BAB II LANDASAN TEORI.1 Latar Belakang Pengkondisian udaraa pada kendaraan mengatur mengenai kelembaban, pemanasan dan pendinginan udara dalam ruangan. Pengkondisian ini bertujuan bukan saja sebagai penyejuk ruangan dalam arti secara umum juga memberikan kenyamanan yang lebih besar, sehingga mampu mengurangi keletihan pengendara yang efeknya untuk meningkatkan keamanan bagi pengendaraa itu sendiri. Sistem pengkondisian udara pada kendaraan umumnya terdiri dari evaporator, kompresor, kondensor, receiver drier dan kadang-kadang dilengkapi elemen pemanas yang tergabung menjadi satu dalam evaporatorr housing, seperti terlihat pada gambar berikut : Gambar.1 Instalasi Pengkondisian Udara Pada Kendaraan
. Komponen Utama Secara umum terdapat beberapa komponen utama dalam system pengkondisian udara pada kendaraan, seperti terlihat pada gambar berikut : Gambar.3 Komponen- komponen Utama dari Sistem..1 Kompresor Fungsi kompresor adalah meningkatkan tekanan refrigeran agar mampu mencapai saluran-saluran dan komponen-komponen lainnya. Kaji eksperimental ini memakai kompresor torak (Reciprocating Compressor), Pemilihan ini didasarkan kemudahan mendapatkannya dan banyak dipakai dalam system pengkondisian udara pada kendaraan. Pada kompresorr torak terdapat silinder, di mana torak bergerak bolak-balik di dalamnya. Gerakan ini diperoleh dari gerak putar engkol yang digerakkan mesin. Saat langkah hisap, torak bergerak ke bawah sehingga terjadi penurunan tekanan di dalam silinder tepatnya antara puncak torak dengan kepala silinder. Sehingga katup hisap terbuka dan refrigeran terhisap masuk ke dalam silinder. Pada langkah tekan torak bergerak ke atas dan memampatkan refrigeran uap, kemudian mendorong uap
refrigeran melalui katup tekan demikian seterusnya siklus ini berlangsung. Kompresor jenis ini dapat dilihat pada gambar berikut : Referigeran hose connections Service valve Referigeran hose connections Gambar.4 Kompresor Torak Silinder.. Kondensor Kondensor berfungsi mencairkan uap refrigeran bertekanan dan bertemperatur tinggi dari kompresor dengan melepaskan kalor laten pengembunan. Pada komponen ini, bila beban kalor dibawah rata-rata kemampuan pengkondisian udara yang dipakai, maka sekitar dua pertiga bagian atas kondensor akan terdiri dari uap panas refrigeran sedangkan satu per tiga bagian bawah terdiri dari refrigeran cair. Konstruksi kondensor yang dipakai dalam alat uji terbuat dari bahan aluminium yang dibuat berbelok-belok dengan dipasangi sirip-sirigambar berikut dari aluminium. Komponen ini dapat dilihat seperti pada : Aluminium tabung Inlet Fins Outlet
Gambar.5 Kondensor Tipe fin and tube..3 Evaporator Evaporator adalah alat penukar kalor di dalam siklus pengkondisian udara yang berfungsi mendinginkan media di sekitarnya. Evaporator dapat dibagii dalam beberapa golongan sesuai dengan keadaan refrigeran yang ada di dalamnya, seperti jenis ekspansi kering, jenis setengah basah dan jenis basah. Evaporator yang dipakai dalam peralatan pengujian adalah jenis pengujian setengah basah yaitu evaporator yang selalu terdapat refrigeran cair dalam pipa penguapannya dan biasanya refrigeran dimasukkan dari bagian bawah koil evaporator. Pemilihannya berdasarkan pada kemudahan memperoleh di pasaran dan banyak dipakai dalam pengkondisian udara dalam kendaraan. Evaporator ini dapat dilihat pada gambar berikut : Inlet Aluminium tabung Fins Gambar.6 Evaporator fin and tube..4 Receiver drier Komponen ini dipasang pada saluran cair bertekanan tinggi antara kondensor dan katup ekspansi. Berfungsi untuk menyerap kelembaban, menyaring material asing yang ikut bersirkulasi dalam sistem dan menampung kelebihan refrigeran. Konstruksinya berupa tabung besi atau aluminium yang dilas pada bagian atas dan bawah permukaannya. Di dalamnya terdapat zat pengering (desiccant) yang berguna menyerap dan menghilangkan uap air yang ada di dalam refrigeran. Secara umum zat
