LAPORAN TUGAS AKHIR BAB II DASAR TEORI

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Dispenser Air Minum Hot and Cool Dispenser air minum adalah suatu alat yang dibuat sebagai alat pengkondisi temperatur air minum baik air panas maupun air dingin. Temperatur air panas yang biasa dihasilkan adalah sekitar 70 0 C s.d C, sedangkan air dingin berkisar di temperatur 7 0 C s.d C. Air pada dispenser turun ke keran menggunakan prinsip gravitasi bukan menggunakan pompa. Untuk mendinginkan air dispenser memanfaatkan sistem refrigerasi kompresi uap, sedangkan untuk memanaskan air menggunakan heater (pemanas listrik). Pada sistem dispenser segala jenis bahan mulai dari selang, tangki dan pemipaan haruslah higienis dan terjaga kualitasnya dari karat, hal ini harus dipatuhi karena air akan dikonsumsi oleh manusia. Sistem pemipaan awal dispenser pada umumnya dapat dilihat pada Gambar 2.1 di bawah ini. Keterangan 1. Tangki air dingin 2. Keran air panas 3. Heater 4. Galon air 5. Insulasi Evaporator 6. Evaporator 7. Keran air dingin 8. Kondenser Gambar 2.1 Dispenser Pada Umumnya BAB II Dasar Teori 4

2 Aliran air dari reservoar air utama ke keran dapat dilihat pada Gambar 2.2 di bawah ini. Gambar 2.2 Aliran Air Panas dan Dingin ke Keran 2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi kompresi uap adalah sistem yang terdiri dari kompresor, kondenser, alat ekspansi dan evaporator. Sistem ini paling banyak digunakan di mesin-mesin, hal ini dikarenakan sistem ini mudah dijalankan banyak terdapat di pasaran dan jika ada kerusakan sistem ini mudah untuk mengganti komponennya. Siklus sistem refrigerasi dapat dilihat pada Gambar 2.3 di bawah ini. BAB II Dasar Teori 5

3 kondenser kompresor Gambar 2.3 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Komponen Utama Sistem Refrigerasi Kompresor Kompresor merupakan komponen utama dalam sistem refrigerasi yang bekerja paling dominan yaitu untuk mensirkulasikan refrigeran ke seluruh sistem maka dari itu kompresor dapat dikatakan sebagai jantung dari sistem refrigerasi. Selain itu, kompresor mempunyai fungsi untuk memompa refrigeran dari sisi tekanan rendah (suction) ke sisi tekanan tinggi (discharge) agar tercipta temperatur yang lebih tinggi sebelum uap refrigeran masuk ke dalam kondenser [6]. Contoh dari kompresor ditunjukan oleh Gambar 2.4. Gambar 2.4 Kompresor BAB II Dasar Teori 6

4 Kondenser Kondenser merupakan salah satu alat perpindahan kalor dan penukar kalor. Uap refrigeran panas dari kompresor akan diubah fasanya di kondenser dengan cara melepas panas ke lingkungan. Contoh gambar kondenser ditunjukan oleh Gambar 2.5. Gambar 2.5 Kondenser Alat Ekspansi Alat ekspansi yang terdapat pada sistem adalah pipa kapiler. Pipa kapiler itu sendiri adalah pengatur aliran refrigeran yang paling sederhana konstruksinya dan sangat murah dibanding pengontrol aliran refrigeran lainnya. Pipa kapiler merupakan suatu pipa dengan panjang tertentu dan diameter yang relatif kecil yang dipasang antara kondenser dan evaporator (liquid line). Karena efek trottling yang disebabkan oleh panjang tertentu dengan diameter kecil mengakibatkan tekanan refrigeran turun di bawah tekanan saturasi. Contoh pipa kapiler ditunjukan oleh Gambar 2.6. Gambar 2.6 Pipa Kapiler BAB II Dasar Teori 7

5 Evaporator Evaporator merupakan salah satu komponen dalam sistem refrigerasi dan tata udara yang berfungsi sebagai media penguapan cairan refrigeran yang berasal dari katup ekspansi. Ketika refrigeran keluar dari alat ekspansi, refrigeran akan mengalami penambahan energi (akibat temperatur refrigeran lebih rendah dari temperatur ruang yang didinginkan). Akibat penambahan energi tersebut, maka fasa refrigeran cair berubah menjadi uap dan kondisi refrigeran saat keluar dari evaporator adalah uap jenuh. Gambar 2.7 Evaporator bare tube Proses dalam Sistem Refrigerasi Proses utama dalam sistem refrigerasi kompresi uap ada 4 yaitu kompresi di kompresor, kondensansi di kondenser, penurunan tekanan oleh alat ekspansi dan evaporasi di evaporator. Siklus sistem refrigerasi kompresi uap pada diagram P-h dapat dilihat pada Gambar 2.8. BAB II Dasar Teori 8

