BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem Refrigerasi Refrigerasi merupakan suatu kebutuhan dalam kehidupan saat ini terutama bagi masyarakat perkotaan. Refrigerasi dapat berupa lemari es pada rumah tangga, mesin pembeku (freezer), pendingin sayur dan buah-buahan pada super market dan sebagainya. Peralatan ini dapat dijumpai mulai dari skala kecil pada rumah tangga hingga skala besar pada aplikasi di industri. Sistem refrigerasi kompressi uap juga digunakan pada aplikasi tata udara (air conditioning). Aplikasi tata udara untuk hunian manusia, mesin yang digunakan dapat ditemui mulai dari skala kecil seperti AC window dan AC split hingga skala besar seperti chiller. Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor dari suatu benda atau ruang untuk menurunkan temperaturnya. Kalor adalah salah satu bentuk dari energi, sehingga mengambil kalor suatu benda ekuivalen dengan mengambil sebagian energi dari molekul-molekulnya. Pada aplikasi tata udara (air conditioning), kalor yang diambil berasal dari udara. Untuk mengambil kalor dari udara, maka udara harus bersentuhan dengan suatu bahan atau material yang memiliki temperatur yang lebih rendah. 2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi yang umum dan mudah dijumpai pada aplikasi seharihari, baik untuk keperluan rumah tangga, komersial, dan industri adalah sistem refrigerasi kompresi uap. Pada sistem ini terdapat refrigeran, yakni suatu senyawa yang dapat berubah fasa secara cepat dari uap ke cair dan sebaliknya. Pada saat terjadi perubahan fasa dari cair ke uap, refrigeran akan mengambil kalor (panas) dari lingkungan. Sebaliknya, saat berubah fasa dari uap ke cair, Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 4
refrigeran akan membuang kalor (panas) ke lingkungan sekelilingnya. Berikut merupakan gambar siklus refrigerasi kompresi uap sederhana. Qc 3 Kondensor 2 Alat Ekspansi 1 4 Qe Evaporator Kompresor Gambar 2.1 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Pada sistem refrigerasi kompresi uap, refrigeran yang berasal dari evaporator berupa uap bertekanan rendah kemudian masuk ke kompresor untuk dikompresi hingga refrigeran tersebut menjadi uap bertekanan tinggi disertai dengan kenaikan temperatur. Dari kompresor, refrigeran mengalir ke kondensor dan melakukan pelepasan kalor hingga refrigeran tersebut berubah fasa dari uap bertekanan tinggi menjadi cair bertekanan tinggi, kemudian refrigeran tersebut mengalir ke alat ekspansi. Di alat ekspansi tekanan refrigerant diturunkan sehingga temperaturnya menjadi turun. Setelah dari alat ekspansi, refrigeran kemudian mengalir ke evaporator untuk menyerap kalor dari produk yang akan didinginkan sehingga refrigeran tersebut berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kemudian refrigeran tersebut masuk ke kompresor untuk dikompresi dan bersirkulasi kembali. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 5
Berikut merupakan gambar proses sistem refrigerasi kompresi uap sederhana pada diagram P-h. P 3 Kondensasi 2 Ekspansi Kompresi 4 Evaporasi 1 h Gambar 2.2 Diagram P-h Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Diagram P-h merupakan diagram yang menunjukan proses yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap. Dari diagram tersebut penulis dapat mengetahui sifat-sifat refrigeran. Untuk dapat mengetahui sifat fluida tersebut dibutuhkan dua sifat atau parameter. Adapun proses yang terjadi pada sistem refrigerasi adalah sebagai berikut : 1. Proses Kompresi (1-2) Proses kompresi terjadi di kompresor, dimana refrigeran keluaran evaporator yang berfasa uap dengan temperatur dan tekanan rendah dihisap oleh kompresor, kemudian refrigeran tersebut dikompresi sehingga menyebabkan refrigeran yang keluar dari kompresor akan bertekanan dan bertemperatur tinggi. Besarnya daya kompresi pada proses ini dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : Q W = ṁ (h 2 h 1 )... (2.1) Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 6
