BAB II DASAR TEORI 2.1 Hot and Cool Water Dispenser Hot and cool water dispenser merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mengkondisikan temperatur air minum baik dingin maupun panas. Sumber airnya berasal dari kemasan botol kosong atau dikenal dengan istilah galon berisi 19 liter air mineral. Temperatur air panas yang dihasilkan dispenser berkisar antara 65-75 C, sedangkan temperatur air dinginnya berkisar antara 10-15 C. Sirkulasi aliran air pada dispenser tidak menggunakan pompa melainkan dengan menggunakan prinsip gravitasi. Pada sistem pendingin, digunakan sistem refrigerasi kompresi uap sedangkan untuk sistem pemanasnya menggunakan pemanas listrik (electric heater). Selang pemipaan air terbuat dari bahan silikon berkualitas food grade serta bahan penampungan air (water tank) terbuat dari bahan stainless steel agar kualitas air tetap higienis untuk menghindari partikel-partikel debu yang dapat membahayakan kesehatan manusia dari segi kualitas air yang dikonsumsi. Skematik dispenser pada umumnya ditunjukan oleh Gambar 2.1. Keterangan : 1. Galon air 2. Tangki air dingin 3. Insulasi evaporator 4. Evaporator 5. Keluaran air dingin 6. Kondenser 7. Heater 8. Keluaran air panas Gambar 2.1 Schematic Dispenser Air Minum pada Umumnya Politeknik Negeri Bandung 4
2.2 Siklus Refrigerasi Kompresi Uap pada Dispenser Pada prinsipnya, sistem refrigerasi kompresi uap merupakan suatu sistem yang menggunakan kompresor sebagai alat kompresi refrigeran. Pada dasarnya sistem ini bekerja dengan memanfaatkan sifat refrigeran, dimana pada tekanan dan temperatur refrigeran yang rendah, fasa refrigeran dapat berubah menjadi uap dengan cara menarik kalor dari tempat yang didinginkan. Pada saat tekanan tinggi, temperatur refrigeran (saturasi) tinggi, fasa refrigeran akan berubah menjadi cair dengan cara membuang kalor ke lingkungan sekitar. Untuk menciptakan sisi tekanan tinggi diperlukan suatu alat kompresi (kompresor) sedangkan untuk menurunkan tekanan dari tekanan tinggi ke tekanan rendah digunakan alat ekspansi.[1] Berdasarkan hal di atas, maka sistem kompresi uap ini terdiri dari beberapa langkah kerja, yaitu: Proses kompresi Proses kondensasi (pengembunan) Proses ekspansi Proses evaporasi (penguapan) proses tersebut berlangsung terus-menerus menghasilkan suatu siklus seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.2 di bawah ini. Gambar 2.2 Siklus Sistem Refrigerasi Kompresi Uap Politeknik Negeri Bandung 5
Prinsip prinsip utama dari Gambar 2.2 adalah: 2.2.1 Proses Kompresi Proses 1-2 adalah proses kompresi. Uap refrigeran bertekanan rendah dari evaporator akan dihisap oleh kompresor untuk dikompresi. Keluaran dari kompresor, refrigeran akan memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi. Perlu diingat bahwa proses ini terjadi secara isentropic (entropi konstan) dan mengalami perubahan entalpi karena di evaporator terjadi perubahan uap dari uap jenuh menjadi uap superheat (panas lanjut). Proses tersebut ditunjukan pada Gambar 2.3. [1] P T KOMPRESOR P T QW W Gambar 2.3 Proses Kompresi Kerja yang dilakukan kompresor: W =.q w W = (h 2 h 1 ) dimana, = laju aliran massa refrigeran (kg/s) q w = besarnya kerja kompresi yang dilakukan (kj/kg) h 1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kj/kg) h 2 = entalpi refrigeran saat keluaran kompresor (kj/kg) Politeknik Negeri Bandung 6
2.2.2 Proses Kondensasi (pengembunan) Proses 2-3 adalah proses kondensasi. Uap superheat yang berasal dari saluran discharge (saluran keluaran kompresor) mengalami proses yang dinamakan kondensasi. Akan tetapi, uap refrigeran superheat tadi akan mengalami pendinginan terlebih dahulu dengan melepaskan kalor sensibel ke lingkungannya sehingga menjadi uap jenuh yang siap diembunkan. Keadaan refrigeran yang mempunyai tekanan dan temperatur uap jenuh yang tinggi akan berubah fasa menjadi cair dengan melepas kalor laten ke lingkungan sekitarnya. Proses kondensasi ini terjadi pada tekanan dan temperatur yang konstan. Proses kondensasi ditunjukan pada Gambar 2.4. [1] Qc P T Uap Superheated KONDENSOR P T Refrigeran Cair Jenuh QW Gambar 2.4 Kalor yang dilepas di Kondenser Kalor yang dilepaskan di kondenser: Q c =. q c Q c = (h 2 h 3 ) dimana, q c = besarnya panas dilepas di kondenser (kj/kg) = laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 2 = entalpi refrigeran saat masuk kondenser (kj/kg) h 3 = entalpi refrigeran saat keluar kondenser (kj/kg) Politeknik Negeri Bandung 7
