BAB II DASAR TEORI 2.1 Cooling Tunnel Cooling Tunnel atau terowongan pendingin merupakan sistem refrigerasi yang banyak digunakan di industri, baik industri pengolahan makanan, minuman dan farmasi. Cooling tunnel menggunakan sistem conveyor untuk membawa produk yang akan didinginkan masuk ke dalam terowongannya. Bahan conveyor yang digunakan bisa terbuat dari baja, karet atau pun plastik sesuai dengan kebutuhan. Biasanya cooling tunnel yang digunakan untuk pendinginan makanan ataupun minuman conveyor yang digunakan terbuat dari bahan baja. Keuntungan dari penggunaan bahan tersebut tidak hanya mudah untuk dibersihkan dan pemeliharaan tetapi juga memperluas perpindahan panas dari produk melalui baja. Cooling tunnel diperlihatkan seperti pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Cooling Tunnel Dimensi cooling tunnel untuk pengolahan cokelat mempunyai standar panjang conveyor 24 m, panjang tunnel 22 m, dan lebar belt 1000 mm. Kecepatan conveyor dapat diatur antara 1,4 7 meter/menit. (www.musatek.com : 16 Juli 2012) TEORI DASAR 5
Ada dua tipe sistem terowongan pendingin atau cooling tunnel, yaitu sistem terowongan pendingin kontinyu dan sistem terowongan pendingin diskontinyu. Kedua tipe ini digunakan tergantung kebutuhan. Terowongan pendingin kontinyu dirancang untuk aplikasi dimana semua produk yang didinginkan memerlukan penurunan temperatur yang sama. Sebaliknya, terowongan pendingin terputus dirancang untuk aplikasi jika produk setelah temperatur yang diinginkan tercapai produk tersebut harus keluar dari terowongan tersebut. Terowongan pendingin terputus memiliki efisiensi lebih besar karena membutuhkan energi lebih sedikit dari pada terowongan pendingin kontinyu. Sistem refrigerasi yang digunakan pada cooling tunnel ini biasanya menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap. Sistem ini memanfaatkan udara yang berada dalam terowongan lalu didinginkan, kemudian dihembuskan oleh sebuah blower. Semakin cepat hembusan udara dingin, maka semakin cepat pula proses pendinginan yang berlangsung. Kecepatan udara yang dihembuskan oleh blower tersebut bisa mencapai 2.5 m/s dengan temperatur yang akan dihasilkan di dalam terowongan 2 o C - 7 o C (ASHRAE Fundamental Refrigeration : 2002). 2.2 Sistem Conveyor Dalam dunia industri, sistem conveyor banyak sekali digunakan. Sistem conveyor ini digunakan dalam aplikasi industri bertujuan untuk menghemat tenaga dan waktu dalam memindahkan barang atau produk dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara yang aman dan efisien. Sistem conveyor ini digunakan dalam berbagai industri, seperti industri komputer dan perakitan elektronik, industri farmasi, pengolahan makanan dan minuman dan lain-lain. Sistem conveyor diperlihatkan seperti pada Gambar 2.2. TEORI DASAR 6
Gambar 2.2 Sistem Conveyor (www.buntingmagnetics.com :16 Juli 2012) Jenis sistem conveyor ada bermacam-macam, ada yang menggunakan sistem hidrolik, sistem mekanik atau sistem conveyor yang sepenuhnya otomatis. Bahan yang biasanya digunakan dalam sistem conveyor adalah yang terbuat dari baja, karet dan plastik. Conveyor biasanya terdiri dari satu atau lebih lapisan bahan. Bahan conveyor yang digunakan tergantung untuk membawa apa conveyor tersebut digunakan. Sebagai contoh, pada industri makanan atau minuman conveyor yang digunakan akan lebih higienis dan mudah dibersihkan, sehingga yang bahan yang digunakan adalah terbuat dari baja. 2.3 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang menggunakan kompresor sebagai alat kompresi media pendingin (refrigeran). Refrigeran dalam keadaan bertekanan rendah akan menyerap kalor dari tempat yang didinginkan. Refrigeran kemudian masuk pada sisi hisap (suction) dan uap refrigeran tersebut ditekan di kompresor sehingga berubah menjadi uap bertekanan tinggi yang dikeluarkan pada sisi keluaran (discharge). Sehingga dari proses tersebut dapat ditentukan sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah. Pada sistem refrigerasi kompresi uap tempat dimana refrigeran menguap karena menyerap kalor dari media sekitarnya disebut evaporator, alat untuk mengubah refrigeran cair bertekanan tinggi menjadi refrigeran cair bertekanan rendah disebut alat ekspansi, dan tempat refrigeran berkondensasi karena melepas kalor ke lingkungan disebut kondensor. Siklus sistem refrigerasi kompresi uap diperlihatkan pada Gambar 2.3. TEORI DASAR 7
