BAB II DASAR TEORI. perpindahan kalor dari produk ke material tersebut.

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sistem Refrigerasi Refrigerasi adalah suatu proses penarikan kalor dari suatu ruang/benda ke ruang/benda yang lain untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi, sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian energi dari molekul-molekulnya. Untuk proses pengambilan kalor dari produk, terdapat suatu material yang memiliki temperatur lebih rendah dibandingkan dengan temperatur produk dalam suatu tempat, sehingga terjadi perpindahan kalor dari produk ke material tersebut Sistem Kompresi Uap Sistem refrigerasi pada umumnya untuk aplikasi sehari-hari, baik untuk keperluan rumah tangga, komersial, dan industri, menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap, yaitu menggunakan kompresor sebagai alat pemompa refrigeran, dan refrigeran masuk ke kondenser di kondensor refrigeran membuang kalor ke lingkungan sehingga berubah fasa dari gas menjadi cair. Dari kondenser refrigeran cair mengalir ke alat ekspansi. Setelah melalui alat ekspansi refrigeran mengalami penurunan tekanan yang diikutipenurunan temperaturnya. Dari alat ekspansi refrigeran masuk ke evaporator. Di evaporator refrigeran menarik kalor darikabin dan produk sehingga kabin menjadi lebih dingin dan refrigeran berubah fasa dari cair menjadi fasa gas. Dari evaporator refrigeran fasa gas masuk kembali ke kompresor. Proses yang dialami refrigeran berulang, membentuk siklus Laporan Tugas Akhir 4

2 tertutup yang dikenal sebagai siklus refrigerasi kompresi uap.proses pada komponen utama sistem refrigerasi, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut. Gambar 2.1 Diagram Pemipaan Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Gambar 2.1 dapat digambarkan pada diagram pressure-enthalpy(p-h diagram), seperti pada Gambar 2.2 berikut ini. P(bar) 3 Kondensasi 2 Ekspansi Kompresi 4 Evaporasi 1 h (kj/kg) Gambar 2.2 Siklus Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Laporan Tugas Akhir 5

3 2.1.2 Proses Kompresi Proses ini terjadi di kompresor, fasa gas refrigerant yang masuk ke kompresor mempunyai tekanan dan temperatur yang rendah. Refrigeran tersebut akan di kompresikan oleh kompresor sehingga ketika refrigerant keluar dari kompresor akan berfasa uap dan bertekanan tinggi. Proses kompresi berlangsung di kompresor adalah: W =. w w = ( h 2 h 1 ) W =. ( h 2 h 1 )....(2.1) W = Kerja kompresi (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran masuk kompresor (kj/kg) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) Proses Kondensasi Proses ini terjadi di kondenser refrigeran akan mengalir dan membuang panas ke lingkungan karena temperatur refrigerant lebih tinggi dibandingkan temperatur lingkungan, sehingga refrigeran akan berubah fasa dari gas menjadi fasa cair. Kalor yang dilepas di kondenser: Q c =. q c q c = h 2 - h 3 Q c =. (h 2 -h 3 ) (2.2) Laporan Tugas Akhir 6

4 Q c = Kalor yang dilepas di kondenser (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = Enthalpy refrigeran keluar kompresor (kj/kg) h 3 = Enthalpy refrigeran keluar kondenser (kj/kg) Proses Ekspansi Proses ini terjadi di alat ekspansi, Di dalam alat ekspansi akan terjadi proses ekspansi dimana tekanan refrigeran akan diturunkan melalui proses tersebut. Turunnya tekanan refrigeran akan diikuti dengan turunnya temperatur.proses ekspansi terjadi dalam keadaan entalpi konstan, sehingga h 3 = h Proses Evaporasi Proses ini terjadi di evaporator, Proses penyerapan kalor oleh refrigerant menyebabkan refrigeran berubah menjadi uap. Selanjutnya refrigeran berfasa uap akan masuk kembali ke kompresor. Kalor yang diserap di evaporator: Q e =. q e q e = h 1 h 4 Q e =. (h 1 h 4 ).... (2.3) Q e = Kalor yang diserap di evaporator (kw) = Laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = Enthalpy refrigeran keluar evaporator (kj/kg) Laporan Tugas Akhir 7