2.2.3 Proses Ekspansi Proses 3-4 adalah proses ekspansi. Proses ini terjadi dalam entalpi yang konstan, artinya tidak ada kalor yang dibuang atau diterima. Pada proses ini, tekanan dan temperatur refrigeran cair diturunkan sehingga fasanya berubah menjadi campuran (cair dan gas). Refrigeran yang berfasa campuran selanjutnya akan mengalami proses evaporasi. Proses ekspansi tersebut ditunjukan oleh Gambar 2.5. [1] Gambar 2.5 Proses Entalpi Konstan 2.2.4 Proses Evaporasi Proses 4-1 adalah proses evaporasi. Refrigeran yang telah diturunkan tekanan dan temperaturnya akan mengalami komposisi di dalamnya. Pada proses ini terjadi penambahan uap pada refrigeran, sehingga fasa refrigeran adalah campuran antara cair dan uap. Dengan menarik kalor dari tempat yang didinginkan, maka fasanya akan berubah menjadi uap seluruhnya sampai menjadi uap jenuh. Proses evaporasi ditunjukan oleh Gambar 2.6. [1] EVAPORATOR Refrigeran Cair P T Q Qe Gambar 2.6 Kalor yang diserap di Evaporator Politeknik Negeri Bandung 8
Kalor yang diserap di evaporator: Q e =.q e Q e =.(h 1 h 4 ) dimana, q c = efek pendinginan (kj/kg) = laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kj/kg) h 4 = entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kj/kg) 2.3 Komponen pada Dispenser Komponen yang terdapat pada dispenser meliputi komponen utama, komponen pendukung mekanik dan komponen pendukung kelistrikan. 2.3.1 Kompresor Kompresor yang digunakan berkapasitas 1 / 8 PK dengan jenis hermetik tipe reciprocating seperti terlihat pada Gambar 2.7. Gambar 2.7 Kompresor 2.3.2 Kondenser Kondenser pada sistem merupakan tipe konveksi alami. Proses pembuangan kalor ke lingkungan yang dilakukan tanpa bantuan fan. Gambar kondenser ditunjukan oleh Gambar 2.8. Gambar 2.8 Kondenser Politeknik Negeri Bandung 9
2.3.3 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. Gambar pipa kapiler ditunjukan oleh Gambar 2.9. Gambar 2.9 Pipa Kapiler 2.3.4 Evaporator Evaporator pada sistem merupakan evaporator tipe bare tube. Proses penyerapan kalor dari produk yang akan didinginkan langsung dililitkan pada water tank. Gambar evaporator ditunjukan oleh Gambar 2.10. Gambar 2.10 Evaporator Bare Tube 2.3.5 Refrigeran Refrigeran dalam sistem refrigerasi berfungsi sebagai media pendingin. Cara kerja dari refrigeran itu sendiri adalah dengan cara menyerap panas dari benda/udara/ruang dan membuang panas tersebut ke benda/bahan lain/udara luar, umumnya dengan cara mengubah fasa. Politeknik Negeri Bandung 10
]] Selain Laporan Tugas Akhir Jenis refrigeran yang digunakan dalam dispenser pengujian adalah R-134a. Berikut syarat-syarat pemilihan refrigeran: [2] 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-pipanya harus kuat dan kemungkinan bocor besar) 3. Mempunyai tekanan penguapan yang sedikit lebih tinggi dari tekanan atmosfer. 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. terdapat komponen utama, terdapat komponen pendukung pada sistem refrigerasi dan kelistrikan, diantaranya sebagai berikut: 2.3.6 Strainer Strainer merupakan komponen pendukung yang memiliki peranan cukup penting pada sistem refrigerasi kompresi uap berkapasitas kecil. Fungsi dari komponen ini adalah sebagai penyaring kotoran yang terdapat di dalam sistem. Gambar strainer ditunjukan oleh Gambar 2.11. Gambar 2.11 Strainer Politeknik Negeri Bandung 11