Keterangan : Q w ṁ h 1 h 2 : Daya kompresi (kj/s atau kw) : Laju aliran massa refrigerant (kg/s) : Enthalpi refrigeran keluar evaporator (kj/kg) : Enthalpi refrigeran keluar kompresor (kj/kg) 2. Proses Kondensasi ( 2-3 ) Proses kondensasi terjadi di kondensor, yang mana refrigeran berfasa uap dengan temperatur dan tekanan tinggi yang berasal dari kompresor masuk ke kondensor, dan panas (kalor) dari refrigeran tersebut akan dibuang melalui media pendingin udara atau media pendingin air. Pada tahap ini refrigeran mengalami perubahan fasa dari uap menjadi cair jenuh, akan tetapi refrigeran masih dalam keadaan bertekanan dan bertemperatur tinggi. Besarnya kalor yang di lepas di kondensor adalah : Q W = ṁ (h 2 h 3 )... (2.2) Keterangan : Q k ṁ h 2 h 3 : Besarnya kalor yang dilepas di kondensor (kj/s) : Laju aliran massa refrigeran (kg/s) : Enthalpi refrigeran keluar kompresor (kj/kg) : Enthalpi refrigeran keluar kondensor (kj/kg) 3. Proses Ekspansi ( 3-4 ) Proses ekspansi terjadi pada alat exspansi, dimana tekanan dan temperatur dari refrigeran yang tinggi berasal dari kondensor masuk ke alat ekspansi, yang kemudian diekspansikan sehingga tekanan dan temperatur refrigeran yang akan masuk ke evaporator menjadi rendah. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 7
4. Proses Evaporasi ( 4-1 ) Proses evaporasi terjadi pada evaporator, yang mana dalam proses ini refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur rendah, kemudian akan menyerap kalor dari ruangan yang akan didinginkan dan refrigeran mengalami perubahan fasa dari cair menjadi uap. Sehingga dapat tercapai temperatur ruang yang diinginkan. Besarnya kalor yang di serap oleh refrigeran adalah : Q W = ṁ (h 1 h 4 )... (2.3) Keterangan : Q w ṁ h 1 h 4 : Besarnya kalor yang di serap di evaporator (kj/s) : Laju aliran massa refrigeran (kg/s) : Enthalpi refrigeran keluar evaporator (kj/kg) : Enthalpi refrigeran masuk evaporator (kj/kg) Sedangkan untuk prestasi daur kompresi uap standar atau yang biasa disebut dengan Coefficient Of Performance (COP) didapatkan dari perbandingan antara efek refrigerasi yang dihasilkan sistem dengan kerja yang dilakukan kompresor. Dan dengan bantuan diagram P-h (tekanan dan enthalpi) besaran yang penting dalam siklus refrigerasi dapat diketahui. Besaran-besaran tersebut adalah kerja kompresi, laju pembuangan kalor, dan efek refrigerasi sehingga nilai COP dapat diketahui. Perhitungan COP suatu sistem refrigerasi atau pompa kalor dapat menggunakan persamaan sebagai berikut :... (2.4) Untuk proses pendinginan COP dapat dihitung dengan persamaan berikut : Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 8
... (2.5) Untuk proses pemanasan COP dapat dihitung dengan persamaan berikut :... (2.6) Persamaan COP di atas merupakan persamaan untuk mencari koefisien prestasi aktual dari siklus refrigerasi. Sedangkan secara ideal COP suatu siklus refrigerasi dapat dicari dengan persamaan COP carnot sebagai berikut : 1. COP carnot untuk peoses pendingnan yaitu,...(2.7) 2. COP carnot untuk proses pemanasan yaitu,...(2.8) Keterangan : Te = Temperatur Evaporasi Tk = Temperatur Kondensasi Selanjutnya jika prestasi siklus refrigerasi aktual di bandingkan dengan prestasi siklus refrigerasi carnot maka akan di peroleh suatu efisiensi refrigerasi. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 9
