BAB II DASAR TEORI. BAB II Dasar Teori

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Florist Cabinet Florist cabinet merupakan suatu alat yang digunakan untuk proses pendinginan bunga. Florist cabinet sangat beragam dalam ukuran dan konstruksi. Biasanya florist cabinet ini berbentuk seperti rak untuk ukuran kecil atau walk-in cooler untuk ukuran yang besar. Florist cabinet ini berbeda dengan kabin makanan, dengan 3 prinsip yaitu: 1. Temperatur kabin umumnya ada pada 38 F (3 C) dan 40 F (4 C) 2. Insulasi biasanya 1 2 inch (2,5 5 cm) 3. Florist cabinet biasanya dibuat dengan permukaan kaca yang lebar dengan display bunga potong (cut flower) Kelembaban dalam florist cabinet pada umumnya adalah 90% - 95% tetapi 80% juga sering digunakan. Kebanyakan florist cabinet mempunyai alat penghilang bau untuk mencegah bunga terkontaminasi. Biasanya digunakan ethylene purifier untuk penghilang bau ini dan untuk menetralisasikan gas etilin yang terdapat pada bunga. Pada sistem inilah penulis akan melakukan simulasi dengan cara merancang bangun sistem kompresi uap dan akan melakukan analisis terhadap performansi sistem untuk tugas akhir (TA). 2.2 Prinsip Dasar Pada prinsipnya sistem refrigerasi kompresi uap merupakan sistem yang secara umum terdiri dari empat komponen utama dan terdiri dari empat proses yaitu kompresor sebagai alat kompresi refrigeran, yang dalam keadaan bertekanan rendah akan menyerap kalor dari tempat yang didinginkan, kemudian masuk pada sisi penghisap (suction) dimana uap refrigeran tersebut ditekan di kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi Laporan Tugas Akhir 4

2 keluaran (discharge). Dari proses ini kita menentukan sisi bertekanan tinggi dan sisi bertekanan rendah. Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang memanfaatkan aliran perpindahan kalor melalui refrigeran. Proses utama dari kompresi uap adalah: 1. Proses kompresi 2. Proses kondensasi 3. Proses ekspansi 4. Proses evaporasi Seluruh proses diatas dapat ditelusuri dengan menggunakan diagram tekanan-entalpi (pressure-entalphy, p-h) yang dikenal dengan diagram Mollier. Gambar 2.1 Diagram Mollier R-134a 2.3 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Ideal Sistem refrigerasi kompresi uap ideal mengacu kepada konsep dari sistem carnot dimana pada sistem ini akan diperoleh jumlah energi masuk yang digunakan akan sama dengan energi yang diperoleh untuk dimanfaatkan. 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. Laporan Tugas Akhir 5

3 Siklus refrigerasi kompresi uap ideal ini penting diketahui karena: Sebagai siklus refrigerasi standar. Sebagai pemberi petunjuk bahwa temperatur-temperatur siklus refrigerasi perlu dijaga agar menghasilkan efisiensi maksimum. Gambar 2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Adapun cara kerja sistem refrigerasi kompresi uap adalah pertama-tama, kompresor mengisap uap refrigeran dari sisi keluar evaporator, tekanan dan temperatur diusahakan tetap rendah agar refrigeran senantiasa berada dalam fase gas. Didalam kompresor, uap refrigeran ditekan (dikompresi) sehingga tekanan dan temperatur tinggi. Energi yang diperlukan untuk kompresi diberikan oleh motor listrik atau penggerak awal lainnya. Jadi, dalam proses kompresi energi diberikan kepada uap refrigeran. Pada waktu uap refrigeran dihisap masuk ke dalam kompresor, temperatur masih rendah akan tetapi selama proses kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan naik. Laporan Tugas Akhir 6

4 Setelah proses kompresi, uap refrigeran (fluida kerja) mengalami proses kondensasi pada kondenser. Uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi pada akhir kompresi dapat dicairkan dengan media pendinginnya fluida air atau udara. Dengan kata lain, uap refrigeran memberikan panasnya (kalor laten pengembunan) kepada air pendingin atau udara pendingin melalui dinding kondensor. Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigeran, maka temperaturnya menjadi lebih tinggi pada waktu keluar dari kondenser. Selama refrigeran mengalami perubahan dari fase gas (uap) ke fase cair, tekanan dan temperatur konstan, oleh karena itu pada proses ini refrigeran mengeluarkan energi dalam bentuk panas. Untuk menurunkan tekanan refrigeran cair dari kondensor dipergunakan katup ekspansi atau pipa kapiler. Melalui katup ekspansi, refrigeran mengalami proses evaporasi, yaitu proses penguapan cairan refrigeran pada tekanan dan temperatur rendah, proses ini terjadi pada evaporator. Selama proses evaporasi refrigeran memerlukan atau mengambil energi dalam bentuk panas dari lingkungan atau sekelilingnya, sehingga temperatur sekeliling turun dan terjadi proses pendinginan. Proses-proses tersebut jika digambar kedalam digram p-h (Mollier Chart) menjadi: P (bar) h 3 kondensasi h 2 ekspansi Evaporasi Kompresi h 4 h 1 h (kj/kg) Gambar 2.3 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Ideal Laporan Tugas Akhir 7

