BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Sistem Pendingin Sistem pendingin merupakan sebuah sistem yang bekerja dan digunakan untuk pengkondisian udara di dalam ruangan, salah satunya berada di mobil yaitu didalam kabin. Dengan kata lain udara dingin yang keluar dapat diatur sesuai kehendak kita. Penggunaan air conditioner pada mobil umumnya dipakai pada negara yang beriklim tropis dengan kondisi temperatur udara yang relatif tinggi/panas. Pendinginan di mobil bersifat merambat sehingga tidak langsung terasa dingin karena udara di dalam kendaraan perlu untuk didinginkan terlebih dahulu dan bersifat sirkulasi udara. Ruangan yang dilengkapi dengan AC (Air Conditioner) adalah sebuah kenyamanan dan kebutuhan bagi penggunanya. Bisa dibayangkan bila kendaraan yang tidak dilengkapi dengan air conditioner, apabila terkena macet maka udara akan terasa pengap dan badan kita berkeringat. Untuk menghasilkan udara yang dingin di dalam ruang atau kabin mobil perlu beberapa komponen yang bekerja secara bersama-sama untuk mendinginkan kabin. Dan disetiap komponen juga memiliki fungsinya masing-masing sehingga tergabung menjadi satu membentuk sistem air conditioner mobil. Fakultas Teknik UMB 5
Di samping penambahan sensor yang membuat teknologi air conditioner semakin canggih. Sistem kerja air conditioner masa kini tidak terlalu membebani mesin. Untuk mobil jaman dahulu, ketika memakai air conditioner terasa berat saat melakukan akselerasi, maka kini ada sistem otomatis yang bisa mematikan untuk sementara kerja kompresor. Begitu pedal gas diinjak dan mobil berakselerasi, aliran air conditioner secara otomatis untuk sementara terputus. Maksudnya memberi "kesempatan" kepada mesin mobil untuk menyalurkan tenaga maksimal guna melaju cepat. 2.2 Jenis-Jenis Sistem Pendingin Pada dasarnya mesin pendingin dibagi menjadi 2, yaitu mesin pendingin dengan sistem refrigerasi mekanik dan non mekanik. Sistem refrigerasi mekanik umumnya menggunakan mesin penggerak atau alat mekanik lainnya dalam menjalankan siklusnya. Sedangkan sistem refrigerasi non mekanik adalah sistem pendingin yang tidak memerlukan mesin penggerak dalam menjalankan siklusnya. Sistem refrigerasi non mekanik digolongkan menjadi Siklus Kompresi Uap (SKU), refrigerasi siklus udara. Sedangkan untuk refrigerasi mekanik digolongkan menjadi refrigerasi termoelektrik, refrigerasi siklus absorbsi dan lain-lain. Fakultas Teknik UMB 6
Gambar 2.1 Sistem Air Conditioner pada mobil (Sumber : http://otosia.com) (1) 2.3 Dasar-Dasar Psikometrik Psikometrik merupakan suatu bahasan tentang sifat-sifat campuran udara dengan uap air, dan ini mempunyai arti yang sangat penting dalam pengkondisian udara karena udara pada atmosfir merupakan percampuran antara udara dan uap air, jadi tidak benarbenar kering. Kandungan uap air dalam udara pada untuk suatu keperluan harus dibuang atau malah ditambahkan. Fakultas Teknik UMB 7
Gambar 2.2 Diagram Psikometrik (Sumber : en.wikipedia.org) (2) Gambar 2.3 Tipikal pemetaan garis skala Psikrometrik chart [Sumber : Modul 8 Healing ventilation and air conditioning (HVAC) Ir.Yuriadi Kusuma Universitas Mercu Buana ] (3) Fakultas Teknik UMB 8
2.3.1 Relative Humidity (% RH) % RH merupakan perbandingan jumlah actual dan jumlah maksimal (saturasi) dari uap air yang ada pada suatu ruang atau lokasi tertentu. 100% RH berarti saturasi dan diplortkan menurut garis saturasi.untuk ukuran yang lebih kecil diplotkan sesuai arah garis saturasi. Gambar 2.4 Pembacaan Psikrometrik Chart [Sumber :Modul 8 Healing ventilation and air conditioning (HVAC) Ir.Yuriadi Kusuma M.eng] Titik potong antara garis 78 DB dan garis 65 DB. Titik tersebut adalah titik P. Dari titik P ikuti garis horisontal ke arah kanan, yaitu skala kelembaban spesifik w = 72 gr/lb. Ikuti garis kemebaban relatif,rh = 50%. Ikuti garis horisontal ke kiri hingga memotong garis saturasi, diperoleh suhu DP = 58oF. Dan ikuti garis entalpi, H = 30,05 Fakultas Teknik UMB 9
