BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sistem Termodinamika Sistem termodinamika adalah bagian dari seluruh jagat raya yang harus diperhitungkan. Klasifikasi dari sistem termodinamika berdasarkan pada sifat-sifat batas dari sistem lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan Hukum-hukum Termodinamika 1. Hukum Termodinamika ke Nol Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem tersebut saling setimbang satu dengan yang lainnya. 8

2 2. Hukum Termodinamika Pertama Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan bahwa perubahan energi dalam satu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai kedalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. 3. Hukum Termodinamika Kedua Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk menungkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimum. 4. Hukum Termodinamika ketiga Hukum ketiga ini terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga meyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol Siklus Termodinamika Siklus termodinamika adalah rangkaian proses termodinamika dalam mentransfer panas dan kerja dalam berbagai keadaan tekanan, temperatur, dan keadaan lainnya. Dalam hukum pertama termodinamika menyebutkan bahwa jumlah panas yang masuk setara dengan jumlah panas yang keluar. Jadi pada akhir siklus, 9

3 semua sifat akan memiliki nilai yang sama dengan kondisi awal. Proses ini menjadi konsep yang penting karena prosesnya terjadi secaara berulang-ulang dan berlanjut Perpindahan Panas Konduksi Konduksi adalah proses perpindahan panas antara dua partikel Konveksi dalam suatu benda padat dengan cara kontak langsung antara partikel yang satu lebih panas terhadap partikel yang lebih rendah. Konveksi adalah proses perpindahan panas dari suatu titik dalam suatu ruangan ketitik lain karena adanya perpindahan dari partikel itu sendiri, yang pada umumnya partikel tersebut berbentuk cair atau gas Radiasi Radiasi adalah perpindahan panas dari satu benda kebenda lain dengan menggunakan gelombang elektromagnetik. Perpindahan energi secara radiasi berlangsung jika foton-foton dipancarkan dari suatu permukaan ke permukaan lain pada saat mencapai permukaan lain, foton yang diradiasikan juga diserap, dipantulkan melalui permukaan. 10

4 2.3. Dasar Pendinginan Ruangan Proses pendinginan ruangan merupakan hasil dari efek pendinginan dari sistem refrigerasi. Suatu sistem refrigerasi dari siklusnya menghasilkan efek pendinginan dan efek pemanasan. efek pendinginan inilah yang kemudian dikembangkan dan dimanfaatkan untuk pendinginan ruangan. Suatu sistem refrigerasi terdiri dari 4 komponen utama yaitu, evaporator, kompresor, kondensor, dan katup ekspansi Evaporator Evaporator adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk menyerap kalor dari bend dan flluida. berbeda dengan kondensor, evaporator ditempatkan didalam ruangan pendinginan. kompresor yang sedang bekerja menghisap bahan pendingin gas dari evaporator, sehingga tekanan didalam evaporator menjadi rendah. penyerapan kalor pada evaporator membuat bahan pendingin menguap dari fase cair menjadi fase gas. maka dari itu perencanaan evaporator harus mencakup penguapan yang efektif dari bahan pendingin dengan penurunan tekanan yang minimum dan pengambilan panas dari zat yang diinginkan secara efisien dengan cara bahan pendingin berfase gas ketika memasuki kompresor Kompresor Kompresor bekerja menghisap uap refrigeran dari sisi keluar evaporator. Pada sisi evaporator, tekanannya diusahakan tetap rendah supaya refrigeran selalu berada dalam fasa gas dan 11

5 bertemperatur rendah. Didalam kompresor, uap refrigeran ditekan sehingga tekanan dan temperaturnya tinggi untuk menghondari terjadinya kondensasi dengan membuang energi kelingkungan. Dalam proses kompresi, energi diberikan kepada uap refrigerant, pada uap refrigerant akan dihisap masuk kedalam kompresor yang bertemperatur rendah, tetapi selama proses kompresi berlangsung temperatur dan tekanannya naik. Jumlah refrigerant yang bersirkulasikan tergantung pada jumlah uap yag diserap masuk ke kompresor. Dan untuk menghitung besarnya kerja isentropic yang diperlukan oleh kompresor dapat meggunakan rumus : Keterangan : W ks : kerja teoritis yang diperlukan oleh kompresor, karena proses kompresinya dianggap ideal h 1 h 2s : enthalpy refrigerant saat masuk kompresor : enthalpy isentropic refrigerant saat keluar kompresor Dalam keadaan idealatau teoritis, karena proses kompresi dari tingkat keadaan (1) ke tingkat keadaan (2s) dianggap isentropic (adiabatic dan reversible) maka besarnya entropi dianggap konstan, artinya besarnya entropi refrigerant masuk dan keluar kompresor adalah sama. Dalam keadaan sebenarnya, proses kompresi di kompresor tidak benar-benar isentropic karena bisa jadi ada 12