5 1. Proses Kompresi ( Siklus 1-2 ) Proses ini terjadi di kompresor dan fasa refrigeran yang masuk ke kompresor adalah uap jenuh, dengan tekanan dan temperatur yang rendah. Kerja diberikan pada refrigeran dengan cara dipompa agar tekanannya naik sehingga temperaturnya pun ikut naik. Pada fasa ini uap refrigeran berubah dari fasa uap bertekanan dan bertemperatur rendah menjadi uap bertekanan dan bertemperatur tinggi. Disini, temperatur refrigeran lebih tinggi dari temperatur lingkungan tempat kompresor tersebut ditempatkan. Refrigeran mengalami kompresi secara reversibel dan isentropik. Kerja yang diberikan pada refrigeran akan menyebabkan kenaikan tekanan, sehingga temperatur refrigeran akan lebih besar dari temperatur lingkungan. Hal tersebut dapat dicapai dengan membuat proses berlangsung secara isentropik, dengan asumsi bahwa: Tidak ada gesekan di kompresor Tidak terjadi pertukaran panas antara refrigeran dan kompressor. Kerja yang dilakukan kompresor dapat diketahui dengan cara: W = m. qw..(2.1) W = dengan, W m. (h 2 h 1 )....(2.2) = Kerja yang dilakukan kompresor (kj/s) m h 2 h 1 = Laju aliran massa (kg/s) = Entalpi masukan kompresor (kj/kg) = Entalpi keluaran kompresor (kj/kg) 2. Proses Kondensasi ( Siklus 2-3 ) Proses ini terjadi di kondenser, karena temperatur refrigeran lebih tinggi daripada temperatur lingkungan, maka kalor dari refrigeran panas akan dilepas melalui dinding pipa kondenser ke lingkungan sekitar. Proses pelepasan atau perpindahan kalor secara konveksi dari refrigeran ini dapat dilakukan secara konveksi alami (natural) maupun secara konveksi paksa melalui fan. Laporan Tugas Akhir 8

6 Pada saat uap refrigeran yang berasal dari discharge kompresor masuk kondenser maka uap (superheat) tersebut akan mengembun pada keadaan saturasi. Selama dalam kondensor, baik tekanan ataupun temperatur akan tetap tinggi, namun refrigeran akan berubah fasa menjadi fasa cair. Kalor yang dilepas kondenser diketahui dengan cara: dengan, qc m h 2 h 3 qc = m. (h 2 h 3 ).(2.3) = Kalor yang dilepas kondenser (kj/s) = Laju aliran massa (kg/s) = Entalpi masukan kondenser (kj/kg) = Entalpi keluaran kondenser (kj/kg) Untuk menghasilkan efek refrigerasi terus menerus, uap refrigeran harus diembunkan di kondenser pada laju sama dengan cairan refrigeran diuapkan di evaporator. Ini artinya bahwa kalor harus keluar dari sistem pada kondenser pada laju sama dengan kalor masuk ke sistem di evaporator dan saluran suction juga di kompresor sebagai hasil dari kerja kompresi. Akibatnya peningkatan laju penguapan akan meningkatkan keperluan laju perpindahan kalor pada kondenser. 3. Proses Ekspansi ( Siklus 3-4 ) Proses ini terjadi di katup ekspansi. Setelah refrigeran melepas kalor di kondenser, refrigeran berfasa cair yang berasal dari kondenser akan mengalir menuju katup ekspansi untuk diturunkan tekanan dan temperaturnya. Diharapkan temperatur yang akan terjadi lebih rendah dari pada temperatur lingkungan, sehingga dapat menyerap kalor pada saat berada di evaporator. Dalam proses ekspansi ini tidak terjadi proses penerimaan ataupun pelepasan energi sehingga dapat dikatakan di proses ini terjadi secara isoentalphy. 4. Proses Evaporasi ( Siklus 4-1 ) Proses ini terjadi di evaporator, dimana temperatur refrigeran di evaporator dibuat lebih rendah dari ruang refrigerasi, agar terjadi proses penguapan maka Laporan Tugas Akhir 9

