BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Umum Air Conditioning (AC) atau alat pengkondisian udara merupakan modifikasi pengembangan dari teknologi mesin pendingin. Alat ini dipakai bertujuan untuk mengkondisikan keadaan udara dalam ruangan dan menjaga agar selalu tetap bersih sesuai yang dibutuhkan oleh tubuh manusia. Untuk wilayah beriklim tropis yang terdiri dari musim panas dan musim hujan, pada saat musim panas suhu ruangan tinggi sehingga penghuni tidak nyaman. Oleh sebab itu dibutuhkan suatu alat yang bisa memberikan rasa nyaman didalam ruangan.[2] Air Conditioner (AC) mempertahankan kondisi suhu dan kelembaban udara dengan cara, pada suhu ruangan tinggi refrigerant akan menyerap panas dari udara sehingga suhu di dalam ruangan turun. Sebaliknya saat udara di dalam ruangan rendah refrigerant akan melepaskan panas ke udara sehingga suhu udara naik, oleh karena itu daur refrigerasi yang terpenting adalah daur kompresi uap yang digunakan di dalam daur refrigerasi. Pada daur ini 5

2 uap ditekan dan kemudian diembunkan menjadi cairan lalu tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali. 2.2 Sistem Refrigerasi Jenis-jenis Sistem Refrigerasi Berbagai jenis system refrigerasi yang bekerja berdasarkan berbagai proses dan siklus dapat ditemui dalam praktek. Secara umum ada dua siklus dalam refrigerasi yaitu system refrigerasi siklus tertutup dan system refrigerasi siklus terbuka. Namun demikian system refrigersi siklur tertutup dapat dikelompokkan berdasarkan jenis siklusnya, diantaranya adalah:[2,5] Sistem refrigerasi siklus thermodinamika Sistem refrigerasi siklus thermo-electrik Sistem refrigerasi siklus thermo-magnetik Yang termasuk mesin refrigerasi siklus thermodinamika adalah:[2,5] 1. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap 2. Mesin refrigerasi siklus absorpsi 3. Mesin refrigerasi siklus jet uap 4. Mesin refrigersai siklus udara 5. Mesin refrigerasi tabung vortex 6

3 Secara umum mesin pengkondisian udara (AC) yang sering dipakai merupakan mesin refrigerasi siklus kompresi uap. Jadi pada laporan ini akan membahas system refrigerasi siklus thermodinamika, khususnya mesin refrigerasi siklus kompresi uap Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Mesin refrigerasi siklus kompresi uap merupakan jenis mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan saat ini. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap terdiri dari empat komponen utama, yaitu kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. [2,5] Gambar 2.1 Diagram Proses Siklus Kompresi Uap [6] Cara kerja siklus kompresi uap:[2,5] 1. Proses 1 2 : Refrigerant meninggalkan evaporator dalam bentuk uap dengan temperature dan tekanan rendah, kemudian oleh compressor uap tersebut dinaikan 7

4 tekanannya menjadi uap super panas dengan temperature yang tinggi, lebih tinggi dari temperature lingkungan sehingga pembuangan panas bisa berlangsung. 2. Proses 2 3 : Setelah mengalami proses kompresi, refrigerant berada dalam fase panas lanjut dengan tekanan dan temperature tinggi. Untuk merubah wujudnya menjadi cair (kondensasi), kalor harus dilepaskan kelingkungan melalui alat yang disebut kondensor. Refrigerant mengalir melalui kondensor pada sisi lain dialirkan fluida pendingin (udara/air) dengan temperature lebih rendah dari pada temperature refrigerant. Oleh karena itu kalor akan berpindah dari refrigerant ke fluida pendingin dan refrigerant akan mengalami penurunan temperature dari kondisi uap panas lanjut menjadi kondisi uap jenuh, selanjutnya mengalami proses pengembunan menjadi refrigerant cair. Refrigerant keluar dari kondensor sudah berupa refrigerant cair. Proses kondensasi berlangsung pada temperature dan tekanan konstan. 3. Proses 3 4 : Refrigerant dalam keadaan wujud cair jenuh, kemudian mengalir melalui alat ekspansi. Refrigerant mengalami ekspansi pada enthalpy konstan dan berlangsung secara tak reversible sehingga sehingga tekanan refrigerant menjadi rendah (tekanan evaporator). Refrigerant keluar dari alat ekspansi berwujud campuran cairan dan uap pada tekanan dan temperature rendah. 4. Proses 4 1 : Refrigerant dalam fase campuran uap dan cair, mengalir melalui evaporator. Didalam evaporator refrigerant mengalami proses penguapan sebagai akibat dari panas yang diserap disekeliling evaporator. Dengan adanya penyerapan panas ini, maka disekeliling evaporator (ruangan yang dikondisikan) menjadi dingin atau temperaturnya turun. Selanjutnya refrigerant yang meninggalkan evaporator 8

