BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sistem Refrigerasi

2.1.1 Pendahuluan

Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Sesuai dengan konsep kekekalan energi, panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dipindahkan.Sehingga refrigerasi selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas.

Pada dasarnya sistem refrigerasi dibagi menjadi dua, yaitu:

1. Sistem refrigerasi mekanik

Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi mekanik di antaranya adalah:

a. Siklus Kompresi Uap (SKU)

b. Refrigerasi siklus udara

c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah

d. Siklus sterling

2. Sistem refrigerasi non mekanik

Berbeda dengan sistem refrigerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya:

5

a. Refrigerasi termoelektrik

b. Refrigerasi siklus absorbsi

c. Refrigerasi steam jet

d. Refrigerasi magnetic

e. Heat pipe

Dewasa ini, penerapan siklus-siklus refrigerasi hampir meliputi seluruh aspek kehidupan kita sehari-hari.Industri refrigerasi dan tata udara telah berkembang sangat pesat dan sangat variatif, demi memenuhi kebutuhan pasar yang sangat bervariasi.

Pada daerah tropis seperti Indonesia, yang mempunyai temperatur dan kelembaban udara yang relatif tinggi, sistem pengkondisian udara didominasi dengan menurunkan temperatur dan kelembaban udara. Untuk melakukan tugas ini, digunakan siklus kompresi uap yang digerakkan oleh kompresor dan menggunakan listrik sebagai sumber utamanya. Pada dasarnya sistem ini mengkonsumsi energi relatif besar untuk menghasilkan udara dingin. Konsumsi ini akan terus meningkat dan jika dibiarkan terus akan ikut memberi andil yang cukup signfikan pada pemanasan global. Oleh karena itu perlu dicari cara mengurangi konsumsi listrik untuk pengkondisian udara di Indonesia.

Temperatur yang nyaman bagi manusia ini cukup relatif, seperti riset yang diadakan oleh Tri Harso Karyono (1998) di Indonesia dikatehui bahwa suku bangsa juga menyumbang perbedaan pada tingkat temperatur nyaman seseorang. Ini dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 2.1 Temperatur netral/nyaman dari berbagai etnis di Indonesia [Tri Harso

Karyono (1998)

Etnik

Natural Temperatur

Ta

To

Teq

Aceh (n=6)

24.3

24.3

23.4

Tapanuli (n=23)

25.9

26.2

24.6

Minang (n=27)

26.9

27.4

25.7

Other Sumateran

26.6

27.0

25.7

(n=16)

Betawi (n=23)

27.0

27.3

25.9

Sundanese(n=86)

26.4

26.6

25.0

Javanene (n=232)

26.4

26.4

25.2

Other Indonesian (n=

26.9

27.4

26.2

62)

2.1.2 Siklus Kompresi Uap

Dari sekian banyak jenis-jenis sistem refigerasi, namun yang paling umum digunakan adalah refrigerasi dengan sistem kompresi uap.Komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah kompresor, evaporator, kondensor dan katup expansi.

3

2

Kondensor

Katup expansi

Kompresor

4

1

Evaporator

Gambar 2.1 Skema siklus kompresi uap (Himsar Ambarita,2010)

Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigeran akan menghisap panas dari lingkungan sehingga panas tersebut akan menguapkan refrigeran. Kemudian uap refrigeran akan dikompres oleh kompresor hingga mencapai tekanan kondensor, dalam kondensor uap refrigeran dikondensasikan dengan cara membuang panas dari uap refrigeran ke lingkungannya. Kemudian refrigeran akan kembali di teruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram P-h siklus kompresi uap ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini.

Gambar 2.2 Diagram T-S dan P h siklus kompresi uap (Himsar Ambarita,2010)

Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap seperti pada gambar 2.2 diatas adalah sebagai berikut:

a. Proses kompresi (1-2)

Proses ini dilakukan oleh kompresor dan berlangsung secara isentropik adiabatik. Kondisi awal refrigeranpada saat masuk ke dalam kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigeran akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropik, maka temperatur ke luar kompresor pun meningkat. Besarnya kerja kompresi per satuan massa refrigeran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

qw= h1 h2

(1)

dimana : qw = besarnya kerja kompresor (kJ/kg)

h1 = entalpi refrigeran saat masuk kompresor (kJ/kg)

h2= entalpi refrigeran saat keluar kompresor (kJ/kg)

b. Proses kondensasi (2-3)