6 kehilangan energy panas ke sekeliling karena perbedaan temperatur, dan terjadinya gesekan antar aliran refrigerant dengan sudu-sudu dan dinding kompresor tak dapat dihindari. Untuk memperhitungkan hal tersebut maka dalam perhitungan analisis termodinamika diberikan sebuah parameter yang disebut efisiensi isentropic kompresor, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang diperlukan kompresor secara isentropic (W ks ) dengan kerja yang diperlukan kompresor sebenarnya (W k ) : 2.2 Dimana : ɳ ks W ks W k : Efisiensi isentropic kompresor : kerja isentropic kompresor : Kerja kompresor Besar entalpi sebenarnya refrigerant keluar kompresor (h 2 ) dapat dihitung melalui persamaan :. 2.3 W k h 1 h 2 : Kerja kompresor : entalpi refrigerant masuk kompresor : entalpi refrigerant keluar kompresor Kondensor Kondensor adalah salah satu jenis mesin penukar panas (heat exchanger) yang berfungsi untuk mengkondisikan fluida kerja pada tekanan dan temperatur yang cukup tinggi yang berguna 13

7 untuk membuang kalor dan mengubah wujud refrigerant dari uap menjadi cair. Kondensor ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan agar dapat melepas keluar terhadap zat yang mendinginkannya. Tekanan refrigerant yang meninggalkan kondensor harus cukup tinggi untuk mengatasi gesekan pada pipa dan tahanan dari alat ekspansi, begitu sebaliknya jika tekanan didalam kondensor sangat rendah dapat menyebabkan refrigerant tidak mampu mengalir malalui alat ekspansi. Uap refrigerant yang keluar dari generator akan memasuki kondensor. Uap yang bersuhu tinggi ini sebelum masuk ke evaporator terlebih dahulu didinginkan di kondensor. Panas uap dari refrigeran secaraa konveksi akan mengalir ke pipa kondensor. Panas akan mengalir ke sirip-sirip kondensor sehingga panas tersebut dibuang ke udara bebas melalui sirip dengan cara konveksi ilmiah. Besarnya energy panas yang dilepaskan oleh refrigerant di kondensor dapat dihitung menggunakan persamaan: Q k h 2 h Di sini, h 2 h 3 : enthalpy uap air saat masuk ke dalam kondensor : enthalpy uap air saat keluar dari kondensor 14

8 2.5.4 Katup Ekspansi Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik (perubahan dari fasa gas,dimana tidak ada kalor yang masuk maupun keluar dari sistem) cairan yang bertekanan dan bertemperatur rendah, atau mengekspansikan refrigerant cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigerant cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigerant akan segera berubah menjadi kabut yang bertekanan dan bertemperatur rendah. Selain itu, katup ekspansi juga berfungsi sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi : 1. Mengatur jumlah refrigerant yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator. 2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya Pengkondisian Udara pada Bangunan Kebanyakan unit pengkondisian udara digunakan untuk kenyamanan, yaitu untuk menciptakan suatu kondisi yang nyaman bagi penghuni ruangan. Pada musim panas, sistem pendinginan sangatlah penting dan menjadi suatu kebutuhan pokok bagi seluruh bangunan besar, bagunan besar perlu didinginkan untuk menyerap kalor yang dikeluarkan oleh orang-orang, alat elektronik, lampu-lampu, dan segala macamnya. Pada bangunan besar, biasanya jenis pengkondisian udara yang digunakan sering adalah 15

9 pengkondisian udara sentral. Sistem tersebut mungkin terdiri dari satu atau lebih mesin pendingin air dan mesin pemanas air yang diletakkan didalam suatu rung mesin. Ruangan yang dikondisikan menggunakan satu atau lebih sistem saluran udara segar dan udara balik, dapat juga dalam bentuk aliran air panas atau dingin melalui pipa penukar kalor (heat exchanger) yang terdapat didalam ruangan tersebut. Dimana kita mempunyai sistem dari cara kerja atau siklus kompresi uap. Gambar 2.1 Siklus Dasar Refrigerator ( Sumber : Al Wahidi,2013 ) 2.5. Sistem Pengkondisian Udara Sistem pengkondisian udara terbagi dalam 4 bagian, yaitu: Sistem saluran penuh Sistem air udara Sistem air penuh Sistem penyegar udara tunggal 16

10 2.5.1 Sistem saluran udara penuh Sistem saluran udara penuh menggunakan sistem pengkondisian udara sentral, dimana mesin dan peralatan pengkondisian udara diletakkan pada tempat yang agak jauh pada ruangan yang akan dikondisikan. Misalnya untuk pengkondisian gedung bertingkat yang menggunakan sistem pengkondisian udara sentral, mesin, dan peralatan pendingin diletakkan pada lantai terats dan lantai terbawah/dasar. Dari mesin dan perlatan inilah akan disalurkan udara melaalui pipa-pipa ke ruangan yang akan dikondisikan Sistem air udara Sistem air udara menggunakan sebuah unit koil kipas udara atau unit induksi yang dipasang di dalam ruangan yang akan dikondisikan. Air dingin atau air panas di alirkan kedalam unit tersebut, sedangkan udara ruangan di alirkan melalui unit tersebut sehingga menjdi dingin atau panas. Selanjutnya udara tersebut akan bersirkulasi didalam ruangan. Untuk keperluan ventilasi, udara luar yang telah didinginkan dan dikeringkan atau udara yang telah dipanaskan dan dilembabkan di alirkan dari mesin penyegar sentral ke ruangan yang akan disegarkan. Karena berat jenis dan kalor spesifik air lebihbesar dari pada udara, maka baik daya dan ukuran pipa yang digunakan untuk mengalirkan air dalam pemindahan kalor yang sama menjadi lebih kecil. Dengan demikian, untuk mengatasi beban kalor dari ruangan yang akan dikondisikan, banyaknya udara yang mengalir dari mesin penyegar 17