Berikut merupakan persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung efisiensi refrigerasi : η... (2.9) 2.3 Pompa Kalor (Heat Pump) Pompa kalor adalah mesin yang dapat memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya. Pompa kalor bisa disamakan dengan mesin kalor yang beroperasi dengan cara terbalik. Pada aplikasi sistem pemanasan, ventilasi, dan pendingin ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan kompresi-uap yang mencakup saluran pembalik dan penukar panas sehingga arah aliran panas bisa dibalik. Berdasarkan pada hukum kedua termodinamika, panas tidak bisa secara spontan mengalir dari sumber bersuhu rendah ke lokasi bersuhu tinggi, untuk melakukan hal tersebut maka dibutuhkan suatu kerja. Pada mesin refrigerasi kalor diserap dari suatu kabin atau ruangan ke lingkungan sehingga menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan kalor dari lingkungan ke ruangan yang akan dikondisikan. Pompa kalor merupakan suatu sistem pengkondisi udara yang dilengkapi dengan komponen-komponen tertentu yang dapat membalikan arah siklus sistemnya. Dengan adanya mekanisme pembalikan arah siklus sistem ini, maka pompa kalor ini dapat menghasilkan pendinginan dan pemanasan secara bergantian untuk mengkondisikan ruangan pada temperatur yang kita inginkan. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 10
Untuk memahami bagaimana suatu pompa kalor dapat memindahkan panas dalam dua arah, yaitu dari dalam ke luar ruangan (saat pendinginan) dan dari luar ke dalam ruangan (saat pemanasan), maka kita harus memahami siklus refrigerasinya terlebih dahulu. Ketika sistem pompa kalor dioperasikan untuk pendinginan, maka kalor dalam ruangan di serap oleh refrigeran cair yang ada dalam koil dalam ruangan (indoor coil) sehingga refrigeran tersebut kemudian menguap. Refrigeran yang berfasa uap kemudian dikompresi oleh kompresor menuju koil luar ruangan (outdoor coil), sehingga refrigeran cair tersebut berkondensasi dan fasanya berubah menjadi cair. Pada saat sistem dioperasikan untuk proses pemanasan, katup pembalik (solenoid valve) mengubah posisi katup-katup nya untuk membalikan aliran refrigeran. Dalam proses ini kalor di serap ke dalam sistem oleh koil luar ruangan, akibatnya refrigeran berubah fasa dari cair bertemperatur rendah menjadi uap bertekanan dan bertemperatur rendah yang kemudian mengalir menuju kompresor. Di kompresor refrigeran di kompresi menjadi uap bertekanan dan bertemperatur tinggi menuju koil dalam ruangan. Udara yang melalui koil dalam ruangan ini menyerap kalor tersebut sehingga temperaturnya meningkat. Udara kemudian dihembuskan oleh fan dan di distribusikan ke dalam ruangan. 2.4 AC Window AC Window mempunyai kondensor dan evaporator yang di buat menyatu dalam satu tempat (casing). Fan sentrifugal diletakan di dalam ruangan (di bagian evapoartor ). Sedangkan kipas axial di pasang di luar ruangan (di bagian kondensor) dan motor listrik menggerakan kedua kipas tersebut. Koil pada evaporator dan kondensor terdiri dari pipa dengan banyak sirip yang terbuat dari alumunium. Pengaturan temperatur ruangan dapat dilakukan dengan menjalankan dan menghentikan kerja kompresor, berdasarkan temperatur yang masuk ke evaporator. Berikut merupakan gambar AC Window Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 11
( BAB II Landasan Teori Gambar 2.3 AC window AC Window Ruanagan/Kabin Gambar 2.4 Pemasangan AC Window pada Umumnya Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 12
