BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Air Conditioner Air Conditioner (AC) digunakan untuk mengatur temperatur, sirkulasi, kelembaban, dan kebersihan udara didalam ruangan. Selain itu, air conditioner juga berfungsi untuk mempertahankan kondisi udara, baik temperatur maupun kelembabannya. Temperatur yang dihasilkan air conditioner, pada umumnya lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Sehingga, akan menimbulkan beda temperatur yang mengakibatkan terjadinya perpindahan energi (kalor). Air Conditioner dimanfaatkan sebagai pemberi kenyamanan. Di lingkungan tempat kerja, AC juga dimanfaatkan sebagai salah satu cara dalam upaya peningkatan produktivitas kerja. Karena dalam beberapa hal, manusia membutuhkan lingkungan udara yang nyaman untuk dapat bekerja secara optimal. Tingkat kenyamanan suatu ruangan juga ditentukan oleh temperatur, kelembaban, sirkulasi dan tingkat kebersihan udara. AC split merupakan salah satu jenis dari sistem pendingin udara. AC split memiliki bentuk yang terdiri dari indoor unit dan outdoor unit. Evaporator dan alat ekspansi terletak di indoor unit. Sedangkan kompresor dan kondenser terletak di outdoor unit. Biasanya digunakan pipa berdiameter 3 inch untuk menghubungkan indoor unit dan outdoor unit tersebut. Kelebihan utama AC split adalah zoning yaitu penetapan ruangan dimana kita dapat mendinginkan ruang-ruang tersendiri. 2.2 Sistem Refrigerasi Kompresi Uap AC Split menggunakan sistem refrigerasi kompresi uap yang memiliki empat komponen penting, yaitu kondenser, alat ekspansi, evaporator, dan kompresor. Sistem ini menggunakan refrigeran sebagai bahan pendingin, yakni suatu senyawa yang dapat berubah fasa secara cepat dari uap ke cair Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 4
dan sebaliknya. Penjelasan lebih lengkap mengenai fungsi keempat komponen dan refrigeran akan dipaparkan pada sub bab selanjutnya. Dalam sistem refrigerasi kompresi uap, kompresor memompa refrigeran dari temperatur dan tekanan rendah menjadi temperatur dan tekanan tinggi, kemudian refrigeran masuk ke dalam kondenser yang membuang kalor ke lingkungan. Kemudian refrigeran masuk ke dalam alat ekspansi yang menurunkan temperatur dan tekanan. Setelah keluar dari alat ekspansi, refrigeran masuk ke evaporator yang menyerap kalor dari ruangan atau benda disekitarnya. Setelah refrigeran keluar dari evaporator, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan proses-proses berikutnya terus berulang. Siklus tersebut digambarkan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Siklus refrigerasi kompresi uap 2.2.1 Komponen-komponen Sistem Refrigerasi Kompresi Uap 1. Evaporator Evaporator adalah komponen yang berfungsi mengambil kalor dari suatu ruangan atau benda disekitarnya. Pada evaporator terjadi perubahan fasa refrigeran dari cair menjadi uap. Evaporator dapat berupa koil tanpa sirip (bare pipe coil), koil bersirip (finned coil), plat (plate evaporator), shell and coil, atau shell and tube evaporator. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 5
Jenis koil pada AC split LG-S10INV-2 berupa koil bersirip (finned coil). 2. Kompresor Kompresor berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan uap refrigeran yang berasal dari evaporator. Penambahan tekanan uap refrigeran dengan kompresor, dimaksudkan agar refrigeran dapat mengembun pada temperatur yang relatif tinggi. Refrigeran yang masuk ke dalam kompresor harus benar-benar berfasa uap. Adanya cairan yang masuk ke kompresor dapat merusak piston, silinder, piston ring, dan batang torak. Kompresor pada sistem refrigerasi dapat berupa kompresor torak (reciprocating compresor), rotary, scrol, screw, dan centrifugal. 3. Kondenser Kondenser yaitu alat penukar kalor yang berfungsi untuk melepaskan kalor dari refrigeran, sehingga refrigeran berubah fasa dari uap menjadi cair. Pada kondenser berpendingin udara (air cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke udara. Pada kondenser berpendingin air (water cooled condenser), pembuangan kalor dilakukan ke air. Jenis kondenser pada AC split LG-S10INV-2 yaitu kondenser berpendingin udara (air cooled condenser). 