4. Proses evaporasi atau penguapan, ditunjukkan oleh proses 4-1. Pada proses ini refrigeran akan menguap pada tekanan konstan. Kalor laten yang diserap dari tempat yang didinginkan akan merubah fasa refrigeran tersebut menjadi fasa uap. Proses ini berlangsung pada tekanan dan temperatur yang konstan. 2.4 Siklus Sistem Refrigerasi Pada umumnya untuk menggambarkan siklus kompresi uap digunakan diagram moiller atau disebut juga diagram tekanan entalpi (P-h). Siklus tersebut adalah siklus refrigerasi ideal. Faktor-faktor yang menyebabkan adanya gangguan terhadap sistem diabaikan. Dengan asumsi refrigeran keluar kondensor berfasa cair jenuh, keluar evaporator uap jenuh, proses ekspansi secara isoentalphy, dan proses kompresi secara isentropik. Siklus ideal sistem refrigerasi kompresi uap pada diagram P-h terdapat pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Siklus Kompresi Uap Pada Diagram P-h Enthalpy di titik 1 merupakan enthalpy refrigeran keluar evaporator dan masuk kompresor (suction kompresor). Enthalpy di titik 2 merupakan enthalpy refrigeran keluar kompresor dan masuk kondensor (discharge kompresor). TEORI DASAR 9
Enthalpy di titik 3 merupakan enthalpy refrigeran keluar kondensor dan masuk katup ekspansi. Enthalpy di titik 4 merupakan enthalpy refrigeran keluar katup ekspansi dan masuk evaporator. Secara teoritis, kerja kompresi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: w = h2 h1... (2.1) W= x w... (2.2) Dimana :W = kerja kompresi (kw) w = besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kj/kg) = laju aliran massa (kg/s) h 1 = enthalpy saat refrigeran masuk kompresor (kj/kg) h 2 = enthalpy saat refrigeran keluar kompresor (kj/kg) (Sumber : Dossat,R.J. Principles of Refrigeration 1981 :126) Kalor yang dibuang di kondensor per kilowatt kapasitas pendinginan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: qc = h 2 -h 3 (2.3) Qc= x qc... (2.4) Dimana Qc = kalor yang dilepas oleh kondensor (kw) qc = panas yang dilepas oleh kondesor (kj/kg) = laju aliran massa (kg/s) h 2 = enthalpy saat refrigeran masuk kondensor (kj/kg) h 3 = enthalpy saat refrigeran keluar kondensor (kj/kg) (Sumber : Dossat,R.J. Principles of Refrigeration 1981 :125-126) TEORI DASAR 10
Efek refrigerasi dari suatu sistem kompresi uap dapat dihitung menggunakan persamaan: q e = h 1 -h 4... (2.5) dimana qe = efek refrigerasi (kj/kg) h 1 = enthalpy saat refrigeran keluar evaporator (kj/kg) h 4 = enthalpy saat refrigeran masuk evaporator (kj/kg) (Sumber : Dossat,R.J. Principles of Refrigeration 1981 :123) Kapasitas pendinginan sistem dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Qe = x qe... (2.6) Dimana Qe = kapasitas pendinginan (kw) = laju aliran massa (kg/s) qe = efek refrigerasi (kj/kg) (Sumber : Dossat,R.J. Principles of Refrigeration 1981 :114) Performansi sistem dapat dilihat berdasarkan COP aktual, COP carnot, Efisiensi Refrigerasi, dan Rasio kompresi. a. COP aktual merupakan perbandingan antara kalor yang diserap oleh refrigeran pada saat melewati evaporator dengan kerja yang diberikan kompresor : COP = = = (2.7) Dimana Qe = kapasitas pendinginan (kw) W = kerja kompresi (kw) qe = efek refrigerasi (kj/kg) w = kerja kompresi yang dilakukan (kj/kg) (Sumber : Dossat,R.J. Principles of Refrigeration 1981 :126) TEORI DASAR 11
b. COP carnot dapat dihitung dengan persamaan : COPcarnot = Dimana Te = Temperatur evaporasi (K) Tk = Temperatur kondensasi (K) (2.8) c. Efisiensi refrigerasi merupakan perbandingan antara COP aktual dan COP carnot : (2.9) d. Rasio kompresi merupakan perbandingan antara tekanan discharge absolut dan tekanan suction absolut. Rasio kompresi =! (2.10) Dimana Pd = tekanan discharge absolute Ps = tekanan suction absolute 2.5 Komponen Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Komponen-komponen utama sistem refrigerasi kompresi uap adalah : 1. Kompresor Kompresor adalah bagian yang terpenting dari sistem refrigerasi kompresi uap. Pada manusia kompresor dapat diumpamakan sebagai jantung yang memompa darah ke seluruh tubuh, sedangkan kompresor pada sistem refrigerasi kompresi uap memompa refrigeran ke seluruh sistem. Kompresor berfungsi untuk menghisap gas bertekanan dan bertemperatur rendah yang berasal dari evaporator kemudian menekan gas tersebut sehingga menjadi gas bertekanan dan bertemperatur tinggi. Penambahan tekanan uap refrigeran dengan kompresor ini bertujuan agar refrigerant dapat mengembun pada suhu yang relatif tinggi. Kompresor yang digunakan pada cooling tunnel ini adalah kompresor hermetik TEORI DASAR 12
