BAB II DASAR TEORI. Kondensor. Evaporator. Qo Suction Line. Gambar 2.1 skema sistem refrigerasi kompresi uap sederhana

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sistem refrigerasi kompresi uap bekerja dengan memanfaatkan sifat refrigeran, yakni bila tekanan rendah dan temperatur saturasi yang rendah, fasa refrigeran akan berubah menjadi uap dengan cara menarik kalor dari lingkungan. Sedangkan pada tekanan tinggi dan temperatur saturasi yang tinggi, fasa refrigeran akan berubah menjadi cair dengan cara melepas kalor ke lingkungan. Oleh karena itu sistem refrigerasi kompresi uap memiliki langkah-langah kerja, yaitu proses kompresi, proses kondensasi, proses ekspansi, dan proses evaporasi. keempat langkah kerja tersebut akan menghasilkan sebuah siklus refrigerasi kompresi uap. Gambar berikut berikut menunjukan diagram skematik dari sistem refrigerasi kompresi uap. Qk Discharge Line Liquid Line Kondensor Alat Ekspansi Kompresor Sisi Tekanan Tinggi Sisi Tekanan Rendah Expansion Line Evaporator Qo Suction Line Gambar 2.1 skema sistem refrigerasi kompresi uap sederhana Gambar 2.2 siklus ideal sistem refrigerasi kompresi uap sederhana pada diagram p-h 4

2 2.2 Proses sistem refrigerasi kompresi uap Proses Kompresi Proses ini terjadi di kompresor di mana uap refrigeran dengan tekanan dan temperatur rendah yang masuk ke kompresor melalui suction line dikompresi di dalam silinder kompresor sehingga temperatur dan tekanan uap refrigeran yang keluar dari kompresor melalui discharge line mengalami kenaikan. Proses yang terjadi di dalam kompresor diasumsikan sebagai proses isentropik dan besarnya kerja kompresi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : q w = ( h 2 - h 1 ) ( 2.1 ) dengan q w = besarnya kerja kompresi ( KJ/Kg ) h 1 = enthalpy refrigeran saat masuk kompresor ( KJ/Kg ) h 2 = enthalpy refrigeran saat keluar kompresor ( KJ/Kg ) Proses Kondensasi Proses ini terjadi di kondensor dengan uap refrigeran bertemperatur dan bertekanan tinggi 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. Besarnya kalor yang dilepas di kondensor dapat dinyatakan dengan persamaaan berikut : q c = ( h 2 h 3 ) ( 2.2 ) dengan q c = besarnya kalor yang dibuang kondensor ( KJ/Kg ) h 2 = enthalpy refrigeran saat masuk kondensor ( KJ/Kg ) h 3 = enthalpy refrigeran saat keluar kondensor ( KJ/Kg ) Proses Ekspansi Proses ini terjadi di alat ekspansi dengan refrigeran cair yang berasal dari kondensor di ekspansi sehingga temperatur dan tekanan refrigeran yang keluar dari alat ekspansi turun drastis dan selanjutnya masuk evaporator untuk menyerap kalor dari ruangan atau media yang hendak didinginkan. 5

3 2.2.4 Proses Evaporasi Proses ini terjadi di evaporator dengan refrigeran cair yang masuk ke evaporator menyerap kalor dari ruangan atau media yang hendak didinginkan dengan adanya penyerapan kalor tersebut maka refrigeran diharapkan berubah fasa dari fasa cair menjadi fasa uap jenuh ( saturasi ). Besarnya kalor yang diserap oleh refrigeran di evaporator dinyatakan dengan persamaan berikut : q e = ( h 3 h 4 ) ( 2.3 ) dengan q e = besarnya kalor yang dibuang kondensor ( KJ/Kg ) h 3 = enthalpy refrigeran saat masuk kondensor ( KJ/Kg ) h 4 = enthalpy refrigeran saat keluar kondensor ( KJ/Kg ) Superheat dan Subcooled Refrigeran berfasa uap keluaran evaporator mengalami kenaikan temperatur sepanjang jalan menuju kompresor, yang menyebabkan terjadinya superheat. Sedangkan subcooled terjadi setelah refrigeran keluaran kondsensor mengalami penurunan temperatur dibawah temperatur saturasi. Proses superheat dan subcooled menyebabkan bertambahnya kalor yang dibuang di kondenser dan yang diserap di evaporator. Prosesnya dapat digambarkan dalam diagram tekanan-entalpi (P-h) Gambar 2.3 siklus refrigerasi subcooled dan superheat (Shan k. Wang 2001) 6

