BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Teori Dasar Mesin Pendingin Untuk pertama kali siklus refrigerasi dikembangkan oleh N.L.S. Carnot pada tahun Sebelumnya pada tahun 1823, Cagniard de la Tour (Perancis), Humprey Davy dan M. Farreday (Inggris), melakukan penelitian terhadap keadaan kritis dari gas eter serta cara mencairkan gas amonia. Pengetahuan mengenai mesin pendingin itu didasarkan atas kenyataan bahwa suatu zat cair dapat diuapkan pada temperatur berapa saja yang diinginkan dengan mengubah tekanan di atasnya. Semakin besar tekanan yang bekerja, semakin tinggi titik didih zat cair itu, demikian pula sebaliknya. Fungsi dari mesin pendingin itu adalah untuk memindahkan panas dari suatu tempat, yang bertemperatur rendah ke tempat lain yang bertemperatur lebih tinggi. Proses-proses yang terjadi dalam suatu mesin pendingin adalah proses perubahan fase cair menjadi fase gas dengan mengambil sejumlah panas dan proses fase gas menjadi cair dengan melepaskan sejumlah panas. suatu mesin pendingin memerlukan suatu fluida yang harus dapat menguap pada kondisi tekanan dan temperatur tertentu. Fluida yang digunakan dikenal dengan nama refrigeran. Banyak zat cair yang digunakan sebagai refrigeran antara lain Amonia, Metil klorida, R-12, R-22, dll. Refrigeran ini harus dapat menguap pada temperatur yang rendah dan tekanan yang relatif tinggi. Sifat-sifat yang dikehendaki dari suatu refrigeran: 1. Kalor laten penguapan tinggi. 2. Tekanan pengembunannya rendah, sebab refrigeran dengan tekanan kondensasi tinggi memerlukan kompresor yang besar. 3. Tekanan penguapannya lebih tinggi dari tekanan atmosfir, sehingga bila terjadi kebocoran udara luar tidak dapat masuk ke dalam sistem. 4. Titik didih yang rendah. 5. Stabil, tidak bereaksi dengan material yang digunakan, tidak korosif. 3

2 6. Tidak boleh beracun dan berbau. 7. Tidak boleh mudah terbakar dan meledak. 8. Mudah didapat dan harganya murah. Suatu mesin refrigerasi terdiri dari beberapa komponen yang memungkinkan terjadinya sirkulasi refrigeran dan berlangsunglah proses-proses yang disebutkan di atas. Komponen-komponen tersebut adalah: - Kompresor - Kondensor - Katup ekspansi - Evaporator Secara skematis siklus mesin pendingin dapat digambarkan sebagai berikut: Gambar 2.1. Siklus refrigerasi dan diagram Mollier Keterangan: a-b : Proses penguapan di evaporator di mana terjadi proses penguapan refrigeran dengan mengambil panas dari medium di sekelilingnya. Proses ini berlangsung pada tekanan konstan dan terjadi kenaikan enthalpi. b-c : Proses kompresi di kompresor di mana uap refrigeran dari evaporator diisap dan ditekan oleh kompresor sehingga mencapai tekanan dan temperatur di atas temperatur medium pendingin, sehingga uap refrigeran dapat diembunkan. Proses ini berlangsung pada entropi konstan dan terjadi penambahan enthalpi. c-d : Proses pengembunan pada kondensor di mana uap refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi diembunkan dengan bantuan medium pendingin (air/udara). Di sini terjadi pelepasan panas laten. Uap refrigeran 4