11 udara sentral adalah lebih kecil, maka ruangan yang diperlukan untuk menempatkan saluran udara menjadi lebih kecil. Disamping itu, ukuran mesin penyegar maupun daya yang diperlukan adalah lebih kecil jika dibandingkan dengan yang diperlukan oleh sistem udara penuh Sistem air penuh Pada sistem air penuh, air dingin dialirkan melalui unit koil kipas udara untuk penyegaran udara dan tidak menggunakan udara primer seperti yang terdapat pada sistem air udara. Untuk ventilasi, udara dimasukkan sebagai infiltran melalui celah-celah pintu atau jendela atau udara luar yang terisap langsung melalui lubang masuk pada dinding disebelah belakang unit koil kipas udara Sistem penyegar udara tunggal Sistem ini terdiri dari kipas udara, koil udara pendingin dan mesin refrigerasi yang berada didalam satu kotak, dengan terminal pipa air pendingin dan daya listrik dibagian luarnya. Ada 4 jenis penyegar udara yang termasuk dalam kelompok ini, yaitu jenis paket, jenis jendela, jenis lantai, dan jenis atap. Unit penyegar udara tunggal biasanya hanya dipergunakan untuk keperluan pendingin saja. Tetapi dengan menambahkan pemanas listrik ataupun koil air panas dan pelembab udara, maka sistem tersebut dapat juga dipergunakan untuk pemanas ruangan. 18

12 2.6 Siklus Kompresi Uap Siklus kompresi uap merupakan salah satu siklus yang digunakan dalam proses pendinginan, siklus kompresi uap memerlukan beberapa komponen utama agar siklus ini dapat bekerja dengan baik seperti kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Untuk memahami proses proses yang terjadi pada kompresi uap, diperlukan pembahasan siklus termodika yang di gunakan Daur carnot Daur carnot adalah daur reversible yang didefenisikan oleh dua proses isotermal dan dua proses isentropik. Karena proses reversible dan adiabatik, maka perpindahan hanya terjadi selama proses isotermal. Dari kajian termodinamika, daur carnot dikenal sebagai mesin kalor carnot yang menerima enegi kalor pada suhu tinggi. Sebagian di ubah menjadi kerja dan sisanya dikeluarkan sebagai kalor pada suhu rendah Apabila daur mesin kalor carnor dibalik, yaitu proses pengambilan panas dari daerah yang bersuhu rendah ke daerah yang bersuhu tinggi. Skematis peralatan dan diagram T S daur Refrigerasi Carnot, ditunjukkan pada Gambar

13 Gambar 2.2 Daur Refrigrasi Carnot ( Sumber : Dwi, 2014 ) Keterangan proses : 1 2 : kompresi adiabatic 2 3 : pelepasan panas isothermal 3 4 : ekspansi adiabatic 4-1 : pemasukan panas isothermal Daur Kompresi Uap Ideal Daur kompresi uap ideal ditunjukkan pada Gambar 2.2, Apabila daur carnot diterapakan pada kompresi uap, maka seluruh proses akan terjadi dalam fasa campuran. Untuk itu fluida kerja yang masuk kompresor diusahakan tidak berupa campuran, yang tujuannya mencegah kerusakan. Pada daur carnot ekspansi isentropic terjadi pada turbin, daya yang dihasilkan digunakan untuk mengerakkan kompresor. Dalam hal ini mengalami suatu kesulitan teknis, maka untuk memperbaikinya digunakan katup ekspansi atau pipa kapiler 20

14 dengan demikian proses berlangsung pada entalpi konstan. Gambar 2.3. Daur Kompresi Uap Ideal. (Sumber : Dwi, 2014) Berdasarkan Gambar 2.3. dapat dijelaskan: a. 1 2 : Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik 2. Pada siklus sederhana diasumsikan refrigerant tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir dijalur hisap. Proses kompresi diasumsikan isentropic sehingga pada diagram tekanan dan entalpi berada pada satu garis entropi konstan konstan, dan titik 2 berada pada kondisi super panas. Proses kompresi memerlukan kerja dari luar dan entalpi uap naik dari h1 ke h2, besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja kompresi dilakukan pada uap refrigeran b. 2-3 : Proses 2 3 merupakan proses kondensasi yang terjadi pada kondensor, uap panas refrigerant dari kompresor didinginkan oleh air sampai pada temperature kondensasi, kemudian uap tersebut dikondensasikan. Pada titik 2 refrigeran pada kondisi uap jenuh pada tekanan dan temperature kondensasi. Proses 2 3 terjadi pada tekanan 21