4 2.3 Komponen sistem refrigerasi kompresi uap Kompresor Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Pada komponen ini terjadi proses kompresi, kompresor akan menekan refrigeran secara reversibel dan isentropik. Kerja atau usaha yang diberikan pada refrigeran akan menyebabkan kenaikan pada tekanan sehingga temperatur refrigeran akan lebih besar dari temperatur lingkungan atau refrigeran mengalami fasa superheat. Kompresor memompa refrigeran ke seluruh komponen melalui sistem pemipaan. Kompresor yang digunakan pada mini blood bank cabinet ini adalah tipe hermetic reciprocating ¼ pk. Gambar 2.4 kompresor hermetic reciprocating Kondensor Kondensor merupakan alat pelepas kalor. Refrigeran yang masuk ke kondensor mempunyai temperatur lebih tinggi dari pada temperatur lingkungan, sehingga terjadi perpindahan kalor dari kondensor ke lingkungan, refrigeran bertekanan tinggi yang masuk ke kondensor melalui discharge line di kondensasikan 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. Kondensor pada umumnya digolongkan menjadi 3 tipe, yaitu : 1. Air cooled Condenser 2. Water Cooled Condenser 3. Evaprative Condenser Kondensor yang digunakan untuk mini Blood Bank Cabinet ini adalah air cooled condenser dengan forced convection. 7

5 2.3.3 Alat ekspansi Pada sistem Blood Bank Cabinet ini mengunakan alat ekspansi berupa TXV. Secara umum fungsi dari alat ekspansi adalah : - Mengatur aliran refrigeran dari liquid line ke evaporator - Menjaga agar terdapat perbedaan tekanan antara sisi tekanan rendah (low pressure) dan sisi tekanan tinggi (high pressure). Jenis alat ekspansi diklasifikasikan menjadi 8 jenis, yaitu: 1. Automatic Expansion Valve (AXV) 2. Thermostatic Expansion Valve (TXV) 3. Pipa kapiler 4. Katup apung tekanan rendah (Low Side Float Valve) 5. Katup apung tekanan tinggi (Hight Side Float Valve) 6. Hand Expanion Valve (HXV) 7. Electronic Expansion Valve (EXV) 8. Katup ekspansi thermal electric (TEXV) Alat ekspansi yang paling banyak digunakan pada umumnya yaitu jenis Thermostatic Ekspansion Valve (TXV) dan jenis pipa kapiler Evaporator Evaporator adalah tempat refrigeran menyerap kalor dari lingkungan sekitar evaporator maupun dari produk yang akan didinginkan. Fasa refrigeran yang masuk ke evaporator adalah campuran antara cair dan uap dengan fasa cair lebih dominan. Karena tekanan dan temperatur refrigeran di dalamnya rendah akibat ekspansi, maka terjadi perpindahan panas dari lingkungan sekitar evaporator maupun dari produk yang akan didinginkan ke refrigeran yang terdapat di dalam evaporator. Dengan menarik kalor dari produk atau tempat yang didinginkan, maka fasa refrigeran akan berubah menjadi uap. Proses inilah yang dinamakan proses evaporasi. Seperti halnya proses kondensasi, maka proses ini pun berlangsung pada tekanan dan temperatur yang konstan. Berdasarkan konstruksinya evaporator dibagi menjadi 3 tipe, yaitu: 1. Bare tube (pipa telanjang) 8