4. Alat Ekspansi Komponen ini berfungsi menurunkan tekanan dan temperatur refrigeran sebelum masuk evaporator. Pada alat ekspansi terjadi penurunan tekanan refrigeran akibat adanya penyempitan aliran. Alat ekspansi dapat berupa pipa kapiler, katup ekspansi termostatik (TXV, thermostatic expansion valve), katup ekspansi automatik, maupun katup ekspansi manual. 5. Akumulator Komponen ini berfungsi mencegah masuknya refrigeran cair ke dalam kondenser, dengan cara memisahkan refrigeran cair dan refrigeran uap yang berasal dari evaporator. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 6
6. Strainer Komponen ini berfungsi menyaring kotoran dan menghilangkan uap air yang kemungkinan masih tertinggal pada sistem refrigerasi. Strainer dipasang pada liquid line, yakni saluran yang menghubungkan antara keluaran kondenser dengan alat ekspansi. 7. Refrigeran ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi. 2.2.2 Proses-Proses yang Terjadi pada Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Proses-proses yang terjadi pada sistem refrigerasi kompresi uap adalah proses kompresi, proses kondensasi, proses ekspansi, dan proses evaporasi. Penjelasan secara lebih terperinci mengenai keempat proses tersebut akan dipaparkan selanjutnya. Proses-proses tersebut digambarkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Bagan siklus refrigerasi dengan perubahan tekanan Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 7
1. Proses kompresi (1-2) Proses ini dilakukan oleh kompresor. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi, refrigeran akan menjadi uap bertekanan tinggi dan temperatur ke luar kompresor pun meningkat. 2. Proses Kondensasi (2-3) Proses ini berlangsung di dalam kondenser. Refrigeran yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang berasal dari kompresor akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondenser terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. 3. Proses ekspansi (3-4) Proses ekspansi terjadi setelah proses kondensasi. Refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi akibat keluaran dari kondenser akan mengalami penurunan tekanan dan temperatur oleh alat ekspansi. 4. Proses Evaporasi (4-1) Proses ini berlangsung di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Selanjutnya, refrigeran kembali ke dalam kompresor dan terus bersirkulasi. 2.3 Pengertian Air Conditioner Inverter Pada sistem pendingin udara terdapat unit luar yang didalamnya terdapat kompresor yang diputar menggunakan motor listrik. Motor listrik yang digunakan merupakan jenis motor listrik AC yang menggunakan sumber bolak-balik untuk menjalankannya. Motor listrik AC memiliki karakteristik daya listrik yang dibutuhkannya akan sebanding dengan kecepatan putarannya dan torka (ukuran kekuatan dari putaran motor tersebut), artinya Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 8
semakin besar motor tersebut memutar sesuatu maka semakin besar pula daya listrik yang dikonsumsinya. Dengan menggunakan inverter, maka sumber arus bolak-balik yang mensuplai motor dapat diatur besarannya, dengan cara sumber dari PLN disearahkan terlebih dahulu menggunakan penyearah, kemudian dibuat menjadi bolak-balik dengan menggunakan inverter. Besar putaran motor kompresor yang menggunakan arus DC dapat bervariasi sesuai kebutuhan, sedangkan motor arus AC memiliki nilai yang konstan. Kompresor di dalam outdoor unit mengubah tingkat kompresi refrigeran, maka dalam proses tersebut dimungkinkan pengaturan temperatur. Pengaturan ini diperoleh dari pengubahan kecepatan motor di dalam kompresor. Karena kecepatan motor dapat dikontrol dengan halus pada berbagai tingkat, kerja kompresor akan disesuaikan secara otomatis sesuai beban