5 dalam fase uap jenuh. Proses penguapan tersebut berlangsung pada temperature dan tekanan konstan Efek Refrigerasi (Refrigeration Effect) Efek Refrigerasi (q 0 ) merupakan jumlah kalor yang diserap oleh refrigerant didalam evaporator untuk setiap satu satuan massa refrigerant, terjadi pada proses 4 1 seperti pada gambar 2.1. Satuan efek refrigerasi (q 0 ) adalah kj/kg. Jadi dengan demikian maka besarnya efek refrigerasi (q 0 ) adalah : [1,2,5] qo= h1 h Dimana: h1 = enthalpy refrigerant pada titik 1, (sesi masuk evaporator, kj/kg) h = enthalpy refrigerant pada titik 4, (sesi keluar evaporator, kj/kg) Harga q 0 dari suatu system refrigerasi sangat penting artinya karena menunjukkan banyaknya kalor yang bisa diserap oleh refrigerant didalam evaporator untuk setiap pound (lbm) penguapan refrigerant. Dengan mengetahui harga qo dan besarnya massa refrigerant yang dapat diuapkan tiap satuan waktu pada evaporator, maka dapat ditentukan besarnya kapasitas pendingin (cooling capacity) dari system refrigerasi tersebut. 9

6 Gambar 2.2 Diagram Tekanan Enthalpy Siklus Kompresi Uap Standar Keterangan gambar: 1 2 : Proses kompresi refrigerant di compressor 2 3 : Proses kondensasi (pengembunan) refrigerant di kondensor 3 4 : Proes ekspansi refrigerant di katup ekspansi atau pipa kapiler 4 1 : Proses penguapan refrigerant di evaporator Standar Siklus Rating dan Pengaruh Kondisi Operasi Untuk mengusulkan perbandingan kasus dibuat untuk penggunaan kondisi operasi standar. Menurut praktek saat ini di Amerika Serikat, Jerman, dan India, pengujian tunggal tahap kompresor Freon untuk aplikasi AC dilakukan pada to = 5 C, tk= 40 C dan suhu hisap dari 20 C. [1] 10

7 Gambar 2.3 Effect Of Evaporator Pressure Untuk menganalisis efek dari perubahan kondisi operasi terhadap kinerja siklus kompresi uap dengan menggunakan persamaan berikut: (Refrigeration and Air Conditioning SECOND EDITION, hal 112) [1] qo= h₁ - h₂ m = Q o q o Vp= m. v1 w= h2 h1 W = m. w qk = h2 h3 m' = V p v 1 11

8 q o = h'1 - h' Q 0 = m'. q o (Refrigeration and Air Conditioning SECOND EDITION, hal 112)[1] Dimana: Qo = kapasitas pendingin ( kw, kj/s, BTU/h ) qo = efek refrigerasi (kj/kg) m = Laju refrigerant dalam system (kg/s) Vp = piston displacement (m³/s) w = Specific work,moisture removal (kj/kg) W = power consumption (kw) qk = Heat rejected (kj/kg) Qk = Heat rejected (kw) Effisiensi Refrigerasi dan Koefisien Prestasi (COP) Untuk menentukan effisiensi refrigerasi dari system yang bekerja menyerap kalor yang terjadi pada system refrigerasi. Jadi dengan demikian maka effisiensi refrigerasi adalah Effisiensi refrigerasi = COP actual / COP carnot (Refrigeration and Air Conditioning SECOUND EDITION, hal 130)[1] 12