6 2. Plate Surface Gambar 2.5 : Plate Surface Evaporator 3. finned Gambar 2.6 : finned Evaporator Evaporator yang digunakan untuk mini blood bank cabinet ini adalah finned evaporator, dengan menggunakan kipas centrifugal untuk mensirkulasikan udara didalam ruangan Refrigeran Refrigeran merupakan media pendingin yang bersirkulasi di dalam sistem refrigerasi kompresi uap. Refrigeran tersebut mudah berubah fasa dari cair menjadi fasa uap dengan menyerap kalor dari produk yang didinginkan di evaporator. Atau akan berubah fasa dari uap menjadi cair dengan cara membuang kalor ke lingkungan di kondensor. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa refrigeran adalah zat yang berfungsi untuk menyerap panas dari lingkungan atau produk yang akan didinginkan atau diturunkan temperaturnya. 9

7 Pemilihan refrigeran haruslah mempertimbangkan hal-hal seperti: 1. Tidak beracun (nontoxic) 2. Tidak berwarna, tidak berbau dalam semua keadaan 3. Tidak dapat terbakar (nonflammable) atau meledak sendiri (nonexplosive), juga bila bercampur dengan udara, minyak pelumas dan sebagainya. 4. Tidak korosif terhadap logam yang banyak dipakai pada sistem refrigerasi dan tata udara. 5. Tidak bercampur dengan minyak pelumas kompresor, tetapi tidak mempengaruhi atau merusak minyak pelumas tersebut. 6. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak boleh terurai setiap kali dimampatkan, diembunkan dan diuapkan. 7. Mempunyai titik didih yang rendah, harus lebih rendah daripada suhu evaporator yang direncanakan. 8. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah, tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipanya harus kuat dan kemungkinan bocor cukup besar. 9. Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih besar dari 1 atmosfir. Apabila terjadi kebocoran, udara luar tidak dapat masuk ke sistem. 10. Mempunyai kalor laten yang cukup besar, agar jumlah panas yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar. 11. Apabila terjadi kebocoran, mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. 12. Harganya murah. Refrigeran yang digunakan untuk mini Blood Bank Cabinet ini adalah refrigeran dengan tipe R-134a. 2.4 Kinerja Sistem Pendingin Performansi suatu sistem refrigerasi disebut dengan COP (Coefficient of Perfoemance). Besaran ini menyatakan kemampuan sistem untuk menarik kalor dari ruang pendingin persatuan daya kompresor. Untuk menyatakan performansi kerja siklus refrigerasi selain kerja kompresi (w), efek refrigerasi (qe), kerja kompresi (w), kalor yang dibuang di kondensor (qc) dikenal COP (Coefficient of Performance) dan efisiensi. 10

8 Nilainya dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut : a. COP actual adalah perbandingan efek refrigerasi terhadap kerja kompresi. COP Efek Refrigerasi qe = = Kerja Kompresi qw (2.4) b. COP Carnot adalah perbandingan temperatur evaporasi absolute dibandingkan dengan selisih temperatur kondensor dan evaporator. Tevap COP (2.5) T T cond evap c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COP actual dan COP Carnot. COPaktual Efisiensi x100% (2.6) COP carnot d. Rasio kompresi adalah perbandingan antara tekanan discharge dan tekanan suction. P d rc (2.7) Ps 2.5 Beban Pendinginan Untuk menentukan kapasitas peralatan yang di butuhkan maka dalam perancangan perlu dilakukan perhitungan beban pendinginan dengan memperhatikan nilai temperatur dan lamanya penyimpanan.untuk perancangan mini BBC ini nilai temperatur kabin 4⁰C dengan lama penyimpanan 21 hari. Dalam sistem refrigerasi beban pendinginan dibagi menjadi 4 macam berdasarkan jenis sumber beban yaitu : Beban kalor melalui dinding ( wall gain load ) Ialah banyaknya kalor yang masuk ke ruangan refrigerasi melalui dinding karena adanya perbedaan temperatur antara lingkungan dengan ruang refrigerasi tersebut. Beban ini dapat dihitung dengan persamaan : Q = U x A x T (2.8) 11