3 berubah menjadi cair kembali. Proses ini berlangsung pada tekanan dan temperatur konstan. d-a : Proses ekspansi pada katup ekspansi di mana terjadi penurunan tekanan cairan refrigeran, agar memungkinkan terjadinya penguapan di evaporator, terjadi pada entalpi konstan (isentalpik). Refrigeran merupakan fluida yang vital dalam suatu sistem mesin pendingin. Refrigeran menyerap panas yang tidak diinginkan dari suatu tempat dan dibuang ke tempat lain. Pemilihan jenis refrigeran untuk suatu mesin pendingin harus sesuai dengan jenis kompresor yang dipakai, dan karakteristik termodinamikanya yang antara lain meliputi temperatur penguapan, temperatur pengembunan dan tekanan pengembunan. Dalam teknik pendingin untuk menyatakan kapasitas suatu mesin pendingin biasanya digunakan istilah Ton Refrigerasi. Satu ton refrigerasi adalah panas yang dibutuhkan oleh satu ton es untuk mencair dalam waktu 24 jam. Sekarang istilah ton refrigerasi sudah mulai diganti dengan Watt. 2.2 Komponen Mesin Pendingin Kompresor Fungsi dari kompresor itu sendiri: a. Untuk menciptakan dan mempertahankan sirkulasi di dalam mesin pendingin b. Untuk menaikkan tekanan refrigerasi sehingga titik embunnya lebih tinggi dari medium pendingin Penggolongan Berdasarkan Metode Kompresi 1. Kompresi Positif (Positive Displacement Compressor) dimana gas diisap masuk ke dalam silinder dan dikompresikan, karena adanya perubahan volume (membesar atau mengecil), yang termasuk dari jenis ini adalah: a. Kompresor torak 5

4 Kompresor torak terdiri dari piston yang bergerak ke atas dan ke bawah di dalam suatu silinder dan mempunyai katup isap dan katup buang sehingga berlangsung proses pemampatan. Kompresor jenis ini mempunyai tekanan yang tinggi pada kapasitas rendah. Kompresor torak ada yang kerja tunggal, ada juga yang kerja ganda. Pada kerja tunggal pemanfaatan hanya terjadi pada satu sisi silinder. Sedangkan pada kerja ganda, pemampatan terjadi secara bergantian pada kedua sisi silinder. Gambar 2.2. Mekanisme kompresor torak b. Kompresor putar Prinsip kerjanya ialah pengisapan dan pemanfaatan dilakukan dengan pengembangan dan penyempitan ruangan akibat perputaran proses eksentrik di dalam suatu ruangan silinder. Kompresor jenis ini dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu : 1. Jenis daun berputar Daun terletak pada rotor yang berputar tetapi dapat bergerak dalam arah radial sehingga puncak daun selalu merapat pada bagian dalam silinder. Jenis ini banyak digunakan sebagai kompresor unit penyegaran udara berkapasitas kecil. 2. Jenis daun diam Daun terletak pada silinder, puncak daun merapat pada puncak rotor yang berputar. 6

5 Gambar 2.3. Mekanisme kompresor putar jenis daun berputar Gambar 2.4. Mekanisme kompresor putar jenis daun diam Jika dibandingkan dengan kompresor jenis torak, kompresor putar memiliki konstruksi yang lebih sederhana dengan jumlah komponen yang lebih sedikit. Selain hal-hal tersebut kompresor jenis ini mempunyai kelebihan-kelebihan sebagai berikut: a. Getaran yang dihasilkan kecil, tidak berisik, karena tidak ada komponen yang bergerak bolak-balik. b. Geraknya kontinu, pada setiap gerakan rotor sekaligus terjadi gerakan isap dan kompresi. Namun bagian-bagian yang saling bergesekan harus dibuat dengan ketelitian yang tinggi dan material yang digunakan tidak mudah aus. 7

6 c. Kompresor sekrup Konstruksi kompresor ini terdiri dari sepasang rotor, rotor betina dan rotor jantan. Pasangan ini berputar dalam arah saling berlawanan seperti pada pasangan roda gigi. Mekanisme kompresi dari kompresor sekrup melakukan tiga langkah yaitu langkah isap, langkah kompresi dan langkah buang. Kompresor sekrup memiliki beberapa keuntungan yaitu jumlah bagian yang bergesekan lebih sedikit, perbandingan kompresi yang tinggi dan relatif stabil terhadap pengaruh cairan (kotoran) yang terbawa refrigeran. Gambar 2.5. Kompresor sekrup 2. Metode Kompresi Non Positif (Non Positive Displacement Compressor). Kompresor yang menggunakan metode ini adalah kompresor sentrifugal. Cara kerja kompresor ini sama dengan pompa sentrifugal. Uap refrigeran memasuki mata impeller yang berputar dan dilemparkan ke arah lingkaran luar impeller dengan gaya sentrifugal. Dari impeller 8