15 konstan dan jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik 2 dan 3. c. 3 4 : proses ekspansi berlangsung pada titik 3 ke titik 4. Pada proses ini terjadi proses penurunan tekanan refrigerant dari tekanan kondensasi ( titik 3) Menjadi tekanan evaporasi (titik 4). Pada waktu cairan di ekspansi melalui katup ekspansi atau pipa kapiler ke evaporator, temperature refrigerant juga turun dari temperature kondensasi ke temperature evaporasi. Proses 3 4 merupakan proses adiabatic dimana entalppi fluida tidak berubah disepanjang proses. Refrigerant pada titik 4 berada pada kondisi campuran uap. d. 4 1 : Proses 4-1 adalah proses penguapan yang terjadi pada evaporator dan berlangsung pada tekanan konstan. Pada titik 1 seluruh refrigerant berada pada kondisi uap jenuh. Selama proses 4-1 entalpi refrigerant naik akibat penyerapan kalori dari ruang refrigerasi. Besarnya kalor yang diserap adalah beda entalpi titik 1 dan titik 4 biasa disebut dengan efek pendinginan Daur Kompresi Uap Nyata Daur kompresi uap nyata mengalami pengurangan efisiensi dibandingkan dengan daur uap standard. Pada daur kompresi uap nyata proses kompresi berlangsung tidak isentropic, selam fluida berkerja melewati evaporator dan kondensor akan mengalami penurunan tekanan. Fluida kerja mendinginkan kondensor dalam keadaan sub dingin dan meninggalkan evaporator dalam keadaan panas lanjut. 22

16 Penyimpangan daur kompresi uap nyata dari daur uap ideal dapat diperhatikan pada Gambar 2.4 Gambar 2.4 Perbandingan Antara Siklus Kompresi Uap Standart Dan Nyata. ( Sumber : Hamidah, Retno, 2010 ) Pada daur kompresi uap nyata preses kompresi berlangsung tidak isentropic, hal ini disebabakan adanya kerugian mekanis dan pengaruh suhu lingkungan selama prose kompresi. Gesekan dan belokan pipa menyebebkan penurunan tekanan di dalam alat penukar panas sebagai akibatnya kompresi pada titik 1 menuju titik 2 memerlukan lebih banyak kerja dibandingkan dengan daur ideal (standard). Untuk menjamin seluruh refrigerant dalam keadaan cair dalam sewaktu memasuki alat ekspansi diusahakan refrigerant meniggalkan kondensor dalam keadaan sub dingin. Kondisi panas lanjut yang meninggalkan evaporator disarankan untuk mencegah kerusakan kompresor akibat terisap cairan. 23

17 2.7 Pengertian Chiller Chiller atau mesin refrigerasi adalah peralatan yang biasanya menghasilkan media pendingin utama untuk bangunan gedung, dengan mengkonsumsi energi secara langsung berupa energi listrik, termal atau mekanis, untuk menghasilkan air dingin (chilled water) dan membuang kalor ke udara (atmosfir) melalui menara pendingin (cooling tower) atau kondensor. Fungsi Chiller dalam sistem tata udara adalah mendinginkan media air, dimana air disinggungkan pada bagian evaporator chiller. Air kemudian dialirkan ke AHU (Air Handling Unit) untuk diambil dinginnya dan dihembuskan ke ruangan. Pada Chiller terdapat beberapa parameter yang menunjukkan unjuk kerjanya, antara lain; suhu air masuk (inlet) keevaporator dan suhu air keluar (outlet) dari evaporator, tekanan discharge, serta tekanan suction. Dengan pembacaan suhu inlet dan outlet maka dapat ketahui kapasitas atau kemampuan chiller untuk mendinginkan air. Pembacaan tekanan discharge dan tekanan suction untuk mengetahui konsumsi refrigerator pada chiller tersebut dan juga untuk mengetahui apabila terjadi kekurangan atau kelebihan tekanan akibat adanya anomaly tertentu. Jenis chiller berdasarkan jenis compressornya : 1. reciproacting 2. screw 3. centrifugal 24

18 Jenis chiller berdasarkan jenis cara pendinginan kondensernya : 1. Air Coller 2. Water Coller Gambar 2.5 bagian bagian air cooler Sumber : laporan audit energy Ditinjau dari medium pendingin kondenser, water chiller system digolongkan menjadi dua bagian, yaitu : a. Air cooled water chiller b. Water cooled water chiller Ada dua tipe kompresor yang paling umum digunakan pada water chiller system yaitu a. Reciprocating water chiller b. Centrifugal water chiller. 25