Btu/lb. Yang terakhir tentukan volume spesifik, SpV. Titik P berada diantara garis 13,5 dan 14,0, dapat diperkirakan SpV = 13,75 ft3/kg. Dari hasil pem-plot-an kita dapatkan: RH= 50 % W = 72 gr/lb DP = 58 of H = 30,05 Btu/lb SpV = 13,75 ft3/lb Pada bagan psikometrik ada dua hal yang penting, yaitu penguasaan akan dasardasar bagan dan kemampuan menentukan sifat-sifat pada kelompok-kelompok keadaan lain, misalnya tekanan barometrik yang tidak standar. Untuk memahami proses-proses yang terjadi pada karta psikometrik perlu adanya pemahaman tentang Hukum Dalton dan sifat-sifat yang ada dalam karta psikometrik, antara lain: a. Temperatur bola kering. Temperatur bola kering merupakan temperatur yang terbaca pada termometer sensor kering dan terbuka, namun penunjukan dari temperatur ini tidak tepat karena adanya pengaruh radiasi panas. b. Temperatur bola basah. Temperatur bola basah merupakan temperatur yang terbaca pada termometer dengan sensor yang dibalut dengan kain basah. Untuk mengukur temperatur ini diperlukan aliran udara sekurangnya adalah 5 m/s. Temperatur bola basah sering disebut dengan temperatur jenuh adiabatik. Fakultas Teknik UMB 10
c. Titik embun. Titik embun adalah temperatur air pada keadaan dimana tekanan uapnya sama dengan tekanan uap air dari udara. Jadi pada temperatur tersebut uap air dalam udara mulai mengembun dan hal tersebut terjadi apabila udara lembab didinginkan. Pada tekanan yang berbeda titik embun uap air akan berbeda, semakin besar tekanannya maka titik embunnya semakin besar. d. Kelembaban relatif. Kelembaban relatif didefinisikan sebagai perbandingan fraksi molekul uap air di dalam udara basah terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan yang sama, atau perbandingan antara tekanan persial uap air yang ada di dalam udara dengan tekanan jenuh uap air yang ada pada temperatur yang sama. Kelembaban relatif dapat dikatakan sebagai kemampuan udara untuk menerima kandungan uap air, jadi semakin besar RH semakin kecil kemampuan udara tersebut untuk menyerap uap air. Kelembaban ini dapat dirumuskan : RH = Р w Р ws x 100% dimana : Р w = Tekanan parsial uap air Р ws = Tekanan jenuh uap air Fakultas Teknik UMB 11
e. Kelembaban spesifik (rasio kelembaban) Kelembaban spesifik (w) adalah berat atau massa air yang terkandung didalam setiap kilogram udara kering, atau perbandingan antara massa uap air dengan massa udara kering yang ada didalam atmosfir. Kelembaban spesifik dapat dirumuskan : W = M w M a Dimana : W = Kelembaban spesifik M w = Massa uap air M a = Massa udara kering f. Entalpi. Entalpi merupakan energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada temperatur tertentu, atau jumlah energi kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg udara kering dan x kg air ( dalam fasa cair ) dari 0 o C sampai mencapai t o C dan menguapkannya menjadi uap air ( fasa gas). g. Volume spesifik. Volume spesifik merupakan volume udara campuran dengan satuan meterkubik per kilogram udara kering. Fakultas Teknik UMB 12
2.4 Proses-Proses Pada Air Conditioner 2.4.1 Proses Udara Thermal Proses udara yang terjadi dalam proses psikometrik adalah : a) Proses pemanasan (Heating). Proses pemanasan adalah proses penambahan kalor sensibel ke udara sehingga temperatur udara tersebut naik. Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horizontal ke arah kanan. Twb 2 Twb 1 w Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.5 Pemanasan Sensibel Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) b) Proses pendinginan (Cooling). Proses pendinginan adalah proses pengambilan kalor sensibel dari udara sehingga temperatur udara tersebut mengalami penurunan. Fakultas Teknik UMB 13
Proses ini hanya disebabkan oleh perubahan temperatur bola kering udara tanpa perubahan rasio kelembaban. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis horizontal ke arah kiri. Twb 1 Twb 2 w Tdb 2 Tdb 1 Gambar 2.6 Pendinginan Sensibel Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) c) Proses pelembaban (humidifikasi). Proses pelembaban adalah proses penambahan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi kenaikan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah atas. Fakultas Teknik UMB 14