Proses ini berlangsung didalam kondensor. 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 kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. Besar panas per satuan massa refrigeran yang dilepaskan di kondensor dinyatakan sebagai:

qc = h2 h3

(2)

dimana : qc = besarnya panas dilepas di kondensor (kJ/kg)

h2 = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

h3= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

c. Proses expansi (3-4)

Proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur, atau dapat dituliskan dengan:

h3 = h4

(3)

Proses penurunan tekanan terjadi pada katup expansi yang berbentuk pipa kapiler atau orifice yang berfungsi untuk mengatur laju aliran refrigeran dan menurunkan tekanan.

d. Proses evaporasi (4-1)

Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigeran yang bertekanan rendah sehingga refrigeran berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigeran saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap, seperti pada titik 4 dari gambar 2.2 diatas.

Besarnya kalor yang diserap oleh evaporator adalah:

Qe = h1 h4

(4)

dimana : qe= besarnya panas yang diserap di evaporator (kJ/kg)

h1 = entalpi refrigeran saat keluar evaporator (kJ/kg)

h4= entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg)

Selanjutnya, refrigeran kembali masuk ke dalam kompresor dan bersirkulasi lagi.Begitu seterusnya sampai kondisi yang diinginkan tercapai.Untuk menentukan harga entalpi pada masing-masing titik dapat dilihat dari tabel sifat-sifat refrigeran. Setelah melakukan perhitungan untuk beberapa jenis refrigerant yang sering dipakai di Indonesia, didapat nilai COP(Coefficient of Performance) sebagai fungsi temperatur kondensasi ditampilkan pada Tabel 2.1

Tabel 2.2 Nilai COP dari beberapa jenis refrigerant

T(oC)

40

45

50

55

60

65

70

Refrigerant

R12

5,58

4,75

4,21

3,65

3,22

2,84

2,48

R600

5,08

4,34

3,69

3,18

2,77

2,44

2,14

R134a

4,92

5,05

3,92

3,34

2,90

2,54

2,18

R22

5,47

4,75

4,98

3,97

3,26

2,78

2,44

2.2 Kondensor

2.2.1 Pendahuluan

Kondensor adalah APK (Alat Penukar Kalor) yang berfungsi mengubah fasa refrigeran dari kondisi superheat menjadi cair, bahkan kadang sampai kondisi

subcooled. Untuk mengingatkan kembali, ingat lagi diagram Ph, tugas dari kondensor adalah mengantar refrigeran dari titik 2 (setelah melalui kompressor) sampai ke titik 3 (sebelum masuk ke katup expansi). Proses ini adalah proses membuang panas pada tempertur kondensasi, Tc yang diasumsikan konstan. Medium pendingin yang biasa digunakan untuk melakukan tugas ini adalah udara lingkungan, air, atau gabungan keduanya. Masing-masing medium ini mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pembagian kondensor berdasarkan medium yang digunakan dapat dibagi atas 3 bagian, yaitu:

1. Kondensor berpendingin udara,

2. Kondensor berpendingin air, dan

3. Kondensor berpendingin gabungan (Evaporative Condenser).

Jika medium yang digunakan adalah udara, kelebihannya adalah tidak diperlukan pipa untuk mengalirkannya dan tidak perlu repot untuk membuangnya karena setelah menyerap panas bisa langsung dilepas ke udara lingkungan. Kelemahannya, udara tidak mempunyai sifat membawa dan menghantar panas yang baik. Oleh karena itu diperlukan usaha yang lebih untuk mengalirkan lebih banyak udara. Bisa dipastikan kondensor dengan medium pendingin udara umumnya digunakan pada siklus refrigerasi dengan kapasitas pendinginan yang kecil. Sementara jika medium pendigin yang digunakan adalah air, kelebihannya adalah air mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih baik daripada air. Oleh karena itu tidak dibutuhkan peralatan yang besar untuk proses perpindahan panas. Tetapi air tidak boleh dibuang begitu saja ke lingkungan. Misalnya setelah digunakan sebagai pendingin kondensor air akan menjadi panas dan tidak bisa dibuang begitu saja ke sungai atau danau, bisa-bisa