7 ini uap mengalir ke ruangan spiral (volute) dimana sejumlah energi kinetik diubah menjadi tekanan. Kompresor sentrifugal dapat dibuat satu tingkat bila diinginkan tekanan rendah, walaupun jenis ini umumnya dibuat bertingkat. Kompresor sentrifugal melayani sistem-sistem refrigerasi berkapasitas kw dengan efisiensi sebesar 70-80%. Gambar 2.6. Kompresor sentrifugal Penggolongan Menurut Konstruksinya 1. Jenis terbuka (Open Type Compressor) Bagi jenis kompresor ini motor penggerak dan kompresor merupakan unit yang terpisah. Pemindahan daya dari motor penggerak ke kompresor dapat menggunakan kopling, roda gigi, ataupun menggunakan sabuk. Kelemahan jenis ini ialah rumah poros tempat keluar kompresor harus dipasang perapat (seal) agar dapat mencegah kebocoran uap refrigeran atau masuknya udara luar pada waktu tekanan di dalam rumah kompresor lebih rendah dari tekanan atmosfer. 9

8 Gambar 2.7. Kompresor jenis terbuka 2. Jenis semi hermetik (Semi Hermetic Compressor). Bagi jenis ini, motor penggerak dan kompresor berada dalam satu unit/rumah. Bagian penutup dan rumah disambung dengan mur-baut agar mudah dibuka untuk perawatan dan perbaikan. Gambar 2.8. Kompresor jenis semi hermetik 3. Jenis Hermetik Jenis ini sama dengan jenis semi hermetik, hanya pada jenis ini penyambungannya digunakan sambungan las. Kompresor jenis ini digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas rendah. 10

9 Gambar 2.9. Kompresor jenis hermatik Kondensor Kondensor dalam siklus refrigerasi berfungsi untuk mengembunkan uap refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Jadi dengan kata lain kondensor adalah alat penukar panas di mana panas yang diserap refrigeran di dalam evaporator dilepaskan di kondensor ke medium pendinginnya. Jumlah panas yang dilepaskan oleh uap refrigeran kepada medium pendinginnya adalah sama dengan jumlah panas yang diserap refrigeran ditambah panas ekuivalen dengan energi yang diperlukan untuk melakukan kerja kompresor. Macam kondensor ditinjau dari medium pendingin yang digunakan yaitu: a. Kondensor dengan medium pendingin udara (Air Cooled Condensor) Kondensor jenis ini merupakan bentuk yang paling praktis di mana perpindahan panas terjadi antara permukaan kondensor dengan udara di sekitarnya. Bagian-bagian utamanya yaitu koil pipa pendingin dengan siripsirip yang berfungsi menambah luas permukaan pendinginan. Sirkulasi udara dapat berupa sirkulasi alamiah atau sirkulasi dengan bantuan kipas. 11

10 Selain dari bentuknya yang sederhana, jenis ini tidak mudah terkorosi karena permukaan koil kering dan tidak perlu biaya tambahan untuk instalasi menara pendingin seperti pada pendingin air. Gambar Kondensor pendingin udara b. Kondensor dengan medium pendingin air (Water Cooled Condensor) Kondensor jenis ini menggunakan air sebagai medium pendingin dan biasanya digunakan instalasi pendinginan besar. Berdasarkan aliran dari air pendingin jenis ini dapat dibagi menjadi : 1. Jenis satu aliran (Waste Water System) Aliran pendingin setelah digunakan dibuang. 2. Jenis sirkulasi (Recirculated Water System) Air pendingin setelah digunakan dialirkan ke menara pendingin untuk menurunkan suhunya sehingga dapat digunakan kembali. Berdasarkan konstruksinya kondensor pendinginan air dapat digolongkan menjadi: a. Kondensor pipa ganda (Double pipe condenser) Kondensor ini terdiri dari dua buah pipa, dengan pipa berdiameter kecil berada di dalam pipa berdiameter besar. Air pendingin dialirkan melalui pipa kecil, sedangkan refrigeran mengalir di ruangan di antara 12

