BAB III TEORI PENUNJANG

Transkripsi

1 BAB III TEORI PENUNJANG 3.1 Dasar Pendinginan Kebanyakan unit pengkondisi udara yang digunakan pada bangunan berukuran sedang dan besar bertujuan untuk kenyamanan (comfort air conditioning), yaitu untuk menciptakan kondisi udara yang nyaman bagi orang yang berada di dalam suatu ruangan Dalam mesin pendingin ada beberapa komponen penting diantaranya Compressor AC yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigerant), jadi refrigerant yang masuk ke dalam compressor AC dialirkan ke kondenser yang kemudian dimampatkan di kondenser. Di bagian kondenser ini refrigerant yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigerant fase cair, maka refrigerant mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigerant. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi compressor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigerant yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigerant yang berada pada pipa-pipa evaporator. Setelah refrigerant lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigerant dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigerant tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigerant akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigerant dibuat sedemikian rupa sehingga refrigerant setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun, hal ini sesuai dengan konsep kapilaritas 16

2 yaitu peristiwa naik turunya zat cair dalam pipa kapiler (pipa sempit). Kapilaritas dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi dan adhesi antara zat cair dengan dindig kapiler. Kenaikan atau penurunan zat cair pada pipa kapiler disebabkan adanya tegangan permukan yang bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa. Prinsip Kerja Pendingin Gambar 3.1 Prinsip Kerja Mesin Pendingin 17

3 3.2 Komponen Utama Mesin Pendinginan 1. Kompresor Pada sistem refrigerant kompresor berfungsi untuk mempertahankan perbedaan tekanan dalam sistem dan mengalirkan refrigerant dari evaporator ke kondensor. Kompresor mempunyai berbagai klasifikasi akan tetapi pada umumnya hanya terbagi dalam dua jenis utama yaitu 1. Kompresor positif, dimana gas dihisap masuk ke dalam silinder dan dikompresikan. 2. Kompresor non positif, dimana gas yang diisap masuk dipercepat alirannya oleh sebuah impeller yang kemudian mengubah energi kinetik untuk menaikkan tekanan.kompresor yang digunakan dalam Ac split ini termasuk dalam kompresor positif. Jenis kompresornya adalah kompresor sentrifugal. 2. Kondensor Kondensor adalah alat yang berfungsi untuk mengembunkan refrigerant dengan cara penyerapan panas. Uap refrigeran memindahkan panasnya pada udara, sehingga uap refrigerant akan mengembun dan mencair kembali. 3. Evaporator Evaporator merupakan alat yang berfungsi untuk menguapkan refrigerant dengan cara perpindahan panas. Perpindahan panas ini adalah berpindahnya kalor dari suhu sekitar ke refrigerant. Hal ini mengakibatkan suhu udara sekitar akan turun. Cairan refrigerant yang telah melewati expantion valve secara mendadak.kanannya turun sehingga temperatur refrigerant menjadi lebih rendah dari sebelumnya.hal ini mengakibatkan cairan dingin menyerap panas sekelilingnya sehingga terjadi pendinginan, karena cairan menyerap panas maka temperatur cairang menjadi lebih tinggi.sehingga setelah keluar dari evaporator refrigeran berbentuk uap bukan lagi berbentuk cair. 18