terapung semua nanti ikan yang ada di situ. Untuk menghindari efek lingkungan ini, biasanya kondensor berpendingin air dilengkapi dengan cooling tower yang fungsinya mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor dengan menjatuhkannya dari suatu ketinggian agar dapat didinginkan oleh udara. Oleh karena itu biaya awal kondensor berpendingin air ini biasanya lebih besar tetapi biaya operasionalnya lebih kecil, oleh karena itu sistem ini biasanya digunakan pada SKU dengan kapasitas besar. Pada evaporative kondensor air dan udara digunakan untuk mendinginkan kondensor. Air disiramkan ke pipa-pipa kondensor dan udara juga ditiupkan. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya penguapan di permukaan kondensor. Karena panas penguapan air sangat tinggi, dan ini diambil dari refigeran melalui dinding pipa maka jenis ini akan mempunyai koefisien perpindahan panas yang sangat baik. Hal-hal yang disebutkan di atas adalah salah satu perbedaan utama dari kondensor berpendingin air dan berpendingin udara. Perbedaan lain dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 2.3 perbandingan kondensor berpendingin udara dan air (Himsar Ambarita,2011)

Parameter

Pendingin Udara

Pendingin Air

Temperatur,Tc-Tpendingin

6 s/d 220C

6 s/d 120C

Laju aliran pendingin per TR

12 s/d 20 m3/menit

0,007 s/d 0,02m3/menit

Luas perpindahan panas per

10 s/d 15 m2

0,5 s/d 1 m2

TR

Kwecepata fluida pendingin

2,5 s/d 6 m/s

2 s/d 3 m/s

Daya pompa/blower per TR

75 s/d 100 W

Kecil

TR = ton of refrigerasi (beban di evaporator) 1 TR = 3,5 kW

2.2.2 Analisis kondensor

Pada kondensorlah sebenarnya diaplikasikan semua ilmu perpindahan panas. Pada dasarnya sangat banyak variasi kondensor yang mungkin jika dilihat berdasarkan jenis fluida pendinginnya, metode perpindahan panasnya, dan konfigurasi bidang perpindahan panasnya. Untuk memberikan gambaran bagaimana merancang sebuah kondensor pada sebuah siklus pendingin, maka dilakukan pembahasan pada kondensor yang berpendingin air dan jenisnya adalah APK shell-and-tube heat exchanger (biasanya diterjemahkan sebagai APK pipa-cangkang). Pada APK ini, air pendingin mengalir di dalam tabung dan uap refrigeran mengalir di luar tabung dan masih di dalam shell. Konfigurasi aliran fluida pada APK ini ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut ini. Pada gambar juga ditampilkan profil temperatur kedua fluida yang diidealkan.

(a)

x

(b)

Gambar 2.3. (a) shell and tube heat exchanger sebagai kondensor (b) Profil temperatur kedua Fluida yang di idealkan.(Ambarita,2011)

Laju perpindahan panas pada refrigeran dan air pendingin dapat dihitung dengang persamaan berikut:

QT mr .(h2 h3 )

(5)

QW mW cP. (Tw,o Tw,i )

(6)

Dimana h adalah entalpi refrigeran (dari diagram Ph) dan cp adalah kapasitas panas air. Laju perpindahan panas dari refrigeran ke air jika dihitung berdasarkan luas bidang perpindahan panas di sisi luar pipa Ao, adalah:

Qw U 0 A0 LMTD

(7)

Dimana LMTD adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (Log Mean Temperature Difference). Untuk kasus kondensor yang profil temperaturnya diidealkan seperti pada Gambar (2.4) dapat dihitung dengan persamaan:

r

1

r0

1

r0

ro ln

0

1

R fi

ri

R f 0

(8)

u0

r1

h1

r1

k

h0

Dimana r0 dan ri adalah jari-jari permukaan dalam dan luar pipa yang digunakan,

Rfi dan Rf0 tahanan termal akibat kerak pada permukaan dalam dan luar pipa, hi dan h0 koefisien konveksi di permukaan dalam dan luar pipa, dan k adalah koefisien konduksi bahan pipa. Dari semua parameter di persamaan (8) hi dan h0 adalah besaran yang harus dicari dan mempunyai banyak sekali syarat untuk menghitungnya. Misalnya jenis fluida, regime aliran (apakah laminar atau turbulent, ditentukan dengan menggunakan bilangan Reynolds). Karena pada bab ini yang dibahas secara spesifik adalah air yang mengalir di dalam pipa, maka koefisien konveksi di dalam pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Dittus-Boelter:

h

0,023 Re0,8 Pr 0,4 x

kw

(9)

i

di

Simbol f (kecil) pada semua persamaan ini menyatakan sifat refrigeran pada saat cair. N jumlah pipa kondensor tiap baris, fg h entalpi perubahan fasa (entalpi uap entalpi cair jenuh) refrigeran. T = Tc Tx adalah perbedaan temperatur kondensasi dan temperatur permukaan luar pipa. Semua sifat pada fluida ini dievaluasi pada temperatur film, yaitu temperatur = (Tw +Tc)/2 .

2.3 Siklus Kompresi Uap dengan Water Heater

Di negara-negara tropis seperti Indonesia, AC type split ukuran kecil umumnya digunakan pada perumahan dan bangunan komersial. Dalam perusahaan, pemanas air listrik sering digunakan untuk menghasilkan air panas. Keduanya AC dan pemanas air listrik pada umumnya mengkonsumsi banyak energi pada suatu bangunan. Jumlah dari AC dan pemanas air listrik telah meningkat selama bertahun-tahun, dan ini menimbulkan masalah serius pada negara yang sangat tergantung pada energi yang dihasilkan. Panas buang dari AC dapat digunakan untuk menghasilkan air panas. Manfaat dari melakukan hal ini adalah dua kali lipat. salah satunya adalah pemanfaatan untuk sebuah pemanas air listrik, dan yang lainnya adalah penghematan energi listrik jika tidak digunakan dalam pemanas air listrik. Hal Ini dapat dicapai dan fungsi dari AC untuk pendinginan tetap dipertahankan.

Saat ini, pemanas air menggunakan panas buang dari pendingin udara tipe split kecil yang banyak tersedia di Indonesia dan umumnya dibuat khusus untuk kebutuhan pengguna. Meskipun AC Split dengan pemanas air berhasil digunakan, kinerja mereka dan desain sistem untuk aplikasi di Indonesia belum sepenuhnya diselidiki, terutama ketika pendinginan dan efek pemanasan diperlukan. Studi pompa panas pemanas air yang beroperasi di negara-negara subtropis dan dingin telah muncul dalam literatur. Beberapa karya tersebut termasuk orang-orang Ji et al. (2003) dan Baek dkk.(2005).

Pompa panas dan model AC telah banyak dipelajari. Pompa panas model komputer pertama dikembangkan oleh Hiller dan Glicksman (1976). Sejumlah model telah dikembangkan dan digunakan oleh para peneliti dan produsen. Ada

juga model kepemilikan yang tidak tersedia untuk diperiksa di literatur. Beberapa pompa panas model yang tersedia melalui literatur terbuka adalah model MARKIII yang dikembangkan di laboratorium nasional oleh Fischer dkk (1988), model HPSIM dikembangkan di NBS oleh Domanski dan Didion (1983) dan Model pompa panas pengeringan gabah lainnya oleh Theerakulpisut (1990). Semua model ini adalah dari udara ke udara panas pompa. System pemodelan (RACMOD) pada ruangan ber AC yang dikembangkan oleh Mullen (1994) juga tersedia. Model ini didasarkan pada persamaan yang Diatur model pompa panas ORNL yang dikembangkan oleh Fisher dan Rice (1983) dan dimodifikasi oleh O'Neal dan Penson (1988).

Semua model pompa panas dan AC digunakan untuk mempelajari fenomena perpindahan panas antar udara. Tidak ada model percobaan diatas dibuat untuk mempelajari kasus di mana panas buang harus di recover dari sistem AC. Ini adalah keuntungan besar untuk memahami pengaruh dari penambahan pemanas air ke dalam sistem yang melakukan tugas ganda yaitu pendinginan dan pemanasan.

Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk membangun sebuah model matematika pada sebuah AC sekaligus sebagai pemanas air untuk tujuan studi sistem. Hal ini diharapkan bahwa model ini akan cukup akurat untuk mempelajari kinerja sistem saat ini dan dirancang untuk melakukan tugas tambahan pemanas air di samping sebagai alat pendinginaan. Studi parametrik dari sistem juga dapat dilakukan untuk memahami parameter utama yang akan mempengaruhi kinerja sistem. Model ini akan divalidasi dengan melakukan eksperimen untuk memastikan bahwa hal itu dapat digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan.

Model ini dikembangkan dari Model Theerakulpisut (1990). Perbedaan antara model dan ini Theerakulpisut Model terletak pada fakta bahwa Model Theerakulpisut itu berisi kompresor reciprocating dan submodels katup ekspansi termostatik, sedangkan penelitian ini mengusulkan untuk pemodelan sistem yang menggunakan kompresor rotary dan tabung kapiler. Sebagai hasil dari dimasukkannya tangki air panas antara kompresor dan kondensor, program komputer penelitian ini juga lebih rumit karena kondisi refrigeran pada kondensor inlet dapat superheated, dua fase atau subcooled. Pemodelan sistem berikutnya diuraikan.

Water heater di letakan di antara setelah bagian kompresor dan sebelum kondensor karena proses pemanasan air pada water heater tersebut menggunakan panas buangan dari kondensor dimana pada umumnya suhu Freon yang keluar dari kompresor AC dibuang pada kondensor.

Dengan adanya water heater, aliran panas itu dibelokkan dulu kedalam tangki air dingin sebelum masuk ke kondensor terjadi kontak perpindahan panas dari pipa AC dan air di dalam tangki. Pipa AC yang keluar dari kompresor langsung di alirkan dahulu ke dalam heat exchanger berupa pipa spiral dalam tangki dan air yang semula dingin pun memanas, begitupula sebaliknya suhu Freon yang panas menurun, setelah melewati pipa spiral dalam tangki barulah kemudian pipa AC kembali diarahkan ke kondensor. Untuk memperoleh air panas AC harus menyala dulu, bila ingin mendapat air panas pagi hari, AC dinyalakan malam sebelumnya minimal 3 jam.

Adapun manfaat dari water heater adalah:

Hemat Uang

Daya Tahan lebih lama

Aman

Air panas yang diperoleh stabil.

Gambar 2.4.Mesin Pendingin siklus kompresi uap hybrid (Ambarita,2010)

Gambar 2.5 Aplikasi mesin pendingin SKU hibrid pada ruangan

Gambar 2.6. Diagram P-h siklus kompresi uap hybrid (Ambarita,2010)

Proses-proses yang terjadi pada siklus kompresi uap hybrid seperti pada gambar 2.5 diatas adalah sebagai berikut:

1-1= proses berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperatur konstan) di dalam evaporator. Panas dari lingkungan akan diserap oleh cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga refrigerant berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigerant saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.

1-2= proses berlangsung di antara evaporator dan compressor, dimana tekanan konstan (isobar).

2-3= proses berlangsung dilakukan oleh compressor dan berlangsung secara isentropik adibatik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam compressor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena proses ini berlangsung secara isentropic, maka temperature ke luar kompresor pun meningkat.

3-4= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat. Dimana uap refrigerant dari kompressor akan di kompres hingga mencapai tekanan kondensor.

4-.5= proses ini berlangsung di dalam water heater dalam kondisi superheat. dimana panas refrigerant yang telah di kompres oleh compressor dibelokkan ke dalam koil pemanas di dalam tangki sebelum masuk ke dalam kondensor.

5-6= proses berlangsung di antara water heater dan kondensor dengan tekanan konstan (isobar). Dimana panas refrigerant sudah menurun, karena sudah diserap oleh air di dalam tangki water heater.

6-.7=Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigeran yang bertekanan tinggi dalam kondisi superheat yang berasal dari water heater akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa di dalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungannya (udara), sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair.

7-8= proses berlangsung di antara kondensor ke katup expansi, dimana tekanan dan temperature sudah menurun.

8-9= proses expansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini tidak terjadi perubahan entalpi tetapi tejadi drop tekanan dan penurunan temperatur.