7 dibutuhkan kalor, kalor tersebut diambil dari lingkungan sekitar. Setelah refrigeran diekspansikan secara reversibel adiabatik menjadi cairan bertekanan rendah, refrigeran akan masuk menuju evaporator. Setelah masuk di evaporator, refrigeran akan berubah fasa dari fasa campuran (cair-uap) menjadi fasa uap jenuh. Kalor yang diserap di evaporator dapat diketahui sebagai berikut: Q e = m. q e Qe = m. (h 1 h 4 )..(2.4) dengan, Qe m h 1 h 4 = Kalor yang diserap evaporator (kj/s) = Laju aliran massa (kg/s) = Entalpi keluaran evaporator (kj/kg) = Entalpi masukan evaporator (kj/kg) Berdasarkan besaran-besaran diatas maka akan didapat prestasi siklus kompresi uap standar atau yang biasa disebut dengan COP (Coefficient of Performance) sistem. COP didapat dari perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi. Untuk menghitung besarnya COP dapat digunakan persamaan sebagai berikut: a. COPactual adalah perbandingan kalor yang diserap oleh evaporator dari lingkungan terhadap kerja yang dilakukan oleh kompresor. Dapat diketahui bahwa : Qe COPactual...(2.5) W sehingga berdasarkan persamaan 4 dan 1 dapat diturunkan menjadi : m m...(2.6) Laporan Tugas Akhir 10

8 b. COPcarnot adalah perbandingan temperatur evaporasi dibandingkan dengan selisih temperatur kondensasi dan evaporasi. Satuan temperatur yang digunakan dalam rumus COPcarnot adalah Kelvin Tevaporasi COPcarnot Tkondensasi Tevaporasi....(2.7) c. Efisiensi refrigerasi adalah perbandingan antara COPactual dan COPcarnot. COPactual efisiensi COPcarnot...(2.8) 2.4 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Aktual Seperti yang telah dijelaskan pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Ideal, kondisi yang ideal berbeda dengan kondisi yang sebenarnya (aktual). Energi yang digunakan tidak seluruhnya diubah menjadi energi kerja. Hal ini disebabkan karena adanya drop tekanan. Drop tekanan dapat disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain: Adanya partikel-partikel asing dalam sistem, seperti bram, kotoran dan sebagainya. Panjangnya sistem sehingga tekanan berkurang di tengah jalan. Penambahan komponen-komponen yang jelas menyita tekanan sistem. Banyaknya belokan pipa. Penyambungan pipa yang tidak sempurna. Dalam siklus aktual, komponen-komponen pembantu seperti penyaring refrigeran (filter), pengering kualitas refrigeran (drier), penukar panas (heat exchanger), dan lain-lain ditambahkan guna memperoleh faktor unjuk kerja sistem yang lebih baik, dengan semakin tingginya COP maka cara kerja sistem akan semakin meningkat. Dengan kata lain proses pendinginan akan lebih cepat. Adapun proses kerja sistem yang aktual adalah sama dengan proses kerja sistem ideal. Hanya pada sistem aktual, pada liquid line-nya (saluran antara Laporan Tugas Akhir 11

9 kondensor dengan alat ekspansi) ditambahkan komponen-komponen seperti yang telah disebutkan tadi. 2.5 Komponen Utama Sistem Refrigerasi Komponen yang digunakan pada sistem refrigerasi kompresi uap umumnya terdapat empat komponen. Jika salah satu dari keempat komponen tersebut tidak ada atau tidak terpenuhi, maka sistem tidak akan dapat bekerja sama sekali. Berikut akan dibahas satu-persatu kegunaan alat-alat tersebut diatas Kompresor Kompresor merupakan jantung dari sistem refrigerasi kompresi uap. Kompresor akan menekan uap refrigeran yang berasal dari suction line hingga menaikkan temperatur dan tekanan uap refrigeran tersebut yang selanjutnya dialirkan ke kondensor melalui discharge line. Berdasarkan cara kerjanya kompresor dibagi menjadi lima, yaitu: Kompresor Torak (Reciprocating Compressor) Kompresor Putar (Rotary Compressor) Kompresor Sentrifugal (Centifugal Compressor) Kompresor Sekrup (Screw Compressor) Kompresor Scroll Sedangkan berdasarkan penempatan motornya kompresor ini terbagi menjadi tiga macam, yaitu: Kompresor Hermetik Kompresor Semi Hermetik Kompresor Open Type Masing-masing kompresor di atas mempunyai keunggulan tersendiri tergantung dari pemakaiannya. Secara umum pemakaian jenis-jenis kompresor tersebut ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya, dan jenis refrigeran yang digunakan. Laporan Tugas Akhir 12