11 pipa kecil dan pipa besar dengan arah aliran berlawanan dengan arah aliran air. Untuk pengaturan pemakaian air sesuai dengan kondisi beban, kondensor dilengkapi dengan katup pengatur. Katup baru bekerja pada batas tekanan kondensor yang ditetapkan. Penggunaan air pendingin relatif kecil bagi jenis kondensor, tetapi agak sulit dalam perawatannya. Gambar 2.11 Kondensor jenis pipa ganda. b. Kondensor tabung dan pipa (Shell and tube condensor) Jenis ini terdiri dari tabung dan terdapat banyak pipa paralel yang dipasang di dalamnya. Air pendingin mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan refrigeran berada di dalam tabung. Kondensor ini dapat digunakan pada refrigerasi mulai dari ukuran kecil sampai besar. Untuk memungkinkan pembuatan kondensor kecil dan ringan maka digunakan pipa pendingin bersirip pada sisi refrigeran. Bila kondensor ini akan dibersihkan pipa pendinginnya maka kedua tutup tabung kondesor dapat dibuka Gambar 2.12 Kondensor jenis tabung dan pipa 13

12 c. Kondensor tabung dan koil. Kondensor tabung dan koil terdiri dari tabung dengan lilitan pipa di dalamnya dengan sirip atau tanpa sirip. Gambar 2.13 Kondensor jenis tabung dan koil. c. Evaporatif kondensor (kondensor pendinginan udara dan air) Kondensor jenis ini merupakan perpaduan antara kondensor dan menara pendingin. Alat ini sangat efektif dalam pemanfaatan air secara optimum. Evaporatif kondensor menggunakan dua medium pendingin yaitu air dan udara dimana air dipompakan ke atas, lalu dipancarkan lewat nosel. Butiranbutiran air yang terjadi akan mendinginkan koil refrigeran dan kembali ke tangki penampung air. Dari bagian bawah koil dialirkan udara menuju ke atas, untuk mendinginkan air pendingin, membawa uap air keluar dan sekaligus juga mendinginkan koil refrigeran. Gambar Kondensor pendinginan udara dan air. 14

13 2.2.3 Katup Ekspansi. Katup ekspansi berfungsi mengekspansikan secara isentalpik cairan refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi menjadi tekanan dan temperatur yang rendah. Katup ekspansi juga juga mengontrol banyaknya refrigeran yang akan masuk ke dalam evaporator sehingga ketika meninggalkan evaporator refrigeran menguap dengan sempurna sesuai dengan beban pendingin yang harus dilayani evaporator. Ada enam jenis katup ekspansi: 1. Katup ekspansi manual. 2. Katup ekspansi otomatis (Automatic Expansion Valve). 3. Katup ekspansi termostatik (Thermostatic Expansion Valve) 4. Pipa kapiler. 5. Katup pelampung tekanan rendah (Low Pressure Side Float) 6. Katup pelampung tekanan tinggi (High Pressure Side Float) Katup Ekspansi Manual. Pembukaan dan penutupan katup harus diawasi agar dapat bekerja secara optimal, semuanya itu dilakukan oleh operator. Kapasitas aliran refrigeran tergantung dari perbedaan tekanan antara lubang masuk dan keluar, serta tingkat pembukaan katup. Katup jenis ini cocok untuk mesin pendingin berkapasitas besar dan beban yang relatif konstan. Gambar Katup ekspansi manual. 15