4 4. Katup Ekspansi Expantion valve berguna untuk mengekspansikan cairan refrigeran yang mempunyai tekanan tinggi sampai tekanan rendah.alat ini mgenatur supaya evaporator selalu mendapat suplai refrigeran sehingga diperleh efisiensi siklus yang optimal. Katup ekspansi yang digunakan pada AC split adalah pipa kapiler. Pipa kapiler dipasang sebagai pengganti katup ekspansi.tahanan dari pipa kapiler inilah yang dipergunakan untuk mentrotel dan menurunkan tekanan.diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigerant dari mesin refrigerasi.konstruksi pipa kapiler sangat sederhana, sehingga jarang terjadi gangguan.pada waktu kompresor berhenti bekerja, pipa kapiler menghubungkan bagian tekanan tinggi dengan bagian tekanan rendah, sehingga menyamakan tekanannya dan memudahkan start berikutnya. 5. Receiver Receiver atau tangki penampung berfungsi sebagai penampung atau penympan refrigeran dalam sistem pendingin.letak receiver terdapat antara drier stainer dan kondensor. 6. Drier Stariner Terdiri atas silika gel dan screen.silika gel berfungsi untuk menyerap kotoran, dan screen untuk menyaring kotoran berupa karat dan lainnya. Jadi apabila refrigerant terdapat kotoran makan refrigeran tersebut akan tersaring drier stainer terlebih dahulu sebelum ke expantion valve, sehingga katup ekspansi tidak rusak atau mengalami kebuntuan. Apabila kran ekspansi buntu mnaka tidak akan terjadi proses pendinginan. 7. Oil Separator Oil Separator merupakan alat untuk memisahkan antara minyak dari kompresor dengan bahan refrigeran. Cara kerja alat ini yaitu berdasarkan berat jenis dari bahan pendingin dengan minyak kompresor tersebut, jadi minyak kompresor tersebut akan tertinggal dalam oil separator dan uap 19

5 refrigerant diteruskan menuju kondensor. Minyak kompresor yang tertinggal dalam oil separator akan dialirkan lagi kedalam kompresor melalui katup yang menuju ke kompresor. 8. Akumulator Setelah melewati Akumulator, uap refrigeran ke suction line, jika ada cairan yang tidak menguap akan tertampung dalam suatu silinder yaitu akumulator yang berfungsi mencegah adanya cairan refrigeran yang masuk pada suction line. Suction line membawa uap refrigeran dari evaporator menuju kompresor dan proses pendinginan kembali seperti semula. 9. Refrigerant Refrigerant adalah media perpindahan panas yang menyerap kalor dengan penguapan (evaporator) pada temperatur rendah dan memberikan kalor dengan pengembunan pada temperatur dan tekanan tinggi.atau fluida kerja dalam sistem refrigerasi. 3.3 Sejarah Sistem Pendingin Sejarah teknik pendinginan berkembang sejalan dengan perkembangan peradaban manusia di wilayah sub-tropik. Secara alamiah, manusia yang tinggal di wilayah sub-tropik menyadari bahwa bahan pangan yang mudah rusak ternyata dapat disimpan lebih lama dan lebih baik pada saat musim dingin dibandingkan dengan pada saat musim panas. Penggunaan es alam ini bahkan masih dilakukan hingga abad ke-20, dan bahkan menurut catatan IIR (Intenational Institute of Refrigeration) hingga awal abad ke-20 penggunaan es alam masih lebih banyak dibandingkan es buatan. Es alam adalah es yang dihasilkan tanpa peralatan refrigerasi, baik yang diperoleh dari sungai atau danau yang membeku pada musim dingin atau yang sengaja dibekukan secara alamiah akibat radiasi termal dari permukaan air ke langi. Pada abad ke-15, Leonardo da Vinci telah merancang suatu mesin pendingin evaporatif ukuran besar. mesin ini dipersembahkan untuk Beatrice d Este, istri Duke of Milan (Pita, 1981). Mesin ini mempunyai 20