19 Sistem pengaturan kapasitas chiller tergantung pada tipe chiller : o Reciprocating Chiler menggunakan kombinasi cylender Unloading dan On-Off sikus kompresor dari satu atau lebih kompresor o Centrifugal Chiller menggunakan pengaturan inlet cuide vane untuk mengatur laju aliran refrigerant o Screw chiller menggunakan slide valve untuk mengatur panjang lintasan kompresi Pada penerapannya kapasitas centrifugal dan Srew chiller pada umumnya dapat diatur dari 100% s/d 10% beban. Sedangkan Reciprocating Chiller, untuk chiller dengan kapsitas rendah pada umumnya menggunakan on-off siklus kompresor; untuk chiller dengan kapasitas sedang dan besar dengan multiple kompresor unit, menggunakan sistem unloading dan kapasitas chiller dapat diatur sampai 12,5% beban. Gambar 2.6 Chiller di Bintaro Plaza Sumber : gambar pribadi Siklus Rankline Siklus rankine adalah siklus daya uap yang digunakan untuk menghitung atau memodelkan proses kerja mesin uap/turbin uap. Siklus ini bekerja dengan fluida kerja air. Semua PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) 26

20 bekerja berdasarkan prinsip kerja siklus rankine. Siklus rankine pertama kali dimodelkan oleh: William John Macquorn Rankine, seorang ilmuan Scotlandia dari Universitas Glasglow. Untuk mempelajari siklus Rankine, terlebih dahulu harus memahami tentang T-s diagram untuk air. Berikut ini adalah T-s diagram untuk air. Gambar 2.7 Diagram t-s untuk air Sumber : NBS/NRC Steam Tables/1 by Lester Haar, John S. Gallagher, and George S. Kell T-s diagram adalah diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur (T) dengan entropi (s) fluida pada kondisi tekanan, entalpi, fase dan massa jenis tertentu. Jadi pada diagram T-s terdapat besaran-besaran tekanan, massa jenis, temperatur, entropi, entalpi dan fase fluida. Sumbu vertikal T-s diagram menyatakan skala temperatur dan sumbu horizontal menyatakan entropi. Terdapat 27

21 2 sistem satuan untuk T-s diagram yaitu sistem satuan internasional seperti pada gambar 2.2 dan sistem satuan Inggris. Selain itu masing-masing jenis fluida mempunyai diagram T-s nya sendiri-sendiri dan berbeda satu dengan lainnya. Misalnya T-s diagram untuk air tidak akan sama dengan T-s diagram untuk freon R12 dan tidak akan sama dengan T-s diagram untuk amoniak. Selain diagram T-s juga dikenal Mollier diagram atau h-s diagram. Berikut ini adalah h-s diagram untuk air. Gambar 2.8 Diagram h-s untuk air Sumber : NBS/NRC Steam Tables/1 by Lester Haar, John S. Gallagher, and George S. Kell 28

22 Diagram h-s menggambarkan hubungan antara energi total (entalpi (h)) dengan entropi (s). Sama seperti diagram T-s, untuk setiap fluida memiliki diagram h-s nya sendiri-sendiri. Kedua diagram ini dapat digunakan untuk menghitung kinerja pembangkit listrik tenaga uap dengan menggunakan siklus Rankine. Bagian-bagian T-s diagram dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut ini. Gambar 2.9 Bagian-bagian diagram t-s Sumber : Pada T-s diagram terdapat garis lengkung berbentuk kubah yang disebut kubah uap. Puncak kubah uap ini terdapat sebuah titik yang disebut titik kritis. Bila fluida dipanaskan pada tekanan kritis yaitu tekanan pada titik kritis ini, maka pada saat temperatur fluida mencapai temperatur kritisnya, semua molekul fluida akan berubah secara cepat dari fase cair menjadi fase gas (uap) tanpa ada proses penyerapan panas laten (panas penguapan) oleh sebab itu titik ini disebut titik 29

23 kristis fluida. Untuk air, titik kritis berapa pada tekanan 218 atm ( MPa) dan temperatur 374 o C. Jadi bila air dipanaskan pada tekanan Mpa atau 218 atm, maka ketika temperatur air mencapai 374 o C, secara cepat air akan berubah langsung dari fase cair menjadi fase gas tanpa melalui proses penyerapan energi untuk proses penguapan. Dari titik kristis ke arah kanan mengikuti garis kubah uap disebut garis uap jenuh. Bila fluida berada pada kondisi tekanan dan temperatur yang sesuai dengan garis ini, maka fluida tersebut berada pada kondisi 100% uap jenuh. Dari titik kristis ke arah kiri mengikuti garis kubah uap, disebut garis cair jenuh. Pada garis ini fluida memiliki fase cair 100%. Di dalam kubah uap adalah daerah panas laten yaitu panas penguapan atau panas pengembunan. Pada daerah ini fluida berada dalam kondisi 2 fase yaitu fase cair dan fase gas bercampur menjadi satu. Kadar uap dapat ditentukan dari garis kadar uap. Daerah di atas kubah uap di sebelah kanan adalah daerah uap panas lanjut (superheated steam). Sedangkan daerah di sebelah kiri di luar kubah uap disebut daerah dingin lanjut. Untuk uap jenuh, sifat-sifat termodinamika uap dapat ditentukan hanya dengan mengunakan temperatur atau tekanannya saja, tetapi untuk menentukan sifat-sifat termodinamika uap pada kondisi panas lanjut dan dingin lanjut harus diketahui tekanan dan temperatur uap 30