14 Katup Ekspansi otomatis Katup jenis ini bekerja berdasarkan tekanan di evaporator atau mempertahankan tekanan tetap di evaporator. Jika tekanan di evaporator meningkat maka katup akan menutup, begitu pula sebaliknya. Tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan tekanan yang diinginkan di dalam evaporator. Gambar Katup ekspansi otomatis Katup Ekspansi Termostatik. Katup ekspansi termostatik bekerja berdasarkan tekanan evaporator, tekanan pegas dan tekanan yang ditimbulkan campuran jenuh cairan uap dalam sensor temperatur. Bagian-bagian dari katup ekspansi termostatik adalah diafragma tekan, batang jarum, pegas, bola peraba yang berisi refrigeran yang sama dengan yang digunakan dalam mesin pendingin. Secara singkat cara kerja dari katup ini, tekanan uap jenuh cairan dalam bola peraba bervariasi sesuai dengan temperaturnya. Bila peraba ditempatkan pada saluran keluar evaporator, maka suhu bola peraba cairan di dalamnya sangat dekat dengan suhu uap refrigeran untuk keluar dari evaporator. Untuk dapat membuka maka tekanan di dalam bola peraba harus lebih besar dari tekanan masuk evaporator ditambah tekanan gaya pegas. Hal tersebut dapat dicapai bila tekanan uap jenuh outlet evaporator tinggi. Pembukaan katup 16

15 ekspansi diatur sedemikian rupa sehingga derajat super panas dari refrigeran kirakira 3-8 o C. Gambar 2.17 Katup ekspansi termostatik Pipa Kapiler. Pipa kapiler dipergunakan untuk mesin-mesin refrigerasi berkapasitas rendah. Pipa kapiler adalah pengontrol aliran refrigeran yang paling sederhana. Pipa ini adalah pipa kecil berdiameter 0,8-2 mm, dengan panjang kurang lebih satu meter dari biasanya dibentuk seperti gulungan. Penurunan tekanan yang terjadi akibat tahanan alir dan pipa kapiler. Diameter dan panjang pipa kapiler disesuaikan dengan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigeran yang bersangkutan. Pada penggunaan pipa kapiler ini perlu diperhatikan tekanan pengembunan yang terlalu tinggi, karena laju aliran refrigeran akan bertambah besar dan penanganannya perlu hati-hati jangan sampai rusak atau tersumbat. 17

16 Katup Pelampung Tekanan Rendah. Katup pelampung menkontrol jumlah aliran refrigeran dengan mempertahankan tinggi dari permukaan refrigeran dalam sebuah tabung. Keran dipasang pada tabung penampung pada bagian tekanan rendah. Jika banyak refrigeran yang menguap di evaporator maka ketinggian dari permukaan akan menurun, pelampung akan turun dan membuka lubang jarum, refrigeran cair masuk menggantikan cairan yang keluar. Katup ini hanya peka terhadap perubahan ketinggian permukaan refrigeran dalam berbagai kondisi beban tanpa memperhatikan temperatur dan tekanan evaporator Katup Pelampung Tekanan Tinggi. Prinsip kerjanya sama dengan katup pelampung tekanan rendah, hanya katup ini dipasang pada bagian sisi bertekanan tinggi. Jika refrigeran cair dari kondensor masuk ke dalam tabung mengakibatkan meningkatnya jumlah refrigeran. Karena pelampung akan terangkat dan membuka katup sampai jumlah refrigeran cair dalam tabung kembali ke jumlah sempurna. Katup pelampung tekanan rendah dan tinggi kini sudah jarang ditemui lagi Evaporator Evaporator adalah alat penukar panas di mana terjadi penguapan refrigeran. Pada saat hal ini terjadi, evaporator mengambil panas dari medium di sekelilingnya. Ada beberapa macam evaporator sesuai dengan tujuan penggunaannya karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau zat padat Penggolongan Berdasarkan Keadaan Refrigeran. a. Jenis ekspansi kering Pada jenis ini, refrigeran masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap 18