pendinginan. Kecepatan putaran motor sebanding dengan frekuensi sumbernya, sedangkan besar torka motor sebanding dengan arus yang mengalir. Karena dapat mengatur besar arus dan frekuensi sumber, akibatnya daya listrik yang masuk ke motor dapat diatur besarannya sesuai dengan kebutuhan beban yang harus diputar oleh motor. Inverter mampu menyesuaikan konsumsi listrik sesuai jumlah orang atau panas ruangan. Ketika temperatur di dalam ruangan mencapai level yang diinginkan, AC inverter dapat mengoperasikan kompresor pada kecepatan rendah dan mempertahankan temperatur yang diinginkan, dengan demikian akan menghemat daya. AC inverter mampu mengatur penggunaan listrik sesuai kebutuhan secara otomatis, sehingga tidak harus selalu terbebani daya besar. Hal ini berbeda dengan penyejuk udara yang tidak menggunakan inverter, motor digerakkan dengan daya penuh setiap saat, pengaturan temperatur dilakukan dengan mematikan motor ketika temperatur ruangan sudah tercapai dan menyalakannya kembali dengan daya maksimal ketika temperatur sudah mulai naik. Perbedaan pengaturan temperatur pada inverter dan konvensional dapat dilihat pada Gambar 2.3. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 9
Gambar 2.3. Perbedaan pengaturan temperatur AC inverter dan non-inverter 2.4 Psikometrik Psikometrik adalah suatu istilah yang berkaitan dengan sifat termodinamika udara basah serta dapat menganalisis kondisi dan proses-proses yang melibatkan udara basah. Dalam perancangan sistem tata udara, psikrometrik dapat digunakan untuk menentukan kondisi dan debit udara catu, kondisi udara keluar koil pendingin, kondisi udara masuk koil pendingin, bypass factor, temperatur titik embun alat (apparatus dew point), dan beban total yang harus ditanggung oleh koil pendingin. Kondisi udara catu, kondisi udara keluar koil, kondisi udara masuk koil pendingin, bypass factor, dan temperatur titik embun alat dapat dimanfaatkan untuk menentukan kondisi kerja mesin pendinginan. Contoh dari diagram psikometrik, dapat dilihat pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 10
. Gambar 2.4. Diagram psikometrik (Carrier) Gambar 2.5. Diagram psikometrik Gambar 2.4 dan 2.5 menunjukkan gambar diagram psikometrik sederhana. Sumbu datar di bagian bawah menyatakan t db (dry bulb themperatur). Pada bagian kiri dengan arah miring terdapat skala entalpi dan t wb (wet bulb themperatur). Sumbu tegak sebelah kanan menyatakan rasio kelembaban udara, yang merupakan perbandingan berat uap air yang tekandung di udara dengan berat udara kering. Pada sumbu ini juga sering kali dilengkapi dengan skala rasio kalor sensibel atau SHR (sensible heat ratio). Selanjutnya gari-garis lengkung di dalam diagram menyatakan skala kelembaban relatif atau RH (relative humidity). Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11
2.4.1 Proses-Proses Psikometri Gambar 2.6. Proses-proses udara Dari Gambar 2.6 dapat dijelaskan proses-proses yang dialami oleh udara sebagai berikut : a. Proses 0-1 Pemanasan Sensibel Terjadi pada udara yang mengalami pemanasan tanpa mengalami penambahan atau pengurangan uap air. Ini terjadi pada udara yang melewati koil pemanas. b. Proses 0-2 Pemanasan dan Humidifikasi Terjadi pada udara yang mengalami pemanasan disertai dengan penambahan uap air. Ini terjadi pada udara yang mendapatkan semprotan air dengan temperatur lebih tinggi dibanding temperatur tabung kering udara. c. Proses 0-3 Humidifikasi Terjadi pada udara yang tidak mengalami pemanasan maupun pendinginan tetapi terjadi penambahan uap air. Ini terjadi pada udara yang mendapatkan semprotan air dengan temperatur sama dengan temperatur tabung kering udara. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12