6 roda besar, yang diletakkan di luar istana, dan digerakkan oleh air (sekalisekali dibantu oleh budak) dengan katup-katup yang terbuka-tutup secara otomatis untuk menarik udara ke dalam drum di tengah roda. Udara yang telah dibersihkan di dalam roda dipaksa keluar melalui pipa kecil dan dialirkan ke dalam ruangan Perkembangan teknik pendinginan selanjutnya masih terjadi secara tidak sengaja, yaitu penggunaan larutan air-garam untuk mendapatkan suhu yang lebih rendah. Menurut catatan Ibn Abi Usaibia, seorang penulis Arab, penggunaan larutan air-garam ini sudah dilakukan di India sekitar abad ke-4. Garam yang digunakan pada larutan tersebut adalah potasium nitrat, sebagaimana dicatat oleh seorang dokter Italia bernama Zimara pada tahun 1530 dan dokter Spanyol bernama Blas Villafranca pada tahun Fenomena pencampuran garam pada salju untuk mendapatkan suhu lebih rendah baru dapat dijelaskan oleh Battista Porta pada tahun 1589 dan Trancredo pada tahun Teknik pendinginan mulai berkembang secara ilmiah sejak abad ke-17, dimulai dari penelitian tentang pemantulan melalui efek panas dan dingin yang dilakukan oleh Robert Boyle ( ) di Inggris dan Mikhail Lomonossov ( ) di Rusia. Selanjutnya, penelitian mengenai termometri yang dimulai oleh Galileo dikembangkan kembali oleh Guillaume Amontons ( ) di Perancis, Isaac Newton ( ) di Inggris, Daniel Fahrenheit ( ) orang German yang bekerja di Inggris dan Belanda, René de Réaumur ( ) di Perancis dan Anders Celsius ( ) di Swedia. Tiga ilmuwan yang disebutkan terakhir merupakan penemu sistem skala pengukuran suhu, dan masing-masing namanya diabadikan pada sistem skala tersebut yaitu Fahrenheit, Reaumur dan Celsius. Setelah Anders Celsius menemukan termometer skala centesimal pada tahun 1742 di Swedia, disepakati bahwa sistem skala yang digunakan pada Sistem Internasional adalah Celsius. Pada awal abad ke-18, William Cullen ( ) menemukan terjadinya penurunan suhu pada saat ethyl ether menguap. Cullen, bahkan, pada tahun 1755 berhasil mendapatkan sedikit es dengan cara menguapkan 21

7 air di labu uap. Murid dan penerus Cullen, yaitu seorang Scotland yang bernama Joseph Black ( ) berhasil menjelaskan pengertian panas dan suhu, sehingga sering dianggap sebagai penemu kalorimetri. Bidang ini akhirnya dikembangkan dengan sangat baik oleh para ilmuwan Perancis, seperti Pierre Simon de Laplace ( ), Pierre Dulong ( ), Alexis Petit ( ), Nicolas Clément-Desormes ( ) dan Victor Regnault ( ). Tulisan Sadi Carnot ( ), seorang Perancis, yang sangat terkenal pada tahun 1824 menjadi inspirasi bagi banyak penelitian yang dilakukan mengenai berbagai konsep termodinamika dan sistem pendinginan, termasuk James Prescot Joule (Inggris, ), Julios von Mayer (Jerman, ), Herman von Helmholtz (Jerman, ), Rudolph Clausius (Jerman, ), Ludwig Boltzmann (Austria, ), dan William Thomson (Lord Kelvin, Inggris, ) Penemuan-penemuan di atas menjadi awal yang sangat berharga dalam sejarah penemuan mesin-mesin pendinginan dan zat-zat pendinginnya. Perkembangan ini dimulai dengan mesin pendingin mekanis, setelah seorang Amerika bernama Oliver Evans ( ) mampu menjelaskan siklus refrigerasi kompresi uap. Pada tahun 1835, seorang Amerika lainnya yang bekerja di Inggris yaitu Jacob Perkins ( ) berhasil mendapatkan paten untuk mesin pendingin temuannya yang bekerja berdasarkan siklus kompresi uap tersebut. Perkembangan lain dalam sistem kompresi uap adalah pada komponen peralatannya. Pada awalnya mesin pendingin sistem kompresi uap menggunakan kompresor dengan piston yang besar dan lambat, tetapi sejak akhir abad ke-19 berubah menjadi lebih ringan dan cepat. Pada tahun 1934 A. Lysholm berhasil mengembangkan kompresor ulir dengan rotor ganda di Swedia, sedangkan pada tahun 1967 B. Zimmern mengembangkan kompresor ulir rotor tunggal di Perancis. Kompresor scroll sebenarnya telah dipatenkan oleh seorang Perancis bernama Leon Creux pada tahun 1905, tetapi baru dapat 22