ini terbuat dari silica gel. Pada bagian atas receiver terdapat kaca penduga (sight glass) yang berguna untuk memeriksa tingkat dan kondisi dari pengisian refrigeran. Komponen yang umum dipakai ditunjukkan sebagai berikut : In Tampak atas Driyer Filter pads Gambar.7 Receiver drier dan bagiannya.3 Refrigeran
Refrigeran adalah substansi yang dipakai dalam system pengkondisian udara, refrigeran yang akan dibicarakan di sini adalah refrigeran primer yaitu refrigeran yang dipakai dalam system, bukan refrigeran sekunder yang berperan sebagai media pada perpindahan panas dari obyek pendinginan. Persyaratan refrigeran ideal antara lain : 1. Tekanan penguapan harus cukup tinggi Sebaiknya refrigeran memiliki temperatur penguapan pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetric karena naiknya perbandingan kompresi.. Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi Apabila tekanan pengembunan rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah sehingga penurunan prestasi kompresor dapat dihindarkan. Selain itu, dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya. 3. Kalor laten penguapan harus tinggi Refrigeran yang memiliki kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi lebih kecil. 4. Volume spesifik (terutama dalam fase gas) yang cukup kecil. Refrigerasi yang memiliki kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi lebih kecil. 5. Koefisien prestasi harus tinggi. 6. Koefisien prestasi harus tinggi. Sifat ini mempengaruhi kinerja penukar kalor (evaporator dan kondensor). Refrigeran dengan konduktivitas termal tinggi, lebih diinginkan dalam suatu refrigerasi. Sebab dapat menghasilkan kinerja penukar kalor yang baik (pada beda temperatur yang kecil antara penukar kalor yang baik) pada beda temperatur yang kecil antara penukar kalor (refrigeran) dan lingkungan, mampu menghasilkan laju perpindahan panas yang besar. 7. Viskositas yang rendah dalam fase cair maupun fase gas
8. Refrrigeran dengan viskositas rendah lebih baik dalam system refrigerasi, karena dalam alirannya refrigeran akan mengalami tahanan yang kecil. Hal tersebut akan memperkecil rugi aliran dalam pipa. 9. Refrigeran tidak beracun dan berbau merangsang 10. Refrigeran tidak mudah terbakar dan mudah didapat Prinsip kerja dan kondisi refrigeran dari sistem pengkondisian udara pada kendaraan, ditunjukkan seperti gambar berikut : Condensor Compresor Evaporator Expansion Valve High Pressure Vapor High Pressure Liquid Low Pressure Liquid Low Pressure Vapor Receiver drier Gambar. Kondisi Refrigeran di Setiap Komponen Refrigeran uap bertekanan rendah dihisap kompresor melalui katup hisap (suction valve), lalu dikompresi menjadi refrigeran uap bertekanan tinggi dan dikeluarkan melalui katup buang (discharge valve) menuju kondensor, kalor dari refrigeran uap akan diserap oleh udara yang dilewatkan pada sirip-sirip kondensor, sehingga refrigeran berubah fase