24 2.8. Refrigerant Fluida kerja (refrigeran) yang digunakan Perkins pada mesin pendinginnya tersebut adalah ethyl ether. James Harrison ( ), seorang Skotlandia yang pindah ke Australia, berhasil membuat mesin pendingin yang dapat bekerja dengan baik pada skala industrial. Mesin tersebut dipatenkan oleh Harrison pada tahun 1855, 1856, dan Mesin pendingin Harrison, yang diproduksi di Inggris, masih menggunakan ethyl ether sebagai fluida kerja, dan mampu menghasilkan es maupun larutan pendingin (refrigeran sekunder). Dengan ditemukannya mesin pendingin sistem kompresi uap, terjadi perkembangan yang cepat dalam penemuan zat-zat pendingin (refrigeran). Charles Tellier ( ), seorang Perancis, memperkenalkan penggunaan dimethyl ehter sebagai refigeran. Pada tahun 1862, Tellier juga meneliti penggunaan amonia (NH3) sebagai refrigeran, meskipun penggunaannya secara luas pada skala industrial baru dapat dilakukan oleh seorang Jerman Carl von Linde ( ). Refrigeran amonia masih banyak digunakan hingga sekarang, khususnya pada industri pembekuan pangan. Thaddeus Lowe ( ) mulai menggunakan karbon-dioksida (CO2) sebagai refrigeran. Meskipun sempat ditinggalkan, penggunaan karbon-dioksida belakangan ini kembali dikembangkan sebagai refrigeran yang ramah lingkungan. Sulfur-dioksida (SO2) pertama kali digunakan sebagai refrigeran oleh ahli fisika Swiss Raoul Pierre Pictet ( ), tetapi akhirnya tidak digunakan lagi sesaat sebelum perang dunia II. Metil-klorida (Ch3Cl) juga digunakan oleh orang Perancis C. 31

25 Vincent sebagai refrigeran pada tahun 1878, meskipun akhirnya hilang dari peredaran pada tahnun 1960-an. Didasarkan pada hasil penelitian Swarts yang dilakukan selama kurun di Ghent, suatu tim peneliti Frigidaire Corporation di Amerika, yang dipimpin oleh Thomas Midgley berhasil mengembangkan refrigeran fluoro-carbon pertama pada tahun Refrigeran fluoro-carbon dianggap sebagai refrigeran yang aman karena tidak bersifat toksik dan tidak mudah terbakar. Refrigeran CFC (chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R12 (CF2Cl2) mulai dilepas ke pasar pada tahun 1931, diikuti dengan refrigeran HCFC (hidro-chloro-fluoro-carbon) pertama, yaitu R22 (CHF2Cl) pada tahun Pada tahun 1961, campuran azeotropik pertama, yaitu R502 (R22/R115), diperkenalkan ke pasar sebagai refrigeran. Refrigeran CFC, khususnya R12, dianggap sebagai zat yang sangat istimewa sebagai fluida kerja mesin pendingin sistem kompresi uap, hingga pemenang Nobel dari Amerika (F.S. Rowland dan M.J. Molina) mempublikasikan hasil penelitiannya pada tahun Rowland dan Molina menyimpulkan bahwa klorin yang dilepaskan oleh zat halogenasi hidrokarbon menyebabkan terjadinya perusakan lapisan ozon di angkasa. Untuk menganggapi temuan ini, pada tahun 1987 telah disepakati Protokol Montreal mengenai pelarangan penggunaan zat-zat yang bersifat merusak lapisan ozon. Refrigeran CFC dan HCFC termasuk pada kategori zat perusak ozon, sehingga penggunaannya sebagai refrigeran juga dilarang. Sebagai gantinya, disarankan penggunaan HFC (hidro-fluorocarbon), yaitu refrigeran yang dihalogenasi tapi tidak diklorinasi. Akan 32

26 tetapi, refrigeran HFC, baik yang murni (R134a) maupun campurannya (R410A, R407A, R404A, dll), juga menimbulkan efek lingkungan yaitu pemanasan global. Pada Protokol Kyoto, yang ditanda-tangani pada 11 Desember 1997, refrigeran HFC termasuk zat yang dilarang peredarannya karena menyebabkan pemanasan global. Indonesia, sebagai negara yang ikut meratifikasi Protokol Montreal maupun Protokol Kyoto, berkewajiban untuk melaksanakan setiap fasal dalam protokol yang disepakati tersebut Seperti yang sudah dijelaskan ada banyak jenis refrigerant yang dapat digunakan pada mesin chiller, seperti : 1. CFC ( Chloro difluoro carbon ) 2. HFC ( Hydro fluoro carbon ) 3. HCFC ( Hydro chloro fluoro carbon ) 4. Hidrokarbon Keempat jenis refrigerant tersebut merupakan yang sangat populer di Indonesia. Refrigerant refrigerant ini biasa digunakan oleh gedung gedung yang menggunakan sistem chiller didalamnya untuk mendinginkan ruangan. 1. CFC ( Chloro difluoro carbon ) Merupakan senyawa yang hanya mengandung fluor, klorin, dan karbon dan tidak mengandung hydrogen. Jenis freon CFC memiliki efek ODP dan GWP yang sangat tinggi. Contoh CFC antara lain R11, R12, R13, R113, R500, R502. Dari varian yang CFC yang biasa digunakan di Indonesia adalah refrigerant R12 karena memiliki sifat stabil, tidak berbau, tidak berwarna baik dalam keadaan gas maupun cair, tidak mudah terbakar 33