2.3.7 Pressure Gauge Alat bantu mekanik ini berfungsi sebagai penunjuk tekanan kerja pada sistem. Tekanan yang terbaca pada pressure gauge adalah tekanan gauge bukanlah tekanan absolut. Terdapat 2 jenis pressure gauge yaitu high pressure gauge untuk membaca tekanan kerja tinggi dan low pressure gauge untuk membaca tekanan kerja rendah pada sistem. Gambar pressure gauge ditunjukan oleh Gambar 2.12. Gambar 2.12 Low and High Pressure Gauge 2.3.8 Hand Valve Alat ini merupakan sebuah katup manual yang dipakai untuk membuka dan menutup aliran fluida yaitu refrigeran secara manual dengan menggunakan tangan. Gambar hand valve ditunjukan oleh Gambar 2.13. Gambar 2.13 Hand Valve 2.3.9 Thermostat Fungsi dari thermostat ini sebagai penghubung atau pemutus arus listrik motor kompresor. Cara kerja alat ini dengan Politeknik Negeri Bandung 12
cara mengatur temperatur produk yang diinginkan, ketika temperatur tercapai maka secara otomatis motor kompresor akan berhenti bekerja. Gambar thermostat ditunjukan oleh Gambar 2.14. Gambar 2.14 Thermostat 2.3.10 kwh Meter Fungsi dari kwh meter sebagai alat ukur konsumsi energi listrik. Dengan menggunakan kwh meter, proses penghematan konsumsi energi listrik akan terlihat dari nilai energi yang ditunjukkan pada kwh meter. Gambar kwh meter ditunjukan oleh Gambar 2.15. Gambar 2.15 kwh Meter 2.3.11 MCB (Mini Circuit Breaker) MCB adalah suatu alat yang digunakan untuk pengaman terhadap beban lebih atau arus hubung singkat. Jika terjadi arus beban lebih/hubung singkat, MCB ini akan bekerja memutuskan rangkaian dari sumber tegangan, sehingga sistem kita akan aman dari kerusakan yang akan timbul dari sistem kelistrikan. Gambar Politeknik Negeri Bandung 13
MCB ditunjukan oleh Gambar 2.16. Gambar 2.16 Mini Circuit Breaker 2.3.12 Voltmeter dan Amperemeter Voltmeter berfungsi untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dipakai pada sistem. Dalam hal ini besar tegangan listrik yang terjadi ± 220 volt. Sedangkan amperemeter berfungsi untuk mengukur arus listrik yang dipakai pada sistem. Gambar voltmeter dan amperemeter ditunjukan oleh Gambar 2.17. Gambar 2.17 Voltmeter dan Amperemeter 2.3.13 Switch Switch berfungsi untuk memutuskan dan menyambungkan arus listrik pada sistem. Gambar switch ditunjukan oleh Gambar 2.18. Gambar 2.18 Switch Politeknik Negeri Bandung 14
2.3.14 Lampu Indikator Lampu indikator merupakan indikator untuk mengetahui apakah sistem telah dialiri arus listrik atau tidak yang ditandai oleh nyalanya lampu. Gambar lampu indikator ditunjukan oleh Gambar 2.19. Gambar 2.19 Lampu Indikator 2.4 Alat Penukar Kalor Pipa Ganda (Tube in Tube Heat Exchanger) Tr in Tw out Tr out Fluida a Fluida b Tw in Gambar 2.20 Tube in Tube Heat Exchanger Penukar kalor seperti yang ditunjukan Gambar 2.20 adalah jenis penukar kalor yang dirancang. Penukar kalor ini terdiri dari dua buah pipa yang di dalamnya berisikan dua jenis fluida yang berbeda (pipa ganda). Pipa satu berdiameter besar yang di dalamnya dialiri oleh fluida a dan satu pipa lagi berdiameter lebih kecil yang di dalamnya dialiri oleh fluida b. Aliran penukar kalor jenis ini terdapat dua buah aliran, yaitu counter flow dan parallel flow. [3] Perancangan alat penukar kalor pada dispenser ini akan menggunakan metode aliran counter flow. Dimana aliran fluida a berlawanan arah dengan fluida b. Fluida a yaitu refrigeran dan fluida b yaitu air. Temperatur refrigeran hasil kerja kompresor yang tinggi akan Politeknik Negeri Bandung 15
menaikkan temperatur air yang akan masuk ke pemanas air (heater). Dengan kenaikan temperatur air sebelum masuk heater, waktu kerja heater akan berkurang yang berdampak terciptanya penghematan energi listrik. Energi yang diserap oleh air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.1 di bawah. [4] Q air = m. C p. T air... (2.1) dimana, Q air = Banyaknya kalor yang diperlukan/dilepaskan (kj) m = massa air (kg) = kalor spesifik air (kj/kg. C) T air = selisih temperatur air keluar dan air masuk ( C) Politeknik Negeri Bandung 16