8 dikembangkan pada tahun 1970-an. Kompresor sentrifugal dikembangkan atas dasar penelitian seorang Perancis bernama Auguste Rateau tahun 1890 dan orang Amerika bernama Willis Carrier tahun Kompresor hermetik dikembangkan untuk mengatasi kebocoran refrigeran oleh Father Audiffren pada tahun 1905 di Perancis, dan digunakan sangat banyak saat ini. Disamping mesin pendingin sistem kompresi uap, sebagaimana dijelaskan di atas, berbagai sistem pendingin lain juga ditemukan selama abad ke-19. Salah satu diantaranya adalah sistem pendingin siklus gas yang muncul akibat penemuan mesin udara siklus terbuka oleh John Gorrie ( ), seorang dokter Amerika. Gorrie mematenkan penemuan tersebut setelah berhasil mendiningkan brine ke suhu -7 oc pada tahun 1850 dan Alexander Kirk ( ) berhasil mengembangkan mesin siklus tertutup yang dapat mendinginkan hingga suhu -13 oc pada tahun Mesin ini didasarkan pada motor udara panas yang dikembangkan oleh pastor Skotlandia Robert Stirling pada tahun Salah satu sistem pendingin yang berkembang dengan baik, disamping sistem kompresi uap, adalah sistem absorbsi. Mesin pendingin sistem absorbsi kontinyu yang pertama ditemukan pada tahun 1859 oleh seorang Perancis bernama Ferdinand Carré ( ). Mesin temuan Carré ini menggunakan air sebagai absorber dan amonia sebagai refrigeran. Sistem absorbsi tak-kontinyu sebenarnya lebih dulu dikembangkan (hasil temuan saudara Ferdinand Carré yang bernama Edmond Carré pada tahun 1866), tetapi tidak terlalu berhasil. Pada tahun 1913, seorang Jerman bernama Edmund Altenkirch berhasil mempelajari dan menjelaskan sifat termodinamik sistem ini dengan rinci. Pada tahun 1940-an, sistem absorbsi dengan litium-bromida sebagai absorber dan air sebagai refrigeran berhasil dikembangkan di Amerika, sebagai modifikasi dari sistem yang dikembangkan oleh Carré. Sistem absorbsi litiumbromida-air ini banyak digunakan dalam bidang pengkondisian udara. 23

9 3.4 Desain Chiller Air Cooled Chiller Chiller adalah mesin refrigerasi yang memiliki fungsi utama mendinginkan air pada sisi evaporatornya. Air dingin yang dihasilkan selanjutnya didistribusikan ke mesin penukar kalor ( FCU / Fan Coil Unit. Pada sistem pendinginan ini dikenal beberapa jenis chiller berdasarkan kompressor dan kondensornya. Lebih jauh mengenai apa dan bagaimana sistem tersebut bekerja mari kita lanjutkan pada pembahasa cara kerja chiller pada sistem pendingin. Gambar 3.2 Prinsip Kerja chiller Air Cooler 24

10 3.4.2 Cara Kerja Chiller Heat Exchanger disini adalah sebuah pipa yang ada pipa lain didalamnya, berfungsi untuk mengalirkan air pada pipa besar sedangkan pipa didalamnya berfungsi mengalirkan udara atau refrigeran. Seperti yang terlihat pada gambar dibawah: Gambar 3.3 Heat Exchanger Pada bagian Heat Exchanger seperti diatas berlangsung proses pertukaran kalor antara refrigeran yang dengan air. Kalor dari air ditarik ke refrigeran sehingga setelah melewati Heat exchanger menyebabkan air didalamnya menjadi semakin dingin. Air yang sudah menjadi dingin tersebut lalu diteruskan mengalir ke mesin utama yang sebelumnya masuk ke tanki sebagai resefoir Macam macam Chiller Berdasarkan jenis kompresornya : 1. Kompresor Piston (Reciprocating compressor) a. Kompresor piston kerja tunggal Kopresor piston kerja tunggal adalah kompresor yang memanfaatkan perpindahan piston, kompresor jenis ini menggunakan piston yang didorong oleh poros engkol (crankshaft) untuk memampatkan udara/ gas. Udara akan 25