bertipe torak. Hal itu karena kompresor torak yang terdapat dipasaran memiliki banyak pilihan dari segi kapasitas. 2. Kondensor Kondensor adalah suatu alat yang berfungsi untuk membuang panas dari refrigeran ke lingkungan dan mengubah fasa refrigeran dari bentuk gas menjadi cair. Refrigeran dari kompresor dengan temperatur dan tekanan yang tinggi akan ditukar kalornya dengan media pendingin kondensor. Sehingga akibat kehilangan panas, uap refrigeran didinginkan menjadi uap jenuh kemudian mengembun menjadi cair. Pada umumnya kondensor yang sering dipakai bertipe air cooled condenser. 3. Alat Ekspansi Alat ekspansi adalah komponen dari sistem refrigerasi yang berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran cair yang berasal dari kondensor yang mempunyai tekanan tinggi menjadi refrigeran mempunyai tekanan rendah dan kemudian menuju evaporator. Alat ekspansi juga berfungsi untuk mengatur aliran refrigeran yang menuju ke evaporator. Pada umumnya alat ekspansi yang sering dipakai adalah TXV dan pipa kapiler. 4. Evaporator Evaporator merupakan suatu komponen utama refrigerasi yang berfungsi menyerap kalor dari kabin yang akan didinginkan. Pada evaporator refrigeran cair berubah fasa menjadi uap. Proses perubahan fasa refrigeran ini memerlukan kalor yang sangat besar yang diambil dari lingkungan dalam ruang kabin. Ketika proses penguapan refrigeran terjadi, kalor diserap dari produk yang didinginkan. 2.6 Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 1. Liquid Receiver Liquid receiver adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi sebagai penyimpan refrigeran cair yang berasal dari kondensor, TEORI DASAR 13
agar refrigeran yang mengalir ke alat ekspansi benar-benar cair. Cairan refrigeran ditampung di bagian bawah liquid receiver sedangkan uap refrigeran berada di bagian atas liquid receiver. Liquid receiver ditempatkan sesudah kondensor dan sebelum filter dryer. 2. Filter Dryer Filter dryer adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang digunakan untuk menyaring kotoran-kotoran yang terbawa oleh refrigeran cair dalam sistem. Selain itu filter dryer juga berfungsi untuk mengeringkan uap air yang terbawa oleh refrigeran yang ada pada sistem. Uap air tersebut diserap oleh silica gel yang berada di dalam filter dryer. Filter dryer biasa dipasang setelah liquid receiver sebelum sight glass. 3. Sight Glass Sight glass adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang digunakan sebagai indikator apakah refrigeran pada sistem sudah terisi cukup atau belum dan apakah refrigeran mengandung uap air atau tidak. Selain itu alat ini berfungsi untuk mengamati apakah refrigeran yang melewati liquid line benarbenar cair atau tidak. Untuk mengindikasikan adanya uap air atau tidak terdapat dua indikator warna yaitu kuning dan hijau. Warna kuning mengindikasikan bahwa di dalam sistem terdapat uap air dan warna hijau mengindikasikan bahwa tidak terdapat uap air dalam sistem. Apabila di dalam sight glass terdapat buihbuih refrigeran mengindikasikan bahwa sistem tersebut kekurangan refrigeran. Sight glass dipasang di liquid line setelah filter dryer. 4. Katup Solenoid Katup solenoid adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi untuk menghentikan atau mengalirkan refrigeran dalam sistem refrigerasi. Pengaturannya dilakukan oleh kumparan yang dialiri listrik. Katup solenoid hanya mempunyai dua kedudukan yaitu membuka penuh atau menutup rapat dan dipasang pada liquid line dan hot gas defrosting valve. TEORI DASAR 14
Katup solenoid yang dipasang di liquid line berfungsi untuk mencegah refrigerant cair mengalir ke evaporator pada saat evaporator berhenti. Katup solenoid yang dipasang di hot gas defrosting valve berfungsi untuk membuat bypass dari discharge line kompresor ke evaporator setelah katup ekspansi. 5. Pressure Gauge Pressure gauge adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja pada sistem refrigerasi. Namun tekanan kerja yang diukur bukanlah tekanan absolut melainkan adalah tekanan gauge. Manifold gauge ini terdiri dari dua jenis, yaitu high pressure gauge dan low pressure gauge. High pressure gauge berfungsi untuk mengukur tekanan tinggi pada sistem sedangkan low pressure gauge berfungsi untuk mengukur tekanan rendah pada sistem. 6. Thermostat Thermostat adalah alat pendukung sistem refrigerasi kompresi uap yang berfungsi untuk mengontrol atau mengatur temperatur pada sistem agar temperatur dapat dipertahankan sesuai dengan keinginan yang telah ditentukan. TEORI DASAR 15