6 Pressure (bar absolute) Pc 3 2 Pe 4 1 h3 = h4 h1 h2 Enthalpy (kj/kg) Gambar 2.8 Proses Sistem Refrigerasi Kompresi Uap pada Diagram P-h Proses kompresi, yaitu proses pengkompresian uap refrigeran dari temperatur dan tekanan rendah ke uap refrigeran dengan tekanan dan temperatur tinggi. Proses ini terjadi secara adiabatik yang mempunyai efisiensi isentropik tertentu. Efisiensi sendiri adalah perbandingan daya isentropik (Ws) dengan daya yang di butuhkan dalam proses kompresi sebenarnya (W) Dimana untuk kompresi isentropik masuknya daya kompresor sebagi berikut : ( ) [ ]. 2.2 Proses kondensasi, yaitu proses pelepasan kalor ke lingkungan sehingga temperatur refrigeran akan menalami penurunan dan di akhir pipa kondenser fasa refrigeran akan berubah menjadi cair. Proses yang terjadi di kondenser dapat dilihat pada Gambar 2.9. Cair Uap Qk Gambar 2.9 Proses Kondensasi pada Kondenser BAB II Dasar Teori 9

7 Proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan refrigeran sehingga temperatur refrigeran pun akan mengalami penurunan. Proses evaporasi, yaitu proses penyerapan kalor dari kabin, sehingga kabin akan dingin dan refrigeran karena menyerap kalor akan berubah fasa menjadi uap. Prosesnya dapat dilihat pada Gambar Qe 4 1 evaporator Gambar 2.10 Proses Evaporasi di Evaporator 2.3 Heat Exchanger Heat Exhanger adalah alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari suatu media ke media yang lain yang mempunyai perbedaan temperatur. Alat ini dapat dijumpai di industri seperti Boiler, kondenser, cooling tower. Sedangkan pada rumah tangga seperti Air Conditioner (AC), lemari pendingin dan pada transportasi yang digunakan untuk mendinginkan mesin yang disebut dengan radiator [4]. Tipe heat exchanger diantaranya : 1. Shell and Tube Alat penukar panas Shell and tube terdiri atas kumpulankumpulan pipa yang dihubungkan secara paralel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang). Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa dengan arah liran yang sama, berlawanan atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan efisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat (buffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence time). Namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi, menambah beban kerja pompa sehingga laju aliran fluida harus diatur. BAB II Dasar Teori 10

8 Gambar 2.11 Heat Exchanger Tipe Shell and Tube 2. Tube In Tube Alat penukar panas Tube In Tube atau alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standar yang kedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Gambar 2.12 Heat Exchanger tipe Tube in Tube 3. PHE (Plate Heat Exchanger) Alat penukar jenis PHE biasanya terdiri dari sekumpulan pelat-pelat yang bisa bermotif lurus, gelombang atau motif yang lainnya. Antara satu pelat dengan pelat yang lainnya biasanya BAB II Dasar Teori 11

9 dipisahkan dengan karet khusus dan sebagai alat penekan agar tidak bocor biasanya disetiap ujung diberi seperti alat penusuk atau compression belt. Gambar 2.13 Heat Exchanger tipe Plate 4. Shell and Coil Dalam rancangan tugas akhir ini akan dibuat heat exchanger dengan memanfaatkan panas kondenser dengan tipe shell and coil. Air yang masuk shell akan dipanaskan oleh refrigeran pada coil (yang sudah bertemperatur tinggi setelah melalui proses kompresi di kompresor) sehingga air keluar akan menjadi lebih tinggi temperaturnya. a. Shell Shell (penukar panas berbentuk cangkang/tabung) berisi cairan yang harus dipanaskan. Dalam hal ini, air mengalir di dalam tabung yang sedang dipanaskan. Ada beberapa fitur desain thermal yang harus diperhitungkan saat merancang tabung (shell) : Volume tabung : Besarnya diameter dan panjang tabung harus disesuaikan dengan ukuran coil yang dirancang. Ketebalan tabung : Ketebalan dinding tabung biasanya ditentukan untuk memastikan : Bahwa getaran aliran diinduksi memiliki ketahanan. Buckling kekuatan (untuk menahan overpressure di shell). BAB II Dasar Teori 12