9 Dengan, Q = Kalor yang masuk ke ruangan melalui dinding, Watt U = Koefisien perpindahan panas meyeluruh, N/m² K T = Beda temperatur melalui dinding, 0 C A = Luas penampang, m² Nilai U bisa dicari dengan cara : 1 U 1 f i x k n 1 1 x k 2 x k 3 x... k n f dengan: U = Koefisien perpindahan kalor meyeluruh dalam W/m²K k = Konduktivitas bahan (N/m) x = Tebal lapisan bahan (m) f i f o 0 (2.9) = Koefisien konveksi dinding dalam. asumsikan 9,37 W/m² K = Koefisien konveksi dinding luar. asumsikan 22,7 W/m² K Beban Pertukaran Udara (infiltrasi 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 : Air Change Load (kw)= (Infiltration rate L/s).(Enthalpy Change kj/l) (2.10) ( Dossat, Roy J. 1981) dengan : Infiltration rate (L/s) terdapat pada tabel Dossat, Roy J Enthalpy Change (kj/l) terdapat pada tabel 10-6A. Dossat, Roy J Beban produk ( product load ) Beban produk diantaranya ialah : Beban pendinginan produk Beban wadah Beban pendinginan produk ini dapat dihitung dengan persamaan: Q = m.cp. T (2.11) 12

10 dengan : Cp = Kalor spesifik, kj/kgk m = Massa produk, kg T = Perbedaan temperatur Kalor per satuan waktu : q Q n total (2.12) dengan : q total n = Kalor pendinginan produk, kw = Chilling time, detik C p produk dapat dicari dengan tabel 10-8 Roy J. Dossat atau pada sumber lain Beban lain lain ( miscellaneous load ) Yang termasuk ke dalam beban lain lain ialah : Beban dari peralatan Beban dari lampu Beban motor penggerak Beban pendinginan lain-lain ini dapat dihitung dengan persamaan: Q = watts x hours/24 hours (2.13) dengan : watts = Wattage peralatan, W hours = Lamanya peralatan hidup, Jam Beban Total Dengan demikian beban total ialah jumlah dari keempat beban pendinginan di atas ditambah safety Factor 10% dari beban total. Untuk mencari Kapasitas Peralatan, yaitu beban total dikali dengan 24 jam dibagi Running time ( dalam jam ). 13

11 2.6 Pengertian Blood Bank Cabinet Darah memerlukan tempat penyimpanan yang sering disebut Blood Bank Cabinet. Blood Bank Cabinet dapat berguna untuk keperluan penyimpanan darah diberbagai lokasi, baik dirumah sakit maupun diluar rumah sakit (tempat donor darah atau puskesmas). Alat ini umumnya menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap, dan mempunyai temperatur kerja 4 0 C ±2 0 C untuk darah jenis Whole Blood atau Packed Red Cells (PRC), untuk darah trombosit disimpan pada temperatur 22 0 C ±2 0 C, dan untuk Plasma darah atau sel darah putih disimpan pada temperatur C ±2 0 C. Mini Blood Bank Cabinet ini didesain untuk penyimpanan darah jenis Whole Blood atau Packed Red Cells (PRC). Pendinginan pada kabin menggunakan evaporator fin(finned Evaporator) dengan fan sebagai pengsirkulasi udara guna membantu proses perpindahan panas. Gambar 2.7 Blood Bank Cabinet (Sumber Gambar: 2.7 Darah (Whole Blood) Darah adalah cairan yang terdapat pada manusia yang berfungsi sebagai alat transportasi zat seperti oksigen, bahan hasil metabolisme tubuh, pertahanan tubuh dari serangan kuman, dan lain sebagainya. Darah Lengkap / Whole Blood (WB) Diberikan pada penderita yang mengalami pendarahan aktif yang kehilangan darah lebih dari 25 %. Darah diperoleh dari donor, darah (Whole Blood) dapat disimpan dalam suhu 4 0 C selama 21 hari (sumber Berdasarkan lamanya penyimpanan, darah dibagi atas : - Darah segar atau darah yang lama penyimpanannya kurang dari 4 jam sejak diambil dari donor, darah ini masih mengandung faktor pembekuan yang lengkap. 14

12 - Darah baru atau darah yang lama penyimpanannya 4 jam - 3 hari sejak diambil dari donor, darah ini telah kehilangan faktor pembekuan termolabil (fibrinogen, AHF). - Darah biasa atau darah dengan lama penyimpanan 3 hari - 21 hari. Tabel 2.1 Parameter panas material tubuh manusia pada umumnya sumber(digilib.its.ac.id/public/its-undergraduate chapter1.pdf) 15