9 COP of the cycle = E = h₁ h₄ h₂ h₁ COP carnot = absolute evaporating temp. / (absolute condensing temp absolute evaporating temp) COP carnot = = E max = To Tk To (Refrigeration and Air Conditioning SECOUND EDITION, hal 130) [1] Dimana, E = Emissive power E max = Emissive power maximum h1 = enthalpy refrigerant pada titik 1 h2 = enthalpy refrigerant pada titik 2 h3 = enthalpy refrigerant pada titik 3 h = enthalpy refrigerant pada titik 4 To = temperature evaporasi Tk = temperature kondensasi Koefisien prestasi (COP) adalah suatu koefisien yang besarnya sama dengan kapasitas pendingin dibagi dengan kerja kompresi. 13

10 Actual COP = Q o W (Refrigeration and Air Conditioning SECOUND EDITION, hal 104) [1] Dimana: Qo = kapasitas refrigerasi (kw) W = Power Consumtion (kw) Koefisiensi prestasi ini identik dengan efisiensi pada motor bakar. Makin tinggi harga COP nya, makin baik system refrigerasinya. Harga COP ini biasanya lebih besar dari pada Jumlah Refrigeran Yang Bersirkulasi Jumlah refrigerant yang bersirkulasi adalah jumlah refrigerant yang dimasukkan dan diuapkan didalam evaporator untuk memperoleh kapasitas pendinginan yang diperlukan. Jumlah refrigerasi yang bersirkulasi biasanya disebut dengan Laju Aliran Massa Refrigerant dapat diperoleh dengan persamaan berikut: m = Q o q 0 (kg/s) atau m = Q 0 q o = Q o h 2 h 1 (kg/s) (Refrigeration and Air Conditioning SECOUND EDITION, hal 129) [1] Dimana: m = Laju refrigerant dalam system (kg/s) Qo= Kapasitas pendingin (kj/s) qo = Efek refrigrasi (kj/kg) 14

11 2.3 Komponen Sistem Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Komponen utama dari system refrigerasi siklus kompresi uap terdiri dari compressor, kondensor, evaporator, dan katup ekspansi (ekpansion valve). Disamping komponen utama terdapat komponen tambahan seperti: strainer/filter drier, akumulator, dan fan motor. [2,5,8] Kompressor Kompressor adalah bagian yang terpenting dari system refrigerasi. Pada tubuh manusia compressor dapat diumpamakan sebagai jantung yang memompa darah keseluruh bagian tubuh. Dalam mesin refrigerasi, compressor menekan refrigerant keseluruh bagian system. Kompressor ini bekerja membuat perbedaan tekanan sehingga refrigerant dapat mengalir dari satu bagian kebagian lainnya dari system. Karena adanya perbedaan tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah maka refrigerant cair dapat mengalir melalui alat pengatur refrigerant (ekspansion valve) ke evaporator. [2,5,8] Gambar 2.4 Compressor [7] 15

12 Ketika bekerja, refrigerant yang dihisap dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah dimampatkan sehingga suhu dan tekanannya naik. Gas yang dimampatkan ini ditekan keluar dari compressor lalu dialirkan ke kondensor. Jenis compressor yang banyak digunakan adalah compressor torak, compressor rotary, compressor sudu, dan compressor sentrifugal. [2,8] Kondenser Kondenser berfungsi untuk membuang kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang diperoleh dari compressor, serta mengubah wujud gas menjadi cair, kondenser memiliki pipa-pipa yang dapat dibersihkan. [2,5,8] Kondenser dibedakan menjadi 3 jenis: a. Air Cooled Condenser. Gambar 2.5 Air Cooled Condenser [9] 16

