ; refrigeran dalam keadaan wujud cair jenuh (tingkat keadaan 3) kemudian mengalir melalui alat ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara tak reversibel sehingga tekanan refrigeran menjadi rendah (tekanan evaporator). Refrigeran keluar alat ekspansi berwujud campuran uap-cair pada tekanan dan temperatur rendah. 4. Proses 4-1 ; Refrigeran dalam fase campuran uap-cair, mengalir melalui evaporator. Di dalam evaporator refrigeran mengalami proses penguapan sebagai akibat dari panas yang diserap dari sekeliling evaporator. Dengan adanya penyerapan panas ini, maka disekeliling evaporator (ruangan yang dikondisikan) menjadi dingin atau temperaturnya turun. Selanjutnya refrigeran yang meninggalkan evaporator dalam fase uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung pada temperatur dan tekanan yang konstan. B. Diagram Mollier dan Perubahan Tingkat Keadaan Refrigeran Pada diagram Mollier, proses siklus refrigerasi menyangkut empat hal pokok yaitu Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

3 penguapan kompresi pengembunan dan ekspansi, begitu seterusnya. Hal ini dapat digambarkan untuk mempermudah perhitungan perancangan ataupun pemeriksaan terhadap kondisi operasinya. Gambar 3. Penggambaran Siklus Refrigerasi Kompresi uap Ideal pada Diagram Mollier. [4] Di dalam menggambar diagram Mollier dari siklus refrigerasi, hal-hal berikut ini hendaknya diperhatikan : 1. Garis-garis horizontal menunjukkan proses tekanan konstan, seperti terjadi pada proses penguapan refrigeran dalam evaporator serta pengembunan refrigeran dalam kondensor. 2. Proses kompresi di dalam kompresor merupakan proses adiabatic reversible (isentropic) sehingga terjadi pada garis entropy konstan. 3. Ekspansi trotling, yaitu proses penurunan tekanan pada enthalpy konstan yang terjadi pada waktu refrigeran melalui katup ekspansi atau pipa kapiler, dan berlangsung sepanjang garis iso-enthalpi (arah vertical). Jadi enthalpy refrigeran sebelum dan sesudah katup ekspansi/pipa kapiler adalah sama. 4. Dalam proses refrigerasi ini perpindahan kalor antara refrigeran dengan media yang ada disekitarnya dianggap hanya terjadi pada evaporator dan kondensor saja. Disamping itu selama proses tersebut dianggap tidak terjadi kerugian tekanan (pressure drop) karena gesekan atau sebab lain. Oleh sebab itu siklus refrigerasi ideal yang terlukis pada diagram Mollier akan berbeda dengan siklus refrigerasi yang sebenarnya (actual). C. Efek Refrigerasi (Refrigeration Effect) Efek refrigerasi (ER) merupakan jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran di dalam evaporator untuk setiap satu satuan massa refrigeran, terjadi pada proses 4 ke 1 seperti pada gambar 3.3. Satuan efek refrigerasi (ER) adalah BTU/lbm. Jadi dengan demikian maka besarnya efek refrigerasi (ER) adalah : dimana; ER = h 1 h 4 (BTU/lbm) (1) h 1 = enthalpy refrigeran pada titik 4 (sesi masuk evaporator, BTU/lbm). h 4 = enthalpy refrigeran pada titik 1 (sesi keluar evaporator, BTU/lbm). Harga ER dari suatu sistim refrigerasi sangat penting artinya karena menunjukkan banyaknya kalor yang bisa diserap oleh refrigeran di dalam evaporator untuk setiap pound (lbm) penguapan refrigeran. Dengan mengetahui harga ER dan besarnya massa refrigeran yang dapat diuapkan tiap satu satuan waktu pada evaporator, maka dapat ditentukan besarnya kapasitas pendinginan (Cooling Capasity) dari sistim refrigerasi tersebut, demikian pula sebaliknya [6]. D. Kerja Kompresi (Wk) Kerja kompresi (Wk) yang dibutuhkan pada proses kompresi uap refrigeran di dalam kompresor besarnya sama dengan selisih enthalpy pada proses 1 ke 2. Hubungan ini diturunkan dari Steady flow energy equation dengan mengabaikan adanya perubahan energi kinetik dan energi potensial Jadi: h 1 + q = h 2 + W k (2) oleh karena proses 1 ke 2 berlangsung secara adiabatic reversible (q = 0), maka W k = h 1 h 2 (BTU/lbm) (3) Selisih enthalpy ini mempunyai harga negatif berarti bahwa kerja diberikan ke sistim dari luar. E. Koefisien Prestasi (Coefficient of Performance) (COP) Koefisien prestasi (COP) adalah suatu koefisien yang besarnya sama dengan efek refrigerasi (ER) dibagi dengan kerja kompresi (Wk) COP = (ER)/(Wk) (4) Koefisien prestasi ini identik dengan efisiensi pada motor bakar. Makin tinggi harga COP nya, Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