d. Proses 0-4 Pendinginan dan Humidifikasi Terjadi pada udara yang mengalami pendinginan dan penambahan uap air. Proses ini terjadi pada udara yang mendapatkan semprotan air alami. e. Proses 0-5 Pendinginan Sensibel Terjadi pada udara yang mengalami pendinginan tanpa disertai penambahan dan pengurangan uap air. Proses ini terjadi pada udara yang didinginkan oleh koil yang temperaturnya lebih rendah dibanding temperatur tabung keringnya tetapi sama atau lebih tinggi dari pada temperatur titik embunnya. f. Proses 0-6 Pendinginan dan Dehumidifikasi Terjadi pada udara yang mengalami pendinginan dengan pengurangan uap air. Proses ini terjadi pada udara yang didinginkan oleh koil yang temperaturnya lebih rendah dibanding temperatur titik embunnya. g. Proses 0-7 Dehumidifikasi Terjadi pada udara yang mengalami pengurangan uap air tanpa adanya pemanasan dan pendinginan. Proses ini terjadi pada udara yang melewati dehumidifier seperti silica gel, meskipun pada kenyataannya tidak dapat diwujudkan (not practical). h. Proses 0-8 Pemanasan dan Dehumidifikasi Terjadi pada udara yang mengalami pemanasan dan pengurangan uap air. Proses ini terjadi pada udara yang melewati koil pemanas dan dehumidifier. Proses pendinginan dan dehumidifikasi merupakan proses yang paling umum ditemukan dan diterapkan pada pengkondisian udara karena udara ruangan rancangan pada umumnya memiliki temperatur dan kelembaban yang lebih rendah dibanding dengan udara lingkungan. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13
Setyawan (2011:40) mengelompokkan proses-proses udara ke dalam beberapa bagian seperti dalam Tabel 2.1. Tabel 2.1. Proses-Proses Udara Proses Nama Keterangan 0-1 Pemanasan sensibel 0-2 Pemanasan dan Humidifikasi 0-3 Humidifikasi 0-4 Pendinginan dan Humidifikasi 0-5 Pendinginan Sensibel 0-6 Pendinginan dan Dehumidifikasi 0-7 Dehumidifikassi 0-8 Pemanasan dan Dehumidifikasi t db bertambah t wb bertambah Kelembaban relatif berkurang Rasio kelembaban tetap t db bertambah t wb bertambah Kelembaban relatif bertambah / berkurang / tetap Rasio kelembaban bertambah t db tetap t wb bertambah Kelembaban relatif bertambah Rasio kelembaban bertambah t db berkurang t wb bertambah/ berkurang/ tetap Kelembaban relatif bertambah Rasio kelembaban bertambah t db berkurang t wb berkurang Kelembaban relatif bertambah Rasio kelembaban tetap t db berkurang t wb berkurang Kelembaban relatif bertambah / berkurang / tetap Rasio kelembaban berkurang t db tetap t wb berkurang Kelembaban relatif berkurang Rasio kelembaban berkurang t db bertambah t wb bertambah/ berkurang/ tetap Kelembaban relatif berkurang Rasio kelembaban berkurang Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14
2.5 Kapasitas Pendinginan Gambar skematik proses pendinginan secara sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.7 Koil Pendingin 1 2 Gambar 2.7. Skematik proses pendinginan Proses Pendinginan dan Penurunan Kelembaban (Cooling dan Dehumidifikasi), yaitu proses yang 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. Contoh dari proses pendinginan dan penurunan kelembaban dapat dilihat pada Gambar 2.8. h1 h2 h dan WBT 1 W 2 DBT Gambar 2.8. Pendinginan dan Penurunan Kelembaban Secara umum, jika udara didinginkan dari kondisi 1 ke kondisi 2. Maka dapat dihitung kapasitas pendinginannya menggunakan: q d.a = ṁ d.a x h d.a... (1) atau q d.a = ṁ d.a x (h 1 - h 2 )...(2) Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15
dengan : q d.a = daya yang dilepas oleh udara, [W]. ṁ d.a = laju aliran massa udara kering, [kg d.a/s]. h 1 = entalpi udara kering pada kondisi 1, [kj/kg d.a]. h 2 = entalpi udara kering pada kondisi 2, [kj/kg d.a]. h = selisih entalpi udara kering kondisi 1 dan kondisi 2, [kj/kg d.a]. dengan laju aliran massa udara kering: ṁ d.a = ρ d.a x Q d.a... (3) ṁ d.a = laju aliran massa udara kering, [kg d.a/s]. ρ d.a = massa jenis udara kering, [kg d.a/m 3 ]. Q d.a = debit udara kering, [m 3 /s d.a]. dengan debit udara kering: Q d.a = V d.a x A...(4) Q d.a = debit udara kering, [m 3 /s d.a]. V d.a = kecepatan aliran udara kering, [m/s d.a]. A = luas permukaan, [m 2 ]. Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 16