BAB II DASAR TEORI BAB II DASAR TEORI

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Penyimpanan Energi Termal Es merupakan dasar dari sistem penyimpanan energi termal di mana telah menarik banyak perhatian selama beberapa dekade terakhir. Alasan terutama dari penggunaan sistem ini adalah alasan ekonomi dan lingkungan. Dibandingkan dengan sistem refrigerasi dan AC konvensional disana tidak terdapat penyimpanan energi termal. Penggunaan sistem tersebut akan meningkatkan standar lingkungan dan keseluruhan efisiensi dari energi sistem karena memberi kontribusi untuk mengurangi beban puncak pada konsumsi listrik Ice Bank Dalam teknologi cool thermal storage, terbagi dalam 6 jenis. Ice bank merupakan salah satu jenis dari teknologi tersebut. Pada sistem ini pada dasarnya adalah sistem yang dapat membuat es yang berasal dari permukaan pipa evaporator. Proses Pendinginan terjadi karena adanya perpindahan kalor pada refrigeran yang terdapat di dalam pipa evaporator dengan air yang bersirkulasi di sekitar permukaan pipa, yang kemudian mencairkan es yang terbentuk pada permukaan pipa evaporator tersebut. Air yang telah didinginkan tersebut kemudian disirkulasikan ke sebuah plat heat exchanger sebagai sarana mendinginkan susu (produk). Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 4

2 Gambar 2.1 Tampak Vertical Dari Silo Ice Bank Dari gambar di atas, dapat dilihat proses keluar masuk air yang bersirkulasi dalam bak di sekitar permukaan pipa evaporator. Pada bagian masukan air (water inlet) merupakan air yang telah mendinginkan susu yang akan didinginkan, sedangkan untuk keluaran air (water outlet) merupakan air yang telah didinginkan oleh sistem. Gambar 2.2 Gambar Proses Penyerapan Kalor Secara Langsung Pada gambar 2.2 terlihat bawha Terdapat dua proses di dalam pendinginan external melt ice on coil (ice bank) yaitu, charging dan discharging. Charging merupakan proses dimana refrigeran cair atau refrigeran sekunder bersirkulasi di dalam pipa sehingga menghasilkan es di permukaan luar dari pipa. Dan pada proses discharging merupakan proses di mana es di permukaan pipa akan Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 5

3 mencair dikarenakan air yang bersirkulasi melewati permukaan luar pipa Pengertian Sistem Refrigerasi Secara umum refrigerasi didefinisikan sebagai suatu proses perpindahan kalor. Namun lebih khusus lagi, refrigerasi didefinisikan sebagai bagian dari ilmu pengetahuan yang berfungsi untuk pengkondisian temperatur dibawah temperatur ruangan. Jadi dalam hal ini, terjadi proses penyerapan kalor dari suatu benda atau ruangan sehingga temperatur benda atau ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungan sekitar Sistem refrigerasi kompresi uap Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan salah satu sistem refrigerasi mekanik yang saat ini merupakan sistem yang paling banyak dipakai karena dipandang secara komersial harganya terjangkau bagi masyarakat menengah dan komponen yang digunakan sederhana dibandingkan sistem refrigerasi lainnya. Sistem refrigerasi kompresi uap ini merupakan sistem yang mempergunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran, yang mana uap refrigeran bertekanan rendah yang masuk pada sisi penghisap (suction) kemudian uap refrigeran tersebut ditekan didalam kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang memanfaatan aliran perpindahan kalor melalui refrigeran. Komponen penyusun dari sistem refrigerasi adalah : 1. Komponen utama yang terdiri dari : a. Kompresor b. Kondensor c. Katup ekspansi d. Evaporator Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 6

4 2. Komponen pendukung yang terdiri dari : a. Komponen pendukung mekanik b. Komponen pendukung kelistrikan Sistem refrigerasi kompresi uap ideal mengacu kepada konsep dari sistem refrigerasi Carnot. Pada kondisi semacam ini tidak ada perubahan berarti yang mempengaruhi unjuk kerja sistem. Akan tetapi siklus ideal ini dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi, yang tidak dapat dilampaui oleh siklus refrigerasi kompresi uap aktual. Siklus refrigerasi kompresi uap ideal ini perlu diketahui karena : 1. Sebagai siklus refrigerasi standar. 2. Sebagai pemberi petunjuk bahwa temperatur-temperatur siklus refrigerasi perlu dijaga agar menghasilkan efisiensi maksimum. Siklus refrigerasi kompresi uap ideal/sederhana ini mempunyai empat proses dasar yaitu : 1. Proses Evaporasi ( Penguapan ) 2. Proses Kompresi ( Penekanan ) 3. Proses Kondensasi (Pengembunan ) 4. Proses Ekspansi ( Penurunan tekanan ) 4 Pengembunan 3 5 Kondensor 2 TXV Kompress 6 Evaporator Penguapan Gambar 2.3 Proses Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 7