menjadi cair namun tetap bertekanan tinggi. Sebelum, memasuki katup ekspansi, refrigeran terlebih dahulu dilewatkan suatu penyaring (filter drier). Refrigeran cair bertekanan rendah yang keluar dari katup ekspansi kemudian memasuki evaporator. Di sini terjadi penyerapan kalor dari udara yang dilewatkan pada sirip-sirip evaporator, sehingga refrigeran berubah fase menjadi refrigeran uap. Selanjutnya memasuki kompresor melalui sisi hisap, demikian ini berlangsung..4 Analisa Sistem Kompresi Uap Siklus kompresi uap merupakan siklus yang paling banyak digunakan dalam siklus refrigerasi. Siklus refrigerasi menyalurkan energi dari suhu rendah menuju suhu yang lebih tinggi siklus refrigerasi membutuhkan kerja luar untuk mendapatkan kerja. Diagram peralatan, diagram entalpi suhu dari siklus refrigerasi diperlihatkan pada gambar.8 berikut ini : Kalor menuju lingkungan yang bersuhu tinggi 3 Kondensor Kerja Katup Ekspansi Compresor Kerja Evaporator 4 1 Kalor dari sumber bersuhu rendah Suhu ( 0 K) 3 1 4 Entropi (Kj/kg K) Proses siklus refrigerasi carnot : 1- Kompresi adiabatic -3 Pelepasan kalor isotermal 3-4 Ekspansi adiabatic 4-1 Pemasukan kalor isotermal
Gambar.8 Siklus Refrigerasi Carnot Dan Diagram Suhu Entropi Refrigerasi Carnot (Ref. 5 Hal 179) Tujuan utama system refrigerasi Carnot adalah proses 4-1 penyerapan dari sumber bersuhu rendah. Seluruh proses lainnya pada siklus tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga energi bersuhu rendah dapat dikeluarkan ke lingkungan yang bersuhu lebih tinggi.4.1 Siklus Kompresi Uap Teoritis Siklus teoritis mengasumsikan bahwa : 1. Uap refrigeran yang keluar dari evaporator dan masuk kompresor merupakan uap jenuh pada tekanan dan temperatur penguapan.. Refrigeran keluar kondensor dan masuk ke alat ekspansi berupa cairan jenuh pada tekanan dan temperatur pengembunan 3 Kondensor Katup Ekspansi 1 4 Evaporator Kompresor Tekanan (kpa) Suhu ( 0 K ) 3 Pengembunan 3 Ekspansi 4 Penguapan 1 Kompresi 4 1 Entalpi (kj/ kg) Entropy (kj/ kg K)
Gambar.9 Skema Siklus Kompresi Uap, Diagram Tekanan Entalpi Dan Suhu Entropi (Ref. 5 Hal 187) Beberapa proses yang bekerja pada siklus refrigerasi : 1. Proses kompresi Proses kompresi berlangsung dari titik 1 ke titik. Pada siklus teoritis diasumsikan refriguran tidak mengalami perubahan kondisi selama mengalir di jalur hisap. Pada proses ini uap refrigeran pada tekanan evaporasi dikompresi sampai pada tekanan kondensasi. Proses kompresi diasumsikan isentropic sehingga pada diagram tekanan entalpy, titik 1 dan titik berada pada satu garis entropy konstan. Pada titik uap refrigeran berada pada kondisi superheat. Proses kompresi memerlukan kerja luar, entalpy uap naik yaitu dari h1 ke h. Besarnya kenaikan ini sama dengan besarnya kerja mekanis yang dilakukan pada uap refrigeran.. Proses kondensasi Proses - dan -3 terjadi di kondensor. Uap panas refrigeran yang keluar dari kompresor didinginkan sampai pada temperatur kondensasi dan kemudian dikondensasikan. Titik adalah kondisi refrigeran yang keluar dari kompresor. Pada titik refrigeran berada pada kondisi uap jenuh pada tekanan dan temperatur kondensasi. Jadi proses merupakan proses pendinginan sensible dari temperatur keluar kompresor menuju temperatur kondensasi. Proses ini terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara titik dan. Proses 3 adalah proses kondensasi uap di dalam kondensor. Proses kondensasi terjadi pada tekanan konstan. Jumlah panas yang dipindahkan selama proses ini adalah beda entalpi antara -3. Besarnya panas total yang dikeluarkan di kondensor adalah jumlah antara panas yang dikeluarkan pada proses ditambah panas yang dikeluarkan pada proses - 3. Panas total ini berasal dari panas yang diserap oleh refrigeran yang menguap di dalam evaporator dan panas yang masuk karena adanya kerja mekanis pada kompresor.