2.5 Komponen-Komponen Sistem Refrigerasi Secara garis besar komponen-komponen pada sistem refrigerasi terdiri dari komponen utama, komponen pendukung serta komponen kelistrikan atau kontrol dari sistem refrigerasi itu sendiri. Setiap komponen mempunyai fungsi tersendiri dan hal tersebut harus benar-benar dipahami dalam merancang, menginstalasi dan memperbaiki suatu sistem refrigerasi. 2.5.1 Komponen-Komponenn Utama Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana Sistem refrigerasi kompresi uap sederhana mempunyai komponenkomponen utama sebagai berikut : 1. Kompresor Kompresor adalah alat untuk memompa media pendingin (refrigeran) agar tetap bersirkulasi di dalam sistem. Fungsi dari kompresor adalah untuk menaikan tekanan dari uap refrigeran sehingga tekanan pada kondensor lebih tinggi dari evaporator yang menyebabkan kenaikan temperatur dari refrigeran. Kompresor dirancang dan diproduksi untuk dapat dipakai dalam jangka waktu yang lama, karena kompresor merupakan jantung utama dari sistem refrigerasi kompresi uap dan juga kapasitas refrigerasi. Suatu mesin refrigerasi tergantung pada kemampuan kompresor untuk memenuhi jumlah gas refrigeran yang perlu disirkulasikan. Kompresor berfungsi untuk menghisap refrigeran fasa uap yang berasal dari evaporator dan menekannya ke kondensor sehingga tekanan dan temperaturnya akan meningkat. 2. Kondensor Seperti telah diketahui, bahwa fungsi kondensor di dalam sistem refrigerasi kompresi uap adalah untuk merubah wujud refrigeran dari gas yang bertekanan dan bersuhu tinggi dari discharge kompresor menjadi cairan refrigeran yang masih bersuhu dan bertekanan tinggi. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 13
Di kondensor diusahakan adanya media pendingin yang baik, karena dengan adanya media pendinginan yang baik di kondensor ini akan membantu memperlancar terjadinya proses kondensasi yaitu uap panas dari refrigeran berubah menjadi cair. Proses kondensasi pada komponen ini terjadi karena uap refrigeran yang bertemperatur tinggi melepaskan kalor ke lingkungan melalui suatu media pendingin. 3. Alat Ekspansi Komponen lain dari sistem refrigerasi adalah alat ekspansi. Alat ini berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran yang masuk ke evaporator dari liquid line sehingga sesuai dengan laju penguapan refrigeran di evaporator. Fungsi yang lain dari alat ekspansi ini yaitu untuk menurunkan dan menjaga beda tekanan antara sisi tekanan tinggi dan sisi tekanan rendah, sehingga terjaga tekanan yang diinginkan. Alat ekspansi ini mempunyai beberapa jenis antara lain pipa kapiler,txv (Thermostatic Expantion Valve), Aotomatic Expantion Valve (AXV), Float valves, Hand Expantion Valve (HXV),Thermal Electronic Elecronic Expantion Valve (TEXV). Electronic Expantion Valve ( EXV). Pada sistem pompa kalor ini alat ekspansi yang digunakan adalah pipa kapiler. 4. Evaporator Evaporator merupakan komponen yang berfungsi untuk menyerap kalor dari ruang atau produk yang akan di dinginkan. Refrigeran cair bertekanan rendah keluaran alat ekspansi masuk ke dalam evaporator. Di evaporator terjadi proses evaporasi yang mana terjadi penguapan karena evaporator menerima kalor dari ruangan atau benda sehingga terjadi perubahan fasa dari cair menjadi uap. Proses ini terjadi secara isobar dan isothermal namun tidak menutup kemungkinan ketika seluruh refrigeran berubah fasa menjadi uap terjadi kenaikan temperatur yang menyebabkan keluaran evaporator menjadi super heated. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 14