10 b. Coil Coil (pipa media pemanasan) adalah pipa berisi refrigeran yang berfungsi memanaskan air yang bersirkulasi melewati tabung. Skema heat exchanger shell and coil dapat di lihat pada Gambar shell coil Gambar 2.14 Heat Exchanger tipe Shell and Coil 2.4 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Komponen Pendukung sistem refrigerasi kompresi uap diantaranya : Refrigeran Refrigeran dalam sistem refrigerasi berfungsi sebagai media pendingin. Dimana kerja dari refrigeran itu sendiri dengan cara menyerap panas dari benda/udara/ruang dan membuang panas ke benda/bahan lain/udara luar, umumnya dengan cara mengubah fasa. Pada kondenser refrigeran akan membuang kalor ke lingkungan sehingga wujudnya akan berubah fasa dari fasa gas menjadi fasa cair. Sedangkan pada evaporator refrigeran akan menyerap kalor dari air pada water tank yang akan didinginkan sehingga wujud refrigeran pada evaporator berfasa cair. Tipe refrigeran yang digunakan dalam dispenser pengujian adalah R-134a. Berikut syarat-syarat pemilihan refrigeran : BAB II Dasar Teori 13

11 1. Mempunyai titik didih yang rendah, harus lebih rendah dari temperatur evaporator yang direncanakan. 2. Mempunyai tekanan kondensasi yang rendah. (tekanan kondensasi yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipa-pianya harus kuat dan kemungkinan bocor besar). 3. Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari tekanan atmosfir. Apabila terjadi kebocoran, udara luar tidak dapat masuk ke dalam sistem. (Perhatikan NBP-nya) kecuali beberapa sistem bekerja dalam keadaan vakum. 4. Mempunyai kalor laten uap yang besar, agar jumlah panas yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar. 5. Apabila terjadi kebocoran, mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. 6. Harganya murah Komponen Pendukung pada Dispenser Modifikasi a) Tangki Preheat Tangki Preheat yang dibuat terbuat dari stainless steel dengan ukuran ketebalan 0,4 mm dan volum air yang dapat di tampung di tangki preheat sekitar 1.8 L. Gambar 2.15 Tangki Preheat BAB II Dasar Teori 14

12 b) Hand Valve Hand Valve digunakan saat pengaturan buka tutup untuk mengatur arah refrigeran akan masuk ke saluran preheat yang dipilih. Gambar 2.16 Hand Valve c) Pressure Gauge Pressure Gauge digunakan untuk menunjukan tekanan kerja sistem baik di discharge ataupun suction. Gambar 2.17 Pressure Gauge d) Strainer Strainer digunakan sebagai filter untuk menyaring kotoran-kotoran yang tersirkulasi di dalam sistem. Gambar 2.18 Strainer BAB II Dasar Teori 15

13 e) Thermostat Digital Thermostat digital digunakan sebagai alat untuk memutuskan arus listrik ke kompresor jika temperatur air dingin telah tercapai. Gambar 2.19 Themostat Digital Komponen Kelistrikan a) Switch Switch atau sakelar digunakan ketika akan mematikan atau mengoperasikan sistem refrigerasi maupun sistem pemanasan, switch juga digunakan dalam keadaan darurat untuk mematikan sistem. Gambar 2.20 Switch b) Lampu Indikator Lampu indikator berfungsi sebagai penanda sistem beroperasi atau tidak. BAB II Dasar Teori 16

14 Gambar 2.21 Lampu Indikator c) MCB (Mini Circuit Breaker) Untuk mengamankan sistem maka MCB di pasang, jika amper melebihi batas maka MCB akan memutuskan sumber arus listrik. Gambar 2.22 MCB d) kwh Meter (kilo Watt hour meter) Untuk mempermudah pembacaan konsumsi daya yang terpakai maka dipasanglah kwh meter. Cara pengistalasian kwh meter tipe ini adalah hanya dengan menghubungkan kabel line dan netral kepada kwh meter yang telah tersedia. Cara pengistalasian dapat dilihat pada gambar Gambar 2.23 kwh Meter BAB II Dasar Teori 17

15 Gambar 2.24 Susunan Kabel Pada kwh. BAB II Dasar Teori 18