Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.1

BAB 10. REFRIGERASI DAN POMPA KALOR

SISTEM PENDINGIN (REFRIGERASI) Fungsi: mengambil panas dari daerah temperatur rendah dan

membuangnya ke daerah temperatur lebih tinggi. Jenis-jenis sistem pendingin (yang dibahas):

o Kompresi Uap, o Absorpsi, dan o Pendingin Gas.

SIKLUS PENDINGIN UAP CARNOT (2T-2s, Ideal)

Q = Tds = luas di bawah kurva T-s

Wnetto = Qnetto = QH QC = luas di dalam loop T-s

Koefisien Kinerja (Coefficient of Performance - COP) Ideal/Carnot

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.2

Pengaruh beda temperatur di penukar panas TH- TH = beda temperatur refrigeran

dan sekitar di kondenser TC -TC = beda temperatur sekitar dan

refrigeran di evaporator Koefisien kinerja efektif (akibat ada beda temperatur):

menjadi lebih kecil dibanding (koefisien kinerja jika tidak ada beda temperatur di penukar panas). SIKLUS PENDINGIN KOMPRESI UAP Sketsa perangkat keras dan diagram proses siklus

Diagram T-s menginformasikan:

o Panas Q secara jelas, dan o Temperatur secara jelas.

Diagram p-h menginformasikan:

o Panas Q dan kerja W secara jelas, dan

o Penurunan tekanan secara jelas.

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.3

Bahan untuk didiskusikan 1. Mengapa menggunakan katup bukan turbin? 2. Mengapa TK-1 di daerah superpanas? 3. Mengapa diinginkan TK-3 di daerah subdingin?

Analisa Termodinamika Siklus (kondisi ideal) 1. Evaporator (isobarik) ( )41 hhmQin = && Kapasitas pendinginan

2. Kompresor (isentropik, atau dengan c)

( )12 hhmWc = && ( )cc

scc

hhmWW 12, == &&&

3. Kondenser (isobarik) ( )32 hhmQout = &&

4. Katup (isenthalpik)

h4 = h3

5. COP (koefisien Kinerja)

12

41

hhhh

WQ

c

in

== &

&

Ton Refrigerasi Daya pendinginan sering kali dinyatakan dalam satuan Ton Refrigerasi. Definisi: 1 Ton Refrigerasi = 1 TR = 12 000 Btu/h 211 kJ/min ) Daya pendinginan untuk membekukan 1 ton (Inggris: 2000 lb) air dalam waktu 24 jam. Jenis-jenis Refrigeran yang umum

a. R-11 = CFC-11 dalam proses penghapusan b. R-12 = CFC-12 dalam proses penghapusan c. R-22 = HCFC-22 ) Tabel A.7 s/d A.9 d. R-134a = HFC-134a ) Tabel A.10 s/d A.12 e. Ammonia = NH3 ) Tabel A.13 s/d A.15 f. Propana = R-290 = C3H8 ) Tabel A.16 s/d A.18

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.4

Variasi Siklus Pendingin Kompresi Uap 1. Siklus Bersusun (Cascade)

Loop Atas: o Kondensasi pada TH o P kondensasi tidak terlalu tinggi,

sehingga: Sistem tidak berat ) murah Perlu pemilihan refrigeran

yang sesuai. Loop Bawah:

o Evaporasi pada TC yang rendah.

o P evaporasi tidak terlalu rendah (di atas atmosfer), sehingga: Tidak mudah

terkontaminasi jika ada kebocoran

Perlu pemilihan refrigeran yang sesuai.

COP: cBcA

in

WWQ

&&&+=

2. Siklus Bertahap dengan Pendingin Antara

Kerja kompresor:

PvWc =&

aWW 234 && < cW& berkurang COP naik (h1 h8) naik

Tetapi: Kapasitas inQ& mungkin turun Mungkin perlu laju alir m& lebih besar

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.5

SIKLUS PENDINGIN ABSORPSI Larutan gas/uap dalam cairan

Gas dapat larut dalam cairan, contoh: ikan bernafas, Coca-Cola, dll.

Kelarutan turun jika T naik, kelarutan naik jika T turun, contoh: softdrink dingin.

Sistem pendingin absorpsi: Sistem Refrigeran Absorben Larutan

H2O - NH3 NH3 H2O NH3 dalam H2O LiBr - H2O H2O LiBr LiBr dalam H2O

Perangkat Keras dan Variasi Sistem

Gambar di atas untuk sistem NH3-H2O; pada sistem H2O-LiBr weak solution dan strong solution berlawanan dengan gambar di atas. Perbedaan dengan Kompresi Uap 1. Tidak menggunakan kompresor yang dapat menyerap daya besar. Refrigeran diserap oleh absorben (membentuk larutan cair) yang

dapat dipompakan ke tekanan tinggi. 2. Perlu generator uap dengan sumber panas yang cukup murah. Diperlukan untuk memisahkan uap refrigeran dari larutan sebelum

masuk ke kondenser.

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.6

Kerugian Sistem Absorpsi dibanding Sistem Kompresi Uap: 1. Komponen lebih banyak: mahal, keandalan terbatas. 2. Perlu sumber panas yang cukup murah, mis: waste heat, geotermal,

dll. SIKLUS PENDINGIN GAS/UDARA (Brayton) Kebalikan siklus pembangkit daya Brayton Perangkat Keras dan Diagram Proses

Analisis Termodinamika Sistem

1. Kerja Kompresor

12 hhmWc =&&

2. Kerja Turbin

43 hhmWt =&&

3. Efek Pendinginan

41 hhmQin =&&

4. Koefisien Kinerja (COP)

)()()(

4312

41

hhhhhh

WWQ

tc

in

== &&

&

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.7

Untuk Siklus Udara Standar Jika panas jenis berubah (sebagai fungsi T):

o Gunakan Tabel A-22 o Gunakan persamaan

1

2

1

2

r

r

pp

pp =

Jika panas jenis konstan: o Gunakan persamaan-persamaan dari Bab 6

Perbandingan dengan Pendingin Kompresi Uap

Umumnya: COPpendingin gas < COPkomp uap TC,gas dapat mencapai -150oC

Bab 10: Refrigerasi dan Pompa Kalor hal.: 10.8

SISTEM POMPA KALOR (Digunakan sebagai Pemanas)

Pompa kalor mempunyai prinsip kerja yang sama dengan sistem

pendingin pada umumnya, namun berbeda dalam pemanfaatannya. Pada sistem pompa kalor, energi yang dimanfaatkan adalah energi

yang dilepas pada kondenser. Kinerja pompa kalor dinyatakan dengan Koefisien Kinerja (COP),

12

32

hhhh

WQ

C

out

== &

& Pada pompa kalor, Koefisien Kinerja pasti tidak kurang dari 1.