9-1= proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperature konstan) di dalam evaporator. Dimana panas dari lingkungan akan di serap oleh cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga refrigerant berubah fasa menjadi uap bertekan rendah. Kondisi refrigerant saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap.

Skema dari sistem pendingin udara sekaligus pemanas air yang diuraikan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar.2.4, dan siklus operasi ditunjukkan pada Gambar. 2.6 Sistem terdiri dari komponen utama dari AC, yaitu kompresor, evaporator, kondensor, tabung kapiler dan penerima dan pemanas air tambahan

yang juga berfungsi sebagai tangki penyimpanan air. Perlu dicatat bahwa selama operasi normal, air panas diharapkan akan ditarik dari tangki, dan tangki disuplai dengan air. Pada tahap penelitian, diasumsikan bahwa air tidak ditarik dari tangki. Namun, model ini akan diperpanjang untuk menutupi daerah di mana air panas ditarik dari tangki. Model matematika dari setiap komponen dapat dijelaskan sebagai berikut.

2.3.1. Tabung kapiler dan model kompresor

Model tabung kapiler dikutip dari persamaan ASHRAE (1997). Dalam metode ini, teorema pi Buckingham diaplikasikan pada faktor fisik dan sifat cairan yang mempengaruhi aliran pada pipa kapiler. Hasil dari analisis ini adalah sebuah kelompok terminology pi dengan dimensi delapan.

Proses dalam tabung kapiler dianggap adiabatik. Kondisi pada saat refrigerant masuk dapat subcooled atau campuran cairan dan uap. Efek melingkar tabung kapiler akan dihitung. Koil dari tabung kapiler akan mengurangi laju aliran massa refrigeran sebesar 5% bila dibandingkan dengan tabung lurus (1996). Oleh karena itu, persamaan terminology pi dengan dimensi delapan dikalikan dengan 0,95 seperti yang ditunjukkan pada Persamaan. (10). Prosedur untuk menentukan

8 dapat ditemukan di ASHRAE (1997).

mr ,cap 0,958dcap f

(10)

Model kompresor diperoleh dengan kurva data fitting produsen (Siam Compressor Industry Co.,2002) untuk memberikan Persamaan. (11) untuk laju aliran massa efrigeran dan Persamaan. (12) untuk daya input kompresor

.

1

130.12950 1.31674tc 0.0069tc2 te

mr ,cop

3600

9.90989 0.23284tc 0.00194tc2te

0.43826 0.01524 tc 0.00015 tc2

(11)

Pcomp

1

389.81950 9.84761tc 0.06207tc2

1000

18.09224

0.63628 tc 0.00332 tc2te

1.37331

0.06466 tc 0.00068 tc2

(12)

Persamaan (11) digunakan untuk menghitung laju aliran massa refrigeran untuk membandingkan dengan nilai yang diperoleh dari Persamaan. (12) sampai kesepakatan dalam toleransi yang ditentukan tercapai. Daya Input refrigeran selama proses kompresi (w45) dapat dihitung dari Persamaan. (13). Efisiensi kompresor rotari diberikan oleh Ozu dan Itami (1981), efisiensi mekanik ( m) dan efisiensi motor listrik ( f) keduanya direkomendasikan menjadi 0,85.

W

m f pcomp

45

.

(13)

m

Kemudian, entalpi refrigeran pada pintu keluar kompresor (h5) dapat dihitung dari

hs h4

h4s

(14)

dimana entalpi refrigeran pada saluran masuk kompresor (h4) ditentukan dari model penerima.

2.3.2 Model kondensor

Model kondensor terdiri dari banyak persamaan. Sejauh ini cukup rumit, persamaan itu tidak semua akan disajikan di sini dan hanya persamaan utama yang akan dijelaskan. Perpindahan panas pada kondensor dimodelkan menggunakan metode NTU-e. Daerah Perpindahan panas pada kondensor dibagi menjadi tiga zona, yaitu desuperheating, dua fase dan zona subcooled. Setelah melalui pemanas air,kondisi refrigeran masuk kondenser superheated, dua fase atau subcooled. Strategi Pemodelan kondensor adalah sebagai berikut.