27 dan tidak korosif. Biasanya digunakkan pada penggerak kompresor gerak bolak balik, pendingin skala sedang yakni pada bidang otomotif. Namun tetap saja refrigerant ini memiliki karakteristik yang merugikan bagi lingkungan karena memiliki ODP dan GWP yang sangat tinggi seperti data yang ditunjukkan pada tabel. Gambar 2.10 Refrigerant R12 Sumber : 2. HFC ( Hydro fluoro carbon ) Jenis freon HFC tidak mengandung klorin yang merupakan senyawa perusak. HFC hanya terdiri dari hydrogen, fluor, karbon. HFC memiliki nilai ODP dan GWP yang rendah. Contoh HFC antara lain R134A, R404A, R407C, R507. Dari varian HFC yang banyak digunakan di Indonesia adalah refrigerant R134A. Refrigerant ini memiliki properti fisika dan termal yang baik sebagai refrigeran, stabil, tidak mudah terbakar, tidak beracun dan kompatibel terhadap sebagian besar bahan komponen dalam sistem refrigerasi.biasanya digunakkan pada AC rumah dengan kapasitas rendah sampai menegah. 34

28 Gambar 2.11 Refrigerant R134A Sumber : 15lb-jug-p/26002.htm 3. HCFC ( Hydro chloro fluoro carbon ) Merupakan senyawa haloalkana dimana tidak semua hydrogen digantikan dengan klorin atau fluor. HCFC bisa digunakan sebagai pengganti CFC karena memiliki nilai ODP yang lebih rendah. Contoh HCFC antara lain R22, R123, R401A, R403A, R408A. Dari varian HFC yang banyak digunakan di Indonesia adalah refrigerant R22. Varian ini banyak digunakan pada industry saat ini meskipin sudah ada peraturan pelarangan untuk menggunakan refrigerant ini karena dampak yang dibuatnya. 35

29 Gambar 2.12 Refrigerant R22 Sumber : Refrigerant-Gas_ Gambar 2.13 P-H Diagram R22 Sumber : Dari P-H diagram ini kita dapat menentukan enthalpy isentropic R22 yang dapat digunakan untuk perhitungan yang saya bahas. Dan dari diagram ini 36

30 pun kita dapat melihat kondisi dari refrigerant R22 didalam sistem refrigerasi kondisi inipun dapat dilihat pada table saturasi R Hidrokarbon Pemilihan hidrokarbon sebagai refrigeran alternatif ramah lingkungan pengganti CFC dan HCFC harus memperhatikan beberapa hal diantaranya titik didih pada tekanan normal, kapasitas volumetrik dan efisiensi energi. Titik didih harus diperhatikan untuk menjamin apakah tekanan operasi sama dengan CFC untuk menghindari keperluan penggantian peralatan tekanan tinggi seperti kompresor. Ada tiga refrigerant jenis hidrokarbon yaitu R600, Duracool dan Musicool. Salah satu refrigeran hidrokarbon yang digunakan sebagai contoh dalam makalah ini adalah Musicool. o Duracool Duracool Refrigerant adalah refrigerant dengan bahan hydrocarbon yang di produksi di Edmonton, Alberta Canada. Duracool Refrigerant telah memenuhi persyaratan teknis sebagai refrigerant, meliputi sifat fisika, thermodinamika serta uji kinerja pada siklus refrigerant. Duracool Refrigerant telah banyak di gunakan di benua Amerika dan sekarang ini mulai dipasarkan di Eropa dan Asia, dimana PT GENDAINDO PRATAMA menjadi sole agent Duracool Refrigerant pertama di Asia dan satu-satunya di Indonesia.Hasil pengujian pada beban pendingin yang sama, Duracool Refrigerant memiliki banyak keunggulan dibandingkan refrigerant sintetik, diantaranya beberapa parameter memberikan indikasi 37