13 Dalam Air-cooled condensor, kalor dipindahkan dari refrigerant ke udara dengan menggunakan sirkulasi alamiah atau paksa. Kondensor dibuat dari pipa baja, tembaga dengan diberi sirip untuk memperbaiki transfer kalor pada sisi udara. Refrigeran mengalir didalam pipa dan udara mengalir diluarnya. Air-cooled condensor hanya digunakan untuk kapasitas kecil seperti refrigerator dan small water cooler. b. Water Cooled Condensor. Water cooled condensor dibedakan menjadi 3 jenis yakni shell and tube, shell and coil, double tube. Shell And Tube. Gambar 2.6 Shell and Tube [10] Salah satu jenis alat penukar kalor yang menurut kontruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan pipa (tabung) yang dipasangkan didalam shell (pipa galvanis) yang berbentuk silinder dimana 2 jenis fluida saling bertukar kalor yang mengalir secara terpisah (air dan freon). 17

14 Shell and Coil. Gambar 2.7 Shell and Coil [11] Terdiri dari sebuah cangkang yang dilas elektrik dan berisi koil air, kadang-kadang juga dengan pipa bersirip. Double Tube. Gambar 2.8 Condenser Double Tube [12] Refrigeran mengembun diluar pipa dan air mengalir dibagian dalam pipa pada arah yang berlawanan. Double tube digunakan dalam hubungan dengan cooling tower dan spray pond. 18

15 c. Evaporative Condensor. Gambar 2.9 Evaporative Condensor Refrigeran pertama kali melepaskan kalornya ke air kemudian air melepaskan kalornya ke udara dalam bentuk uap air. Udara meninggalkan uap air dengan kelembaban yang tinggi seperti dalam cooling tower. Oleh karena itu condensor evaporative menggabungkan fungsi dari sebuah kondensor dan cooling tower. Evaporative condensor banyak digunakan dipabrik amoniak. Kondensor yang digunakan disini adalah jenis water cooled condensor tipe shell and tube, karena lebih mudah dalam menganalisa temperatur jika dibandingkan dengan air cooled condensor yang sering terjadi fluktuasi pada temperaturnya. Water cooled condensor ini ditempatkan di antara compressor dan alat pengatur bahan pendingin (pipa kapiler). Posisinya ditempatkan berhubungan langsung dengan udara luar agar gas di dalam 19

16 kondensor juga didinginkan oleh suhu ruangan. Gas yang berasal dari compressor memiliki suhu dan tekanan tinggi, ketika mengalir di dalam pipa kondensor, gas mengalami penurunan suhu hingga mencapai suhu kondensasi kemudian mengembun. Wujud gas berubah menjadi cair dengan suhu rendah sedangkan tekanannya tetap tinggi. [3,5,8] Katup Ekspansi (Ekspansion Valve) Katup ekpansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatic cairan yang bertekanan dan bertemperatur rendah, atau mengekspansikan refrigerant cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigerant cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah. Selain itu, katup ekspensi juga sebagai alat control refrigerasi yang berfungsi sebagai:[2,5,8] 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. 20

17 Gambar 2.10 Katup Ekspansi [13] Selain katup ekspansi, alat yang dapat digunakan untuk mengekspansi refrigerant adalah pipa kapiler (capillary tube) dan orifice. Pipa kapiler adalah salah satu alat ekspansi. Alat ekspansi ini mempunyai dua kegunaan yaitu untuk menurunkan tekanan refrigerant cair dan untuk mengatur aliran refrigerant ke evaporator. Cairan refrigerant memasuki pipa kapiler tersebut dan mengalir sehingga tekanannya berkurang akibat dari gesekan dan percepatan refrigerant. Pipa kapiler hampir melayani semua system refrigerasi yang berukuran kecil, dan penggunaannya meluas hingga pada kapasitas regrigerasi 10 kw. Pipa kapiler mempunyai ukuran panjang 1 hingga 6 meter, dengan diameter dalam 0,5 sampai 2 mm (Stoecker, 1996). Diameter dan panjang pipa kapiler ditetapkan berdasarkan kapasitas pendinginan, kondisi operasi dan jumlah refrigerant dari mesin refrigerasi yang bersangkutan. Konstruksi pipa kapilar sangat sederhana, sehingga jarang terjadi gangguan. Pada waktu compressor berhenti bekerja, pipa kapiler menghubungkan bagian tekanan tinggi 21