Twb 2 Twb 1 w 2 w 1 Tdb Gambar 2.7 Proses Pelembaban Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) d) Proses penurunan kelembaban (dehumidifikasi). Proses penurunan kelembaban adalah proses pengurangan kandungan uap air ke udara sehingga terjadi penurunan entalpi dan ratio kelembaban. Pada proses ini terjadi perubahan kalor laten tanpa disertai perubahan kalor sensibel. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis vertikal ke arah bawah. Twb 1 Twb 2 w 1 w 2 Tdb Gambar 2.8 Penurunan Kelembaban Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) Fakultas Teknik UMB 15
e) Proses pemanasan dan pelembaban (heating dan humidifikasi). Pada proses ini udara dipanaskan disertai dengan penambahan uap air, dengan mengalirkan udara melewati ruangan semburan air atau uap yang temperaturnya lebih tinggi dari temperatur udara, sehingga didapatkan peningkatan kalor sensibel dan kalor laten secara bersamaan. Pada proses ini terjadi kenaikan rasio kelembaban, entalpi, Tdb, Twb dan kelembaban relatif. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan atas. Twb 2 Twb 1 w 2 w 1 Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.9 Pemanasan dan Pelembaban Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) f) Proses pemanasan dan penurunan kelembaban (heating dan dehumidifikasi) Pada proses ini udara mengalami pendinginan dahulu sampai temperaturnya dibawah titik embun udara, pada temperatur ini udara mengalami pengembunan sehingga kandungan uap air akan berkurang, Fakultas Teknik UMB 16
kemudian udara dilewatkan melalui koil pemanas sehingga temperatur udara akan meningkat. Proses ini terjadi pada alat pengering udara (dehumidifier). Pada proses ini terjadi penurunan rasio kelembaban, entalpi, Twb, entalpi dan kelembaban relatif tetapi terjadi peningkatan Tdb. Garis proses pada karta psikometrik adalah garis kearah kanan bawah. Twb 1 Twb 2 w 1 w 2 Tdb 1 Tdb 2 Gambar 2.10 Pemanasan dan Penurunan Kelembaban Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc.) g) Proses pendinginan dan penurunan kelembaban (cooling dan dehumidifikasi). Proses ini dilakukan dengan cara melewatkan udara pada koil pendingin atau ruangan semburan air dimana temperaturnya lebih rendah dari temperatur udara sehingga terjadi penurunan kalor laten dan kalor sensibel. Fakultas Teknik UMB 17
Twb 1 Twb 2 w 1 w 2 Tdb 2 Tdb 1 Gambar 2.11 Pendinginan dan Penurunan Kelembaban Sumber : ( G Pita, Edward. 1981. Air Conditioning Principles and Systems. USA. John Wily and Sons. Inc). h) Proses Evaporasi Pada tahap ini terjadi pertukaran kalor di evaporator, dimana kalor dari lingkungan atau media yang didinginkan diserap oleh refrigerant cair dalam evaporator sehingga refrigerant cair yang berasal dari katup ekspansi yang bertekanan dan bertemperatur rendah berubah fasa dari fasa cair menjadi uap yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi. Maka besar kalor yang diserap oleh refrigerant adalah : Q c = mº ( h2 h1 ) Dimana : Q C = Banyaknya kalor yang diserap di evaporator per satuan waktu( kj/s). mº = Laju aliran massa refrigerant ( kg/s). h 2 h 1 = Efek refrigerasi (kj/kg). Fakultas Teknik UMB 18
i) Proses Kompresi Tahap ini terjadi di kompresor dimana refrigerant yang berfasa uap dengan temperatur dan tekanan rendah dikompresi secara isentropic sehingga temperatur dan tekanannya menjadi tinggi, besar kapasitas pemanasan dapat ditulis dengan persamaan : Q w = mº (h 3 h 2 ) Dimana : Q w = Kapasitas pemanasan ( kj/s). mº = Laju aliran massa refrigerant ( kg/s). h 3 h 2 = Kerja kompresi (kj/kg). j) Proses Kondensasi Tahap ini terjadi di dalam kondensor, dimana panas dari refrigerant yang berfasa uap dari kompresor dibuang ke lingkungan sehingga refrigerant tersebut mengalami kondensasi. Pada tahap ini terjadi perubahan fasa dari dari fasa uap superheat menjadi fasa cair jenuh, pada fasa cair jenuh ini tekanan dan temperaturnya masih tinggi. Besarnya kalor yang dilepaskan di kondensor adalah : Dimana : qc = h 3 h 4 q c h 3 h 4 = Kalor yang dilepas di kondensor (kj/kg) = Entalpi refrigerant yang keluar dari kompresor (kj/kg) = Entalpi refrigerant cair jenuh (kj/kg) Fakultas Teknik UMB 19