31 data lebih kecil seperti : kerapatan bahan (density), rasio tekanan kondensasi terhadap evaporasi dan nilai viskositas, sedangkan beberapa parameter memberikan indikasi data lebih besar seperti : efek refrigerasi, COP (Coeficient of Performance), kalor laten dan konduktivitas bahan. o Musicool Musicool merupakan jenis refrigerant dengan bahan dasar hidrokarbon alam dan termasuk dalam kelompok refrigerant ramah lingkungan (Eco- Friendly), dirancang sebagai alternatif pengganti freon yang merupakan refrigerant sintetis kelompok atau golongan halokarbon seperti CFC R-12, HCFC R-22 dan HFC R-134a yang masih memiliki potensi merusak alam. Musicool yang diproduksi oleh Pertamina Unit pengolahan III Plaju. Sifat fisika refrigeran hidrokarbon Musicool berdasarkan pengujian laboratorium Pertamina ditampilkan pada Tabel 2, yang menunjukkan bahwa hidrokarbon Musicool (MC) mampu menggantikan refrigeran sintetik (CFC, HCFC, HFC) secara langsung tanpa penggantian komponen sistem refrigerasi. MC-12 menggantikan R-12, MC-22 menggantikan R-22 dan MC-134 menggantikan R-134a. Seperti peraturan pemerintah melalui Departemen Perindustrian dan Perdagangan (41/M-IND/PER/5/2014) kemudian (40/M-DAG/PER/7/2014) dan (55/M-DAG/PER/9/2014) bahwa pada tahun 2015 akan mulai diberlakukan implementasi HPMP (HCFC atau Hidroklorofluorokarbon Phase-Out Management Plan). Pada peraturan tersebut juga dituliskan untuk penghapusan HCFC-22 atau lebih dikenal dengan Freon R22 pada sektor refrigerasi, Air Conditioner. Syarat 38

32 dan ketentuan Impor BPO (Bahan Perusak Ozon) dan larangan impor produk yang mengandung Refrigerant R22. Jadi menurut bahasa awamnya, semua pabrikan AC di Indonesia DILARANG memproduksi, mengimport ataupun menjual produk AC yang masih menggunakan Refrigerant atau Freon R22 mulai Januari Namun pihak dealer atau toko AC masih boleh menjual semua stok produk mereka sampai habis. Sedangkan untuk keperluan service dan spare part Freon R22 masih boleh digunakan sampai tahun 2030, dimana pada tahun tersebut pemerintah menetapkan penghapusan R22 dari Indonesia. o R600 Refrigrant R600 (Butana) juga termasuk kedalam hidrokarbon selain musicool atau duracool. Karena refrigerant R600 memiliki ODP dan GWP rendah maka dapat digunakan untuk sebagai pengganti R22 dan kali ini saya akan membandingkan refrigerant R22 dengan refrigerant R600 untuk saya rekomendasikan kepada managemen di Bintaro Plaza Dengan adanya peraturan pemerintah tentang pelarangan penggunaan refrigerant yang dapat merusak lingkungan untuk itu, refrigerant Hidrokarbon dapat menjadi alternatif yang dapat digunakan suntuk kebutuhan industry dan menggantikan freon yang berpotensi tinggi merusak lapisan ozon. 39

33 Gambar 2.14 Refrigerant R600 Sumber : Gambar 2.15 P-H diagram R600 Sumber : P-H diagram R600 kegunaanya sama dengan P-H diagram R22 yaitu untuk melihat kondisi refrigerant pada kondisi tekanan untuk melihat berapa besar enthalpy refrigerant tersebut, namun dari diagram ini pun kita dapat melihat temperature dan entropi suatu refrigerant. 40

34 2.9. Analisa Thermodinamika Water Chiller Analisa thrmodinamika chiller berpendingin air menggunakan siklus kompresi uap, yaitu dengan menggunakann bantuan dari diagram tekanan enthalphi dan menggunakan persamaan persamaan dibawah ini : a. COP (Coefficient of Perfomance) Istilah perfoermasi didalam sistem refrigrasi lebih dikenal dengan koefisien prestasi. Identic dengan efisiensi didalam mesin kallor. Kalau efisiensi harganya lebih kecil daripada 1, maka koefisien prestasi harganya lebih besar dari 1. Makin besar harga koefisien prestasi ini maka dikatakan sistem tersebut makin baik prestasinya. Koefisien prestasii merupakan perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresi yang terjadi didalam kompresor. Besaran koefisien prestasi (COP) ini merupakan besaran tanpa dimensi. Besarnya nilai COP didapat dari rumus :... (2.5) Keterangan : h 1 h 2 h 3 : entalpi masuk kompresor : entalpi keluar kompresor : entalpi keluar kondensor b. Peralatan Audit Peralatan yang diizinkan digunakan oleh pembimbing untuk saya mencoba mengukur suhu dan aliran refrigerant adalah : 41

35 Gambar 2.16 Thermometer Sumber : laporan audit Thermometer ini berbeda cara penggunannya dengan thermometer untuk mengukur suhu tubuh pada manusia. Thermometer dalam peralatan audit energy digunakan dengan cara menembkan sinar pada pipa yand didalamnya terdapat refrigerant sehingga kita dapat mengetahui temperature refrigerant didalam pipa. Walaupun berbeda cara penggunaanya tetapi memiliki fungsi yang sama yaitu untuk mengetahui temperature. Gambar 2.17 Flow Meter Sumber : laporan audit 42

36 Flow meter adalah alat untuk mengkur laju aliran refrigerant, alat digunakan dengan cara seperti menempelkan benda seperti plat ke pipa yang sudah dibersihkan terlebih dahulu agar lebih presisi lalu secara otomatis akan keluar angka yang menyatakan pengkuran laju aliran massa pada refrigerant didalam pipa. 43