5 h 4 = Enthalpy refrigeran masuk evaporator (kj/kg) Performansi Sistem Koefisien performansi (COP) dari sistem refrigerasi kompresi uap adalah perbandingan antara efek refrigerasi yang dihasilkan dengan kerja kompresi yang dilakukan. Berdasarkan gambar 2.2. dapat ditulis persamaan : COP a qe w h - h h h (2.4) COP a = Coeficient of Performance aktual q e = Efek refrigerasi per unit massa (kj/kg) w = Kerja spesifik per unit massa (kj/kg) sementara prestasi ideal mesin refrigerasi dihitung berdasarkan nilai COP Carnot sebagai berikut COP C Te T -T k e..... (2.5) T e = Temperatur evaporasi (K) T k = Temperatur kondensasi (K) Efisiensi sistem refrigerasi dapat dihitung dengan membandingkan nilai COP aktual dengan nilai COP ideal, yaitu: R COPa COP C 100% (2.6) Laporan Tugas Akhir 8

6 η R =Efisiensi refrigerasi COP a = Coeficient of Performance aktual COP C = Coeficient of Performance Carnot 2.2 Sistem Refrigerasi Cascade Sistem refrigerasi cascade adalah suatu sistem multistage dimana dua buah siklus beroperasi pada dua buah tingkatan panas yang berbeda, dimana kondensor pada sisi tekanan rendah didinginkan oleh evaporator pada sisi tekanan tinggi. Evaporator pada sisi tekanan tinggi akan bersatu dengan kondensor pada sisi tekanan rendah sehingga membentuk suatu Heat Exchanger. Gambar dan cara kerja sistem refrigerasi cascade dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan 2.4 Kondensor Alat Ekspansi Sisi Tekanan Tinggi Kompresor Heat Exchanger Alat Ekspansi Sisi Tekanan Rendah Kompersor Evaporator Gambar 2.3 Sistem Refrigerasi Cascade Laporan Tugas Akhir 9

7 P (bar) 3 Ekspansi 7 4 Ekspansi 8 Kondensor HX 1 Evaporator 5 2 Kompresor high stage 6 Kompresor low stage h (kj/kg) Gambar 2.4Asumsi Diagram P-h Sistem Refrigerasi Cascade Pada diagram P-h tersebut dapat dilihat terjadi proses pertukaran kalor pada sisi tekanan tinggi dengan sisi tekanan rendah pada Heat Exchanger. Sehingga hubungan perpindahan kalor pada Heat Exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut: m dengan : A ( h1 h4 ) mb( h6 h7 ) m m A B h6 h7 h h (2.7) ṁ A = Laju aliran masa refrigeran pada sisi tekanan tinggi ṁ B = Laju aliran masa refrigeran pada sisi tekanan rendah h1= Enthalpy refrigeran masukkan kompresor sisi tinggi (kj/kg) h2= Enthalpy refrigeran keluaran kompresor sisi tinggi (kj/kg) h3= Enthalpy refrigeran masukkan alat ekspansi sisi tinggi (kj/kg) Laporan Tugas Akhir 10

8 h4= Enthalpy refrigeran keluaran alat ekspansi sisi tinggi (kj/kg) h5 = Enthalpy refrigeran masukkan kompresor sisi rendah (kj/kg) h6 = Enthalpy refrigeran keluaran kompresor sisi rendah (kj/kg) h7= Enthalpy refrigeran masukkan alat ekspansi sisi rendah (kj/kg) h8 = Enthalpy refrigeran keluaran alat ekspansi sisi rendah (kj/kg) Sehingga COP R,cascade Qe W m A ( h 2 m B( h5 h8 ) h ) m ( h 1 B 6 h5 )....(2.8) Komponen Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 1. Evaporator Evaporator adalah salah satu komponen sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi untuk mengambil kalor dari suatu ruangan atau suatu benda. Pada evaporator refrigerant mengalami pendidihan (boiling) atau penguapan (evaporation), yaitu perubahan fasa refrigran dari cair menjadi gas. Refrigeran pada umumnya memiliki titik didih yang rendah. Jenis evaporator yang digunakan pada suatu sistem refrigerasi tergantung pada jenis aplikasinya, diantarannya terdapat jenis evaporator yang berupa koil telanjang tanpa sirip (bare pipe coil), koil bersirip (finned coil), pelat (plate evaporator) shell and coil, atau shell and tube evaporator. Laporan Tugas Akhir 11