17 kering. Perpindahan panas yang terjadi tidak begitu besar jika dibandingkan dengan keadaan di mana evaporator terisi oleh refrigeran cair. Karena sebagian besar dari evaporator terisi oleh uap refrigeran. Tetapi keuntungannya tidak memerlukan refrigeran dalam jumlah besar. Aliran refrigeran diatur oleh katup ekspansi sedemikian rupa sehingga refrigeran meninggalkan evaporator dalam keadaan uap jenuh atau bahkan dalam keadaan super panas. b. Jenis ekspansi setengah basah Jenis ini diantara jenis ekspansi kering dan jenis ekspansi basah. Dalam evaporator jenis ini selalu terdapat refrigeran cair dan evaporator ini dilengkapi dengan tabung penampung refrigeran cair. Laju perpindahan panas jenis evaporator ini lebih tinggi dibandingkan dengan ekspansi kering. Perbedaan lainnya yaitu pemasukan refrigeran pada jenis ekspansi kering dari bagian atas koil sedangkan pada jenis ekspansi setengah basah, refrigeran masuk dari bagian bawah. c. Jenis ekspansi basah. Evaporator ekspansi basah sebagian besar dari tabung evaporator terisi oleh cairan refrigeran. Sebagian refrigeran kemudian masuk ke dalam akumulator untuk dipisahkan antara uap dan cairan. Cairan refrigeran akan masuk kembali ke dalam evaporator bersama-sama refrigeran cair yang berasal dari kondensor. Tinggi permukaan cairan refrigeran yang ada di dalam tabung diatur oleh katup pelampung Menurut Konstruksinya. a. Evaporator tabung dan koil Evaporator ini terdiri dari sebuah silinder dengan koil di dalamnya. Refrigeran mengalir di dalam koil mendinginkan air yang ada di bagian luar koil. 19

18 Gambar 2.18 Evaporator tabung dan oil b. Evaporator tabung dan pipa Evaporator tabung dan pipa menggunakan banyak pipa yang dipasang di dalam tabung. Jika digunakan untuk ekspansi kering refrigeran dialirkan di dalam pipa, sedangkan cairan yang ingin didinginkan dialirkan di luar pipa. Untuk jenis ekspansi basah maka keadaanya akan terbalik. Gambar Evaporator tabung dan pipa. c. Evaporator dengan koil pendinginan udara Koil pendinginan udara terdiri dari koil pipa bersirip pada bagian luarnya. Ada dua jenis koil dengan pendinginan udara. - Jenis ekspansi langsung - Jenis ekspansi tidak langsung 20

19 Pada jenis ekspansi langsung, panas diambil secara langsung dari medium yang dia inginkan (udara). Pada jenis ekspansi tidak langsung dengan menggunakan refrigeran sekunder (air) yang mengalir melalui pipa. Untuk menghasilkan sirkulasi udara evaporator dilengkapi dengan satu atau beberapa kipas. Gambar 2.20 Evaporator koil dan kipas udara. 2.3 Sistem Pembuatan Es Dengan pesatnya perkembangan industri pengawetan kebutuhan akan es dan ice storage meningkat. Untuk mengimbangi kebutuhan tersebut maka industri pembuatan es perlu dikembangkan. Dalam industri pembuatan es dikenal dua sistem, yaitu: 1. Sistem tabung es (can system) Sistem tabung es ini digunakan untuk pembuatan es dengan ketebalan di atas 300 mm, atau sering disebut es balok. 2. Sistem pelat es (plate system) Sistem pelat ini dirasakan kurang praktis, karena setiap akan memungut es dari cetakan harus dipotong dan disimpan dulu untuk beberapa waktu. Sistem 21

20 ini hanya dapat digunakan untuk pembuatan es dengan ketebalan di bawah 300 mm. Kedua sistem di atas menggunakan prinsip dasar refrigerasi, dengan memakai air garam atau brine sebagai media pendingin dan sirkulasi amonia sebagai refrigeran. 22