11 masuk ke silinder kompresi ketika piston bergerak pada posisi awal dan udara akan keluar saat piston/torak bergerak pada posisi akhir/depan. b. Kompresor piston kerja ganda Kompresor piston kerja ganda beroperasi sama persis dengan kerja tunggal, hanya saja yang menjadi perbedaan adalah pada kompresor kerja ganda, silinder kompresi memiliki port inlet dan outlet pada kedua sisinya. Sehingga meningkatkan kinerja kompresor dan menghasilkan udara bertekanan yang lebih tinggi dari pada kerja tunggal. 2. Kompresor diafragma adalah jenis klasik dari kompresor piston, dan mempunyai kesamaan dengan kompresor piston, hanya yang membedakan adalah, jika pada kompresor piston menggunakan piston untuk memampatkan udara, pada kompresor diafragma menggunakan membran fleksible atau difragma. 3. Kompresor Kisar (Rotary compressor) a. Kompresor screw (Rotary screw compressor) Kompresor screw merupakan jenis kompresor dengan mekanisme putar perpindahan positif, yang umumnya digunakan untuk mengganti kompresor piston, bila diperlukan udara bertekanan tinggi dengan volume yang lebih besar. b. Lobe c. Vane d. Liquid Ring e. Scroll 26

12 4. Kompresor sentrifugal merupakan kompresor yang memanfaatkan gaya sentrifugal yang dihasilkan oleh impeller untuk mempercepat aliran fluida udara (gaya kinetik), yang kemudian diubah menjadi peningkatan potensi tekanan (menjadi gaya tekan) dengan memperlambat aliran melalui diffuser. Macam macam Chiller Berdasarkan jenis cara pendinginan kondensornya : 1. Air Cooler Mesin refrigerasi dengan pendinginan udara (air cooled chiller), pada prinsipnya hampir sama dengan split duct AC, tetapi dalam ukuran besar. Unit mesin ini pada umumnya berada diatas atap beton dari sebuah bangunan. Komponen utama dari 1 unit ACC adalah 2 kompresor atau lebih, dengan katup ekspansi dan evaporator berada dalam unit utama, termasuk kondensornya. Evaporator mendinginkan air dan air dingin disirkulasi kesetiap tingkat melalui alat pengatur udara (air handling unit) atau disingkat AHU. Dari AHU dengan blower besar menyalurkan udara dingin, yang diperoleh dari hembusan melalui pipa-pipa aliran air dingin unit utama diatas, keruangan yang akan dikondisikan. Udara dingin yang masuk kedalam ruangan dari AHU ini diatur dengan diffuser yang ada disetiap ruangan, Atau kadang-kadang dengan pipa-pipa langsung keruangan melalui alat kipas koil (Fan coil unit) atau disingkat FCU. Dalam desain gedung, bila menggunakan air cooled chiller perlu diperhatikan lokasi dan luas atap beton untuk penempatan unit-unit chillernya. Yang sering kurang diperhatikan dalam desain atap untuk air cooled chiller adalah akses untuk 27

13 pemeliharaan unit tersebut. Ada kalanya terjadi perubahan desain dari water cooled chiller ke air cooled chiller, karena terutama masalah waktu instalasi ataupun keadaan air setempat. Tetapi perubahan seperti itu pada akhirnya berakibat fatal terhadap konstruksi air cooled chiller tersebut yang mengambil ruang (space) apa adanya. 2. Water Cooler Mesin refrigerasi dengan pendinginan air (water cooled chiller), pada prinsipnya hampir sama dengan Mesin refrigerasi pendinginan udara (air cooled chiller) dalam distribusi udara dingin melalui AHU atau FCU. Perbedaan utamanya adalah pendinginan refrigerannya, bukan dengan udara, tetapi dengan air, dimana airnya didinginkan melalui menara air atau cooling tower. Mesin refrigerasi dengan pendinginan air, pada umumnya ditempatkan dalam lantai bawah 28