9 Finned coil evaporator menggunakan sirip yang di lekatkan pada pipa, ini bertujuan untuk memperluas bidang permukaan perpindahan panas. Pada gambar 2.5 dapat dilihat contoh finned coil evaporator. 2. Kompresor Gambar 2.5Evaporator Kompresor adalah salah satu komponen sistem refrigerasi kompresi uap yang dikenal sebagai jantung dari suatu sistem refrigerasi, yang berfungsi untuk menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari evaporator. Pipa yang menghubungkan antara evaporator dengaan kompresor dikenal sebagai saluran hisap (suction line). Penaikkan tekanan gas refrigeran dengan kompresor ini dimaksud agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur yang tinggi. Sehingga refrigeran yang keluar dari kompresor berfasa gas dengan tekanan dan temperatur yang tinggi. Perbandingan antara tekanan discharge dan tekanan suction disebut dengan ratio kompresi (compression ratio). Terdapat berbagai jenis kompresor pada sistem refrigerasi dapat berupa jenis kompresor torak (reciprocating), rotary, Scroll, screw, dan centrifugal. Laporan Tugas Akhir 12

10 Kompresor yang paling umum dijumpai adalah kompresor torak, karena terdapat dalam berbagai tingkat kapasitas dari yang kecil sampai yang besar. Refrigeran yang masuk kedalam kompresor harus benar-benar berfasa uap. Adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring dan batang torak. Karena itu, beberapa jenis mesin refrigerasi dilengkapi dengan accumulator untuk memastikan refrigeran yang dihisap oleh kompresor benar-benar telah berfasa uap. Gambar 2.6Kompresor 3. Kondenser Kondenser adalah salah satu komponen sistem refrigerasi kompresi uap, yang berfungsi untuk mengembunkan atau mengkondensasikan refrigeran bertekanan tinggi dari kompresor. Pemipaan yang menghubungkan antara kompresor dengan kondenser dikenal dengan saluran buang (discharge line). Karena proses pelepasan kalor ke lingkungan di kondenser terjadi perubahan fasa refrigerant dari fasa gas menjadi cair. Pada kondenser berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke udara. Untuk jenis air cooled Laporan Tugas Akhir 13

11 condenser biasanya digunakan kondensor jenis sirip (Gambar 2.8). Pada kondenser berpendingin air (water cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke air. Kondensor yang digunakan bisa berupa jenis shell and tube, shell and coil atau plate heat exchanger. Gambar 2.7Finned Coil Condenser 4. Alat Ekspansi (Metering Device ) Alat Ekspansi adalah komponen sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi mengalirkan suatu refrigeran cair dalam tekanan rendah ke evaporator sesuai dengan kebutuhan. Pada alat ekspansi terjadi penurunan tekanan refrigeran akibat adanya penyempitan aliran. Alat ekspansi dapat berupa pipa kapiler, katup ekspansi termostatik (TXV, thermostatik expansion valve), katup ekspansi automatik, maupun katup ekspansi manual. Namun yang paling sering dipakai pada suatu sistem refrigerasi adalah pipa kapiler (pada refrigerator/freezer domestic) dan Thermostatic expansion valve (biasanya dipakai untuk kabin yang beban pendinginannya sering berubah ubah). Laporan Tugas Akhir 14

12 Gambar 2.8Pipa Kapiler Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 1. Filter Dryer Filter dryer berfungsi untuk menyaring kotoran dan menyerap uap air yang ikut mengalir bersama refrigeran di dalam sistem. Apabila kotoran dan uap air berada di dalam sistem, maka kerja sistem akan terganggu. Di dalam filter dryer terdapat filter dryer core yang berfungsi untuk menyerap uap air di dalam sistem dan screen yang terdiri dari kawat kassa yang sangat halus yang berfungsi sebagai penyaring kotoran. Laporan Tugas Akhir 15

13 Gambar 2.9Filter Dryer Dengan pemasangan filter dryer pada sistem diharapkan refrigeran yang keluar dari filter dryer tidak membawa kotoran dan uap air. Filter dryer umumnya dipasang di liquid line atau suction line. Selain menyerap uap air di dalam system, pemasangan filter dryer di liquid line dimaksudkan untuk mengamankan alat ekspansi dari kotoran yang dapat menyumbat sedangkan pemasangan filter dryer di suction line dimaksudkan untuk mengamankan kompresor dari kotoran yang dapat mengganggu cara kerja alat kompresi kompresor. Filter dryer tidak boleh dipasang di discharge line karena dapat menyebabkan drop tekanan yang nantinya akan mengakibatkan tekanan refrigeran yang masuk ke kondensor menjadi rendah, sehingga pembuangan panas di kondensor terhambat. Pada sistem kompresi uap ini filter dryer dipasang di saluranliquid line. Laporan Tugas Akhir 16