4 makin baik sistim refrigerasi tersebut. Harga COP ini biasanya lebih besar dari pada 1 (satu). 3. Metode Penelitian 3.1 Bahan dan Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan simulasi mesin AC mobil dengan penggerak motor listrik 3 phase (Gambar 4). Sebagai ruangan yang akan dikondisikan digunakan ruangan cold storage. Evaporator dari simulasi AC mobil dipasang didalam ruangan cold storage. Gambar 4. Simulasi AC Mobil 3.2 Alat Ukur Termokopel Pengukur tekanan (pressure gauge) RH-meter Untuk mengukur kelembaban udara Anemometer Untuk mengukur kecepatan udara pada isapan kipas dan blower Tang Ampere Untuk mengukur arus yang terjadi 3.3 Jalannya Penelitian 1. Evaporator, Katup Ekspansi dan Fan Blower dirakit di dalam ruangan seperti diagram gambar instalasi penelitian, sedangkan sisanya diletakkan diluar ruangan. 2. Instalasi yang telah terakit dites kebocoran dan penyetelan peralatan. 3. Pemvakuman untuk memastikan tidak adanya udara di dalam sistem. Setelah itu pengisian refrigeran dilakukan secara perlahan-lahan dengan menghidupkan kompresor. Pengisian refrigeran ini sampai optimal, keadaan ini ditandai bila pada sight glass terlihat aliran refrigran yang sekalisekali terlihat gelembung uap. 4. Untuk memvariasikan putaran poros kompresor dilakukan dengan mengubah frekuensi sumber arus listrik menggunakan Inverter. Frekuensi yang digunakan adalah : 50 Hz, 45 Hz, 40 Hz, 35 Hz, 30 Hz,25 Hz dan 20 Hz. 5. Pengambilan data dilakukan setelah pada mesin berjalan selama sekitar satu jam atau setelah bekerja pada kondisi tunak. Setiap frekuensi yang digunakan diambil datanya dengan memberikan beban lampu 500Watt pada ruangan, masing-masing percobaan diambil 5 kali data. 6. Data-data yang dicatat yaitu tekanan, temperatur refrigran, temperature dalam ruangan dan arus listrik (Ampere) dari motor penggerak. 4. Hasil Dan Pembahasan 4.1 Perubahan putaran poros kompresor terhadap performance sistem refrigerasi. Dalam penelitian ini digunakan alat uji sebuah simulasi mesin AC mobil dengan menggunakan refrigran R134a. Untuk memvariasikan putaran poros kompresor digunakan Inverter, dengan jalan mengubah frekuensi dari sumber listriknya. Gambar 5. Sketsa Instalasi Penelitian Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

5 Tabel 1. Hasil Penelitian Frek (Hz) N (Rpm) W (Kj/Kg) COP Pressure Ratio P (Watt) ,44 4, , ,23 5,18 3, , ,49 6,61 2, , ,22 7,95 2, , ,09 8,95 2, , ,13 10,2 2, , ,38 11,7 2, ,18 Dari Tabel 1. Dengan mengubah frekuensi sumber listrik maka putaran poros motor akan berubah juga, makin rendah frekuensinya maka putaran motornya akan semakin rendah juga. Dengan berubahnya putaran kompresor, tentu saja akan menyebabkan perubahan pada sistem refrigerasi yang berakibat pada performansi sistem refrigerasi, dari Gambar 7 dapa dilihat makin rendah putaran poros kompresor, maka COP sistem akan semakin besar, hal tersebut mendukung atau sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya oleh Wertenbach (2003) [3] dan Marwan Effendy [4] yang keduanya menghasilkan sesuatu yang sama, bahwa semakin rendah putaran poros kompresor maka COP dari system akan semakin tinggi. Grafik 7. Hubungan Putaran poros kompresor dengan COP Dengan berubahnya putaran poros kompresor, maka akan berubah juga pressure ratio dari kompresor, bisa dilihat pada Gambar 8. Begitu juga dengan dengan kerja kompresor, dari Gambar 9, dapat kita lihat bahwa dengan makin berkurangnya putaran poros kompresor, maka akan makin berkurang juga kerja kompresornya. Gambar 6. Hubungan Frekuensi Listrik dengan Putaran Poros Grafik 8. Hubungan Putaran poros kompresor dengan pressure ratio Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