k) Proses Ekspansi Tahap ini terjadi di katup ekspansi dimana refrigerant diturunkan tekanannya yang diikuti dengan turunnya temperatur isentalphi. 2.5 Siklus Kompresi Uap Gambar 2.12 Siklus Tekanan pada masing-masing Komponen Sumber : ( Stoecker, W.F and jones, J.W. 1989. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, edisi ke-2.alih bahasa Ir.Supratman Hara.Jakarta : Erlangga ) 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 Fakultas Teknik UMB 20
evaporator. Adapun proses ideal yang terjadi pada siklus kompresi uap adalah proses kompresi, kondensasi, proses ekspansi dan proses evaporasi, dan proses ini dapat digambarkan sebagai berikut. 4 Kondensor 3 Katup Ekspansi Kompresor 1 Evaporator 2 Gambar 2.13 Diagram Sistem Kompresi (Sumber : www.central air conditioner dan refrigeration.com) (4) Gambar 2.12 Diagram P-H (Sumber : www.central air conditioner dan refrigeration.com) Fakultas Teknik UMB 21
Gambar 2.13 Diagram Pressure-enthalpy (Sumber : www.refrigerationbasics.com) (5) Kondisi refrigerant direpresentasikan pada diagram pressure-enthalpy, penjelasan untuk diagram diatas adalah : a) Kompresor: Refrigerant gas bertekanan rendah dikompresikan menjadi refrigerant gas bertekanan tinggi dengan bantuan daya dari luar sistem (input power). b) Kondenser: Refrigerant gas bertekanan tinggi dirubah menjadi refrigerant cair dengan tekanan tetap tinggi dengan cara membuang kalor ke lingkungan sekitarnya. Fakultas Teknik UMB 22
c) Ekspansi: Refrigerant cair bertekanan tinggi diturunkan tekanannya dengan bentuk refrigerant menjadi cairan yang bercampur dengan sedikit gas. (Gelembung gas terjadi karena adanya penurunan tekanan). d) Evaporator: Refrigerant cair dirubah menjadi gas/uap dengan cara menyerap kalor dari ruang yang dikondisikan. e) Refrigerant gas/uap kemudian dihisap oleh Kompresor dan disirkulasikan kembali. 2.6 Diagram PV Gambar 2.14 Diagram PV (Sumber : refrigerationnew.blogspot.com) (6) Tantangan dalam pendingin (dan pendingin udara, dll) adalah untuk menghilangkan panas dari sumber suhu rendah dan membuangnya pada tinggi wastafel Fakultas Teknik UMB 23
suhu. Siklus refrigerasi kompresi pada umumnya memanfaatkan gagasan bahwa fluida yang bertekanan tinggi pada satu suhu akan cenderung lebih dingin jika dibiarkan mengembang. Jika perubahan tekanan yang cukup tinggi, maka gas dikompresi akan lebih panas dari sumber kami pendinginan (udara luar, misalnya) dengan diperluas akan lebih dingin dari suhu dingin yang kita inginkan. Dalam hal ini, kita dapat menggunakannya untuk mendinginkan pada suhu rendah dan membuang panas kesuhu tinggi. Siklus refrigerasi kompresi uap spesifik memiliki dua keuntungan tambahan. Pertama, mereka memanfaatkan energi panas yang besar diperlukan untuk mengubah cairan menjadi uap sehingga kita dapat menghapus banyak panas dari ruang ber-air conditioner. Kedua, sifat isotermal penguapan memungkinkan ekstraksi panas tanpa menaikkan suhu fluida kerja dengan suhu apa pun yang sedang didinginkan. Ini adalah keuntungan karena lebih dekat suhu fluida kerja mendekati bahwa dari lingkungan, semakin rendah laju perpindahan panas. Proses isotermal memungkinkan tingkat tercepat perpindahan panas. Siklus pendinginan yang ideal terlihat seperti sebuah Mesin Carnot terbalik atau Rankine siklus mesin panas terbalik. Perbedaan utama adalah bahwa siklus pendinginan kurang turbin, menggunakan throttle sebaliknya untuk memperluas fluida kerja. Tentu saja, turbin dapat dimasukkan ke dalam siklus pendinginan jika dapat dirancang untuk menangani cairan, namun output pekerjaan yang berguna biasanya terlalu kecil. Siklus beroperasi pada dua tekanan, Phigh dan Membajak, dan statepoints ditentukan oleh kebutuhan pendinginan dan sifat-sifat fluida kerja. Kebanyakan pendingin yang dirancang sedemikian rupa sehingga mereka memiliki tekanan uap yang Fakultas Teknik UMB 24
relatif tinggi pada suhu aplikasi khas untuk menghindari kebutuhan untuk mempertahankan vakum yang signifikan dalam siklus pendinginan. 2.7 Skema Alat Peraga Udara dingin Kipas Pipa ½ Drier Pipa ½ Udara Panas Exhaust Exhaust Evaporator Kondensor Pipa 5/8 Pipa 3/8 Kompresor Penggerak V-Belt Motor Diesel Gambar 2.15 Skema alat peraga Fakultas Teknik UMB 25