5 2.3 Performansi Kerja Siklus Refrigerasi Penunjukkan karakteristik dari gas refrigeran pada setiap tahap siklus refrigerasi dapat diplot pada diagram p-h. Gambar 2.4 Diagram p-h Siklus Refrigerasi Sederhana Sumber : Efek Refrigerasi Proses evaporasi merupakan proses penguapan refrigeran di evaporator dengan tekanan konstan. Perhitungan efek refrigerasi dari suatu sistem refrigerasi ideal dapat menggunakan persamaan (Roy J. Dossat, principle of refrigeration,1994 ) 2.1 : qe = (h 1 -h 4 ) (2.1) Dengan : qe = Efek refrigerasi ideal (kj/kg) h 1 = Entalpi keluaran evaporator (kj/kg) h 4 = Entalpi masuk evaporator (kj/kg) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 8

6 Kerja Kompresi Gambar 2.5 Diagram p-h Siklus Refrigerasi Sederhana Proses kompresi didalam kompresor dapat dianggap isentropic. Refrigeran masuk ke kompresor dinyatakan dengan titik 1 pada kondisi ideal. Kerja yang dilakukan kompresor berada di sepanjang titik 1 dan 2. Refrigeran keluar dari kompresor dinyatakan titik 2. (Roy J. Dossat, principle of refrigeration,1994 ) Untuk mengetahui kerja yang dilakukan kompresor, kita dapat menggunakan persamaan 2.2 : qw = (h 2 -h 1 ) (2.2) Dengan : qw = Kerja kompresor (kj/kg) h 1 = Entalpi masukan kompresor (kj/kg) h 2 = Entalpi keluaran kompresor (kj/kg) Kalor yang Dilepas oleh Kondensor Proses pengembunan ini sepanjang titik 2 sampai 3 (Lihat gambar 2.4) di dalam kondensor. Proses ini berlangsung pada tekanan yang konstan terhadap penurunan entalpi. Titik 2 menyatakan refrigeran masuk kondensor dan titik 3 menyatakan refrigeran keluar kondensor (Roy J. Dossat, principle of refrigeration,1994 ). Perhitungan jumlah kalor yang dilepas dari kondensor ke lingkungan secara ideal dapat dihitung dengan persamaan 2.3 : q c = (h 2 -h 3 ).(2.3) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 9

7 Dengan : q c = Kalor yang dilepaskan di kondensor (kj/kg) Koefisien Prestasi h 2 = Entalpi masuk kondensor (kj/kg) h 3 = Entalpi keluar kondensor (kj/kg) Perhitungan koefisien prestasi dari suatu sistem refrigerasi akan memudahkan untuk mengetahui efisiensi dari suatu sistem harga koefisien aktual dan Carnot dapat ditulis dalam persamaan (Roy J. Dossat, principle of refrigeration,1994 ) 2.4 : COP aktual = q e / q w.. (2.4) Dengan : COP aktual = Koefisien prestasi aktual q e q w = Efek Refrigerasi (kj/kg) = Kerja kompresi (kj/kg) Sementara perhitungan koefisien prestasi mesin Carnot dapat dituliskan dengan persamaan 2.5 : COP Carnot = Te / (Tc-Te).... (2.5) Dengan : COP Carnot = Koefisien prestasi carnot T e T c = Temperatur evaporator (K) = Temperatur kondensor (K) 2.4 Rasio Kompresi Sementara harga efisiensi dari suatu sistem refrigerasi dapat dinyatakan dengan persamaan 2.6 : η = COP aktual /COP Carnot. (2.6) Rasio kompresi adalah perbandingan antara tekanan discharge (Pd) dengan tekanan suction (Ps) seperti persamaan 2.7 R c =P d / P s...(2.7) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 10

8 Dengan : P d P s = Tekanan discharge = Tekanan suction 2.5 Kapasitaas Pendinginan Energi yang diserap oleh evaporator adalah sama dengan energi yang dilepaskan oleh air dalam bak yang didinginkan. Kalor yang dikandung air tersebut berasal dari perpindahan kalor dari susu ke air, kalor yang masuk merupakan hasil perambatan melalui dinding pipa evaporator. Perhitungan data ini adalah besaran beban kalor yang dipindahkan dari air saat melewati pipa evaporator. Besaran laju massa air dinyatakan dalam persamaan 2.8: Dengan :...(2.8) = Laju aliran massa air (kg/s) V p = piston displacement (m 3 /s) = Volume spesifik (m 3 /kg) Kalor yang diserap oleh evaporator dapat dihitung dengan persamaan 2.9 Q e = x qe...(2.9) Dengan : Q e = Kapasitas pendinginan (kw) = Laju aliran massa (kg/s) q e = efek pendinginan ( kj/kg) 2.6 Daya Input Sistem Daya input sistem adalah daya input yang diberikan ke sistem untuk menjalankan dan mengoprasikan seluruh sistem. Untuk arus bolak-balik daya input sistem menggunakan rumus seperti persamaan 2.10: P = x I x cos φ x 3...(2.10) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11

9 Dengan: P = Daya sistem (W) V = Tegangan (Volt) I = Arus ( Ampere ) Cos φ = Faktor kerja 3 = motor 3 phase 2.7 EER ( Energi Efficiency Ratio) Energi Efficiency Ratio (EER) atau rasio efesiensi energi adalah perbandingan kapasitas pendinginan terhadap daya input sistem (persamaan 2.11). EER = COP aktual (kw/kw) x (Btu/hr)...(2.11) Laporan Tugas Akhir Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12