a. Zona Desuperheating

Jika kondisi refrigeran pada sisi masuk kondensor adalah superheated, bagian dari daerah kondensor berada dalam zona desuperheating. Metode Newton-Raphson digunakan untuk memecahkan persamaan. (10) untuk jumlah unit transfer (Ndsh), dan desuperheating (fdsh) dihitung dari Persamaan. (16). Keseluruhan koefisien perpindahan panas di zona desuperheating (Udsh) dihitung dengan Persamaan. (17), sedangkan efisiensi sirip () dievaluasi dari persamaan yang digunakan oleh Charters dan Theerakulpisut (1989). koefisien perpindahan Panas refrigeran (hrs) dihitung dari terkenal Dittus-Boelter persamaan, dan sisi udara koefisien perpindahan panas (telah) persamaan dihitung dari persamaan Webb (1990),

Crdsh t 8

tc

0.22

Ndsh

0.78

1

exp

exp CNdsh

1

Cmin t 8 taci

C

fdsh NdshCmin Udsh Ac

(15)

(16)

udsh

1

AC

1

(17)

Ati hrs

h

A

1

to

h

as

Afin

as

Laju perpindahan panas pada bagian desuperheating (qdsh) dan suhu udara keluar di zona desuperheating, yang sama dengan suhu udara inlet pada dua fasa (tatpi) dihitung dari Pers. (18) dan (19), yaitu :

qdsh Cr (t8 tc )

(18)

tatpi taci qdsh

Ca

(19)

b. Zona Dua fase

Metode perhitungannya sama dengan yang ada di zona The

desuperheating, tetapi koefisien perpindahan panas pada refrigerant di wilayah

dua fasa dievaluasi dari persamaan yang diusulkan oleh Traviss dkk.(1973). Prosedur untuk menghitung fraksi dua tahap adalah sebagai berikut:

tp 1 e Ntp

tp Ca t atpo tatpi tatpo tatpi Cmin t c tatpi t c tatpi

ftp Atp Ac

Ntp Utp Atp Utp ftp Ac

CminCa

(20)

(21)

(22)

(23)

Dengan menggabungkan persamaan. (20), (21) dan (23),

tatpo

tatpi

.

mrhfgCa

c

a

tc tatpi

f

tp

ln

utp

Ac

(24)

tc tatpo

Perhitungan (ftp) oleh Pers. (24) membutuhkan (tatpo), yang dapat dihitung dari

pers.

(25)

Perhatikan bahwa persamaan (25) ini hanya berlaku jika refrigeran masuk ke dalam tahap dua fase sebagai uap jenuh dan keluar sebagai cair jenuh. Laju

perpindahan panas untuk bagian dua fasa dapat dihitung dengan pers.

.

qtp mr hfg

(26)

Zona subcooled mungkin

tetap berada di kondensor, dan fraksi subcooled (fsc)

dapat dihitung dari

f sc

1 f tp fdsh , ftp

fdsh

1

(27)

Atau

f sc ftp

fdsh 1

(28)

Jika zona subcooled tidak ada,maka i.e Fsc = 0, fraksi dua fase harus ditentukan dari

f sc

1 fdsh

(29)

dan laju perpindahan panas dari pers ,

qtp

tp cmin t c

tatpi

(30)

Suhu udara keluar pada dua fasa (tatpo), ,dihitung dari pers.

tatpo tatpi

qtp

ca

(31)

c. Subcooled zona

Jika fraksi subcooled lebih besar dari nol, perpindahan panas untuk

wilayah subcooled dalam kondensor dievaluasi dari persamaan berikut. Prosedur

perhitungan hampir mirip dengan bagian desuperheating.

N sc

U sc f sc Ac

cmin

0.22

N sc

sc 1

exp

exp CN scv0.78 1

C

t9 tc

sc cmin t c

tatpo

crsc

(32)

(33)

(34)

Catatan Bahwa keseluruhan koefisien perpindahan panas dalam zona subcooled (Usc) sama dengan Persamaan. (18) Digunakan untuk mengevaluasi Udsh. Laju perpindahan panas untuk zona subcooled dapat dihitung dari pers.

qsc crsc t c t9

(35)

dan suhu udara keluar kondensor,

taco

tatpo

qsc

(36)

ca

Total laju perpindahan panas pada kondensor

diperoleh dari jumlah laju

perpindahan panas dari tiga zona.

qc

qdsh qtp qsc

(37)