10 2.5.2 Kondenser Kondenser adalah suatu alat yang digunakan untuk proses perpindahan panas. Pada kondenser akan terjadi proses kondensasi, dimana refrigeran akan berubah fasa dari uap menjadi cair. Proses kondensasi terjadi karena uap refrigeran yang bertekan dan bertemperatur tinggi akan melepas kalor kelingkungan atau media pendingin. Berdasarkan cara pendinginananya, kondensor dibagi menjadi tiga, yaitu: Kondenser berpendingin udara (Air Cooled Condenser) Kondenser berpendingin air (Water Cooled Condenser) Kondenser berpendingin air dan udara (Evaporative Condenser) Alat Ekspansi Alat ekspansi merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang digunakan untuk menurunkan tekanan refrigeran cair secara enthalpi konstan. Beberapa jenis alat ekspansi yang digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap yaitu terdiri atas: Katup ekspansi manual (Manual/Hand Expansion Valve, HXV) Katup ekspansi otomatik (Automatic Expansion Valve, AXV) Katup ekspansi elektronik (Electric Expansion Valve, EXV) Katup ekspansi termostatik (Thermostatic Expansion Valve, TXV) Katup ekspansi termal elektrik (Thermal Electric Expansion Valve, TEXV) Pipa kapiler (Capillarity Tube) Katup apung tekanan tinggi (High Side Float Valve, HSFV) Katup apung tekanan rendah (Low Side Float Valve, LSFV) Evaporator Evaporator merupakan komponen utama dalam mesin pendingin yang berfungsi untuk menyerap kalor dari udara sekitar atau beban kalor yang berada disekitarnya dan mengubah fasa refrigeran dari cair menjadi uap. Laporan Tugas Akhir 13

11 Menurut konstruksinya evaporator dapat dibedakan menjadi beberapa tipe: Pipa dengan sirip (finned tube) Pipa telanjang (bare tube) Permukaan pelat (plate surface) Tabung dengan pipa (shell and tube) Sedangkan menurut cara kerjanya evaporator dibagi menjadi dua: Evaporator kering (dry or direct evaporator) Evaporator Banjir (flooded evaporator) Selain itu evaporator juga dapat dibagi berdasarkan pemakaiannya, yaitu: Ekspansi langsung (direct expansion) Ekspansi tidak langsung (indirect expansion) 2.6 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Dalam sistem refrigerasi, komponen pendukung ini dapat dibedakan menjadi tiga macam yaitu: 1. Komponen pendukung mekanik 2. Komponen pendukung listrik 3. Komponen pendukung mekanik dan listrik (elektromekanik) Komponen Pendukung Mekanik 1. Filter Drier Filter Drier terdiri atas silica gel yang berfungsi sebagai penyerap uap air dan screen yang terdiri dari kawat kassa yang sangat halus yang berfungsi untuk menyaring kotoran. 2. Sight Glass Sight glass dipasang setelah filter drier dan berguna untuk melihat apakah refrigeran sudah cukup atau belum. Jika belum cukup maka refrigeran perlu ditambah agar sistem dapat berjalan dengan baik. Selain itu alat ini juga berfungsi Laporan Tugas Akhir 14

12 untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati sight glass benar-benar cair atau tidak. 3. Accumulator Accumulator fungsinya sama dengan liquid receiver yaitu sebagai penyimpan cairan refrigeran. Hanya bedanya pada fasa zat yang diambil. Dengan kata lain cairan refrigeran berada di bagian dasar dari akumulator. Hal ini mencegah agar refrigeran cair tidak masuk ke kompresor Komponen Pendukung Listrik 1. MCB (Mini Circuit Braker) MCB digunakan sebagai pengaman terhadap beban lebih atau arus hubung singkat. Jika terjadi arus beban lebih/hubung singkat, MCB ini akan bekerja memutuskan rangkaian dari sumber tegangan. 2. Saklar On / Off Saklar berfungsi untuk memutuskan atau menghubungkan arus pada rangkaian listrik. Pilot Lamp Digunakan sebagai indikator bahwa sistem atau komponen yang mendukung sistem sudah bekerja. Volt Meter Berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai pada sistem. Ampere Meter Berfungsi untuk mengukur besarnya arus listrik yang mengalir pada sistem. Laporan Tugas Akhir 15