3. Proses ekspansi Proses ekspansi berlangsung dari titik 3 ke titik 4. Pada siklus standar diasumsikan tidak terjadi perubahan kondisi cairan refrigeran yang mengalir di dalam jalur cairan sampai ke throttling device. Kondisi refrigeran masuk ke alat pengontrol dinyatakan oleh titik 3. Pada proses ini terjadi penurunan tekanan refrigeran dari tekanan kondensasi titik 3 menjadi tekanan evaporasi titik 4. Pada waktu cairan diekspansikan melalui alat ekspansi ke evaporator, temperatur refrigeran juga turun dari temperatur kondensasi ke temperatur evaporasi. Hal ini disebabkan oleh terjadinya penguapan sebagian cairan refrigeran selama proses ekspansi. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi adiabatic di mana entalpi fluida tidak berubah di sepanjang proses. Refrigeran pada titik 4 berada pada kondisi campuran cair-uap. 4. Proses Evaporasi Proses 4-1 adalah proses penguapan refrigeran pada evaporator atau disebut juga efek refrigerasi (RE). Proses ini berlangsung pada temperatur dan tekanan tetap..4. Siklus Kompresi Uap Nyata Siklus kompresi uap sebenarnya (nyata) berbeda dari siklus teoritis. Perbedaan ini muncul karena adanya asumsi-asumsi yang ditetapkan di dalam siklus standar. Pada siklus nyata terjadi pemanasan lanjut uap refrigeran yang meninggalkan evaporator sebelum masuk ke kompresor. Pemanasan lanjut ini terjadi akibat tipe peralatan ekspansi yang digunakan atau dapat juga karena penyerapan panas di jalur masuk antara evaporator dan kompresor. Refrigeran cair sebenarnya juga mengalami subcooling sebelum masuk alat ekspansi. Perbedaan siklus kompresi uap yang sebenarnya (nyata) terjadi dengan siklus teoritis dapat dilihat pada gambar.10 Tekanan (kpa) Bawah dingin 3 Penurunan tekanan 3 Siklus standar Siklus nyata
Gambar.10 Perbandingan Antara Siklus Standar Dan Siklus Nyata Pada Diagram Tekanan Entalpi (Ref.5 Hal 191).5 Persamaan Matematika Siklus Kompresi Uap.5.1 Persamaan Energi Aliran Steady Di dalam kebanyakan sistem refrigerasi. Laju aliran massa tidak berubah dari waktu ke waktu (kalaupun ada hanya perubahan kecil), karena itu laju aliran dapat steady. Di dalam sistem yang dilukiskan secara simbolis dalam gambar.11. Keseimbangan energinya dapat dinyatakan sebagai berikut : besarnya energi yang masuk bersama aliran di titik 1 ditambah dengan besarnya energi yang ditambahkan berupa kalor dikurangi dengan besarnya energi yang ditambahkan berupa kalor dikurangi dengan besarnya energi yang meninggalkan sistem pada titik sama dengan besarnya perubahan energi di dalam volume kendali. Ungkapan matematik untuk keseimbangan energi ini adalah dirumuskan sebagai berikut : v v 1 m h1+ + gz1 + Q m h + + gz W = de dθ (Ref. 5 hal 0) q [W] 1 m h 1 E [J] m v 1 Z1 W [W] h V z
Gambar.11 Keseimbangan Energi Pada Sebuah Volume Atur Yang Sedang Mengalami Laju Aliran Steady (Ref. 5 Hal 0) dimana : m h v z = Laju aliran massa refrigeran [kg/s] = Entalpi [J/kg] = Kecepatan [m/s] = Ketinggian [m] g = Percepatan gravitasi = [9,81 m/s ] Q W E = Laju aliran energi dalam bentuk kalor [W] = Laju aliran energi dalam bentuk kerja [W] = Energi dalam sistem [J] Oleh karena dibatasi pada masalah proses aliran steady. Maka tak ada perubahan harga E terhadap waktu, karena itu de/dθ = 0, dan persamaan energi aliran steady menjadi : v v 1 m h1 + + gz1 + Q= m h + + gz + W..(Ref. 5 hal 1).5. Proses Kompresi Proses kompresi dianggap berlangsung secara adiabatic artinya tidak ada panas yang dipindahkan baik masuk ataupun keluar system. System refrigerasi yang menggunakan proses reversible dapat dihubungkan dengan perubahan entropy, di mana hukum kedua Thermodinamika mengharuskan produksi entropy berharga positif. Pendekatan ini memungkinkan penentuan performansi yang terbaik dari system dengan berbagai idealisasi sebagai berikut :