6 Hal ini berarti bahwa agar menghasilkan temperature yang optimal untuk pendingin ruangan, maka perlu dipertimbangkan menyeting inverter pada frekuensi 40 Hz, agar menghasilkan pendinginan yang optimal secara cepat Dari penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa semakin tinggi putaran poros kompresor maka kerja yang dilakukan akan semakin besar. Tapi dengan besarnya kerja yang dilakukan kompresor maka koefisien prestasi yang dihasilkan semakin kecil. Pada frekuensi 20 Hz, 25 Hz, 30 Hz, 35 Hz, 40 Hz, 45 Hz, dan 50 Hz secara berurutan COP yang dihasilkan sebesar 11,7; 10,2; 8,95; 7,95; 6,61; 5,18; dan 4,44 Grafik 9. Hubungan antara putaran poros kompresor dengan Kerja Kompresor Grafik 10. Hubungan Putaran poros dengan Daya Listrik terpakai (Watt) Dari Gambar 10, perlu menjadi pertimbangan, bahwa dengan menurunkan frekuensi listrik yang akan menurunkan kecepatan putaran poros motor, sekaligus juga akan menurunkan pemakaian listrik yang digunakan, hal tersebut sesuai dengan program penghematan energy (energy saving). Dari Gambar 11, dapat kita lihat bahwa pada suhu awal yang sama yaitu 25 0 C, dengan menggunakan berbagai macam frekuensi, akan menghasilkan titik-titik suhu yang berbeda pada menit yang sama. Dari grafik tersebut, dapat kita lihat, bahwa pada frekuensi 40 Hz, menghasilkan titik-titik temperature yang terendah dibandingkan dengan frekuensi yang lain, sedangkan titik-titik temperatur yang tertinggi dihasilkan dengan menggunakan frekuensi 20 Hz. Gambar 11. Grafik temperature ruangan terhadap waktu pada frekuensi tertentu 5. Kesimpulan Semakin tinggi kecepatan putar poros kompresor ternyata tidak menyebabkan meningkatnya nilai COP, karena harga COP yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan adalah sebaliknya. Yaitu harga COP menurun seiring dengan meningkatnya harga kecepatan putar poros kompresor. Tetapi semakin rendah frekuensi yang digunakan, maka pemakaian energy listriknya semakin rendah juga. Daftar Pustaka [1] Arismunandar, W. dan Saito, H., 2002, Penyegaran Udara, Cetakan ke-6, PT Pradnya Paramita, Jakarta. [2] Yawara, Eka., Purnomo, Prajitno., 2002, Koefisien Perpindahan Kalor Kondensasi. Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)

7 [3] Wertenbach, Jurgen Energy Analysis of Refrigerant Cycles. SAE Cooperative Research, Scottsdale, [4] Marwan Effendy Pengaruh Kecepatan Putar Poros Kompressor terhadap Prestasi Kerja Mesin Pendingin AC, MEDIA MESIN Volume 6 No.2 Juli 2005 [5] Coolpack, A Departmen at The Technical University Of Denmark, Department of Mechanical Engineering, Available at [ (tanggal akses: 25 Mei 2010). [6] AZ.Stoecker, W.F. dan Jerold, W.J., 1996, Refrigerasi dan Penyegaran Udara. Terjemahan Supratman Hara. Penerbit Erlangga. Jakarta Prosiding Konferensi Nasionala Engineering Perhotelan (KNEP)