18 dengan bagian tekanan rendah, sehingga menyamakan tekanannya dan memudahkan start berikutnya.[2,8] Gambar 2.11 Pipa Kapiler [14] Selain pipa kapiler, untuk mengekspansi refrigerant bisa menggunakan alat Orifice. Orifice adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran volume atau massa fluida refrigerant. Alat ini bermacam macam ukuran sesuai dengan kapasitas AC yang didesain. Biasanya penggunaan Orifice sama seperti pipa kapiler, hanya digunakan pada AC berkapasitas kecil antara ½ sampai dengan 6 pk. Gambar 2.12 Orifice AC [15] 22

19 2.3.4 Evaporator Evaporator adalah komponen pada system pendingin yang berfungsi sebagai penukar kalor, serta bertugas menguapkan refrigerant dalam system, sebelum dihisap oleh compressor. Panas udara sekeliling diserap evaporator yang menyebabkan suhu udara disekeliling evaporator turun. Suhu udara yang rendah ini dipindahkan ketempat lain dengan jalan dihembus oleh kipas, yang menyebabkan terjadinya aliran udara.[2,5,8] Gambar 2.13 Evaporator [16] Ada beberapa macam evaporator, sesuai dengan tujuan penggunaannya dan bentuknya dapat berbeda-beda. Hal tersebut disebabkan karena media yang hendak didinginkan dapat berupa gas, cairan atau padat. Maka evaporator dapat dibagi menjadi beberapa golongan, sesuai dengan refrigerant yang ada di dalamnya, yaitu : jenis ekspansi kering, jenis setengah basah, jenis basah, dan system pompa cairan.[2,5,8] 23

20 1. evaporator Jenis ekspansi kering. Dalam jenis ekspansi kering, cairan refrigeran yang diekspansikan melalui katup ekspansi pada waktu masuk ke dalam evaporator sudah dalam keadaan campuran cair dan uap, sehingga keluar dari evaporator dalam keadaan uap air.[2,5] Gambar 2.14 Evaporator Jenis Kering 2. Evaporator jenis setengah basah. Evaporator jenis setengah basah adalah evaporator dengan kondisi refrigeran diantara evaporator jenis ekspansi kering dan evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis ini, selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapnya.[2,5] Gambar 2.15 Evaporator Jenis Setengah Basah 24

21 3. Evaporator jenis basah. Dalam evaporator jenis basah, sebagian besar dari evaporator terisi oleh cairan refrigerant. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah konveksi paksa yang terjadi di dalam dan di luar tabung serta konduksi pada tabungnya. Perpindahan panas total yang terjadi merupakan kombinasi dari ketiganya. Harga koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan terlebihi dahulu menghitung koefisien perpindahan kalor pada sisi refrigeran dan sisi udara yang telah dijelaskan sebelumnya. Selanjutnya koefisien perpindahan panas total dihitung berdasarkan luas permukaan dalam pipa dan berdasarkan luas permukaan luar pipa.[2,5] Gambar 2.16 Evaporator Jenis Basah 2.4 Refrigerant Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena refrigeran yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, 25

22 pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi. Refrigeran kelompok halokarbon merupakan refrigeran sintetik karena tidak terdapat dialam secara langsung. Refrigeran ini mempunyai satu atau lebih atom dari golongan halogen: khlorin, fluorin dan bromin.meskipun dari segi teknik refrigeran ini mempunyai sifat yang baik, seperti kestabilan yang tinggi, tidak mudah terbakar dan tidak beracun, refrigeran ini termasuk O D S. Tabel 1 Karakteristik Refrigeran [4] URAIAN R32 R410A R22 ODP ( Potensi Penipisan Ozon ) 0 0 0,055 GWP ( Potensi Pemanasan Global ) Flamability A2L AL AL Komposisi Tunggal 2 Komponen Tunggal Rasio Pencampuran CH2F2 CH2F2.CHF2CF3 CHCLF2 Titik Didih dalam Derajat Celsius Tekanan 16 Kali 16 Kali 1kali Oli Sintetis (FW50S) Sintetis ( FW50S) Mineral Tekanan Kerja dlm Psig Tekanan Kerja dalam Mpa