2.5.2 Komponen-Komponen Pendukung Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Sederhana pada AC Window 1. Filter dryer Filter dryer berfungsi untuk menyaring kotoran refrigerant dan mengeringkan refrigeran dari uap air. 2. Sight glass Sight glass berfungsi untuk melihat fasa refrigeran yang mengalir di dalam sistem. Fasa refrigeran yang melewati sight glass harus benarbenar cair. Selain itu sight glass juga berfungsi untuk melihat cukup tidaknya jumlah refrigeran di dalam sistem serta menunjukan apakah dalam refrigeran terdapat uap air atau tidak terlihat pada indikator warna pada sight glass. Komponen ini dipasang sesudah filter dryer pada liquid line. 3. Fan Kondensor Motor fan Kondensor berfungsi untuk membantu kondensor membuang panas atau kalor agar refrigeran berubah fasa dari gas menjadi cair. 4. Blower evaporator Blower evaporator berfungsi sebagai pendistribusi udara dingin dari evaporator ke ruangan. 5. Akumulator Alat yang digunakan untuk menampung refrigeran berfasa uap biasanya dipasang sebelum kompresor. Refrigeran berfasa uap ditampung di akumulator agar fasa refrigeran yang masuk ke kompresor berfasa uap sepenuhnya sehingga tidak terjadi liquid suction. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 15
6. Thermostat Thermostat merupakan alat yang berfungsi untuk mengontrol temperatur ruangan atau kabin agar dapat dipertahankan pada temperatur konstan, sesuai dengan settingan yang kita inginkan. Alat ini dapat digunakan untuk mengatur temperatur rendah (cooling) maupun temperatur tinggi (heating). 7. Solenoid Valve Solenoid valve adalah katup yang digerakan oleh energi listrik. Solenoid valve mempunyai kumparan sebagai penggeraknya yang berfungsi untuk menggerakan katup yang dapat digerakan oleh arus AC maupun DC. 2.5.3 Komponen Kontrol dan Kelistrikan Komponen-komponen kontrol dan kelistrikan pada pompa kalor ada beberapa macam. Fungsi komponen-komponen kelistrikan tersebut diantaranya adalah sebagai tenaga penggerak, sebagai alat pengatur, sebagai alat pengaman, dan sebagai indikator. Komponen kontrol dan kelistrikan sistem pompa kalor pada tugas akhir ini yaitu sebagai berikut : 1. Sakelar Sakelar berfungsi untuk memutuskan dan mengalirkan aliran listrik ke sistem yang dioperasikan secara manual. 2. Kontaktor Kontaktor terdiri dari kontak utama dan kontak bantu. Kontaktor berfungsi untuk memutuskan dan mengalirkan arus listrik ke sistem secara automatik. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 16
3. Junction terminal Komponen listrik ini digunakan untuk menyambungkan kabel dari komponen yang lebih dari satu. Dengan komponen ini akan mengurangi sambungan-sambungan yang terlalu menumpuk pada beban, sehingga akan mengurangi resiko hubungan singkat. 4. Lampu Pada sistem pompa kalor ini digunakan delapan buah lampu yang berfungsi sebagai indikator power supply, pemanasan pendinginan dan kompresor. Masing-masing akan menyala apabila sedang berfungsi atau beroperasi. Jadi pada prinsipnya hanya sebagai indikator on atau off-nya komponen sistem. 5. MCB (Miniatur Circuit Breaker) Digunakan untuk memutus dan menghubungkan sistem kelistrikan secara manual dan digunakan pula sebagai pengaman apabila terjadi hubungan arus pendek yang mana akan memutuskan sistem kelistrikan secara otomatis. 6. Volt meter kalor. Volt meter digunakan untuk mengukur tegangan pada sistem pompa 7. Ampere meter kalor. Ampere meter digunakan untuk mengukur arus pada sistem pompa 8. Kwh meter Kwh meter digunakan untuk mengukur daya pada saat sistem pompa kalor beroperasi. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 17
9. TDR (Time Delay Relay) TDR adalah alat yang digunakan sebagai relay penunda waktu yang fungsinya untuk memindahkan kerja dari rangkaian pengontrol kerangkaian tertentu yang bekerja secara otomatis. Prinsipnya sama saja dengan kontaktor, hanya saja memiliki waktu tunda operasi. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung 18