13 2.6.3 Komponen Pendukung Mekanik dan Listrik 1. Thermostat Thermostat berfungsi untuk memutus aliran listrik untuk menjaga kompresor ketika suhu yang telah diatur terlalu tinggi atau terlalu rendah. 2. High-Low Pressure (HLP) HLP berfungsi untuk memutus aliran listrik untuk menjaga kompresor ketika tekanan yang telah diatur terlalu tinggi atau terlalu rendah. 2.7 Refrigeran Refrigeran merupakan fluida yang dapat diubah fasanya dari fasa cair ke fasa gas atau sebaliknya. Refrigeran ini dipakai sebagai media pendingin yang akan menyerap kalor dari lingkungan (di evaporator) dan melepasnya ke lingkungan (di kondenser). Syarat-syarat refrigeran idealnya adalah: Sifat Kimia: Stabil dan inert Kesehatan, keselamatan dan lingkungan Tingkat peracunan rendah Tidak mudah terbakar Tidak merusak lingkungan Sifat Termofisika: Temperatur kritis dan titik didih yang sesuai dengan kondisi kerja Kapasitas panas penguapan tinggi Viskositas rendah Konduktivitas termal tinggi Lain-lain: Bercampur dengan oli tetapi tidak beraksi Titik beku rendah Kompatibilitas dengan material sistem Mudah dideteksi jika bocor Laporan Tugas Akhir 16

14 Pertimbangan memilih refrigeran: Mempunyai titik didih yang rendah, harus lebih rendah daripada temperatur evaporator yang direncanakan. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah. (Tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipa-pipanya harus kuat dan kemungkinan bocor besar). Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari atmosfir. Apabila terjadi kebocoran, udara luar tidak dapat masuk kedalam sistem. Mempunyai kalor laten uap yang besar, agar jumlah panas yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar. Apabila terjadi kebocoran, mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. Harganya murah. 2.8 Teori Perhitungan Beban Pendinginan Pada setiap perancangan system refrigerasi, perhitungan beban merupakan langkah yang sangat penting. Perhitungan beban akan mempengaruhi pemilihan seluruh komponen system refrigerasi. Hal penting dalam perancangan sistem refrigerasi untuk florist cabinet adalah perhitungan beban pendinginan. Perhitungan beban tersebut meliputi: 1. Beban kalor konduksi 2. Beban kalor infiltrasi 3. Beban kalor produk 4. Beban lain-lain (manusia, lampu, motor, dll jika ada) Perhitungan Beban Konduksi Melalui Dinding Beban konduksi melalui dinding didefinisikan sebagai jumlah aliran kalor secara konduksi yang melalui dinding produk yang didinginkan dari arah luar kearah dalam. Laporan Tugas Akhir 17

15 Teori perhitungannya adalah : Q = U. A. T (2.9) dimana, Q = laju aliran kalor (Watt) U = koefisiensi perpindahan kalor (W/m 2 K) A = luas permukaan (m 2 ) T = beda temperatur melalui dinding (⁰C) Untuk mencari nilai U, digunakan rumus :.(2.10) dimana, x = tebal bahan (m) k = konduktivitas termal (W/mK) f o = koefisien konveksi permukaan luar (W/m 2 K) f i = koefisien konveksi permukaan dalam (W/m 2 K) Perhitungan Beban Infiltrasi Qinfiltrasi = I. Δ h...(2.11) dimana, Q = beban kalor infiltrasi (kwatt) I = Laju Infiltrasi (L/s) Δ h = Beda entalphi (kj/kg) Perhitungan Beban Produk Beban produk didefinisikan sebagai jumlah kalor yang dilepas produk pada saat dimasukan ke dalam ruang pendingin. Laporan Tugas Akhir 18

16 Teori perhitungannya adalah : Q produk = (2.12) dimana, Q produk = laju aliran kalor (Watt) = massa produk (Kg) C p = kalor spesifik produk (kj/kgk) = beda temperatur melalui dinding (K) Perhitungan Beban Wadah Beban wadah didefinisikan sebagai jumlah kalor yang dilepas produk pada saat dimasukan ke dalam ruang pendingin. Teori perhitungannya adalah : Q produk = (2.13) dimana, Q produk = laju aliran kalor (Watt) = massa wadah (Kg) C p = kalor spesifik wadah (kj/kgk) = beda temperatur melalui dinding (K) Laporan Tugas Akhir 19