14 2. Sight Glass Sight glass dipasang setelah filter dryer dan sebelum pipa kapiler. Alat ini berguna untuk melihat apakah refrigeran sudah cukup atau belum dengan melihat fasa refrigeran di dalamnya, jika belum cukup maka refrigeran perlu ditambah lagi agar sistem dapat berjalan dengan baik. Jika pada sight glass gelembung yang terlihat masih dominan, maka berarti refrigeran yang mengalir pada sistem masih kurang. Selain itu pada alat ini terdapat indikator untuk mengetahui keadaan uap air di dalam sistem. Indikator yang terdapat pada sight glass adalah kertas lakmus yang warnanya akan berubah-ubah sesuai dengan jumlah uap air di dalam sistem. Ada dua istilah indikator untuk mengetahui keadaan uap air di dalam sistem yaitu Wet dan Dry. 1. Wet berarti didalam sistem terdapat uap air. Bila dalam sistem terdapat uap air, maka indikator akan menunjukan warna kuning atau merah jambu. 2. Dry berarti di dalam sistem tidak terdapat uap air. Apabila sistem terbebas dari uap air maka indikator akan menunjukan warna hijau atau biru. 3. Termostat Termostat merupakan alat kontrol yang digunakan untuk menjaga temperatur ruangan atau produk pada kisaran harga yang diinginkan. sehingga temperatur yang diinginkan sesuai dengan set pointnya. Laporan Tugas Akhir 17

15 4. Pressure Gauge Pressure Gauge merupakan alat indikator tekanan suatu sistem, dipresure Gauge terdapat banyak satuan, maupun temperatur saturasi refrigerant, yang nantinya berguna sebagai patokan pengisian refrigerant didalam sistem Gambar 2.10Pressure Gauge 5. Handvalve Hand valve merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengatur buka tutup suatu aliran, dalam hal ini aliran refrigerant. Gambar 2.11Handvalve Laporan Tugas Akhir 18

16 2.3 Perhitungan Beban Kabin Dinding insulasi sistem refrigerasi ideal mempunyai kemampuan untuk menghambat panas konduksi dari luar ke dalam kabin, walapun dalam kenyataanya pertimbangan-pertimbangan ekonomis, kontruksi dan kondisi udara yang berlainan menyebabkan hal-hal tersebut menjadi sangat minimal. Bagaimapun beban konduksi dari lingkungan harus tetap diperhatikan dan diperhitungkan karena dapat menentukan kinerja sistem. Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : Q = U.A.ΔT (2.9) Q = Beban panas dari dinding kabin (W) U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh(w/m²k) A = Luas penampang (m²) ΔT = Perbedaan temperatur (K) persamaan : Harga koefisien menyeluruh (U) didapat dengan menggunakan 1/U = 1/f1+ x1/k1 + X2/k /f (2.10) dengan : fi = koefisien konveksi panas sisi dalam (W/m²K) fo = koefisien konveksi panas sisi luar (W/m²K) x1,x2 = tebal bahan (m) k1,k2 = faktor konduktivitas thermal bahan (W/m K) Laporan Tugas Akhir 19

17 Perhitungan untuk beban pendinginan di dalam kabin Q beban = (2.11) M = Massa (Kg) Cp = Kalor Spesifik (Kj/Kg.K) ΔT = Beda temperature (K) n = Chilling time (jam) 2.4 Perhitungan Panjang Pipa Di dalam Intercooler Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : Q = U.A.ΔT (2.12) Q = Kapasitas kondensor (W) U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m²K) A = Luas penampang (m²) ΔT = Perbedaan temperatur (K) K = Faktor konduktivitas thermal bahan (W/m K) persamaan: Untuk harga koefisien menyeluruh (U) didapat dengan menggunakan Laporan Tugas Akhir 20

18 ..... (2.13) U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m²K) h 1 = Koefisien perpindahan panas didalam pipa (W/m²K) h 2 = Koefisien perpindahan panas diluar pipa (W/m²K) Δx = Tebal pipa Untuk harga luas penampang (A) digunakan persamaan A = π. D. L......(2.14) A = Luas penampang (m 2 ) D = Diameter pipa (m) L = Panjang pipa (m) Dengan menggabungkan persamaan (2.12) dengan persamaan (2.14) diperoleh persamaan : L =... (2.15) Laporan Tugas Akhir 21