Aliran stasioner pada tingkat keadaan stasioner Perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan Laju energi dalam bentuk kalor juga diabaikan Keseimbangan energi memungkinkan penghubung masukan kerja W = h dengan perubahan kenaikan entalpi di dalam kompresor, sehingga kerja kompresi dapat dirumuskan sebagai berikut : W = ( ) h h 1 sedangkan daya kompresor merupakan hasil kali antara kerja kompresi dengan laju aliran massa refrigerant : dimana : W Wc h 1 h ( ) Wc= m ref h h 1 (Ref. 5 hal1) = kerja kompresi [kj/kg] = Daya kompresor [kw] = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg] = Entalpi refrigeran pada titik [kj/kg] m ref = Laju aliran massa refrigeran [kg/s].5.3 Proses Evaporasi dan Kondensasi Pada proses evaporasi dan kondensasi perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan sehingga harga v / dan g.z pada titik 1 dan titik dianggap 0, serta dalam proses tersebut tidak ada kerja yang dilakukan oleh kompresor maka W = 0. Sehingga laju aliran kalor pada proses evaporasi (kapasitas pendinginan) dirumuskan sebagai berikut : ( ) Qe= m ref h 1 h 4.(Ref. 5 hal1) dimana : Qe = Laju perpindahan kalor evaporasi (kapasitas pendinginan) [kw]
h 1 = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg] h 4 = Entalpi refrigeran pada titik 4 [kj/kg] m ref = Laju aliran massa refrigeran [kg/s] laju aliran kalor pada proses kondensasi (kapasitas pengembunan) dirumuskan sebagai berikut : Q k ( ) = m ref h h 3 (Ref. 5 hal 1) dimana : Q k = Laju perpindahan kalor kondensasi (kapasitas pengembunan) [kw] h = Entalpi refrigeran pada titik [kj/kg] h 3 = Entalpi refrigeran pada titik 3 [kj/kg] m ref = Laju aliran massa refrigeran [kg/s].5.4 Throttling Process Proses ini terjadi pada pipa kapiler atau pada katup ekspansi. Pada proses ini tidak ada kerja yang dilakukan atau ditimbulkan sehingga W = 0. Perubahan energi kinetik dan potensial dianggap nol. Proses dianggap adiabatic sehingga Q = 0. Persamaan energi aliran menjadi : h 3 = h 4 [kj/kg].(ref.5 hal 1).5.5 Efek Refrigerasi Efek refrigerasi adalah besarnya kalor yang diserap oleh refrigeran dalam evaporator pada proses evaporasi, dirumuskan sebagai berikut : RE = h 1 - h 4.(Ref. 5 hal 187) Di mana : RE = Efek refrigeran [kj/kg] h 1 h 4 = Entalpi refrigeran pada titik 1 [kj/kg] = Entalpi refrigeran pada titik 4 [kj/kg]
.5.6 Koefisien Prestasi Koefisien prestasi dari sistem refrigerasi adalah perbandingan besarnya panas dari ruang pendingin (efek refrigerasi) dengan besarnya kerja yang dilakukan kompresor. Koefisien prestasi (COP) dirumuskan sebagai berikut : COP h h h h 1 4 =.(Ref. 5 hal187) 1.5.7 Perhitungan Laju Aliran Massa Refrigeran Laju aliran massa refrigeran dihitung dengan memanfaatkan laju aliran fluida keluaran evaporataor. Di sini evaporator dianggap sebagai alat penukar kalor yang berperan menyerap panas dari ruangan maupun penyuplai udara dingin dari luar ruangan. Perpindahan kalor yang terjadi pada evaporator menunjukkan adanya beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk maupun keluar dari evaporator. Berdasarkan asumsi di atas maka proses perhitungannya sebagai berikut : (Ref hal 4) 1. Kalor Yang Diserap Refrigeran Pada Evaporator Q M udara evap udara T di mana : = = = ( M udara x CPudara x T) ( V x A) x udara ( T T ) h masuk evap c masuk udara evap ρ (Ref. 3 hal 490) M udara = laju aliran massa udara (kg/dt) CP udara = Panas jenis udara (kj/kg. o C) V udara = kecepatan udara (m/dt) ρ udara = massa jenis udara (kg/m 3 ) T = beda suhu rata-rata penukar kalor ( o C) T h masuk = suhu panas masuk evaporator ( o C) T c masuk = suhu dingin masuk evaporator ( o C. Laju Aliran Massa Refrigeran Pada Evaporator
M Q ref ref evap Qref = h = Q evaporator x ε udara evap.(ref. 3 hal 501) di mana : M ref = laju aliran massa refrigeran (Kg/dt) Q ref evap = kalor yang diterima udara pada evaporator (KJ/dt) ε = efektivitas perpindahan kalor 3. Efektivitas Perpindahan Kalor Pada Evaporator ε = Q Q MAX (Ref.3 hal 498) = laju perpindahan kalor nyata Laju perpindahan kalor maximum Q = C h. ( T h masuk T h keluar ) ( KJ / dt)( Re f.3hal 499) QMAX = C c. ( T h masuk T c masuk ) ( KJ / dt)( Re f.3hal 499) C h = laju aliran kapasitas panas per detik (KW/ o C) C c = laju aliran kapasitas dingin per detik (KW/ o C) T h masuk = suhu panas masuk evaporator ( o C) T h keluar = suhu panas keluar evaporator ( o C) T c masuk = suhu dingin masuk evaporator ( o C)